一種高功率因數(shù)的單相AC—DC變換器

李雨　丁志勇　李鵬鵬

摘 要：設(shè)計(jì)了一種有源功率因數(shù)校正（APFC）的高功率因數(shù)單相AC-DC變換器。該系統(tǒng)以TI公司專用APFC控制芯片UCC28019為控制核心，實(shí)現(xiàn)BOOST式APFC，后級以高效控制芯片TPS54360為控制器，輸出恒壓36 V，最大輸出電流為2.5 A。該系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為監(jiān)測控制中心，具有輸出過流保護(hù)和功率因數(shù)、輸出電壓、輸出電流實(shí)時(shí)測量和顯示功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，該系統(tǒng)從布局布線和濾波等方面消除了電磁干擾，使電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率都在0.5%以下，工作性能穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：APFC；AC-DC變換器；UCC28019；STC12C5A60S2

中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0024-02

在電力電子技術(shù)和電子儀器中，所需的直流電主要來源于交流電網(wǎng)全波整流再加大的電容濾波。但是，其輸入電流諧波含量較高，大量高次諧波電流倒灌回電網(wǎng)，產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射干擾，對電網(wǎng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的諧波污染。因此，設(shè)計(jì)高功率因數(shù)的變換器，抑制電流諧波污染是勢在必行的。

目前，功率因數(shù)校正PFC分為主動(dòng)式（有源）和被動(dòng)式（無源）兩種。被動(dòng)式PFC電路一般采用電感補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菇涣鬏斎氲幕娏髋c電壓之間的相位差逐步減小，以此來提高功率因數(shù)，其功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8. 主動(dòng)式PFC電路是通過專用IC去調(diào)整電流的波形，以此對電流、電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，其功率因數(shù)通常可達(dá)98%以上，校正效果良好。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)輸出穩(wěn)定直流電壓36 V，該系統(tǒng)前級采用BOOST式APFC電路，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，后級BUCK變換器穩(wěn)定輸出電壓。系統(tǒng)控制芯片采用TI專用APFC芯片UCC28019，利用電流環(huán)和電壓環(huán)雙環(huán)完成功率因數(shù)校正。通過精密采樣、電阻采樣輸入側(cè)電壓和電流信號，經(jīng)過整形和鑒相電路測得兩者的相位差，并計(jì)算出功率因數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓，實(shí)時(shí)顯示輸出電流和功率因數(shù)，采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī)為監(jiān)控和運(yùn)算核心。單片機(jī)通過A/D對輸出電壓、電流采樣，并調(diào)節(jié)電位器控制反饋，穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓，由液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示。通過電流互感器采樣輸出電流，并利用比較器和繼電器實(shí)現(xiàn)2.5 A過流保護(hù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 APFC控制電路設(shè)計(jì)分析及計(jì)算

電感L：為了留取一定的裕量，所以選擇感值為0.2 mH，允許通過的電流最大值為10 A左右的電感。

輸出電容C：通常選擇大電解電容作為輸出電容。在電感電流連續(xù)模式中，容值取決于輸出電流、開關(guān)頻率和期望的輸出紋波。為了保證較小的紋波電壓，選用470 uF/100 V的電解電容。

2.2 功率因數(shù)測量電路分析及計(jì)算

前級采用遲滯比較器和過零比較器，將變壓器二次側(cè)的電壓、電流信號整形、處理為占空比固定的方波，后級為鑒相電路，跟隨輸出占空比隨輸入電壓和輸入電流相位差正比變化的脈沖信號，然后通過單片機(jī)測量并顯示功率因數(shù)值。

2.3 過流保護(hù)電路

此模塊選用ACS712電流互感器，動(dòng)作電流為2.5 A，采集的電壓經(jīng)過比較器去控制繼電器的通斷。如果出現(xiàn)過流情況，控制繼電器切斷主回路；如果異常情況消失，則電路自動(dòng)恢復(fù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括信號采集和液晶顯示部分。單片機(jī)通過AD采集輸出電壓和輸出電流，信號經(jīng)過處理后利用液晶顯示。通過捕捉輸入電壓和電流整流后方波的上升沿，根據(jù)相位差計(jì)算出功率因數(shù)并顯示出來。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與性能分析

4.1 系統(tǒng)測試結(jié)果

經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)電壓調(diào)整率為0.11%，負(fù)載調(diào)整率為0.13%，功率因數(shù)為0.993 0.

4.2 系統(tǒng)優(yōu)勢與優(yōu)化

以上重要指標(biāo)的測試結(jié)果反映出該系統(tǒng)的功率因數(shù)很高，可以達(dá)到99%以上，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均在0.1%左右，輸出電壓穩(wěn)定度高、紋波小、可靠性強(qiáng)。但是，該系統(tǒng)的效率不是特別高，僅為88%左右，可以選用一種肖特基二極管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系統(tǒng)的功耗，提高效率。效率問題是該系統(tǒng)需要重點(diǎn)優(yōu)化的部分。

5 總結(jié)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單相AC-DC變換器，負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率均在0.1%左右，輸入側(cè)功率因數(shù)可達(dá)99%，并可由液晶實(shí)時(shí)顯示。此外，還具有輸出過流保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)功能，只是其效率不是特別高，僅為88%左右，還有待優(yōu)化。整個(gè)系統(tǒng)電路簡單、性能穩(wěn)定、安全、可靠，對APFC電路的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張振華.高功率因數(shù)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010（08）.

[2]聞長遠(yuǎn)，王雨曦，姜超，等.一種高功率因數(shù)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（7）.

〔編輯：白潔〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2

摘 要：設(shè)計(jì)了一種有源功率因數(shù)校正（APFC）的高功率因數(shù)單相AC-DC變換器。該系統(tǒng)以TI公司專用APFC控制芯片UCC28019為控制核心，實(shí)現(xiàn)BOOST式APFC，后級以高效控制芯片TPS54360為控制器，輸出恒壓36 V，最大輸出電流為2.5 A。該系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為監(jiān)測控制中心，具有輸出過流保護(hù)和功率因數(shù)、輸出電壓、輸出電流實(shí)時(shí)測量和顯示功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，該系統(tǒng)從布局布線和濾波等方面消除了電磁干擾，使電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率都在0.5%以下，工作性能穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：APFC；AC-DC變換器；UCC28019；STC12C5A60S2

中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0024-02

在電力電子技術(shù)和電子儀器中，所需的直流電主要來源于交流電網(wǎng)全波整流再加大的電容濾波。但是，其輸入電流諧波含量較高，大量高次諧波電流倒灌回電網(wǎng)，產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射干擾，對電網(wǎng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的諧波污染。因此，設(shè)計(jì)高功率因數(shù)的變換器，抑制電流諧波污染是勢在必行的。

目前，功率因數(shù)校正PFC分為主動(dòng)式（有源）和被動(dòng)式（無源）兩種。被動(dòng)式PFC電路一般采用電感補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菇涣鬏斎氲幕娏髋c電壓之間的相位差逐步減小，以此來提高功率因數(shù)，其功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8. 主動(dòng)式PFC電路是通過專用IC去調(diào)整電流的波形，以此對電流、電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，其功率因數(shù)通常可達(dá)98%以上，校正效果良好。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)輸出穩(wěn)定直流電壓36 V，該系統(tǒng)前級采用BOOST式APFC電路，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，后級BUCK變換器穩(wěn)定輸出電壓。系統(tǒng)控制芯片采用TI專用APFC芯片UCC28019，利用電流環(huán)和電壓環(huán)雙環(huán)完成功率因數(shù)校正。通過精密采樣、電阻采樣輸入側(cè)電壓和電流信號，經(jīng)過整形和鑒相電路測得兩者的相位差，并計(jì)算出功率因數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓，實(shí)時(shí)顯示輸出電流和功率因數(shù)，采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī)為監(jiān)控和運(yùn)算核心。單片機(jī)通過A/D對輸出電壓、電流采樣，并調(diào)節(jié)電位器控制反饋，穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓，由液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示。通過電流互感器采樣輸出電流，并利用比較器和繼電器實(shí)現(xiàn)2.5 A過流保護(hù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 APFC控制電路設(shè)計(jì)分析及計(jì)算

電感L：為了留取一定的裕量，所以選擇感值為0.2 mH，允許通過的電流最大值為10 A左右的電感。

輸出電容C：通常選擇大電解電容作為輸出電容。在電感電流連續(xù)模式中，容值取決于輸出電流、開關(guān)頻率和期望的輸出紋波。為了保證較小的紋波電壓，選用470 uF/100 V的電解電容。

2.2 功率因數(shù)測量電路分析及計(jì)算

前級采用遲滯比較器和過零比較器，將變壓器二次側(cè)的電壓、電流信號整形、處理為占空比固定的方波，后級為鑒相電路，跟隨輸出占空比隨輸入電壓和輸入電流相位差正比變化的脈沖信號，然后通過單片機(jī)測量并顯示功率因數(shù)值。

2.3 過流保護(hù)電路

此模塊選用ACS712電流互感器，動(dòng)作電流為2.5 A，采集的電壓經(jīng)過比較器去控制繼電器的通斷。如果出現(xiàn)過流情況，控制繼電器切斷主回路；如果異常情況消失，則電路自動(dòng)恢復(fù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括信號采集和液晶顯示部分。單片機(jī)通過AD采集輸出電壓和輸出電流，信號經(jīng)過處理后利用液晶顯示。通過捕捉輸入電壓和電流整流后方波的上升沿，根據(jù)相位差計(jì)算出功率因數(shù)并顯示出來。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與性能分析

4.1 系統(tǒng)測試結(jié)果

經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)電壓調(diào)整率為0.11%，負(fù)載調(diào)整率為0.13%，功率因數(shù)為0.993 0.

4.2 系統(tǒng)優(yōu)勢與優(yōu)化

以上重要指標(biāo)的測試結(jié)果反映出該系統(tǒng)的功率因數(shù)很高，可以達(dá)到99%以上，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均在0.1%左右，輸出電壓穩(wěn)定度高、紋波小、可靠性強(qiáng)。但是，該系統(tǒng)的效率不是特別高，僅為88%左右，可以選用一種肖特基二極管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系統(tǒng)的功耗，提高效率。效率問題是該系統(tǒng)需要重點(diǎn)優(yōu)化的部分。

5 總結(jié)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單相AC-DC變換器，負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率均在0.1%左右，輸入側(cè)功率因數(shù)可達(dá)99%，并可由液晶實(shí)時(shí)顯示。此外，還具有輸出過流保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)功能，只是其效率不是特別高，僅為88%左右，還有待優(yōu)化。整個(gè)系統(tǒng)電路簡單、性能穩(wěn)定、安全、可靠，對APFC電路的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張振華.高功率因數(shù)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010（08）.

[2]聞長遠(yuǎn)，王雨曦，姜超，等.一種高功率因數(shù)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（7）.

〔編輯：白潔〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2

摘 要：設(shè)計(jì)了一種有源功率因數(shù)校正（APFC）的高功率因數(shù)單相AC-DC變換器。該系統(tǒng)以TI公司專用APFC控制芯片UCC28019為控制核心，實(shí)現(xiàn)BOOST式APFC，后級以高效控制芯片TPS54360為控制器，輸出恒壓36 V，最大輸出電流為2.5 A。該系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為監(jiān)測控制中心，具有輸出過流保護(hù)和功率因數(shù)、輸出電壓、輸出電流實(shí)時(shí)測量和顯示功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，該系統(tǒng)從布局布線和濾波等方面消除了電磁干擾，使電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率都在0.5%以下，工作性能穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：APFC；AC-DC變換器；UCC28019；STC12C5A60S2

中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0024-02

在電力電子技術(shù)和電子儀器中，所需的直流電主要來源于交流電網(wǎng)全波整流再加大的電容濾波。但是，其輸入電流諧波含量較高，大量高次諧波電流倒灌回電網(wǎng)，產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射干擾，對電網(wǎng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的諧波污染。因此，設(shè)計(jì)高功率因數(shù)的變換器，抑制電流諧波污染是勢在必行的。

目前，功率因數(shù)校正PFC分為主動(dòng)式（有源）和被動(dòng)式（無源）兩種。被動(dòng)式PFC電路一般采用電感補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菇涣鬏斎氲幕娏髋c電壓之間的相位差逐步減小，以此來提高功率因數(shù)，其功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8. 主動(dòng)式PFC電路是通過專用IC去調(diào)整電流的波形，以此對電流、電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，其功率因數(shù)通?？蛇_(dá)98%以上，校正效果良好。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)輸出穩(wěn)定直流電壓36 V，該系統(tǒng)前級采用BOOST式APFC電路，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，后級BUCK變換器穩(wěn)定輸出電壓。系統(tǒng)控制芯片采用TI專用APFC芯片UCC28019，利用電流環(huán)和電壓環(huán)雙環(huán)完成功率因數(shù)校正。通過精密采樣、電阻采樣輸入側(cè)電壓和電流信號，經(jīng)過整形和鑒相電路測得兩者的相位差，并計(jì)算出功率因數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓，實(shí)時(shí)顯示輸出電流和功率因數(shù)，采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī)為監(jiān)控和運(yùn)算核心。單片機(jī)通過A/D對輸出電壓、電流采樣，并調(diào)節(jié)電位器控制反饋，穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓，由液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示。通過電流互感器采樣輸出電流，并利用比較器和繼電器實(shí)現(xiàn)2.5 A過流保護(hù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 APFC控制電路設(shè)計(jì)分析及計(jì)算

電感L：為了留取一定的裕量，所以選擇感值為0.2 mH，允許通過的電流最大值為10 A左右的電感。

輸出電容C：通常選擇大電解電容作為輸出電容。在電感電流連續(xù)模式中，容值取決于輸出電流、開關(guān)頻率和期望的輸出紋波。為了保證較小的紋波電壓，選用470 uF/100 V的電解電容。

2.2 功率因數(shù)測量電路分析及計(jì)算

前級采用遲滯比較器和過零比較器，將變壓器二次側(cè)的電壓、電流信號整形、處理為占空比固定的方波，后級為鑒相電路，跟隨輸出占空比隨輸入電壓和輸入電流相位差正比變化的脈沖信號，然后通過單片機(jī)測量并顯示功率因數(shù)值。

2.3 過流保護(hù)電路

此模塊選用ACS712電流互感器，動(dòng)作電流為2.5 A，采集的電壓經(jīng)過比較器去控制繼電器的通斷。如果出現(xiàn)過流情況，控制繼電器切斷主回路；如果異常情況消失，則電路自動(dòng)恢復(fù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括信號采集和液晶顯示部分。單片機(jī)通過AD采集輸出電壓和輸出電流，信號經(jīng)過處理后利用液晶顯示。通過捕捉輸入電壓和電流整流后方波的上升沿，根據(jù)相位差計(jì)算出功率因數(shù)并顯示出來。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與性能分析

4.1 系統(tǒng)測試結(jié)果

經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)電壓調(diào)整率為0.11%，負(fù)載調(diào)整率為0.13%，功率因數(shù)為0.993 0.

4.2 系統(tǒng)優(yōu)勢與優(yōu)化

以上重要指標(biāo)的測試結(jié)果反映出該系統(tǒng)的功率因數(shù)很高，可以達(dá)到99%以上，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均在0.1%左右，輸出電壓穩(wěn)定度高、紋波小、可靠性強(qiáng)。但是，該系統(tǒng)的效率不是特別高，僅為88%左右，可以選用一種肖特基二極管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系統(tǒng)的功耗，提高效率。效率問題是該系統(tǒng)需要重點(diǎn)優(yōu)化的部分。

5 總結(jié)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單相AC-DC變換器，負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率均在0.1%左右，輸入側(cè)功率因數(shù)可達(dá)99%，并可由液晶實(shí)時(shí)顯示。此外，還具有輸出過流保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)功能，只是其效率不是特別高，僅為88%左右，還有待優(yōu)化。整個(gè)系統(tǒng)電路簡單、性能穩(wěn)定、安全、可靠，對APFC電路的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張振華.高功率因數(shù)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010（08）.

[2]聞長遠(yuǎn)，王雨曦，姜超，等.一種高功率因數(shù)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（7）.

〔編輯：白潔〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2