基于UCC28019的有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)

[摘 要] 針對電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載的應(yīng)用，對電網(wǎng)造成諧波污染及降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)的問題，分析了UCC28019及單周控制的優(yōu)勢，設(shè)計了一款基于UCC28019的單周控制有源功率因數(shù)校正（APFC）模塊，并進(jìn)行測試，該模塊具有功率因數(shù)高、控制技術(shù)先進(jìn)、設(shè)計簡單、成本低廉等優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞] UCC28019；單周控制；APFC

[中圖分類號] TM46 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

為解決各類電力電子設(shè)備造成的輸入電流存在大量諧波的問題，引入了功率因數(shù)校正技術(shù)，即對電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波。TI公司推出的UCC28019是一款有源功率因數(shù)校正芯片，該芯片采用近似單周控制技術(shù)，使系統(tǒng)接近單位功率因數(shù)。本文介紹了UCC28019的工作原理及單周控制優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款單周控制的功率因數(shù)校正模塊，給出了實驗結(jié)果。

1 簡介

1.1 功率因數(shù)

在理想情況下，如果負(fù)載為線性穩(wěn)定的，電路中同頻率的電壓和電流都是正弦波，φ是電壓越前于電流的相位差，此時功率因數(shù)為：

式中，URMS和IRMS是電壓、電流的有效值，單位分別為V、A；

而在電流非正弦情況下，

==

式中，I1RMS為基波電流有效值成分，THD為總諧波畸變，為：

1.2 功率因數(shù)校正

根據(jù)采用的方法的不同可以分成有源功率因數(shù)校正（APFC）和無源功率因數(shù)校正（PPFC）。無源功率因數(shù)校正技術(shù)（Passive PFC），簡稱PPFC，是通過在電路中使用阻容等無源元件，對電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。此方法電路結(jié)構(gòu)簡單，功率因數(shù)最大也可以達(dá)到0.9以上，但無源元件的體積較大，成本高，而且對電流波形失真的抑制效果較差，校正有限制。

有源功率因數(shù)校正技術(shù)（Active PFC），簡稱APFC，是采用無源器件和全控型器件構(gòu)成的功率變換電路對輸入電流的波形進(jìn)行控制，是指成為與電源電壓同向的正弦波，功率因數(shù)也可以達(dá)到0.995，能達(dá)到諧波濾除和功率因數(shù)校正效果，目前其應(yīng)用越來越廣泛，本文采用此種方法。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 單周期控制技術(shù)

在介紹UCC28019之前，先引入一個新概念——單周期控制技術(shù)（One Cycle Control，OCC）。單周期控制技術(shù)是一種新穎的非線性控制技術(shù)，它能逐周期地調(diào)節(jié)功率器件的占空比，僅在一個開關(guān)周期內(nèi)實現(xiàn)控制目標(biāo)。與傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正技術(shù)相比該控制技術(shù)具有控制電路簡單、響應(yīng)速度快、魯棒性好、抗輸入干擾性能好等優(yōu)點。典型的中大功率的單相有源PFC采用CCM模式、開關(guān)頻率固定和基于乘法器的控制方式，其控制電路包括電壓控制外環(huán)、電流控制內(nèi)環(huán)、乘法器等，因此它的控制電路比較復(fù)雜，需要較多的外設(shè)，從而導(dǎo)致了設(shè)計步驟繁瑣、元器件多、體積大、成本高等不足。

2.2 UCC28019的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

UCC28019的振蕩頻率由內(nèi)部固定為65 kHz，這樣可以有效地避免外界的干擾，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。該芯片輸出的PWM最大占空比為97%，驅(qū)動信號采用圖騰柱輸出結(jié)構(gòu)，灌電流（峰值電流）為2.0 A，拉電流（峰值電流）為1.5 A，輸出電壓最大為12.5 V，可直接驅(qū)動MOSEFT。

TI公司推出的UCC28019是一款8引腳的電流連續(xù)導(dǎo)通模式控制器，使用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該器件的輸入電壓范圍寬，成本低，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0.1 kW～2 kW的場合。另外，通過控制輸出反饋電壓端的電壓還可以實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。經(jīng)過分析，UCC28019芯片具有單周期控制特征，電壓誤差放大器是一個跨導(dǎo)型放大器，使得輸出分壓電路與誤差放大器分離開來，電流環(huán)在芯片內(nèi)部集成，只需要電容即可實現(xiàn)環(huán)路的設(shè)計。根據(jù)元件的參數(shù)表可以方便的設(shè)計外圍電路，其引腳少，外圍電路簡單。

芯片內(nèi)部系統(tǒng)的控制環(huán)路包括一個電壓環(huán)和一個電流環(huán)。輸出電壓通過分壓電阻接入VSENSE，引腳內(nèi)部接入電壓誤差放大器的反相輸入端，其同相端接5 V基準(zhǔn)電壓，反饋電壓與基準(zhǔn)電壓比較后得到調(diào)制電壓，連接到內(nèi)部的電壓補(bǔ)償電路電壓補(bǔ)償環(huán)的輸出連接到電流環(huán)的輸入。另外，從采樣電阻檢測到的電流信號送入ISENSE引腳經(jīng)過緩沖，反相放大后將得到的信號通過電流放大器進(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。輸入電壓經(jīng)過分壓后連接到VINS端，分別連接到一個放大器的同相端和另一個放大器的反相端，連接到同相端的放大器的另一端接1.5 V基準(zhǔn)電壓，決定了輸入最小電壓的大小，連接到反相端的放大器的另一端接0.82 V基準(zhǔn)電壓，其用于輸入掉電保護(hù)。

3 系統(tǒng)工作原理

單相有源PFC電路及其主要波形如圖1所示，電路實際上是整流濾波電路和升壓斬波電路組成的。

圖1為BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，升壓二極管導(dǎo)通，電源和電感串聯(lián)作為負(fù)載的供電端，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，升壓二極關(guān)斷，電源給電感充電，負(fù)載由電容給供電，每個開關(guān)周期流過電感的電流都流過開關(guān)管，因此控制開關(guān)管的通斷可以控制流過電感的電流的通斷，當(dāng)開關(guān)管按照正弦規(guī)律變化時，電感上的電流就呈正弦波，再通過讓電流的相位跟蹤電壓的相位則可以達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

整個電路中，直流電壓給定信號和實際輸出直流電壓相比較后，送入電壓調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)輸出電壓為直流電流指令信號，此信號和整流后的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓信號相乘，得到直流輸入電流的參考信號，此信號和實際電路中的輸入電流信號相比較，而后通過滯環(huán)對開關(guān)器件進(jìn)行控制，使輸入電流信號跟蹤輸入電壓信號，這樣交流側(cè)電流波形將近似為交流電壓信號同向的正弦波，跟蹤誤差由滯環(huán)寬決定。實際電路中由于輸出電壓很高，采用給輸出分壓后采集，電壓給定為芯片內(nèi)部的5 V基準(zhǔn)源，輸入端電流采樣接在地一端，方便采樣，同時也比較安全。

實際的電路圖，如圖2：

4 實驗結(jié)果

在完成基于UCC28019的電源設(shè)計之后，進(jìn)行了模塊的制作，測試了額定輸入電壓為50 V、額定輸出電壓為110 V、額定功率為100 W狀態(tài)下，模塊的工作結(jié)果，如圖圖3為輸入電壓和輸入電流的波形圖，其中幅值大的為電壓波形，幅值較小的為電流波形，可以看到其相位基本一致，說明校正完成。

圖4電壓的直流耦合波形圖，可以看到輸出電壓為近似為110 V，輸出波動的峰峰值在小于6 V，也即輸出波動小于5%。熾燈，輸出電壓為110V，其中輸入電壓和輸入電流都是有效值，可以看到功率因數(shù)都在0.96以上，最高達(dá)到0.984，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

基于UCC28019的有源功率因數(shù)校正模塊，結(jié)構(gòu)簡單，功率因數(shù)高，而且UCC28019具有完善的保護(hù)功能，模塊穩(wěn)定性高，在電力行業(yè)具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：陳虎亮（1983-），男，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向：發(fā)電廠集控運(yùn)行方面工作。