基于UC3855A軟開關功率因數校正電路設計

1、序號：10 電氣控制系統(tǒng)課程設計(論文題 目：基于UC3855A 軟開關功率因數校正電路設計 指導老師： 榮 軍 院 系： 信息與通信工程學院 專 業(yè)： 自動化 班 級： 0 7 自動化 學生姓名: 黃 帥 學 號: 140721012142010年 12月10日目 錄目 錄 . II 1 引言 . 1 2 軟開關介紹 . 22.1 軟開關的基本概念 . 2 2.2 軟開關的分類 . 32.2.1 準諧振變換器 . 3 2.2.2 零開關PWM 電路 . 3 2.2.3 零轉換PWM 電路 . 33 UC3855A簡介 . 43.1 UC3855A引腳及特點 . 4 3.2 UC3855A引腳

2、功能概述 . 5 4 電路總體設計及仿真 . 64.1 電路設計 . 6 4.2 系統(tǒng)分析 . 74.2.1硬開關仿真及分析 . 7 4.2.1軟開關仿真及分析 . 8 4.3 小結 . 8 5 結論 . 9 參考文獻 . 10 致 謝 . 111 引言PWM （脈寬調制）功率變換技術省去了龐大笨重的工頻變壓器, 減小了裝置的體積重量, 提高了電源的功率密度與整機效率。然而, 在硬開關狀態(tài)下工作的變換器, 隨著開關頻率的上升, 一方面開關管的開關損耗會成比例地上升, 使電路效率降低, 處理功率的能力減小另一方面, 會產生嚴重的電磁干擾。由于功率開關管并不是理想開關, 開通和關斷都需要一定時間,

3、 在這段時間里, 在開關管兩端電壓或電流減小的同時, 通過的電流或電壓上升, 形成電壓和電流波形的交疊, 從而產生了開關損耗。本文介紹一種采用UC3855A 軟開關技術的功率因數校正電路系統(tǒng), 使開關損耗以及噪聲大幅減小。同時利用MatLab 工具軟件對其進行系統(tǒng)仿真，進一步的分析了該系統(tǒng)的優(yōu)越性1。、2 軟開關介紹2.1 軟開關的基本概念如圖一所示為硬開關工作過程，其中硬開關的電壓（或電流）未完全停止之前，由于機械應力的強制使得對應的電流（或電壓）開始導通，這就使得開關工作時產生的功率0i u P =，從而使得相應的開關產生開關損耗和噪聲2。開關損耗隨著開關的頻率提高而增加，使得電路的效率下

4、降，阻礙了開關頻率的提高；同時造成電磁干擾的加劇。 （a ）（b ）圖一 硬開關工作過程軟開關技術是使功率變換器得以高頻化的重要技術之一, 它應用諧振的原理, 使開關器件中的電流(或電壓 按正弦或準正弦規(guī)律變化。當電流自然過零時, 使器件關斷(或電壓為零時, 使器件開通 , 從而減少開關損耗。它不僅可以解決硬開關變換器中的硬開關損耗問題、容性開通問題、感性關斷問題及二極管反向恢復問題, 而且還能解決由硬開關引起的EMI 等問題3。對硬開關電路增加很小的電感和電容等諧振元件，構成輔助換流網絡即可使電路工作在圖二所示的軟開關工作條件下。圖中所示的工作條件下，開關開通前電壓先降為零或關斷前電流先降為

5、零，這樣就可以消除開關過程中電流和電壓的重疊, 使得0i u P =，降低開關的損耗以致達到“零”損耗，同時消除開關噪聲。 （a ）（b ）圖二 軟開關工作過程2.2 軟開關的分類軟開關技術問世以來，經歷了不斷發(fā)展和完善，前后出現了許多軟開關技術的開關電路，根據軟開關技術發(fā)展的歷程可以將軟開關電路分成準振諧電路、零開關PWM 電路和零轉換PWM 電路4。2.2.1 準諧振變換器其特點是諧振元件參與能量變換的某一個階段，不是全程參與。由于正向和反向LC 回路值不一樣，即振蕩頻率不同，電流幅值不同，所以振蕩不對稱。一般正向正弦半波大過負向正弦半波，所以常稱為準諧振。無論是串聯LC 或并聯LC 都會

6、產生準諧振。利用準諧振現象，使電子開關器件上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，從而創(chuàng)造了零電壓或零電流的條件，以這種技術為主導的變換器稱為準諧振變換器。準諧振變換器分為零電流開關準諧振變換器和零電壓開關準諧振變換器。其基本電路如圖三所示。LrL （a ）零電壓開關準諧振圖三 準諧振電路基本開關單元2.2.2 零開關PWM 電路這類電路引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生在開關過程前后。零開關PWM 電路分為零電壓開關PWM 電路和零電流開關PWM 電路5。電路的電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩， 開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的PWM 控制方式。其基本電路

7、如圖四所示。Lr L （a ）零電壓PWM圖四 零開關PWM 電路基本開關單元2.2.3 零轉換PWM 電路這類軟開關電路還是采用輔助開關控制諧振的開始時刻，所不同的是諧振電路是與主開關并聯的，因此輸入電壓和負載電流對電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內并從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態(tài)。并且電路中無功功率的交換被消減到最小。這使得電路效率有了進一步的提高。零轉換PWM 電路可以分為：零電壓轉換PWM 電路和零電流轉換PWM 電路。其基本電路如圖五所示。 （a ）零電壓轉換PWM圖五 零轉換PWM 電路基本開關單元（b ）零電流轉換PWM3 UC3855A簡介3.1 UC38

8、55A引腳及特點UC 公司新推出的UC3855A / B 包含了大功率高頻PFC 升壓變換器的所有控制功能。UC3855A/ B 采用了平均電流型控制技術, 不需要斜率補償就可獲得穩(wěn)定的、低失真交流市電電流。同時,UC3855 還采用有源緩沖與零電壓轉換(Zero Voltage Transi2tion 技術6, 大大降低了二極管恢復時間和MOSFET 開關導通損耗, 具有EMI 低、效率高等特點。采用UC3855A/ B 后, 只需增加一個小功率MOSFET 、一只二極管和一只電感器, 就可實現諧振軟開關功能, 使升壓變換器的開關頻率達到500kHz 。采用一個簡單的電流取樣電阻或電流取樣互

9、感器可實現平均電流取樣7。當采用電流取樣互感器時, 在開關導通時間內, 內部電流與電路緩沖電感中的電流同步; 開關關斷時, 產生電感器電流。在大功率PFC 電路中, UC3855 具有較高的信噪比, 基本上可忽略電流取樣損耗。UC3855引腳圖如圖六 所示。VCC ZVTout Zvs Ct VAout Vsense SS Imo I AC C A -C AOGND GT Vref OVP Vrme C Sout Ion CI Rvs UC3855A圖六 UC3855A引腳圖3.2 UC3855A引腳功能概述UC3855 A/ B 采用20 腳DIL 和SOIC 封裝, 如圖4 所示。各管腳功

10、能如下:C A - :電流放大器的反相輸入端。該腳和C A OU T 腳之間應接入電阻電容補償網路。該腳輸入電壓范圍是- 0. 35V 。C AO : 寬帶電流放大器的輸出端, 也是PWM 比較器的一個輸入端。PWM 比較器根據該端信號調整市電輸入電流, 使之穩(wěn)定。電流放大器輸出電壓范圍是0. 17. 5V。C I : 電流取樣信號加到該腳和GND 間的電容上。當升壓變換器導通時, 緩沖電流取樣互感器給電容充電; 關斷時, 電流同步電路使電容放電, 其放電速度與升壓電感器電流變化率di / d t 成正比。因此, 僅需一個電流取樣互感器即可恢復電感器電流。CS OU T : CSOU T 和電

11、流放大器反相輸入端之間接入電流放大器輸入電阻。電流放大器將上述波形與乘法器輸出波形比較。同時, 該腳還接入峰值限流比較器的輸入電壓。若該腳電平大于1. 4V , 則比較器和門極驅動器的輸出被關斷。C T : 接在C T 腳和GND 腳之間的電容器將根據公式f 1 / 11200 C T 設定PWM 振蕩器的頻率。該電容最好采用低ESL 和ESR 的高質量陶瓷電容器。C T 值應不小于200p F 。振蕩器和PWM 工作頻率可達500kHz 。GND : 接地腳。應當注意, 所有接GND 的旁路電路和定時電容的引線應盡可能短一些。 GT : 該腳輸出峰值為1. 5A 的推拉電流, 驅動外接的MO

12、SFET 。接在GT 腳和MOSFET 門極之間的串聯電阻用于限制GTDR IVE 輸出電流過沖, 其阻值應不小于10。此外,GT 和GND 間應接入一個正向電壓很低的肖特基二極管, 以防止瞬態(tài)反向電壓。I AC : 輸入該腳的電流應該與整流后瞬時交流市電電壓成正比, 在IAC 腳和已整流市電 電壓之間接入一電阻可實現上述要求。IAC 內部電壓穩(wěn)壓在500mV 。I MO : 該腳為乘法器的輸出端和電流放大器的同相輸入端。由于該腳輸出一定的電流, 因此在該腳和地之間應接入一個電阻。該電阻的阻值應等于電流放大器的輸入電阻。該腳工作電壓范圍是- 0. 35V 。I ON : 該腳是電流取樣輸入端,

13、 應接在電流取樣互感器的次級。電流取樣互感器的主線圈與升壓變換器的開關管串聯。OVP : 該腳通過分壓器取樣升壓變換器輸出電壓。當該腳電平低于1. 8V 時, 啟動比較器關斷VR EF 振蕩器和PWM 電路。該腳電平在118V 715V (VR EF 時,UC3855 正常工作。該腳電平高于7. 5V 時, 滯后OV P 比較器置位PWM 鎖存器, 同時ZV TOU T 腳和GTDR IV E 腳的輸出也被關斷, 直至OV P 腳電平下降400mV 后, 才能恢復正常工作。分壓器電壓為輸出電壓的5 %時, OVP 關斷, 當輸出電壓達到額定電壓時, 內部滯后將再次啟動工作電路。OV P和啟動比

14、較器都接到PWM 輸出電路, 二者的傳輸延遲時間都是200ms 。R VS : 加到VSENSE 腳的輸出電壓取樣信號經緩沖后傳輸到R VS 腳。該腳和GND 之間接入一個電阻, 可產生與輸出電壓成正比的電流。該電流為電流同步電路的一個輸入電流。V AO :電壓放大器的輸出端。輸出電壓范圍是100mV 6V 。當該腳電壓低于115V 時, 乘法器的輸出被關斷。VCC :電源電壓。該腳與地之間應接入一個1F 的低ESL 、低ESR 陶瓷電容器。UC3855A 欠壓鎖定導通門限是16V , 并且具有6V 滯后;UC3855 B 欠壓鎖定導通門限是10. 5V , 具有0. 5V 滯后。V REF

15、:精密基準電壓源的輸出腳。該腳可向外部電路提供25mA 的電流并且內部可實現短路電流限制。當VCC 電壓低于欠壓鎖定門限時, V REF 被關斷; 為了穩(wěn)定工作, 該腳和地之間應接入容量在11F 以上的陶瓷電容器。V RMS : 該腳是乘法器的正反饋市電電壓補償端。該端加入與輸入交流市電電壓成正比的直流電壓時, 乘法器將根據公式1/VRMS 來改變電流指令信號, 以保證輸入功率恒定。這樣可使PFC 升壓穩(wěn)壓器具有通用輸入電源電壓的特點。該腳電壓為1. 5V 時, 市電電壓過低, 該腳電壓為4. 7V 時, 市電電壓過高。該腳輸入電壓范圍是0V 5. 5V 。V SENSE : 該腳是電壓放大器

16、的反相輸入端, 也是PFC 升壓變換器輸出電壓反饋點。通常在該腳和V AO 之間應接入電壓回路補償網路。Z VS : 當主MOSFET 開關漏極電壓達到0V 時, 該腳通過Z V T 比較器取樣漏極電壓并復位Z V T 鎖存器。該腳也調整ZV TOU T腳輸出的最大和最小脈寬。為了直接取樣主開關約為400V 的漏極電壓, 在ZVS 腳和MOSFET 的HV 漏極間應接入一個反向二極管。當漏極電壓為0V 時,Z VS 腳電壓約為0. 7V ,低于2. 5V ZVF 比較器門限。Z VS 時間應為振蕩器斜坡放電時間的1/ 2 , 以確保Z V T 功率元件正常工作。ZV TOU T : 此腳可輸出

17、750mA 峰值電流以驅動外接的MOSFET 。由于ZV T2 MOS2FET 開關容量較小, 該腳只需輸出較小的峰值電流。與GT 一樣, 該腳和GND 間應串聯一個門極電阻和肖基特二極管。4 電路總體設計及仿真4.1 電路設計230W 210kHz 零電壓轉換功率因數校正開關電源實際電路如圖七 所示，其中電容電阻使用官方手冊推薦值，輸入為交流市電值，經整流橋整流并簡單穩(wěn)壓后通過UC3855A 構成的BOOST 升壓電路使用開關管VD1以及由開關管VD2和Cr 和Lr 構成的軟開關及功率因數校正電路使其輸出為可調的升壓直流輸出8。該電路結構簡單，僅使用到UC3855A 和7805兩片集成芯片，

18、使用軟開關使其具有工作效率高、噪聲低等特點，該電路應用及其廣泛。 圖七 230W PFC-ZVT 變換器4.2 系統(tǒng)分析 4.2.1硬開關仿真及分析如圖八所示的硬開關仿真simulink 圖中，直流輸入通過開關管VD 的導通將其輸出電壓提供給阻性負載，示波器觀察環(huán)路電流、開關管電流、開關管電壓以及負載和電流。仿真后波形如圖 （a ） （b ）圖八 硬開關BOOST 升壓電路仿真圖八（b ）所示，其中可以明顯看出開關管中電流和電壓的關系，其中電流（或電壓）在開關開通以及關斷過程中對應的電壓（或電流）均不為零，因此課件硬開關在工作過程中是有開關損耗的。4.2.1軟開關仿真及分析如圖九（a ）所示的

19、仿真框圖中，開關管VD1和ZVT 控制管VD2以及Cr 和Lr 構成了軟開關工作的基本環(huán)節(jié)。在仿真波形圖（b ）中可以明顯的觀察到當開關管工作或關斷時，其電壓（或電流）上升時對應電流（或電壓）正好通過自然換向點，使得開關工作于“零”功耗的條件下，達到了仿真的目的。 （a ） （b ）圖九 ZVT 電路仿真圖4.3 小結本節(jié)通過運用MatLab 軟件中的simulink 工具箱對軟開關和硬開關進行相應的系統(tǒng)仿真，仿真效果均達到預期效果，能夠反映軟開關及硬開關的工作特點，同時對軟開關仿真過程中，通過上節(jié)對UC3855A 應用電路的建模，可以證明上節(jié)中電路的正確性。湖南理工學院課程設計(論文 5 結論 本文采用 UC3855A 具體應用電路對軟開關及功率因數校正電路進行具體的應用設 計及通過 Matlab 軟件對軟開關功率因數校正電路進行仿真，設計結果是令人滿意的， 均能達到預期的效果。但由于該方法的一部分限制，本設計任然存在一些不足之處： 1、電路的復雜因數為進行考慮。 2、由于 Ma