基于UC3854功率因數(shù)校正器的電源設(shè)計(jì)

孫駟洲，孟 櫻

安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖，241000

基于UC3854功率因數(shù)校正器的電源設(shè)計(jì)

孫駟洲，孟 櫻

安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖，241000

利用高功率因數(shù)控制芯片UC3854，設(shè)計(jì)了250 W功率因數(shù)校正器(APFC)。為了減小輸出整流二極管反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生沖擊電流對(duì)整流二極管及功率開關(guān)管MOS的損壞，主電路中的升壓電感采用帶中心抽頭的三點(diǎn)式結(jié)構(gòu)和二極管兩端并聯(lián)RC緩沖電路；以保證APFC工作在電流連續(xù)模式下為依據(jù)，具體設(shè)計(jì)了升壓電感值；分析了重載下輸出電壓下跌的原因，通過設(shè)計(jì)UC3854控制器內(nèi)乘法器輸入端的電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)重載下輸出電壓穩(wěn)定。最后，通過電路仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)的性能可靠，功率因數(shù)約1。

功率因數(shù)校正；Boost；UC3854；校正器

高頻開關(guān)電源因其體積小、效率高而被廣泛地應(yīng)用于電腦等設(shè)備中。開關(guān)電源由EMI濾波電路、二極管整流橋、電容濾波電路、高頻變壓器等構(gòu)成，它在工作過程中向公共電網(wǎng)注入大量的諧波信號(hào)，且功率因數(shù)低(約0.5～0.7)，產(chǎn)生大量的電磁干擾信號(hào)，影響其他設(shè)備的正常工作，尤其是通信裝置，這需要采取有效措施來抑制諧波并提高功率因數(shù)[1-4]。為此，設(shè)計(jì)了一款基于UC3854的250 W高功率因數(shù)、高效率的電源。

1 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

PFC電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，它采用高功率因數(shù)控制器UC3854，該芯片內(nèi)部集成了乘法器和比較器等。為提高系統(tǒng)的工作效率[2]，讓PFC電源在CCM模式下工作。市電經(jīng)過浪涌抑制電路和EMI濾波電路經(jīng)整流得到半正弦波電壓信號(hào)，通過前饋分壓網(wǎng)絡(luò)分壓至UC3854內(nèi)部模擬乘法器的一個(gè)輸入信號(hào)。輸出電壓經(jīng)分壓反饋至UC3854內(nèi)部電壓誤差放大器的反向輸入端，與基準(zhǔn)電壓Vref比較、放大后輸入模擬乘法器。乘法器產(chǎn)生一個(gè)電流控制環(huán)所需的基準(zhǔn)信號(hào)，該信號(hào)與采樣電感L電流比較得到偏差信號(hào)，經(jīng)三角波信號(hào)調(diào)制后產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)加到MOSFET管的柵極，從而控制MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電流實(shí)時(shí)跟隨電網(wǎng)輸入電壓變化，使流過升壓電感電流始終跟蹤單向正弦波形的交流輸入電壓波形變化，在電氣設(shè)備開關(guān)電源的輸入端得到一個(gè)與輸入電壓幾乎完全相同的平滑正弦波電流，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能[4]。

1.2 整流二極管反向恢復(fù)產(chǎn)生的電流沖擊的解決方案

傳統(tǒng)的boost PFC的輸出濾波電容兩端電壓很高(約400 V)，且PFC工作在電流連續(xù)模式下(圖1)，當(dāng)功率管Q1導(dǎo)通時(shí)，整流管D1處于反向恢復(fù)狀態(tài)。在整流管反向恢復(fù)期間，輸出濾波電容端高電壓通過接近短路狀態(tài)的D1直接加在功率管Q1兩端，使其在開通瞬間產(chǎn)生較大的峰值電流，造成D1、Q1的損壞。此外，在D1反向恢復(fù)過程中，通過寄生電感時(shí)產(chǎn)生紋波噪聲[3]。對(duì)此，采用中心抽頭的三點(diǎn)式升壓電感的主電路技術(shù)解決。與傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正主電路相比，該主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是在boost電感上引出一個(gè)中心抽頭，構(gòu)成新型帶中心抽頭的三點(diǎn)式升壓電感；同時(shí)在D1的兩端并聯(lián)RC緩沖電路，能夠有效地抑制快恢復(fù)肖特基二極管D1的反向恢復(fù)產(chǎn)生的電流沖擊問題。

1.3 升壓電感設(shè)計(jì)

帶中心抽頭的三點(diǎn)式升壓電感和RC濾波電路能夠有效抑制二極管反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的電流沖擊,同時(shí)降低紋波噪聲。Boost升壓電感L在電路中起到能量儲(chǔ)存、傳遞和濾波等功能，影響輸出端高頻紋波電流的大小。因此，以限制電流脈動(dòng)達(dá)到最小值為原則來確定電感值，確保在最低輸入電壓Uin min及其對(duì)應(yīng)最大占空比Dmax情況下，電感電流連續(xù)來計(jì)算升壓電感值,計(jì)算公式為[5]：

=982.7(μH)

(1)

式中Uin min為最低輸入交流電壓，Dmax在最低輸入電壓Uin min時(shí)占空比，ΔI為輸出紋波電流值，fs為開關(guān)頻率。實(shí)際取電感左段1mH，電感右段50uH，R和C分別取值為22、470pF。

1.4 重載下恒定輸出電壓參數(shù)調(diào)整

圖2 系統(tǒng)電壓環(huán)伯德圖

為了有效地抑制輸出電壓的2次諧波源，APFC電路控制系統(tǒng)中電壓環(huán)帶寬較低，其伯德圖如圖2所示。當(dāng)APFC主電路增加負(fù)載時(shí)，由于線路阻抗存在，輸出電壓下跌，故增加乘法器的正弦半波電流輸入值和前饋電壓輸入比例，達(dá)到增大乘法器的輸出值，以保證在重載過程中輸出電壓穩(wěn)定。具體設(shè)計(jì)如圖3所示：減小輸入整流半波電壓與UC3854N腳6(IVAC) 間的電阻值，達(dá)到增加乘法器輸入電流信號(hào)IAC的幅度；同樣，改變輸入整流半波電壓至UC3854N的8腳(Uff)阻容分壓網(wǎng)絡(luò)的電阻參數(shù)，使整流正弦半波電壓的波動(dòng)能在UC3854N的8腳產(chǎn)生更大變化。

圖3 前饋分壓網(wǎng)絡(luò)

在圖1中，輸入電壓經(jīng)整流后為饅頭波，經(jīng)過前饋分壓網(wǎng)絡(luò)為UC3854內(nèi)部乘法器輸入端，其電壓范圍為1.4～4.5V。在最低輸入電壓時(shí)，其值必須大于1.4V，設(shè)V1=7.5V，可得到如下關(guān)系式：

(2)

(3)

Vdc輸入電壓經(jīng)整流后為饅頭波，實(shí)際取值：R1=910Ω、R2=91kΩ、R3=20kΩ，對(duì)Vdc進(jìn)行Fourier分解，其高次諧波幅值表達(dá)式為：

(4)

當(dāng)k=2，二次諧波幅值為其平均值的66.7%。由于該信號(hào)是乘法器的一個(gè)輸入信號(hào)，Vrms上二次諧波在電流基準(zhǔn)信號(hào)上產(chǎn)生三次諧波分量，增加輸入電流的THD，所以必須想辦法消除。為了讓Vrms快速地跟蹤Vdc，將二階濾波器的兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)計(jì)成相同。設(shè)將二次諧波衰減為1.5%，則濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為：

(5)

得到C1和C2的值為：

(6)

(7)

實(shí)際?。篊1=47nF、C2=220nF。

第6管腳(Iac)的最大輸入電流為600uA，必須保證在最大峰值電壓輸入時(shí)，

(8)

實(shí)際取R4=620k。為了防止輸入電流的畸變，即保證Iac>0，須通過Vref(第9引腳)加一個(gè)偏置電流，取R5=150kΩ。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用PSIM軟件仿真設(shè)計(jì)電路，并根據(jù)設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)裝置。圖4和圖5分別為整流橋輸入端和輸出端的電壓和電流波形，電流跟蹤電壓波形。實(shí)驗(yàn)裝置中,功率開關(guān)管為IRFP450A型MOS管，其額定電壓、電流應(yīng)力分別為 500V、14A，最大導(dǎo)通電阻Rds(on).max為0.40Ω，二極管為DSEP30-06A，其電壓、電流應(yīng)力分別為600V、30A，反向恢復(fù)時(shí)間trr為30nS。在輸入端串入1Ω/2W電阻，測(cè)得電阻兩端電壓而得到輸入電流波形，輸入端電壓、電流波形如圖6所示。由圖6可知，功率因數(shù)校正器的輸入電流能夠跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)接近于1。

3 結(jié) 論

利用UC3854控制芯片設(shè)計(jì)了APFC電路，針對(duì)電流尖峰噪聲等問題，采用帶抽頭三點(diǎn)式升壓電感的BOOST拓?fù)潆娐?，輸出整流二極管兩端并聯(lián)RC緩沖電路，可有效地解決該問題。針對(duì)重載下輸出電壓波動(dòng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)阻容分壓網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，最后對(duì)APFC電路進(jìn)行PSIM仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，PFC輸入電源端的功率因數(shù)約1，結(jié)果表明整體性能良好。

[1]胡力元.可調(diào)光的單級(jí)PFC大功率LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2013，47(11)：64-66

[2]張忠權(quán).大功率單相有源功率因數(shù)校正主電路的研究[J].通信電源技術(shù)，2004，21(3)：22-25

[3]姚建紅.基于UC3854的Boost型APFC電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2009，43(7):11-12

[4]陳建業(yè).開關(guān)電源計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011:159-164

[5]馮仕勝.NCL30001CCM模式單級(jí)PFC大功率LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào)，2012，6(7)：102-104

[6]蔣志宏．并聯(lián)交錯(cuò)臨界連續(xù)PFC變換器的單周期控制[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，47(7)：1197-1200

[7]張厚升.基于UC3854的高功率因數(shù)校正器設(shè)計(jì)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27(1)：80-83

(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.01.021

2014-07-25

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“大功率純電動(dòng)汽車雙電機(jī)行星耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其Pareto控制策略研究”(1408085ME105)；安徽工程大學(xué)資助項(xiàng)目(2007rzr001)。

孫駟洲(1976-)，安徽和縣人，碩士，講師，主要研究方向：電力電子技術(shù)。

TN86

A

1673-2006(2015)01-0076-03