PFC 芯片ML4821的工作原理及其应用
The Operation Principle and Application of PFC IC 2ML4821解放军信息工程学院 师宇杰(郑州 450002)
电器设备的功率因数过低,会加重电网的
负载,造成电网容量的浪费。功率因数的优劣是开关电源性能好坏的一个重要评价指标。本文用功率因数控制芯片ML4821研制成功一种开关电源,收到了理想的效果。
1 ML4821的工作原理及其特点
一般的整流滤波电路只在输入电压的峰值处有脉冲电流,即只在输入电压的峰值处获得电能,这是设备功率因数低的主要原因。ML4821的功率因数校正原理就是使设备在整个正弦周期内获得电能,并通过调整周期内能
量分布使输入电流呈与输入电压同相的正弦波形,图1是使用ML4821的功率因数校正基本电路。
图1 基本PFC 电路
基本PFC 电路的核心是电流控制环。正
比于输入整流电压的电流I 和误差放大器输出电压u out 在乘法器相乘,产生电流I MO ,通过电阻R c 产生一个与输入整流电压波形相同的电压。输入电流I L 通过取样电阻R s 产生电压u s ,它与R c 上的电压相减后加在电流误差放大器的输入端。由于电流环是无差的,它必将迫使R c 和R s 上的电压差等于0,即迫使主回路
电流跟踪输入整流电压呈正弦整流波形,从而使输入电流呈正弦波形。电流误差放大器输出电压与一个三角波电压在PWM 比较器中比较后产生一个PWM 触发脉冲,去驱动MOS 2FET 。脉宽调制的高频开关电流在提升电感L 的作用下全周期向负载提供电能,不同于普通整流滤波电路,只在电压峰值时提供电能。
ML4821的结构特点是一个双闭环控制系
统和一个变系数乘法器。1.1 电流控制环
双闭环控制系统的内环是一个电流控制环,由电流调节器
、PWM 调节器和功率转换电路组成,其作用是迫使输入电流跟踪输入电压的波形。图2为电流环结构。
图2 电流环结构
功率转换电路的传递函数G ps (S )[1]
G ps (S )=u s (S )/D on (S )=U out R s /SL (1)
式中u s ———电阻R s 上的取样电压,u s =I L R s
D on (S )———脉冲占空比U out ———输出直流电压L ———主回路电感
PWM 调制器的传递函数G PWM (S )[1]
G PWM (S )=ΔD on /Δu -=1/5.5
(2)
式中 u 2———PWM 比较器的反向输入端电压
1.2 电压控制环
双闭环控制系统的外环是一个电压控制环,其作用是使输出电压高于输入电压峰值的电平,这是PFC 所必需的,并可起到稳定输出电压的作用。图3示出电压环结构图。
G VOL (S )是包括电流环在内的控制对象的传递函数
G VOL (S )=P in /(S C out U out Δu out )
(3)
式中 P in ———输入功率最大值
601《电力电子技术》1997年第2期 1997.5
C out ———输出电容
u out ———电压误差放大器输出电压最大变化范
围
G F ———电压反馈系数,为常数G V (S )———
电压调节器传递函数
图3 电压环结构图
1.3 乘法器
乘法器是ML4821的一个关键部件,其输出电流I MO 由下式给出
I MO =KI sine (u out -0.8)
(4)
式中 I
sine ———输入到第5脚的电流,正比于输入全波
整流电压
K ———乘法系数
为了抵消输入电压对电压环放大倍数的影响,将K 设计成输入电压的函数,即当电压变化时K 也相应地变化,以使电压环放大倍数与输入电压无关。
因此,I MO 具有与I sine 同样的波形。
2 PFC 整流器的实现
图4是采用ML4812
的PFC 整流器电路。
图4 PFC 整流器实现电路
设计出良好的电流调节器和电压调节器是实现PFC 整流器的关键。因功率转换电路的
输入电压为全波整流的正弦,含有丰富的谐波,故电流环须有足够的带宽。此外电流环应是无差的,这样才能使I MO R c =I L R s ,实现如前所述的输入电流以电流跟踪输入电压波形的目
的。另外,如果要求稳压,则电压环也应是无差
的。
图5示出由C 2、C 5、R 13
、R 12、R 6和内部运算放大器组成的电流调节器。
图5 电流调节器电路
得电流调节器的传递函数
G I (S )=1
R 12?1+S C 5R 13S C 5(
S C 2R 13+1)
(5)由R 10、C 6、R 18、R 17和误差放大器组成电压调节器和反馈电路如图6所示。
图6 电压调节器电路
得电压调节器传递函数
G V (S )=u out /(u ref -u a (S ))
=1/R 10C 6S
(6)式中 u a (S )=G F u out
G F ———电压反馈系数,G F =
R 17/(R 17+R 18)
脚1为过流保护端,由R 11、
R 5、C 4、R 1组成过流保护电路;脚5通过电阻R 7取得正比于输入
整流电压的电流I sine ;由R 8、R 9、R 15、C 3、C 7得到正比于输入电压
有效值的直流电平,送至脚8,由
此控制乘法器系数K;脚11为过压保护端。
3 实验结果
图7为图4电路在100Ω负载时的实验波形。由图4知,ML4821未起动时,MOS 管V 1不导通,输入整流电压通过二极管VD 9向电容C 19充电,只有u a 大于输出电压时才有电流,因
7
01功率因数控制器ML4821的控制机理及其应用
此,输入电流和R1上的电压u s均呈脉冲波形
。
图7 电路在100Ω负载时的实验波形
(a)ML4821未工作时电压u A和u s波形
(b)ML4821未工作时U in和I in波形
(c)ML4821工作时电压u A和u s波形
(d)ML4821工作时U in和I in波形
ML4821工作时产生PWM脉冲以触发MOS管V1,脉宽调制的高频开关电流在提升电感的作用下,全周期向负载提供电能。由于电流环的自动调节作用,u s跟踪u a波形,从而使输入电流呈与输入电压完全同相的正弦波形。从波形上看,校正效果是显而易见的。
实验结果表明,该芯片设计合理。外围电路简单,PFC实现效果好,是设计PFC电路的一种较好选择。
参 考 文 献
1 M K Nlbant.Theory and Application of the ML4821Average Current Mode PFC Controller.Micro Linear,1992:102～119
收初稿日期:1996203215
收定稿日期:1996209222
作者简介
师宇杰:男1954年生,讲师,硕士学位。专业为工业自动化。
(上接第90页)
作者简介
弓小武:男,1966年5月生,博士后。专业为通讯,研究方向是半导体功率器件及ASIC设计。
刘玉书:男,1937年生,研究员。专业为半导体器件,研究方向是半导体功率器件。
樊昌信:男,1931年生,教授。专业为通讯,研究方向是综合业务网理论及ASIC设计。
801《电力电子技术》1997年第2期 1997.5