前言:
NCP1654是一颗久经市场考验的PFC控制器,广泛应用在500~2KW的CCM PFC应用,仅为8脚SOCI封装,控制器外部可调参数极少,性能却很优秀,非常值得我们学习它的核心控制策略。
PRINCIPLE OF NCP1654 SCHEME
上图32展示了电感电流在CCM的波形,其中在t1阶段电流上升,t2阶段电流下降,可以推导出这种模式的电压转换比例:
输入电容器Cfilter和前端EMI滤波器能把高频开关电流IL变为低频工频电流IL-50,也就是AC输入电流。IL-50以50/60HZ频率工作,从公式1和公式2可以得到输入阻抗Zin为:
当输入阻抗Zin以恒定或以50/60HZ小幅度变化时就可以实现功率因数校正的功能。
PFC的调整方法和时序波形可见图33所示,其中MOSFET导通时间为t1,它由参考电压VREF和斜坡电压Vramp相等时决定,eq4所示:
Vramp为内置的PWM斜坡电压,它由Ich电流源对Cramp充电产生,并在Clock电容放电而复位到零。在系统控制原理上Ich这个电流源的大小与输入电压的幅度存在正比例关系。
Vm 是乘法器的输出电压,内部乘法器是电流源输出,在外部电阻Vm产生电压并由Cm做低通滤波处理。
Ich是内部充电电流源
Cramp是内部的电容器
Vref是电压环内部产生的参考电压,它送到PWM比较强的负向端,
乘法器的输出在t1阶段关系为VREF减去在t1决断Ich为Cramp电容充电的电压:
综合eq3,eq6可以把输入阻抗Zin写为:
在eq7中Vref和Vout在稳态时都是恒定值,乘法器输出电压Vm被 设计为正比例与IL-50,以实现PFC目的。
可见图34所示,Vm原始信号是电感电流IL上的开关纹波,因为开关纹波不够准确会导致占空比异常,也就是峰值电流模式。为了解决这个问题,在乘法器外部增加一个高频滤波电容,滤除高频纹波得到Vm的平均值,则调制方法变为了平均电流模式,从而具有更好的性能。
乘法器电压由下式决定:
Rm是乘法器外部连接的电阻,RM直接决定了最大的输入功率
Vbo是AC输入电压的RMS值
Ics是电感电流IL的采样值
Vcontrol是电压环的输出电压
图38是电压环的OTA运放,Vout是PFC输出电压的采样,电压环的输出Vcontrol决定了系统的功率输出水平。
规格书中的其它东西就与控制方法关系不大了,这里梳理一下这种PFC控制方法的实现:它把固定ramp与VREF比较产生的固定占空比上增加了乘法器的输出VM的影响,当VM被控制为正弦时,PWM上产生占空比也是在开环占空比叠加了VM的影响,这是这里起到了PFC的效果。乘法器中把电感电流和电压环建立起关系,其中电压环的输出做法除数,当负载变化时电压环输出减小为了Vm的电压恒定(因此VREF固定),输入电流也会跟随着减小。
这种控制方法的关键公式是eq7,这里推导出只要把Vm的波形与IL-50一致就可以保证输入阻抗是恒定的,实现PFC的目的。另外在eq8,把电压环输出和电感电流采样联系起来。已知在系统稳态工作时,电压环的输出是固定值,因此eq8实际上就是等于电感电流采样和电网电压前馈的意义。那么eq7和eq8如何来控制到相等呢?我之前一直是没想通,因为这里没有传统CCM PFC的电流内环的控制器,它这里如何实现IL-50与Vm相等的闭环?答案就是PWM比较器逻辑,Vramp与Vm叠加后,与VREF比较。在Vramp与Vref的开环占空比上叠加了电感电流的波形后,在正弦波波的两边占空比大,中间占空比小,整个AC周期内占空比以AC波形反方向变化占空比,以峰值比较的方式来实现高增益电流内环,其效果不比使用运放的平均电流模式内环效果差。
控制:
小结:以NCP1654规格书为参考了解了这种控制输入阻抗恒定的实现PFC的方法,其内环以电感电流平均值比较的方式实现高增益内环,实现了极高的PFC效果。
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