[发明专利]基于delta-sigma调制技术的PFC电路及其占空比控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于delta-sigma调制技术的PFC（功率因数校正）电路及其占空比控制方法。

背景技术

在一种典型的开关电源应用系统中，输入AC电源经全波整流再转换成DC电源。尽管输入电源可以近似认为平滑的正弦波，由于不控整流器（传统的无控制功能的整流二极管组成的整流电路）在功率设备中的广泛应用， 输入电流会呈现不连续且有严重的失真，这会产生大量的谐波电流。各种谐波对电网造成很大的污染，使得电能的生产、传输和利用效率大为降低。所以对身处电源系统的最前端的AC/DC转换器来说，其效率和节能特性变得越来越重要。近年来，为了消除谐波电流成份，在AC/DC转换器的全波整流桥之后已广泛采用了功率因数校正PFC电路。功率因数校正芯片亦广泛应用在充电器、笔记本电脑电源适配器、打印机电源、液晶显示器电源、PC电源等市场。

图1为一升压结构的有源PFC控制系统的电路图，该控制电路包括全波整流桥、PFC及输出电压控制器、功率级和后级电源。电压源AC提供交流电压，经由二极管全波整流桥，产生整形的正弦输入电压Vg(t)。在美国、日本，市电为60HZ/100V，在欧洲、中国，市电为50HZ/220V。在整流桥与升压电路之间加入较小的电容Cin，是为了消除输入电压中存在的高频成份。

PFC及输出电压控制器产生功率级，提供占空比d(n)受调制的信号，以控制开关SW的导通与判断。实际应用中，开关SW可以是场效应晶体管，如NFET。由于开关频率通常达到25KHZ到200KHZ，远高于输入市电频率50HZ/60HZ，所以在每个开关周期内的输入电压Vg(t)可以认为恒定。当开关SW导通时，电感电流i_L线性上升，增长斜率为(Vg/L)，输入电源得以向电感L传输、存储能量。当开关SW关断时，电感电流i_L线性下降，下降斜率为(Vo-Vg)/L。此时，电感能量传输给负载和电容C_bulk。在开关SW导通的时候，电容C_bulk向负载提供能量，所以电容C_bulk应该足够大以保证输出电压Vo足够稳定，即不会出现较大的纹波。PFC技术的目的在于使功率级及负载从输入端看起来呈现在纯阻性。PFC及输出电压控制器通过占空比信号控制电感电流i_L的上升与下降，使i_L的平均电流i_L(av)跟随输入电压Vg(t)的波形，以提高功率因数和降低输入电流的谐波失真。

在实际应用中，电感电流i_L可以工作在连续导通模式(CCM)，即在下一个开关周期到来前可以不降到0；可以工作在不连续导通模式(DCM)，即在下一开关周期到来前降为0，并且维持一段电流为0的时间，即导通时间与反激时间之和小于开关周期；也可以工作在这两种模式之间的临界导通模式(CRM)。

目前绝大多数场合，PFC控制器是通过模拟电路实现的。随着数字技术的发展，越来越多的控制算法通过数字信号处理器(DSP)在电力电子电路中得以实现，其原因为，数字控制能够实现更为复杂的算法。此外，数字控制与模拟控制相比有许多优点，包括可靠性高、适应性强、可重复性、可移植性等。在相同的成本条件下，数字控制实现的性能要优于模拟控制。图2是一种基于DSP方式实现的数字连续导通模式CCM PFC的电路图。该系统通过将取样输出电压Vo(t)与参考电压Vref的差值通过电压环PI补偿器(图2中PI-V)，作为乘法器输入的一端。乘法器输入的另一端为整流后的输入电压Vg(t)，乘法器提供了输入电流的正弦参考波形。 输入电流通过取样电阻Rs与正弦参考波形的差值通过电流环PI补偿器(图2中PI-I)。电流环PI的输出经零阶保持器ZOH，作为PWM输入的一端与另一端的锯齿波比较，产生控制开关SW的占空比控制信号。

然而，正如上所述，目前普遍采用的PFC 数字控制算法是从传统模拟控制策略上移植过来的，将控制电压跟随参考电压Vref的电压环和调节输入电流跟随正弦参考波形的电流环，通过简单的DSP实现，而且基本上都是以连续导通模式(CCM) PFC为主。这并没有最大发挥数字控制的优势，在核心占空比控制算法上没有任何创新，对开关电源自身产生的电磁干扰（Electro-Magnetic Interference, EMI）也没有很好的抑制。

发明内容