基于UC3854控制的PFC建模及应用

２００６年第１期　移动电源与车辆　２９　基于ＵＣ３８５４控制的ＰＦＣ建模及应用　王耀北　，徐学友’，闰英敏　（１．蚌埠坦克学院，安徽蚌埠２３３０００；２．军械工程学院电气工程系，河北石家庄Ｃ５０００３）　作者简介：王耀北　摘要：分析了以ＵＣ３８５４为核心组成的ＰＦＣ电路工作机理基础上，建立该电路电流环、电　（１９７５·），男，硕士，　：　波产生原因及谐波抑制指标分配原则．并根据具体电路指标要蠢萎霎　为电　求提供了该电路应用的方法

关键词：ＵＣ３８５４；ＰＦＣ；数学模型；应用　中图分类号：ＴＭ５７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３－４２５０（２ｏ０６）０１－００￣９－０４　

从控制角度上，功率因数校正（ＰＦＥ）应同时具　备整流和稳压功能。即在输人功率因数为Ｉ时，输出　电压同时稳定。为达此目的，ＰＦＣ电路引入电压和　电流反馈构成双环控制系统；外环输出电压反馈构　成电压环，提高了输出电压的稳定性；内环电感电流　反馈则构成电流环，它通过调节主电路直流变换器　的占空比，使电感电流跟随电压变化，同时提高瞬态　响应速度，增强控制精度…【２】。本文就以ＵＣ３８５４　构成的ＰＦＣ电路中闭环进行分析，建立该双闭环数　学模型，并根据指标要求，介绍闭环的应用方法。　Ｉ　ＰＦＣ控制机理　图ｌ给出了以ＵＣ３８５４构成的基本ＰＦＣ原理电　路图（采用ＢＯＯＳＴ型拓补）。其核心是电流控制　环，它由电流误差放大器（ＣＥＡ）、ＰＷＭ比较器、功率　级等组成。工作时，整流后的电压通过滤波器Ｋ取　样、电流　和电压误差放大器（ＹＥＡ）输出在乘法　器中相乘，产生电流，　。（波形呈正弦波整流波形），　通过电阻Ｒ村０在其上产生压降。主电路输入电流，　通过取样电阻　产生压降，它与Ｒ们上的电压相减　后加在电流误差放大器的输入端，由于电流环是无　差的，它将迫使　。和　上的电压差等于０，即当电　流误差放大器有输出电压时，输出电压将与三角波　电压在ＰＷＭ比较器中比较产生ＰＷＭ触发脉冲，去　驱动开关管开关而调节　，使　的波形接近正弦波　整流波形，也即迫使主回路电流，　跟踪输入整流电　压的波形而呈正弦波整流波形，因而，使输人电流呈　正弦波形，完成功率因数校正。电压环是包含电流　收稿日期：２００５￣５·４０　环、电压误差放大器、乘法器和直流变换器等，通过　监控输出电压，在误差放大器内放大，输人乘法器到　电流环输出，调节直流变换器的占空比，使输出电压　稳定。　

图１　ＡＰＦＣ校正原理围　图２电流误差放大器　２　ＰＦＣ双闭环数学模型　２．１　电流闭环控制结构与传递函数　电流闭环由电流误差放大器、ＰＷＭ比较器和功　率级组成，各部分传递函数为：　电流误差放大器为图２所示的ＰＩ校正器。其　

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传递函数为：　ｃ　）＝　Ｕｃ　Ａｏ

ＰＷＭ比较器传递函数为：　Ｇ删（．ｓ）：　：Ｋｐ刚　Ｃ，ＡＯ　式中　Ｄ咖（Ｓ）——ＰＷＭ脉冲占空比。　

功率级传递函数为…：　

Ｇ　）＝器＝　ＵｏＤｏＮ（Ｓ）Ｒｓ；百ＵｏＲｓ　式中　（Ｓ）——取样电阻Ｒｓ上电压；　功率电路输出电压（电压恒定）　Ｒｓ——电流取样电阻；　功率电路电感。　则电流环结构框图见图３。　

ｈ　㈣　Ｏｅｓ（Ｓ）　ｌ　

图３　电流闭环控制结构图　电流环开环传递函数Ｇ，（Ｓ）为：　Ｇ，（Ｓ）＝Ｇ删（Ｓ）ＧＰ删（Ｓ）ＧＰＳ（Ｓ）　

删　ＤＲｓ（１＋ＣｃｌＪＲｃ．ｓ）　．ｓ　肼ｅ６Ｃｃ１（１＋Ｃｃ２ＪＲｃ．ｓ）　可见电流环为二阶无差系统，它可以无差地跟　踪正弦波输入函数，从而使电流　无差的跟踪　。　的波形　。　２．２　电压闭环控制结构与传递函数　外部电压环，它由电压误差放大器、乘法器和以　电流环为核心的部件等组成，结构框图如图４所示。　Ｈ为图１中ＪＲＩ和ＪＲ：构成的分压网络。　

图４　ＡＰＦＣ双闭环系统结构框图　其中，电压误差放大器如图５所示，传递函数为：　Ｇ　．ｓ）＝　Ｖｖ　ｏＲ　ｖ

图５电压误差放大器　由于电压环除了电压误差放大器外，主要由电　流环构成，所以，可将图４可以简化为图６所示结构　框图。　

图６简化电压闭环框图　

对于包含电流环在内的控制部件的传递函数　ＧｖｏＬ（Ｓ）可表示为　：　ＵＤ（Ｓ）　Ｇｍ　（Ｓ）＝——＝　Ｐ　

岫（Ｓ）　ＳＣＤＵＤ△　唧　式中Ｐ　——输入功率；　

ｃ。——功率电路电容值；　。——输出直流电压；　△　哪——电压误差放大器输出电压　最大范围。　电压开环系统传递函数Ｇ　（Ｓ）为：　ＧＵ（Ｓ）＝Ｇ哪（．ｓ）Ｇ眦（．ｓ）　ＰｌＮＲｖ　．ｓＣＤ　Ｄ△　惦４ＪＲ１（１＋ＳＲ　Ｃｖ）　可见，该系统为一阶无差系统，它可以无差的跟　踪输入信号，即对给定的　，输出是稳定不变的。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第１期　移动电源与车辆　３１　２．３前馈电压滤波器结构与传递函数　由于整流后电压具有相当数量高次谐波，若这　些谐波经过乘法器，将最终引起输入电流畸变，所　…　以，前馈电压纹波应很小。系统利用双极点滤波器　、　对前馈电压纹波进行衰减，如图７所示（即图ｌ中Ｋ　网络）。　图７前馈滤波器　

Ｅ，２（　）　

建立其传递函数为：　Ｇ　（ｓ）＝　（ｓ）／　（ｓ）＝　Ｒ　ＩＢ　

３谐波抑制技术　３．１　ＰＦＣ电路的谐波产生　ＰＦＣ芯片，一般都采用乘法器来得到电源基准　信号的，如图１所示，ＵＣ３８５４的乘法器ＭＵＬ有三个　输入端Ａ、Ｂ、ｃ，相应的为电压误差放大器输出信号　

阳、乘法器输入电流　（网侧整流电流，它与整流　电压波形成比例）、前馈电压　。全桥整流电压上包　含的二次纹波占基波含量６６％，若不经过滤波，则　前馈电压　、输出电压　、电压误差放大器输出信　号　阳和乘法器电流输出均含有二次、三次谐波。一　般，若前馈电压　含有ｌ％二次谐波，电流基准信　号即输入电流产生１％的基波和１％的三次谐波；若　

加含有１％二次谐波，则在输入电流产生的０．５％　基波和０．５％三次谐波，其相位均与二次纹波一　致㈣。　３．２谐波抑制指标分配方案　由于ＰＦＣ电路要求三次谐波不超过３％，结合　电路抑制谐波为：总的３％的三次谐波中有１．５％是　因前馈电压　造成，即前馈电压　的二次谐波的　含量不超过１．５％；Ｏ．７５％是　旧造成的，即　阳的　二次谐波含量不超过１．５％，其余剩下０．７％作为余　量。　

４　ＵＣ３８５４构成的ＰＦＣ电路应用　以ＵＣ３８５４构成的ＰＦＣ电路应用，主要指按电　路功率和谐波抑制指标，设定前馈电压滤波器、电压　误差放大器和电流误差放大器等环节的参数。　４．１前馈电压滤波器参数设定　经整流后，电压通过图７前馈滤波器。电压输入　最低时，在节点ｌ、２处有效值必须分别大于或等于　１．４１４Ｖ和７．５Ｖ，则可以建立如下方程：　１．１４１＝Ｕ２（ｒａｉｎ）Ｒ妇／（ＲＫｌ＋Ｒ肥＋Ｒ　）　７．５＝Ｕ２（１ｎｉ　）（　妇＋　＾２）／（Ｒ削＋Ｒ船＋　妇）　分压器的输入阻抗通常选用ｌＭｎ，即Ｒ　＋　皿　＋Ｒ妇＝１０。则可解出电阻值。　滤波器中电容决定了市电输入的衰减值。限定　前馈电路对总谐波畸变的贡献为１．５％，因此，滤波　衰减值为：１．５％／６６％＝０．０２２７。　采用两个相等级联极点，则单级衰减为　０２２７＝０．１５，则滤波器的极点为：　０．１５ｆ，＝Ｏ．１５×１００＝１５（Ｈｚ）　（　为二次　谐波频率）。则：　Ｃ柏＝１／（２７ｒ　ｘ　ｘ　Ｒ＾２）；　Ｃ＾２＝１／（２仃×　×Ｒ幻）。　４．２　电压误差放大器参数设定　对电压环参数设定，要使电压环的带宽必须设　计得足够低，以衰减输出电容上的二次谐波；电压误　差放大器也必须有足够的相位裕度以在相位上跟踪　输入电流，使功率因数提高。　电压环部分的设计从计算输出电容上允许的二　次谐波电压开始，再计算电压放大器允许的输出二　次谐波，及由此算出电压放大器的二次谐波增益值，　由该增益值可以算出电压环的反馈电容。功率部分　的增益和电压环的增益组成整个电压环的增益，整　个电压环的增益为１时算出交越频率。再由交越频　率算出补偿网络的电阻。具体参数设定过程如下：　确定输出电容上的谐波电压：　Ｕ。（ｐ　）＝Ｐ　／２￣ｆｒｃ。Ｕｏ。　为满足三次谐波不超过３％的规定，由输出谐　波电压馈人电压误差放大器所带来的谐波含量不应　超过１。５％。故电压误差放大器输出应小于所容许　的谐波电压，则该放大器在二次谐波频率点处的增　益值为：Ｇ¨＝　阳（　）／Ｕｏ（　）　１。５％×△　哪／　Ｄ（　），　△　典型值为５Ｖ。　任选输出电压反馈电阻　，则Ｒ：＝Ｒ。×　

维普资讯 http://www.cqvip.com ３２　Ｍｏｖａｂｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　＆　Ｖｃｈｉｃｌｅ　Ｎｏ．１　２ｏｏ６　，／（　一　胙，），利用放大器在二次谐波频率点处　的增益值为１／（２￣ｒｆ，ＲｌＣｙ），可以计算反馈电容ｃ　。　为了提供足够的相位裕度，在交越频率处设置　极点，因为，主升压电路的相位滞后９０。。如果误　差放大器的极点设置在交越频率处，整个环路的增　益将有４５。的相位裕度，满足稳定性条件。极点频　率为：　＝Ｐ　／△　ｏ　ｌＣｏｃ　７ｒ　，则：　ｙ＝　１／２￣ｒｆ．Ｃｙ。　４．３　电流误差放大器参数设定　对电流环参数设定，即要求电流环补偿后在开　关频率附近应误差放大器的增益要配合电感电流的　下降率并提供平稳增益；在低频的零点响应提供高　增益完成电流控制工作。　反馈电阻设定：它的确定是在确定电流误差放　大器最大增益基础上进行的。电流误差放大器最大　增益要满足：ＰＷＭ比较器的两个输入信号，被放大　的电感电流的下降斜率不能超过锯齿波的上升率，　即这直接给出了电流放大器在开关频率处增益的上　限值。电感电流最大下降率（发生在输入电压为０　时）为　。／　。锯齿波的上升率为　／Ｔｓ＝ＶＪｓ，由原　理电路及上述标准有（Ｕ。／Ｌ）Ｒ　Ｇ～＝　，所以，电　流放大器最大增益为：Ｇ一＝　Ｌ／ＵｏＲ　。　式中：　为锯齿波电压的峰一峰值。设Ｒ　＝　Ｒ肿，则反馈电阻Ｒ　＝Ｃ～Ｒ　。　零点设置：电流环的零点必须设置在交越频率　低于交越频率处。如，设置在交越频率上，相位裕度　为４５。，低于交越频率则相位裕度更大点６４５。的相　位裕度的系统工作稳定、低过冲、干扰小，所以，将零　点设置在交越频率处。电流环的穿越频率为　＝　ｃ，ｏ风Ｒｃ／２￣ｒ　ｃ６，则Ｃｃ１＝Ｉ／２￣ｒｆ￣ｉＲ　。　极点的设置：电流环极点设置应高于开关频率　１／２，这样，极点不会影响控制环的频率响应。另外，　为了减少电流环对噪声的敏感性，通常令极点频率　等于开关频率。则Ｃ盘＝１／２￣ｒｆ，Ｒ。。　参考文献：　［１）高曾辉．开关电源功率因数器电流环的分析与设计　［Ｎ）．宜宾师专学报，１９９８，（２）：２４－２９．　［２）　师宇杰，柏溢．ＰＦＣ电路的双闭环控制［Ｎ）．信息工程　学院学报，１９９９，（３）：３９－４１．　［３）　ＭＫ　Ｎａｈｎｔ．Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＭＬ４８２１　Ａｖｅｒ－　ａｇｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ＰＦＣ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ（ｚ］．Ｍｉｃｒｏ　Ｌｉｎｅａｒ１９９２．　１０２．１　１９．　［４）ＰＨＩＬＩＰ　ＣＴＯＤＤ　ＵＣ３８５４　Ｃｏｎｔｒｏｎｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｃｏｆｆｅｅ—　ｔｉｏｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ［Ｚ）．Ｐｒｏｄｕｃｔ＆Ａｐｐｆｉｃａｔｌｏｎ　Ｈａｎｄ　Ｂｏｏｋ．１９９５．１９９６．　［５）　刘闻，等．升压型功率因数校正技术的研究和实践　［Ｊ）．江苏电机工程，１９９８，（３）：１．４．　［６］　Ｍｏｈａｎ，Ｕｎｄｅｌａｎｄ，Ｒｏｂｂｉｎｓ．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｅ８（Ｃｏｎ．　ｖｅ￣ｅｍ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ）［Ｍ）．北京：高等教　育出版社，２００４．　［７）Ｊ丑ｊ　Ｐ．Ａｇｒａｗａ１．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ）．北京：清　华大学出版社，２００１．