UCC28019的高效率APFC電路設(shè)計(jì)

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摘要：文中針對(duì)傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)程序繁雜、所需元件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)龐大、成本昂貴等問(wèn)題，研究了一種基于ucc28019，并采用廣泛應(yīng)用的MSP430單片機(jī)作為控制器的Boost型高效率有源功率因數(shù)校正電路。最后給出了實(shí)驗(yàn)波形，得到了相應(yīng)的結(jié)論，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)及其控制策略的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用UCC28019設(shè)計(jì)的電路，不僅可使步驟簡(jiǎn)化，系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)，還有效提高了功率因數(shù)，保持了較好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：UCC28019；MSP430單片機(jī)；Boost；功率因數(shù)校正

0引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，電力電子設(shè)備成為最大的諧波源。當(dāng)諧波電流注入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)電流會(huì)發(fā)生非正弦失真，對(duì)其它電氣通信設(shè)備的正常運(yùn)行造成干擾，從而導(dǎo)致電能質(zhì)量降低，因此，如何抑制諧波已成為電力系統(tǒng)等領(lǐng)域的一個(gè)重要課題[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，最理想的方法是在電源內(nèi)部進(jìn)行功率因數(shù)校正。人們最早采用無(wú)源校正技術(shù)，但不能很好地抑制輸入電流中的諧波含量。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，伴隨著電力半導(dǎo)體器件的不斷更新，開(kāi)關(guān)變換器迅猛發(fā)展。80年代是現(xiàn)代化有源功率因數(shù)校正（apfc）技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段，它將電網(wǎng)功率因數(shù)提高至接近1，且有穩(wěn)定的直流輸入電壓。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，出現(xiàn)了新的功率因數(shù)校正原理、拓?fù)浜涂刂品椒╗2]。本文研究了一種基于控制器UCC28019的有源功率因數(shù)校正（APFC）電路，它采用在電流連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的Boost升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大化減小了諧波失真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常逼近單位功率因數(shù)水平，達(dá)到了低成本、高效率PFC電路設(shè)計(jì)的目的。

1電路的工作原理與設(shè)計(jì)

1.1UCC28019的結(jié)構(gòu)與工作原理

UCC28019是一種工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，具有功率因數(shù)校正功能的控制芯片。UCC28019的調(diào)控功能經(jīng)過(guò)兩個(gè)回路完成：（1）內(nèi)部電流回路。從ISENSE端輸入的負(fù)極性電壓信號(hào)經(jīng)反相器變?yōu)檎龢O性信號(hào)，該信號(hào)在電流放大器作用下輸出為ICOMP。將ICOMP電壓與來(lái)自斜坡信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)進(jìn)行比較，芯片內(nèi)部RS觸發(fā)器將其輸出的結(jié)果作為輸入，與其內(nèi)部65kHz振蕩信號(hào)共同控制PWM的占空比，功率開(kāi)關(guān)上升的過(guò)程恰好超過(guò)ICOMP電壓的時(shí)間，該時(shí)間又決定了DOFF，由斬波拓?fù)浞匠逃蠨OFF=VIN/VOUT。由于VIN是正弦波，而ICOMP的電壓與電感電流具有一階線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)控制回路的作用，電感電流與輸入電壓波形同步，輸入電流同為正弦波形且與輸入電壓保持同相，從而校正了功率因數(shù)。（2）外部電壓回路。由電源輸出電壓得到取樣電壓，將其作為器件由輸出脈沖控制其通斷。由UCC28019內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，設(shè)tOFF為斜坡電壓在VSENSE端的輸入，與內(nèi)部一些比較器相連接，具有開(kāi)路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)以及穩(wěn)壓的功能。連接在COMP端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通過(guò)電壓誤差放大器gmv輸出的電流進(jìn)行充放電，這樣得到的VCOMP電壓可使系統(tǒng)正常運(yùn)行。VCOMP上的電壓可以用來(lái)對(duì)斜坡信號(hào)的斜率及電流放大器的增益進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)外部回路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，增益參數(shù)可以被自動(dòng)調(diào)整，從而使畸變對(duì)輸入電流的波形影響較低，使得開(kāi)關(guān)電源擁有較高的功率因數(shù)[3,4]。

1.2APFC電路的基本原理及設(shè)計(jì)

為了符合設(shè)計(jì)要求，我們將Boost結(jié)構(gòu)DC/DC變換器用于APFC的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，UCC28019采用連續(xù)導(dǎo)電模式CCM下的平均電流控制模式作為APFC電路的控制方式。平均電流法是將輸入電流的平均值通過(guò)電流環(huán)的調(diào)整，和輸入電壓的正弦波同相位。將輸入整流電壓信號(hào)和輸出電壓誤差放大信號(hào)相乘得到電流參考信號(hào)，通過(guò)比較輸入電流信號(hào)和基準(zhǔn)電流信號(hào)，利用電流誤差放大器將高頻分量的變化平均化。將放大的平均電流誤差與鋸齒波進(jìn)行比較，以輸出開(kāi)關(guān)Tr的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而確定占空比，最終快速、精確地校正了電流誤差。因?yàn)殡娏髋c電壓具有相同波形，所以實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正的目的[4]。，其中J1為交流輸入接口，J2為整流部分的接口，J3為UCC2801912V供電接口，J4為負(fù)載接口，J5為Boost電子開(kāi)關(guān)接口，JP1為UCC28019芯片，其他為相關(guān)電阻、電感、電容以及二極管。

1.3功率因數(shù)測(cè)量原理及電路設(shè)計(jì)

通過(guò)HWPT07電壓互感器將主回路大的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉慕涣麟?，然后將該小信?hào)經(jīng)過(guò)具有一定放大倍數(shù)的放大器LM358進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)由電壓比較器TL084構(gòu)成的過(guò)零比較器，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)[5]。同理，首先通過(guò)HWCT-5A-5MA電流互感器可得對(duì)應(yīng)的電流方波信號(hào)，然后將兩路信號(hào)輸入單片機(jī)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行捕捉，測(cè)得捕捉上升沿時(shí)間差，計(jì)算出相位差角，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得出功率因數(shù)值。

2實(shí)驗(yàn)

2.1系統(tǒng)元件參數(shù)計(jì)算

本設(shè)計(jì)中，輸出功率為72W，輸出電流為2A，其交流輸入電壓為24V，主電路包括Boost升壓電路、APFC電路、功率因數(shù)測(cè)量電路等。（1）計(jì)算最大輸入峰值電流IIN_RMS（max），依據(jù)為輸出要求效率η=0.95以及功率因數(shù)PF=0.99。（2）計(jì)算升壓電感（LBST）。升壓電感具有儲(chǔ)能作用，按照占空比D=0.5可以得到斬波電感的最小值。（3）計(jì)算采樣電阻（RSENSE）。主要采樣電感上的電流。已知軟過(guò)流保護(hù)的下限VSOC=0.66V及電感峰值電流的最大值，可以得到取樣電阻RSENSE的值采樣電阻可以通過(guò)高精度電阻并聯(lián)得到。（4）反向快速恢復(fù)二極管（DBST）的計(jì)算。反向恢復(fù)時(shí)間越短，功率開(kāi)關(guān)的損耗就越小。總損耗包括開(kāi)關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗。若使用超快恢復(fù)二極管，則開(kāi)關(guān)損耗可忽略，元件可利用功耗及恢復(fù)時(shí)間來(lái)確定[6]。在125℃時(shí)，二極管壓降VF_125℃=1.5V，IOUT=2A，二極管功耗為PDIDOE=VF_125℃IOUT（max）=3W，選擇HEF307。（5）計(jì)算CISENSE。由于瞬時(shí)峰值電流會(huì)對(duì)器件造成損害，所以將RSENSE=220mΩ的電阻和UCC28019的ISENSE引腳串聯(lián)，再將一個(gè)1000pF的電容CISENSE接到引腳和地線之間，使得器件的抗干擾性增強(qiáng)[7]。（6）計(jì)算CICOMP?？鐚?dǎo)電流放大器輸出端即為ICOMP引腳，將一個(gè)補(bǔ)償電容CICOMP接在此引腳和地之間，起到補(bǔ)償平均取樣電流信號(hào)的作用。查閱手冊(cè)知平均電流極點(diǎn)fIAVG=9.5kHz，gmi=0.95ms，M=7，利用公式（7）可得CICOMP的取值2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入電壓為市電220V，輸入電壓頻率為50Hz，其余參數(shù)由上述公式計(jì)算得到。深色為輸入電流波形；縱坐標(biāo)表示幅值，單位為V，橫坐標(biāo)表示周期，單位為s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出電壓保持在380V左右，在相位和波形上輸入電流均跟隨輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了高效校正功率因數(shù)的功能。

3結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種基于UCC28019專用集成芯片的APFC電路，并采用MSP430單片機(jī)作為控制器。經(jīng)過(guò)對(duì)電路性能的測(cè)試，系統(tǒng)加上220V電源后，輸入電壓和電流波形與正弦波形一致，功率因數(shù)接近1；該控制器避開(kāi)了電網(wǎng)電壓，只運(yùn)用平均電流的控制模型，不僅減少了元器件數(shù)量，還使輸入電流的波形畸變較低，電流環(huán)和電壓環(huán)通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路網(wǎng)絡(luò)方便進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。因此，該研究不僅提高了功率因數(shù)，更降低了電路的智能化實(shí)現(xiàn)成本，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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作者:李彩鳳 楊風(fēng) 常宇 單位:中北大學(xué)國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心