一種單相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)

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 變換器的開關(guān)調(diào)制波形并降低了磁件溫升。350 W 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，這種整流器稱為單位功率因數(shù)整流器( Unity Power Factor Converter，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 ～2 kW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200 μA，用戶可以通過調(diào)整輸出電壓檢測(cè)引腳(VSENSE) 上的電壓低于0. 77 V，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、軟過電流保護(hù)、開環(huán)檢測(cè)、輸入掉電保護(hù)、輸出過壓、欠壓保護(hù)、過載保護(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5 V 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)全球范圍內(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)、輸出過壓保護(hù)(OVP)、開環(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)、過流保護(hù)、軟過流( 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2 UCC 28019 管腳示意圖。

圖3 UCC 28019 輸出保護(hù)狀態(tài)示意圖。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2. 1 Boost 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)影響主功率開關(guān)管的最佳工作狀態(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Boost PFC 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)的最大占空比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)的最大占空比

　　ΔI———紋波電流值，A; 計(jì)算時(shí)，假定為紋波電流的30%

　　fs———開關(guān)頻率，Hz

　　占空比的計(jì)算公式為：

　　若輸入交流電壓為220 V( 最低輸入電壓為85 V)，輸出直流電壓為390 V，開關(guān)頻率為fs =50 kHz，輸出功率Po =350 W，則可計(jì)算得到Dmax =0. 78，紋波電流為1. 75 A，從而求得電感值L3 =713 μH，實(shí)際電感值取為1 mH。

　　由于升壓電感工作于電流連續(xù)模式，需要能通過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. 5 mm，Boost 儲(chǔ)能電感器的繞組導(dǎo)線并不用常規(guī)的多股 0. 47 mm漆包線卷繞，而是采用厚度為0. 2mm、寬度為33 mm 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 ～ 50 ms。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)電容電壓的最小值

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

　　2. 3 電流環(huán)與過流保護(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)全球范圍內(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4 V 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)在周期開始時(shí)為低電平，該電平會(huì)持續(xù)一小段時(shí)間，稱之為最小關(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最高可達(dá)99%，但始終要存在一最小關(guān)斷時(shí)間(tOFF(min) )。正常占空比工作時(shí)，輸出過壓保護(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)開始工作才恢復(fù)其輸出脈沖。