单周期控制CCM PFC芯片的设计

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在日常生活和工业生产中,电能作为应用最为广泛的能源之一,提高电能的利用率和安全用电必然是人们所要关注的问题。然而,电力电子设备的使用常常伴随着大量的电流谐波,这大大降低电能的效率并会产生各种安全问题。随着世界各国限制电流谐波的种种相关政策的陆续颁布,应运而生的功率因数校正(PFC)技术能有效的解决电流谐波问题,从而提高功率因数。功率因数校正技术的应用已成为电力电子技术研究和电源设计的必然趋势。以前沿调制型单周期控制策略为基础,本论文设计了一款功率因数校正(PFC)控制芯片。芯片采用Boost拓扑结构,工作于连续导通模式,采用平均电流控制;并具有输入欠压保护的功能,能避免在输入电压低于设定值的情况下,较大电感电流导致电路元器件因发热而损坏;同时具有动态响应快的特点,能够在输出负载受到较大干扰情况时,使输出电压快速恢复到正常值范围,避免出现长时间的电压过冲和下降。芯片内部主要包括振荡器、非线性增益模块、电压误差放大器OTA1、PWM比较器、驱动输出模块和保护模块等。在论文中,较为全面的阐述了单周期控制原理和单周期控制APFC技术等相关理论,并对单周期前沿调制和后沿调制的控制方程进行了推导;根据芯片设计要求,完成5V电压基准、PWM比较器、非线性增益模块和动态响应增强电路的设计,并对仿真结果进行分析;在Boost拓扑结构输出功率300W的典型应用下,完成了拓扑的外围电路和元器件参数的设计,和对本文设计的芯片内部的电压环路和电流环路补偿的分析与设计,详细的推导了电流环路和电压环路的传递函数,通过MATLAB工具软件得到了电压和电流环路的开环增益和相频特性。基于CSMC0.5μm BCD工艺仿真模型,在300W典型应用下,对所设计的芯片进行全电路仿真,得到395V的输出直流电压和0.99的功率因数。同时,在负载跳变的情况下,完成对芯片的动态响应性能的仿真验证。本文基于前沿调制型的连续导通模式单周期控制APFC技术及相关理论,完成了对芯片内部电路的分析与设计,并通过仿真软件对所设计的电路功能和性能进行验证。
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