基于有源功率因數校正的高功率因數電源設計

摘 要:構建有源功率因數校正(APFC)的高功率因數直流電源。該系統采用TI公司專用APFC整流控制芯片UCC28019作為控制核心，構成電壓外環和電流內環的雙環控制。其中內環電流環作用是使網側交流輸入電流跟蹤電網電壓的波形與相位;外環電壓環為輸出直流電壓控制環，外環電壓調節器的輸出控制內環電流調節器的增益，使輸出直流電壓穩定。系統采用ATmega16單片機進行監控，完成輸出電壓的可調以及輸入功率因數、輸出電壓、輸出電流等的實時測量與顯示和輸出過流保護等功能。實測表明，系統性能指標完全達到或超過設計要求。

關鍵詞:APFC;直流電源;UCC28019;ATmega16

中圖分類號:TN710文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)02-195-03

Design of High Power Factor Power Supply Based on Active Power Factor Correction

WU Xiaofei，WANG Guixin，TAO Xin，MO Xiancong

(Institute of Electrical Information，China Three Gorges University，Yichang，443002，China)

Abstract:An Active Power Factor Correction(APFC)based on DC power supply with a very high AC power factor is constructed.The DC power supply takes UCC28019 made by TI company as the core of system control.The control structure of the system consists of an inner current loop and an outer voltage loop.The function of the inner current loop is to shape a sinusoidal AC input current waveform in phase with AC input voltage.The outer one is output DC voltage loop and the output of voltage regulator regulates inner loop gain to maintain a stable output DC voltage.ATmega16 MCU is adopted to implement the system monitoring，including output voltage adjustment，real_time sampling and displaying of operation parameters such as input power factor，DC output voltage and DC output current and the output over current protection.Experiment results show that performances of the system meet or better than the requirement.

Keywords:APFC;DC power supply;UCC28019;ATmega16

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，從20世紀60年代開始，電力電子裝置大量出現和工業及生活領域。如整流裝置、電子整流器等接到電網時，電網電流將產生非正弦畸變，導致電網電壓產生畸變和高次諧波，影響其他用電設備、通信的正常運行，嚴重時還影響到發電設備的安全運行。因此，如何改善電力電子裝置的輸入電流波形和功率因數，成為電力電子產品開發需要考慮的重要因素。本文介紹一種基于有源功率因數校正(APFC)的高功率因數電源設計方案。

1 方案設計

1.1 理論分析

圖1為單相升壓型PFC基本電路[1]。PFC工作方式分為不連續電流模式(DCM)和連續電流模式(CCM)，DCM缺點較為明顯。該設計采用CCM方式。電壓外環和電流內環的雙閉環控制[2]。電壓控制器的輸出是輸入電流幅值指令Im，該指令與電網電壓的整流信號相乘作為電流給定。因為電流給定是和電網電壓信號波形成比例，所以電流給定信號與輸入電壓同相。電流內環使輸入電流盡可能跟蹤電流指令，最終的PWM驅動波形由電流控制器決定。由于電流內環的存在，驅動波形的占空比按正弦規律變化，使電感電流的平均值為正弦。故有時CCM方式也被稱為平均電流控制方式。CCM的輸入電流畸變很小，動態響應也比DCM快得多。由于CCM方式的輸入電流連續，所以同等輸入功率時，CCM方式比DCM的平均輸入電流小，不像DCM那樣有很高的峰值電流。相比較而言，CCM的開關管電流應力小，適用的功率范圍比DCM大。經過上述分析后，該系統采用CCM方式的升壓型PFC電路。

1.2 方案設計

根據設計要求，輸出電壓范圍在30～36 V之間穩定可調，輸入電壓低于輸出電壓，故系統前級采用Boost斬波電路升壓，實現逆變器輸入電壓穩定。為降低網側EMI，在隔離變壓器副邊與整流橋之間接入EMI抑制網絡。

系統控制采用TI專用APFC芯片UCC28019，該控制系統包括電流內環和電壓外環，其中電流內環的作用是控制網側輸入電流的波形和相位，使輸入電流波形畸變小、功率因數高;電壓外環的作用是控制輸入電流的幅值，以使輸出直流電壓在各種擾動下保持期望值。

圖1 單相升壓型PFC基本電路

為實現輸出電壓的連續可調和系統參數的顯示，采用Atmel公司ATmega16單片機進行系統監控。為使輸出電壓可調，由PS2鍵盤設定輸出值，送入單片機。采用8803驅動的240128液晶顯示器顯示系統信息。

系統保護擬采用單片機控制的繼電器過流保護與控制芯片的封鎖保護雙重保護方案。在檢測到輸出電流超過2.5 A時，單片機發出控制電平對UCC28019進行封鎖并通過繼電器斷開主電路;當檢測到輸出電流正常時，電路恢復正常運行。

2 系統實現

2.1 控制方案分析及實現

主電路的輸出直流電壓信號Vout和基準電壓Vr比較后，送入電壓誤差放大器VEA，得到Vcomp引腳電壓，該電壓決定了GMI網絡的增益和PWM比較器的參考三角波的斜率[3]。輸入電流經采樣電阻轉化為電壓信號，此信號經放大器放大送入GMI網絡以實現輸入平均電流的采樣，得到的信號與三角波進行比較得到特定占空比的PWM波。特定占空比的PWM波保持輸出電壓穩定。UCC28091的控制框圖如圖2所示。

圖2 UCC28019的控制框圖

2.2 主回路器件的選擇及參數計算

2.2.1 開關管的選擇

在該設計中，最大輸出電壓為36 V，開關管最大實際漏源電流為7.618 A，但是考慮到實際電壓電流尖峰和沖擊[4]，電壓電流耐量分別取2.5和2倍裕量，故開關管的最大耐壓應大于90 V，最大導通電流應大于15 A。基于上述要求，在此采用Vds=200 V，Id=30 A，Rds=85 mΩ的MOSEFT管IRF250，這完全滿足設計要求。

2.2.2 續流二極管的選擇

由于該電路采用Boost拓撲結構，因此續流二極管的選擇非常重要。在電路中受輸出大電容的影響，續流二極管應滿足最大整流電流大于7.618 A，最大反向電壓大于72 V，受儲能電感及開關管的影響，續流二極管的反向恢復時間要盡量小。鑒于此要求，這里采用MOSEFT中的反向快恢復二極管作為續流二極管，它的反向恢復時間完全達到設計要求，實際使用效果很好。

2.2.3 電感的參數計算

該電路采用Boost拓撲結構， Boost電路工作在電流連續工作模式(CCM)。根據Boost電路輸出電壓表達式，可得PWM占空比:

D=1-Vin/Vout(1)

最大占空比Dmax發生在輸入直流電壓最低(18 V)而輸出直流電壓最高(36 V)時候，最小占空比Dmin發生在輸入直流電壓最高(23 V)而輸出直流電壓最低(30 V)時[5]，則根據電流臨界連續條件求得電感值為:

L≥Vout×D×1-Dfsw(tye)×IRIPPLE=

36×0.5×0.565×0.2×7.618=90.85 μH(2)

式中:fsw(tye)為UCC28019的振蕩頻率;IRIPPLE為輸出紋波電流;Vout為最大輸出電壓。實際繞制儲能電感為108 μH。

2.2.4 輸入濾波電容的參數計算

根據Boost電路的工作特點，輸入電容的作用為濾除由儲能電感、整流電路產生的高次諧波，則有:

Cin=IRIPPLE8×fsw×Vin_RIPPLE(max)

=0.2×7.6188×65 ×0.06×2×15=2.302 μF(3)

式中:fsw為UCC28019的振蕩頻率;Vin_RIPPLE(max)輸入紋波電壓;IRIPPLE為輸入峰值電流。實際輸入電容采用2.2 μF。

2.2.5 輸出電容的參數計算

考慮到輸出直流電壓紋波等，濾波電容計算如下:

Cout(min) =2×Pout ×tHOLDUP V2out -V2out_HOLDUP(min)

= 2×72×20362-302=7 272.7 μF(4)

式中:Pout為最大輸出功率，Vout為最大輸出直流電壓，Vout_HOLDUP(min)為最低輸出直流電壓，tHOLD為交流電的周期。實際輸出電容采用8 000 μF。

2.3 其他器件參數計算

2.3.1 電流取樣電阻的參數計算

輸入電流檢測信號送到UCC28019的ISENSE腳，其內部最低門檻電壓為0.66 V，而軟過流保護要求在最大峰值電流的125%，則取樣電阻計算:

Rsense=VSOCILPEAK(max)×1.25=0.668.379 8×1.25

=0.063 Ω(5)

實際采用康銅絲作采樣電阻，實際取值0.055 Ω，略小于理論計算阻值。

2.3.2 UCC28019其他外圍器件參數的計算

UCC28019其他外圍器件參數的計算如下:

CICOMP=GMI#8226;M1K×2π×fIAVG=910 pF(6)

實際采用1 000 pF，其他器件選用如下:

CVcomp=4.7 μF，RVcomp=36 kΩ，CVcomp=0.22 μF，

CVins=0.47 μF

其主電路電路圖如圖3所示。

圖3 主電路電路圖

2.4 保護電路的設計與輔助電源的設計

2.4.1 輸出過流保護電路的設計

系統采用UCC28019芯片內部的封鎖功能和繼電器實現過流保護。當單片機檢測電路過流并控制芯片Icomp引腳的電平，使Boost電路停止工作，但此時電路的輸出電壓依然為整流后23 V左右的電壓，依然可能存在大電流，對整個系統有很大的潛在威脅。因而，該系統在主電路中還加入繼電器保護電路，切斷主回路，達到保護自身電路和負載的功能。

2.4.2 輔助電源的設計

輔助電源對整個系統的工作十分重要，該系統采用三端穩壓芯片設計。電路設計簡單，三端穩壓構成的線性電源紋波小，輸出電壓穩定，抗干擾能力強。輔助電源輸出為+12 V，±15 V，5 V。

2.5 數字設定及顯示電路設計[6]

該系統中采用PS2鍵盤通過PS2協議與單片機進行串行通信，接口簡單，易于實現。為了更好的美化顯示界面，采用控制器為RA8803的240×128帶國標字庫液晶顯示器。液晶顯示器通過并行數據總線與單片機進行通信。

3 軟件設計

軟件部分采用Atmel公司生產的AVR系列單片機ATmega16作為主控芯片。對硬件電路的相關參數進行測量同時參與輸出電壓的調節[7]，實現數控可調電壓輸出。對于功率因素等相關參數的測量，采用霍爾元件感器為主要檢測器件的硬件檢測電路，得到相關數據通過A/D送入單片機進行軟件算法處理，最終得到想要的數據送到液晶顯示;對于實現輸出電壓可調，這里通過鍵盤設置給定值，經單片機輸出PWM波后二次濾波轉化為最終的給定模擬量，再將模擬量送到電壓環的外接器，實現輸出電壓穩定可調，見圖4。

4 結果及性能分析

4.1 誤差分析

在測試過程中，測試電流失真度為4.7%，同時發現實驗室市電電壓的失真度達到2%，這直接導致所測的電流失真度偏高。另外，地線干擾以及信號線過長所帶來的干擾對整個系統都有一定的影響。

4.2 方案的優化與改進

電路工作時，交流電經橋式整流后并不能得到很平滑的波形，仍存在一定的誤差。而UCC28019內部工作原理是:電流調節為平均電流采樣模式，跟蹤電壓波形的電流波形經濾波放大后與三角波比較，所以整流后失真電壓波形引起紋波誤差，這個誤差將導致輸出PWM波誤差。若芯片在設計上能將此誤差考慮在內，設計效果會更佳。

5 結 語

本文介紹了一種高功率因數電源的設計方案，其成本和效率和普通的開關電源差不多，但實現了功率因數校正的功能，使電流波形畸變小于5%和功率因數高達0.998。是一種較為理想的PWM整流方案。

圖4 系統軟件流程圖

參 考 文 獻

[1]Abraham I Pressman.開關電源設計[M].2版.王志強，譯.北京:電子工業出版社，2008.

[2]李永建，糜曉宇，凌躍勝，等.關于Boost型APFC電路最大功率因數的討論\\.河北工業大學學報，2007(6):32-36.

[3]施保華.計算機控制技術[M].武漢:華中科技大學出版社，2007.

[4]田一華，王曉華，魯俊環.單相Boost型APFC電路的設計及仿真研究\\.佳木斯大學學報:自然科學版，2008(6):733-735.

[5]曲學基，王增福，曲敬鎧.穩定電源實用電路選編[M].北京:電子工業出版社，2003.

[6]高吉祥.全國大學生電子設計競賽培訓系列教程——模擬電子線路設計[M].北京:電子工業出版社，2007.

[7]黃志偉.全國大學生電子設計競賽系統設計\\.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

[8]羅佳明，戴慶元.開關電源PFC控制芯片電路和應用分析\\.電子器件，2007，30(4):1 204-1 207.