PFC+PWM复合控制的电池充电技术

摘要：传统的两级APFC采用两套控制电路和至少两个功率开关管，增加了电路复杂程度及成本。随着PFC/PWM两级复合控制芯片的产生，两级APFC的这一缺陷可以得到大大改善。通过对PFC/PWM两级控制复合芯片ML4824的两级APFC技术进行的测试与分析，分析了将其用于带PFC的蓄电池充电器中的可行性。

关键词：PFC；PWM；充电技术；测试

引言

20世纪90年代以来，随着各国对用电设备输入电流谐波含量的限制，以及各种限制输入电流谐波的标准的建立，使有源PFC技术取得了长足的进展。有源PFC技术由于变换器工作在高频开关状态，而具有体积小、重量轻、效率较高和功率因数高等优点。但两级PFC方案因为具有至少两个开关管和两套控制电路，从而增加了成本和复杂度。随着近年来出现的PFC/PWM两级控制复合芯片的产生，两级PFC的这一缺陷可望得到较大改善。基于两级复合芯片ML4824，本文对两级PFC技术进行了研究，并通过对带PFC的蓄电池充电器的研制与测试，证实了该复合芯片的实用性和可行性。

ML4824的内部结构及基本特征

ML4824由平均电流控制的Boost型PFC前级和一个PWM后级组成，PWM级可以用作电流型或电压型。ML4824—2型中PWM级的频率为PFC级的2倍，这样可以使得PWM级的磁芯元件体积和重量更小。

功能概述

与其它PFC芯片相比，除了具有功率因数校正功能外，ML4824还有很多保护功能，如软启动、过压保护、峰值电流限制、欠压锁定、占空比限制等。ML4824的优点体现在以下3个方面：
1）它是一种PFC/PWM复合芯片，只需要一个时钟信号，一套控制电路，就能控制两级电路，简化了设计。
2）PFC和PWM级分别采用了上升沿和下降沿的控制方式，减小了PFC输出电容和PFC输出电压的纹波。
3）补偿网络的独特设计实现了前后级的解耦，显著地提高了PFC的误差放大器的带宽。

与一般的补偿网络不同，该补偿网络中，电压环补偿网络的一端直接接地。ML4824的电压误差放大器有一个非线性的特性，当系统处于稳定的状态，误差放大器的跨导保持一个很小的值，当母线电压上有很大干扰，或负载变化时，误差放大器的输入端VFB将偏离2.5V，使得误差放大器的跨导显著提高，如图1所示。这一特性大大提高了电压环的带宽，提高电压环的响应速度。

图1

带PFC的蓄电池充电器研制

为了测试ML4824的主要性能，针对密封铅酸蓄电池的充电装置，基于复合控制芯片ML4824，设计完成了带PFC的充电器原理样机。具体设计指标如下：
采用限流定压方式充电；
功率因数PF>0.99；
输入电压范围AC176～264V；
输出功率P_out=1000W；
输出浮充电压V_out=48V；
最大充电电流I_max=20A。

根据以上要求，我们确定两级电路方案：前级为采用Boost拓扑的PFC电路，后级为应用双管正激拓扑的PWM电路，实现限流定压方式充电。

PFC级电路设计
(1)功率级主要参数
1)储能电感的电感电流纹波以峰值电流的20％计，得出电感值L=0.53mH。
2)输出滤波电容由于采用了特殊的上升沿/下降沿触发方式，有利于PFC级电路输出电压纹波的减小，取220μF的电容，即可获得较小的输出电压纹波。
测试波形如图2所示:


(2)控制电路设计
母线上的馒头波信号经R₂、R₃、R₄、C₆、C₇构成的二阶滤波网络后作为输入电压前馈信号VRMS，同时母线上的馒头波信号经电阻R₅成为输入电压波形采样信号IAC。输出电压经R₉、R₁₇分压送到ML4824的电压误差放大器的输入端VFB，与基准比较后成为电压误差信号VEAO）。VRMS、IAC、VEAO构成ML4824内部乘法器的三个输入端。R₁为输入电流采样电阻，采样的电流信号送到ISENSE）。R₈、C₁₁、C₁₂和R₁₈、C₁₆、C₁₇分别构成电流误差放大器和电压误差放大器的补偿网络。R₁₀和C₁₀为ML4824斜坡信号发生网络，电路的开关频率由这两个参数决定。控制电路如图3所示:

1）开关频率的确定
开关频率与R₁₀、C₁₀的关系为

取R₁₀=43Ω，C₁₀=470pF，f=100kHz

2）输出电压采样
电压误差放大器的基准为2.5V，取R₁₇=2.2kΩ，考虑到每个电阻上的电压不宜超过200V，R₉取为150kΩ和180kΩ两个电阻的串联，即R₉=330kΩ。

3）输入电压前馈
ML4824要求当输入电压最低时VRMS电压为1.2V，而且这个电压必须经过很好的滤波，才能准确地反映输入电压的变化。R₂取2个510kΩ串联，即R₂=1.02MΩ，R₃、R₄分别取为R₃=200kΩ，R₄=10kΩ。C₆、C₇分别取为63nF、1μF。

4）输入电压波形采样
当VRMS脚输入1.2V电压时，也即输入电压最低时，乘法器增益k取最大值0.328。为了避免乘法器饱和，乘法器的输出要限制在200μA以内，因此R₅取2个1.2MΩ电阻串联，即R₅=2.4MΩ。

5）输入电流采样
R_MVLO为乘法器输出截止电阻（3.5kΩ）。
R₁取两个0.1Ω/10W的功率电阻并联，即50mΩ/20W。

6）电压环、电流环补偿网络
电压环补偿网络参数选为R₁₈取200kΩ，C₁₆取270nF，C₁₇取27nF
电流环补偿网络参数选为R₈取33kΩ，C₁₂取为289pF，C₁₂取为2.89nF。

PWM级电路设计
功率级主要参数
1）变压器原副边匝比为27/8，导线选用宽铜皮，原边选用0.05mm厚铜皮，副边选用0.25mm厚铜皮，宽度均为30mm。
2）输出滤波电感L₂=26.4μH。选取EE55B磁芯，12匝，气隙为0.2125mm。
3）输出滤波电容采用3个470μF的电容并联。

控制电路设计
1）电压环补偿网络同PFC级电路一样，参数由频域仿真综合考虑。
2）软启动选择C₈=1μF。

测试结果与分析

PFC级电路
1）输入电压与输入电流波形如图4所示。

为测试时输入电压和输入电流波形。图4(a)为未经功率因数校正，输入电流畸变严重；图4(b)为经功率因数校正后的波形，输入电流很好地跟踪了输入电压的波形，功率因数得到了大大的提高。实测功率因数可达0.999。

2）开关管的vGS与vDS波形
图5所示为捕捉到的两个PFC级电路开关管vGS与vDS测试波形。开关管上电压尖峰很小，开关管工作状态良好。

3）PFC级电路输出电压
图6为PFC级电路输出电压波形。由于采用特殊的上升沿/下降沿触发方式，输出电压纹波很小。

PWM级电路
图7为PWM级电路满载时几个主要的测试波形，从图中可以看出，测试波形和理论分析是一致的。

结束语

通过测试分析可知，实际测试波形和理论分析是一致的。两级PFC/PWM复合芯片ML4824，把PFC和PWM控制复合在同一个芯片上，由于前后级分别采用上升沿/下降沿触发方式，在输出滤波电容很小的情况下就可得到很小的电压纹波。电压误差放大器补偿网络的独特设计实现了前后级的解耦，显著地提高了PFC的误差放大器的带宽。基于该芯片研制的带PFC的定压限流方式充电器验证了该芯片的可行性和优点。