基于UCC28061的功率因數(shù)校正裝置

范佳春， 付 虹， 劉洪柳

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

在交流電路原理，功率因數(shù)PF＝cosφ，表示電壓與電流之間的相位差的余弦［1］。在開(kāi)關(guān)電源中，由于電路中的非線性元器件作用，會(huì)產(chǎn)生與輸入頻率不同的電流或者電壓，這些電流或者電壓就是所謂的諧波。它與開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)密切相關(guān)，即：

式中：THD——諧波畸變率，表示電流諧波或者電壓諧波的含量。

1 拓?fù)潆娐芳翱刂撇呗?/h2>

文中所設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正器是采用有源器件的APFC技術(shù)，其基本思想是：在整流器和濾波電容之間加入一個(gè)功率變化電路，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入電流波形跟蹤輸入電壓波形，從而減小THD值，以達(dá)到提高功率因數(shù)的目的［2］。

開(kāi)關(guān)電源中的幾種基本變換器拓?fù)溆蠦uck型、Boost型、Buck－Boost型、Cuk型、Sepic型和Zeta型，從理論上說(shuō)，這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可用作APFC的主電路。但是，由于Boost（升壓型）變化器的特殊優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的功率因數(shù)校正拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［3］。

功率因數(shù)校正控制策略可根據(jù)拓?fù)潆娐分须姼须娏魇欠襁B續(xù)分為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和臨界導(dǎo)通模式（BCM）3種［4］。本設(shè)計(jì)采用的控制芯片為UCC28061，工作方式采用BCM控制策略。Boost PFC電路原理如圖1所示。

圖1 BCM控制的Boost PFC電路原理圖

輸入電壓信號(hào)和電壓誤差放大器的輸出信號(hào)通過(guò)運(yùn)算處理形成電流控制參考信號(hào)Iref。當(dāng)電感電流iL＝Iref時(shí)，觸發(fā)RS控制器使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，iL開(kāi)始下降；當(dāng)電流過(guò)零檢測(cè)器檢測(cè)到iL＝0時(shí)，觸發(fā)RS控制器使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，iL開(kāi)始上升。

BCM控制策略的電感電流和開(kāi)關(guān)管波形如圖2所示。

圖2 BCM控制的電感電流及開(kāi)關(guān)管控制波形

2 PFC設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案

本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)參數(shù)相同的Boost PFC單元電路并聯(lián)組成整體電路，如圖3所示。

輸入電流經(jīng)過(guò)整流以后進(jìn)入PFC主電路，控制芯片UCC28061通過(guò)運(yùn)算和處理產(chǎn)生兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)MIC4422隔離放大后控制功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷和導(dǎo)通。電路中兩個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180°，兩個(gè)PFC單元電路處于交錯(cuò)工作狀態(tài)。每個(gè)PFC單元電路對(duì)應(yīng)的電感電流和輸出電流的上升和下降趨勢(shì)相反，兩個(gè)電流疊加后的總輸入輸出電流紋波幅值明顯降低。交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC的輸入EMI濾波器和輸出電容電流應(yīng)為傳統(tǒng)的Boost PFC一半，這樣就可以選擇容量較小的半導(dǎo)體器件，能有效減小EMI問(wèn)題［5］。

2.2 控制芯片UCC28061設(shè)計(jì)

UCC28061是一款使用自然交錯(cuò)的兩相交錯(cuò)并聯(lián)PFC的16引腳集成控制芯片，該芯片能實(shí)現(xiàn)兩相交錯(cuò)并聯(lián)PFC控制，最終控制結(jié)果是使輸入電流跟蹤輸入電壓實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定［6］。其引腳和功能如圖4所示。

圖3 PFC設(shè)計(jì)整體電路圖

圖4 UCC28061引腳排列和功能介紹

對(duì)于其中的每一相PFC單元路來(lái)說(shuō)，電感電流工作在BCM狀態(tài)，當(dāng)電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)輸入端（ZCDA，ZCDB）通過(guò)電感二次繞組檢測(cè)到電感電流下降到零后，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑瑢?duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后電感電流開(kāi)始線性增大，當(dāng)電流增大到與乘法器的輸出換算值相等時(shí)，PWM 信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑β书_(kāi)關(guān)管被關(guān)斷［7］。設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

3 PFC設(shè)計(jì)參數(shù)

文中以UCC28061為核心控制芯片，設(shè)計(jì)一款功率為6kW的兩相交錯(cuò)并聯(lián)PFC，由于兩個(gè)單元的參數(shù)相同，每個(gè)單元傳輸功率為總功率的一半。其電路指標(biāo)如下：

交流輸入電壓Ui：220V；

輸出母線電壓Uo：400V；

輸入電壓頻率：50Hz；

最大負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)：≥0.99；

輸出功率Po：3 000W；

滿載效率η：≥0.9；

開(kāi)關(guān)頻率fs：100kHz。

圖5 UCC28061設(shè)計(jì)圖

3.1 PFC電感設(shè)計(jì)

PFC電感參數(shù)應(yīng)在電路工作于最低輸入電壓的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入電壓處于最低輸入電壓的峰值時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大占空比為：

式中：Ui（min）——最 低 輸 入 電 壓 有 效 值，Ui（min）＝220×0.85＝187V。

電感電流的峰值Ipeak和電感紋波電流ΔI為：

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為100kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的PFC電感量為：

考慮裕量，取電感值為0.2mH。

3.2 輸出電容的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輸出電容時(shí)，輸出維持時(shí)間是一個(gè)重要的因素。在規(guī)定范圍內(nèi)，電容的維持時(shí)間的典型值為15～45ms［8］，文中取維持時(shí)間 Δt＝15ms，電網(wǎng)斷電后維持時(shí)間內(nèi)輸出電壓的最小值為198V，則輸出電容為：

考慮到裕量，取Co＝750μF。

3.3 功率器件的選擇

從安全可靠的角度考慮，為了在浪涌和過(guò)載情況下保護(hù)功率開(kāi)關(guān)管免受損壞，峰值電流限制的設(shè)定閾值應(yīng)為啟動(dòng)時(shí)浪涌電流的1.2倍，計(jì)算公式為：

功率開(kāi)關(guān)管的最大電流不應(yīng)低于該數(shù)值，對(duì)應(yīng)的電流有效值為：

流過(guò)PFC快速恢復(fù)二極管的電流有效值可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮到實(shí)際應(yīng)用情況，開(kāi)關(guān)管選擇APT50M38JLL型 MOSFET，快速恢復(fù)二極管選擇DWM2F60N060。

4 PFC實(shí)驗(yàn)部分

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用PF9830三相智能電量測(cè)量?jī)x對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1（輸入220VAC／50Hz）。

表1 PF9830測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)電源運(yùn)行過(guò)程的測(cè)試，可以看出電源電流的諧波含量比較低，THD在5%左右，功率因數(shù)能達(dá)到0.99以上。

4.2 實(shí)驗(yàn)波形

PFC電路各點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 PFC電路各點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)各個(gè)位置的波形測(cè)試可以看出，文中設(shè)計(jì)比較合理，能夠克服焊機(jī)內(nèi)的各種干擾，獲得比較穩(wěn)定平整的波形，使電源系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性有了保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐證明此設(shè)計(jì)方案是可行的，能獲得較高的功率因數(shù)的數(shù)值，使之達(dá)到0.99以上，提高了電源的效率。

［1］丁坤，姚河清，范興輝，等.功率因數(shù)校正技術(shù)在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用［J］.電焊機(jī)，2008，9：90－91.

［2］柴貴蘭.有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.西安：西安科技大學(xué)，2007.

［3］張光先.逆變焊機(jī)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］王鵬濤.探討功率因數(shù)及功率因數(shù)的提高［J］.機(jī)械與電子，2010（9）：511－512.

［5］王艷碩.交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC技術(shù)的研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［6］賁洪奇，張繼紅.開(kāi)關(guān)電源中的有源功率因數(shù)校正技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［7］普利斯曼，碧利斯／莫瑞.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.王志強(qiáng)，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［8］曹子林，陳戈珩，李文秀.一種優(yōu)化逆變電源直流變壓電路［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（2）：157－158.