UCC28019的高效率APFC電路設(shè)計
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摘要：文中針對傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路設(shè)計程序繁雜、所需元件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)龐大、成本昂貴等問題，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。最后給出了實驗波形，得到了相應(yīng)的結(jié)論，驗證了電路設(shè)計及其控制策略的正確性。實驗結(jié)果表明，使用UCC28019設(shè)計的電路，不僅可使步驟簡化，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，電網(wǎng)電流會發(fā)生非正弦失真，對其它電氣通信設(shè)備的正常運行造成干擾，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)域的一個重要課題[1]。針對上述問題，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，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，實驗結(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)計的目的。
1電路的工作原理與設(shè)計
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)過兩個回路完成：（1）內(nèi)部電流回路。從ISENSE端輸入的負(fù)極性電壓信號經(jīng)反相器變?yōu)檎龢O性信號，該信號在電流放大器作用下輸出為ICOMP。將ICOMP電壓與來自斜坡信號發(fā)生器的信號進(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振蕩信號共同控制PWM的占空比，功率開關(guān)上升的過程恰好超過ICOMP電壓的時間，該時間又決定了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，具有開路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(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)正常運行。VCOMP上的電壓可以用來對斜坡信號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，增益參數(shù)可以被自動調(diào)整，從而使畸變對輸入電流的波形影響較低，使得開關(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
為了符合設(shè)計要求，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和輸出電壓誤差放大信號相乘得到電流參考信號，通過比較輸入電流信號和基準(zhǔn)電流信號，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，以輸出開關(guān)Tr的驅(qū)動信號，從而確定占空比，最終快速、精確地校正了電流誤差。因為電流與電壓具有相同波形，所以實現(xiàn)了對功率因數(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)測量原理及電路設(shè)計
通過HWPT07電壓互感器將主回路大的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉慕涣麟?，然后將該小信號?jīng)過具有一定放大倍數(shù)的放大器LM358進(jìn)行放大，再經(jīng)過由電壓比較器TL084構(gòu)成的過零比較器，將交流信號轉(zhuǎn)為對應(yīng)的方波信號[5]。同理，首先通過HWCT-5A-5MA電流互感器可得對應(yīng)的電流方波信號，然后將兩路信號輸入單片機(jī)對兩路信號進(jìn)行捕捉，測得捕捉上升沿時間差，計算出相位差角，進(jìn)而通過計算得出功率因數(shù)值。
2實驗
2.1系統(tǒng)元件參數(shù)計算
本設(shè)計中，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)測量電路等。（1）計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）計算升壓電感（LBST）。升壓電感具有儲能作用，按照占空比D=0.5可以得到斬波電感的最小值。（3）計算采樣電阻（RSENSE）。主要采樣電感上的電流。已知軟過流保護(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高精度電阻并聯(lián)得到。（4）反向快速恢復(fù)二極管（DBST）的計算。反向恢復(fù)時間越短，功率開關(guān)的損耗就越小?？倱p耗包括開關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗。若使用超快恢復(fù)二極管，則開關(guān)損耗可忽略，元件可利用功耗及恢復(fù)時間來確定[6]。在125℃時，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）計算CISENSE。由于瞬時峰值電流會對器件造成損害，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）計算CICOMP?？鐚?dǎo)電流放大器輸出端即為ICOMP引腳，將一個補(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的作用。查閱手冊知平均電流極點fIAVG=9.5kHz，gmi=0.95ms，M=7，利用公式（7）可得CICOMP的取值2.2實驗結(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。實驗結(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，實現(xiàn)了高效校正功率因數(shù)的功能。
3結(jié)語
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)過對電路性能的測試，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；該控制器避開了電網(wǎng)電壓，只運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)通過簡單的外圍電路網(wǎng)絡(luò)方便進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計。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現(xiàn)成本，具有一定的實用價值。
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作者:李彩鳳 楊風(fēng) 常宇 單位:中北大學(xué)國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心