一種單相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種單相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要:采用UCC28019設(shè)計(jì)了一種新型單相功率因數(shù)整流器，分析了系統(tǒng)的工作原理，對(duì)主要模塊進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。在升壓儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì)中，采用一種新型薄銅帶工藝?yán)@制的Boost儲(chǔ)能電感，有效地減小了高頻集膚效應(yīng)、改善了Boost變換器的開(kāi)關(guān)調(diào)制波形并降低了磁件溫升。350W的樣機(jī)試驗(yàn)表明，該單相功率因數(shù)整流器設(shè)計(jì)合理、性能可靠，功率因數(shù)可達(dá)0.993，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

0引言

諧波的污染與危害已經(jīng)引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，解決電力電子裝置諧波污染和低功率因數(shù)問(wèn)題的基本方法，除了采用補(bǔ)償裝置對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償外，還開(kāi)發(fā)了新型整流器，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)為1，這種整流器稱(chēng)為單位功率因數(shù)整流器(UnityPowerFactorConverter，PFC)。然而，傳統(tǒng)功率因數(shù)整流電路技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計(jì)步驟繁瑣，所需元件多，體積大且成本高，如使用經(jīng)典的UC3854芯片開(kāi)發(fā)的PFC電路。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)往往要在性能和成本間進(jìn)行平衡。

近年來(lái)，單級(jí)PFC的研究主要集中于如何簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的PFC控制電路結(jié)構(gòu)，避免對(duì)輸入電壓采樣和使用復(fù)雜的模擬乘法器。

UCC28019是一款8引腳的連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)控制器，能以極小的諧波失真獲得接近單位功率因數(shù)的水平，適用于低成本的PFC應(yīng)用。該器件具有寬泛的通用輸入范圍，適用于0.1～2kW的功率因數(shù)整流器。該控制器使用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工作于電流CCM。欠壓鎖定期間的起動(dòng)電流低于200μA，用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)整輸出電壓檢測(cè)引腳(VSENSE)上的電壓低于0.77V，使系統(tǒng)工作于低功耗的待機(jī)模式。

本文基于UCC28019設(shè)計(jì)了一種功率因數(shù)整流器，不需檢測(cè)電網(wǎng)電壓，利用平均電流控制模式，實(shí)現(xiàn)輸入電流較低的波形畸變，大大減少了元件數(shù)量。簡(jiǎn)單的外圍電路網(wǎng)絡(luò)，非常便于對(duì)電壓環(huán)和電流環(huán)進(jìn)行靈活的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。該整流器具有許多系統(tǒng)級(jí)的保護(hù)功能，包括峰值電流限制、軟過(guò)電流保護(hù)、開(kāi)環(huán)檢測(cè)、輸入掉電保護(hù)、輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、軟起動(dòng)等。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

本設(shè)計(jì)的單相功率因數(shù)整流器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中，主電路采用單相Boost升壓電路，控制電路采用UCC28019芯片。UCC28019的引腳圖如圖2所示。系統(tǒng)的控制環(huán)路包括一個(gè)電壓環(huán)和一個(gè)電流環(huán)。輸出電壓通過(guò)分壓電阻接入引腳6，引腳內(nèi)部接入電壓誤差放大器gmv的反相輸入端，反饋電壓與5V基準(zhǔn)電壓比較后得到調(diào)制電壓Ucomp。另外，從電流傳感電阻檢測(cè)到的電流信號(hào)送入引腳3進(jìn)行緩沖、反相放大后得到的信號(hào)通過(guò)電流放大器(gmi)進(jìn)行平均，其輸出ICOMP引腳上的電壓與平均電感電流成比例。平均電流放大器(gmi)的增益由VCOMP引腳內(nèi)部的電壓決定，該增益設(shè)置為非線性。因此，可以適應(yīng)范圍內(nèi)的交流輸入電壓。

UCC28019芯片系統(tǒng)級(jí)的保護(hù)使系統(tǒng)工作在安全的工作范圍內(nèi)。系統(tǒng)保護(hù)主要包括軟起動(dòng)、VCC欠壓鎖定(UVLO)、輸入掉電保護(hù)(IBOP)、輸出過(guò)壓保護(hù)(OVP)、開(kāi)環(huán)保護(hù)/待機(jī)模式(OLP/Standby)、輸出欠壓檢測(cè)(UVD)/增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)(EDR)、過(guò)流保護(hù)、軟過(guò)流(SOC)、峰值電流限制(PCL)。芯片輸出保護(hù)的工作狀態(tài)示意圖如圖3所示。

圖1單相功率因數(shù)整流器結(jié)構(gòu)框圖。

圖2UCC28019管腳示意圖。

圖3UCC28019輸出保護(hù)狀態(tài)示意圖。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1Boost升壓電感的設(shè)計(jì)

要想設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的PFC電路，除了IC外圍電路各元件值選擇合理外，還需特別認(rèn)真選擇Boost升壓儲(chǔ)能電感器。它的磁性材料不同，對(duì)PFC電路的性能影響很大，甚至該電感器的接法不同，且會(huì)明顯地影響電流波形;另外，驅(qū)動(dòng)電路的激勵(lì)脈沖波形上升沿與下降沿的滯后或振蕩，都會(huì)影響主功率開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。當(dāng)增大輸出功率到某個(gè)階段時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)輸入電流波形發(fā)生畸變甚至出現(xiàn)死區(qū)等現(xiàn)象。因此，在PFC電路的設(shè)計(jì)中，合理選擇BoostPFC升壓電感器的磁心與繞制電感量是非常重要的。電感值的計(jì)算以低輸入電壓Uin(peak)和對(duì)應(yīng)的占空比Dmax時(shí)保證電感電流連續(xù)為依據(jù)，計(jì)算公式為：

式中Uin(peak)———低輸入交流電壓對(duì)應(yīng)的正弦峰值電壓，V

Dmax———Uin(peak)對(duì)應(yīng)的占空比

ΔI———紋波電流值，A;計(jì)算時(shí)，假定為紋波電流的30%

fs———開(kāi)關(guān)頻率，Hz

占空比的計(jì)算公式為：

若輸入交流電壓為220V(輸入電壓為85V)，輸出直流電壓為390V，開(kāi)關(guān)頻率為fs=50kHz，輸出功率Po=350W，則可計(jì)算得到Dmax=0.78，紋波電流為1.75A，從而求得電感值L3=713μH，實(shí)際電感值取為1mH。

由于升壓電感工作于電流連續(xù)模式，需要能通過(guò)較大的直流電流而不飽和，并要有一定的電感量，即所選磁性材料應(yīng)具有一定的直流安匝數(shù)。

設(shè)計(jì)中，升壓電感器采用4塊EE55鐵氧體磁心復(fù)合而成，其中心柱截面氣隙為1.5mm，Boost儲(chǔ)能電感器的繞組導(dǎo)線并不用常規(guī)的多股0.47mm漆包線卷繞，而是采用厚度為0.2mm、寬度為33mm的薄紅銅帶疊合，壓緊在可插4塊EE55磁心的塑料骨架上，再接焊錫導(dǎo)線引出，用多層耐高壓絕緣膠帶扎緊包裹。去消用薄銅帶工藝?yán)@制的Boost儲(chǔ)能電感，對(duì)減小高頻集膚效應(yīng)、改善Boost變換器的開(kāi)關(guān)調(diào)制波形、降低磁件溫升均起重要作用。

2.2輸出電容設(shè)計(jì)

直流側(cè)輸出電容具有2個(gè)功能:

(1)濾除由于器件高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作造成的直流電壓的紋波;(2)當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，在整流器的慣性環(huán)節(jié)延遲時(shí)間內(nèi)，將直流電壓的波動(dòng)維持在限定范圍內(nèi)。

開(kāi)關(guān)動(dòng)作造成的紋波頻率比較高，只需要較小的電容就可以滿(mǎn)足第1項(xiàng)要求。第2項(xiàng)要求與負(fù)載功率變化的大小、輸出直流電壓、輸出紋波電壓和保持時(shí)間Δt等因素有關(guān)，其中Δt一般取為15～50ms。用Δt表達(dá)的輸出電容值為：

式中Δt———保持時(shí)間，電網(wǎng)斷電后要求電容在時(shí)間Δt內(nèi)電壓不低于一定值

Uo———直流輸出電壓

Uomin———要求電網(wǎng)斷電后，在保持時(shí)間內(nèi)電容電壓的值

按照降額使用的原則，該方案采用－20%的安全范圍，在保持時(shí)間條件下計(jì)算可得Co=357μF，實(shí)際選用的標(biāo)準(zhǔn)電容值為Co=470μF。

2.3電流環(huán)與過(guò)流保護(hù)

電流環(huán)包括電流平均放大、脈寬調(diào)制(PWM)、外部升壓電感和外部電流傳感電阻等環(huán)節(jié)。

從電流傳感電阻檢測(cè)到的負(fù)極性信號(hào)送入ISENSE引腳進(jìn)行緩沖、反相放大后，得到的正極性信號(hào)通過(guò)電流放大器(gmi)進(jìn)行平均，其輸出即為ICOMP引腳，ICOMP引腳上的電壓與平均電感電流成比例，該引腳對(duì)地(GND)外接一電容，提供電流環(huán)路補(bǔ)償并可對(duì)紋波電流進(jìn)行濾波。平均電流放大器的增益由VCOMP引腳內(nèi)部的電壓決定，該增益設(shè)置為非線性，故可適應(yīng)范圍內(nèi)的交流輸入電壓。無(wú)論芯片處于故障模式還是待機(jī)模式，ICOMP引腳均在內(nèi)部接至4V電平。

脈寬調(diào)制(PWM)電路將ICOMP引腳電壓信號(hào)與周期性的斜坡信號(hào)比較，產(chǎn)生上升沿調(diào)制的輸出信號(hào)，若斜坡電壓信號(hào)大于ICOMP引腳電壓，則PWM輸出為高電平，斜坡的斜率是內(nèi)部VCOMP引腳電壓的非線性函數(shù)。

由內(nèi)部時(shí)鐘觸發(fā)的PWM輸出信號(hào)在周期開(kāi)始時(shí)為低電平，該電平會(huì)持續(xù)一小段時(shí)間，稱(chēng)之為關(guān)斷時(shí)間(tOFF(min));然后，斜坡電壓信號(hào)線性上升與ICOMP電壓交叉，斜坡電壓與ICOMP電壓的交叉點(diǎn)決定了關(guān)斷時(shí)間(tOFF)，也即DOFF，由于DOFF滿(mǎn)足Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方程:DOFF=UIN/UOUT，且輸入U(xiǎn)IN是正弦電壓，ICOMP與電感電流成比例，控制環(huán)路會(huì)迫使電感電流跟隨輸入電壓呈現(xiàn)正弦波形以進(jìn)行Boost調(diào)制，因此平均輸入電流也呈現(xiàn)正弦波形。

PWM比較器的輸出送入柵極(GATE)驅(qū)動(dòng)電路，雖然芯片的驅(qū)動(dòng)電路具有多種保護(hù)功能，且柵極輸出的占空比可達(dá)99%，但始終要存在一關(guān)斷時(shí)間(tOFF(min))。正常占空比工作時(shí)，輸出過(guò)壓保護(hù)(OVP)、峰值電流限制(PCL)等，在每一周期均可直接關(guān)斷芯片的柵極輸出，欠壓鎖定(UVLO)、輸入掉電保護(hù)(IBOP)和開(kāi)環(huán)保護(hù)/待機(jī)(OLP/Standby)等同樣也可以關(guān)斷柵極輸出脈沖，直至軟起動(dòng)開(kāi)始工作才恢復(fù)其輸出脈沖。

電感電流通過(guò)電流檢測(cè)電阻檢測(cè)，該檢測(cè)電阻位于輸入整流器的返回通路上，檢測(cè)電阻的另一端和“系統(tǒng)地”相連。檢測(cè)電阻和整流器相連的一端為所檢測(cè)的電壓，該電壓始終為負(fù)值。芯片UCC28019共有2種過(guò)流保護(hù):

(1)峰值電流限制(PCL)，可以有效防止電感飽和;(2)軟過(guò)流保護(hù)(SOC)，可以有效防止輸出過(guò)載;PCL每個(gè)基本周期均起作用。當(dāng)ISENSE引腳上的電流檢測(cè)電壓達(dá)到－1.08V時(shí)，PCL動(dòng)作并終止當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期;ISENSE引腳上的電壓可以通過(guò)－1.0V的固定增益進(jìn)行放大，使上升沿為空，從而提高噪聲免疫力，減少誤觸發(fā)。

SOC主要限制輸入電流。當(dāng)ISENSE引腳上的電流檢測(cè)電壓達(dá)到－0.73V時(shí)，SOC動(dòng)作，從而引起內(nèi)部VCOMP引腳上電平的變化，進(jìn)而控制環(huán)路會(huì)及時(shí)地調(diào)整，以減小PWM占空比。

2.4電壓環(huán)與過(guò)壓保護(hù)

PFC預(yù)調(diào)節(jié)器雙環(huán)控制的外環(huán)為電壓環(huán)，主要包括PFC輸出電壓檢測(cè)、電壓誤差放大和非線性增益等環(huán)節(jié)。

PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電壓對(duì)地(GND)接一分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成電壓環(huán)路的檢測(cè)模塊。分壓電阻的比率由所設(shè)計(jì)的輸出電壓和內(nèi)部的5V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓來(lái)確定;與VINS引腳的輸入一樣，VSENSE引腳上非常低的偏置電流容許選擇很高的實(shí)用電阻值，以降低功率損耗和待機(jī)電流;VSENSE引腳對(duì)地(GND)接一小電容，可以有效濾除信號(hào)高頻噪聲。需要注意的是，濾波時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能小于100μs。

跨導(dǎo)誤差放大器(gvm)產(chǎn)生的輸出電流正比于VSENSE引腳上的反饋電壓和內(nèi)部5V參考電壓的差值。該輸出電流對(duì)接于VCOMP引腳上構(gòu)成阻容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電容進(jìn)行充、放電，進(jìn)而建立合適的VCOMP引腳電壓，滿(mǎn)足系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)元件的選擇直接影響PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，選擇合適的電阻、電容值，可以使PFC預(yù)調(diào)節(jié)器在所有交流輸入電壓范圍內(nèi)和0～100%負(fù)載情況下穩(wěn)定工作，阻容網(wǎng)絡(luò)總的電容值也決定了軟起動(dòng)時(shí)VCOMP引腳電壓的上升率。一旦芯片發(fā)生任何故障或者處于待機(jī)模式，則將放大器的輸出端(VCOMP引腳)接地(GND)，對(duì)補(bǔ)償電容進(jìn)行放電至零初始狀態(tài)。UCC28019集成了多個(gè)并行放電回路，即使沒(méi)有輔助工作電源VCC，也可以對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深放電。如果輸出電壓的波動(dòng)反映在VSENSE輸入引腳上超過(guò)±5%，放大器將不再處于線性放大工作狀態(tài)。如果是處于過(guò)壓狀態(tài)，輸出過(guò)壓保護(hù)(OVP)將會(huì)動(dòng)作，直接關(guān)斷柵極輸出，直至VSENSE引腳處于±5%的調(diào)制范圍。如果處于欠壓狀態(tài)，欠壓檢測(cè)(UVD)將觸發(fā)EDR，立即將內(nèi)部VCOMP引腳上的電壓提高2V，并且將內(nèi)部VCOMP引腳上的充電電流提升至100～170μA，較高的充電電流加快了對(duì)補(bǔ)償電容的充電，可以使其工作于新的工作狀態(tài)，提高了瞬態(tài)反應(yīng)時(shí)間。

VCOMP引腳上的電壓可以用于設(shè)定電流放大器的增益和PWM斜坡的斜率，經(jīng)過(guò)緩沖后電壓要通過(guò)增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)(EDR)和SOC的調(diào)制。

當(dāng)然，VCOMP引腳上的電壓發(fā)生變化時(shí)，電流放大器的增益和PWM斜坡的斜率還要依據(jù)不同系統(tǒng)的工作狀態(tài)(交流輸入電壓和輸出負(fù)載水平)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以提供低諧波畸變、高功率因數(shù)的輸入電流跟蹤輸入電壓而呈現(xiàn)正弦波形。

設(shè)UOUT(OVP)為超過(guò)5%額定電壓的輸出電壓，該值將會(huì)導(dǎo)致VSENSE引腳上的電壓超過(guò)5.25V(5V參考電壓的+5%)的門(mén)限閾值(UOVP)，從而導(dǎo)致輸出過(guò)壓保護(hù)(OVP)動(dòng)作并關(guān)閉GATE(引腳8)輸出;只有當(dāng)VSENSE引腳上的電壓低于5.25V時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)GATE(引腳8)才有信號(hào)輸出，例如系統(tǒng)的UOUT(OVP)為420V，則額定輸出電壓為400V。

如果輸出電壓反饋元件失效而未和VSENSEN輸入的信號(hào)正常連接，那么電壓誤差放大器將會(huì)加大柵極輸出，以達(dá)到占空比。為防止此類(lèi)現(xiàn)象，芯片內(nèi)部的下拉作用迫使VSENSE引腳電壓降低，如果輸出電壓降至其額定電壓的16%，則會(huì)導(dǎo)致VSENSE引腳電壓低于0.8V，芯片將處于待機(jī)模式。該狀態(tài)下PWM開(kāi)關(guān)處于暫停狀態(tài)，但芯片仍處于工作狀態(tài)，只不過(guò)待機(jī)電流低于3mA。設(shè)計(jì)者也可以利用這種關(guān)斷特性，通過(guò)外部開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)VSENSE引腳電平的拉低。

2.5EMI濾波器與噪聲抑制

高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)主要以傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾為主，電磁干擾又有共模干擾和差模干擾2種狀態(tài)。EMI濾波器是目前使用廣泛、也是有效的開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)干擾抑制方法之一，其不但要抑制共模干擾，也必須抑制差模干擾。圖4給出了所設(shè)計(jì)的EMI濾波器。它接于電源輸入端與整流器之間，內(nèi)含共模扼流圈L2和濾波電容C1～C4。共模扼流圈也稱(chēng)共模電感，主要用來(lái)濾除共模干擾。它由繞在同一高磁導(dǎo)率上的2個(gè)同向線圈組成，可抵消差分電流，其特點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)側(cè)的工頻電流呈現(xiàn)較低阻抗，但對(duì)高頻共模干擾等效阻抗卻很高。C2和C3為Y電容，跨接在輸入端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效地抑制共模干擾，其容量約為0.0022～0.1000μF;C1和C4為X電容，用于濾除差模干擾，其典型值在0.01～0.47μF之間。

圖4EMI濾波器。

UCC28019的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，可以提供1.5A的門(mén)極快速驅(qū)動(dòng)。但是，高速驅(qū)動(dòng)脈沖也帶來(lái)了比較大的EMI問(wèn)題，適當(dāng)?shù)卦陂T(mén)極添加驅(qū)動(dòng)電阻，減緩驅(qū)動(dòng)脈沖的di/dt，可以降低變換器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲，從而對(duì)前級(jí)的EMI濾波器的要求也相應(yīng)降低。

PFC升壓二極管的反向恢復(fù)特性是導(dǎo)致系統(tǒng)傳導(dǎo)和輻射干擾的主要因素，在一定程度上加劇了系統(tǒng)EMI濾波器的負(fù)擔(dān)。不僅如此，功率開(kāi)關(guān)管在其導(dǎo)通期間必須吸收所有的反向恢復(fù)電流，也必須將由此導(dǎo)致的額外功率消耗掉，這不僅提升了噪聲干擾，而且也會(huì)影響系統(tǒng)的效率。傳統(tǒng)型單相功率因數(shù)校正主電路中的二極管是快恢復(fù)硅二極管，其材料是硅，而硅的反向耐壓能力低。

與硅材料相比，碳化硅(SiC)材料在性能上更適合制造電力電子器件，因?yàn)槠渚哂蟹聪蚰蛪焊?、?dǎo)通電阻小、導(dǎo)熱性好，以及承受反向高壓時(shí)泄漏電流小等優(yōu)點(diǎn)。目前，以SiC為材料的SiC肖特基二極管在電壓容量上已經(jīng)取得突破，電壓容量已做到600V，滿(mǎn)足單相功率因數(shù)校正的主電路對(duì)二極管400V的耐壓要求，且SiC肖特基二極管的反向恢復(fù)特性與快恢復(fù)二極管相比，更快、更軟。因此，選擇SiC肖特基二極管作為該系統(tǒng)的升壓二極管，以減小二極管反向恢復(fù)所引起的傳導(dǎo)和輻射干擾;同時(shí)，在升壓二極管上并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)，也能取得較好效果。

3試驗(yàn)

根據(jù)上述理論，設(shè)計(jì)了一臺(tái)350W的單相功率因數(shù)整流器，其各項(xiàng)保護(hù)措施如軟起動(dòng)，VCC欠壓鎖定、輸入掉電保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、開(kāi)環(huán)保護(hù)/待機(jī)模式、輸出欠壓檢測(cè)、過(guò)流保護(hù)、軟過(guò)流、峰值電流限制等都非常齊全，主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:輸入電壓為AC220V/50Hz