UC3842雙管正激式單級PFC變換器研究

陳 明，肖強暉

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

UC3842雙管正激式單級PFC變換器研究

陳 明，肖強暉

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

應(yīng)用雙管正激式單級PFC的拓撲結(jié)構(gòu)，并通過復(fù)用MOSFET開關(guān)管，設(shè)計了一臺基于UC3842的雙管正激式單級PFC變換器樣機。詳細介紹了變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主電路工作原理和驅(qū)動電路。通過對樣機進行實測，得出其輸出電壓為48V，輸出功率為100W，能夠?qū)δ茈娙輧啥穗妷嚎刂圃谠试S范圍之內(nèi)，且實現(xiàn)了輸入與輸出之間的電氣隔離。測試結(jié)果表明，所設(shè)計樣機的性能指標滿足設(shè)計要求。

UC3842；功率因數(shù)校正；雙管正激式；單級

0 引言

最近幾十年來，開關(guān)電源因其效率高、體積小、功耗低等優(yōu)勢，在電源領(lǐng)域逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。與此同時，它給電網(wǎng)帶來的危害也逐年增加。隨著生活水平的提高，人們對此越來越關(guān)注。以前的電源功率因數(shù)普遍偏低，并且其無功分量大部分是高次諧波[1]。為了解決諧波污染日益突出的問題，可以采用如下2種解決方案：一種是直接給電力電子設(shè)備裝設(shè)諧波補償器進行諧波補償；另一種則是對電力電子設(shè)備本身進行改進，讓其能夠校正功率因數(shù)，從而達到提高功率因數(shù)的目的。目前，國內(nèi)外的公司與廠家大多采用功率因數(shù)校正（power factor correction，PFC）方法來提高設(shè)備的功率因數(shù)。

式中：P是輸入端的有功功率；

S是輸入端的視在功率；

VR和IR分別是電網(wǎng)電壓和電流的有效值；

I1為基波電流的有效值；

cos為基波電壓和基波電流的相移因數(shù)[1]。

本研究擬設(shè)計一臺基于UC3842的PFC變換器的樣機，應(yīng)用雙管正激式單級PFC的拓撲結(jié)構(gòu)，及最新的控制方式，讓變換器在輸出穩(wěn)定的同時能夠保證高功率因數(shù)，以期為解決諧波污染問題提供一定的參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙管正激式單級PFC變換器主要包括主電路、控制電路、補償電路、驅(qū)動電路、電壓電流反饋電路等部分，其整體原理框圖見圖1。

圖1 雙管正激式單級PFC變換器系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of dual-transistor forward single-stage PFC converter

圖1所示雙管正激式單級PFC變換器中，主電路的功能主要是將交流電整流成直流電，并且傳遞給隔離變壓器；控制電路的作用主要是不斷地調(diào)控PWM控制波的占空比，并且將所輸出的波形變換為驅(qū)動信號；補償電路的主要功能則是協(xié)助控制電路工作；驅(qū)動電路的主要功能是將高端與低端輸入輸出信號進行隔離；電壓電流反饋電路的主要功能則是為了穩(wěn)定輸出而提供反饋電壓和反饋電流。

2 主電路工作原理

2.1 變換器拓撲結(jié)構(gòu)介紹

雙管正激式單級PFC變換器電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙管正激式單級PFC變換器拓撲結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of dual-transistor forward single-stage PFC converter topological structure

圖2中，Q1和Q2為主開關(guān)管，它們由同一路驅(qū)動波形驅(qū)動；由輸入電感Li與二極管VD1和VD2所構(gòu)成的三端結(jié)構(gòu)，用來實現(xiàn)PFC功能；D1和D2為續(xù)流二極管，其作用是使變壓器磁復(fù)位，形成完整的回路；變壓器T1為正激式高頻隔離變壓器；D8為變壓器副邊續(xù)流二極管，其作用是為了使輸出電感Lo和輸出電容Co續(xù)流，形成完整的回路；Lo和Co構(gòu)成了一個比較完善的輸出濾波系統(tǒng)；RL為負載。

2.2 變換器拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理

雙管正激式單級PFC變換器電路的拓撲結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)工作時的原理圖如圖3所示。在其工作時，把開關(guān)所經(jīng)歷的周期分為4個模態(tài)進行分析，圖4為每個模態(tài)分別工作時的等效電路圖[2]。此處假設(shè)：1）所有的元器件都為理想器件；2）各個元器件的電流電壓參考方向如圖2所示；3）輸入端的升壓電感Li必須工作在電流斷續(xù)模式才能實現(xiàn)PFC功能，輸出濾波電感Lo則應(yīng)該工作在電流連續(xù)模式。此外，為了方便說明，規(guī)定圖4中的實線部分表示有電流流過，虛線部分則表示沒有電流流過。

圖3 雙管正激式單級PFC拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時原理波形圖Fig.3 The steady-state waveform of dual-transistor forward single-stage PFC topological structure

1）模態(tài)1［t0～t1］

模態(tài)1的等效電路如圖4中的圖a所示。此時開關(guān)管Q1是導(dǎo)通的，而開關(guān)管Q2則是關(guān)斷的，因此續(xù)流二極管D1, D2中都沒有電流流過，電源直接給輸入端電感Li充電，所以iLi呈線性增長；同時，在變壓器副邊則由輸出電感、續(xù)流二極管和負載共同構(gòu)成一個回路。

2）模態(tài)2［t1～t2］

模態(tài)2的等效電路如圖4中的圖b所示。此時開關(guān)管Q1, Q2都是導(dǎo)通的，但是D1和D2卻都沒有電流流過，電源繼續(xù)給升壓電感Li充電，而儲能電容則通過開關(guān)管、變壓器及二極管D7給負載輸送能量。此時變壓器原邊電壓up在數(shù)值上與儲能電容Cd上的電壓Ud相等，原邊電流ip變大，這時變壓器副邊的電壓為正，D3有電流流過，D4則截止，流過電感Lo的電流iLo變大。

3）模態(tài)3［t2～t3］

模態(tài)3的等效電路如圖4中的圖c所示。此時開關(guān)管Q1和Q2都沒有電流流過，變壓器原邊的電壓正負極正好跟之前反過來，D1, D2都有電流流過。電源和輸入電感Li通過續(xù)流二極管D1向儲能電容充電；而在變壓器副邊，D3截止，iLo通過續(xù)流二極管D4給負載輸送電能。

4）模態(tài)4［t3～t4］

模態(tài)4的等效電路如圖4中的圖d所示，此時Q1和Q2依然沒有電流流過，而此時隔離變壓器中的能量已經(jīng)全部釋放完畢。其原邊電壓變?yōu)?，所以續(xù)流二極管D2沒有電流流過，而輸入電感Li續(xù)流，并通過D1形成完整回路。在變壓器副邊，輸出電感Lo和輸出電容Co繼續(xù)給負載供電，經(jīng)過續(xù)流二極管D4形成回路。

3 驅(qū)動電路

3.1 控制芯片UC3842簡介

UC3842是由美國Unitorde公司生產(chǎn)的一款性能較好的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該調(diào)制器只有一路輸出，能夠直接驅(qū)動雙極型功率管和場效應(yīng)管。其主要優(yōu)點是管腳數(shù)量較少，只有8個引腳；需要搭建的外圍電路較為簡單，而且有很多應(yīng)用實例；其電壓調(diào)整率可達0.01%；工作頻率高達500kHz；所需啟動電流較小（1mA），其正常工作所需電流為5mA；可通過連接高頻變壓器與電網(wǎng)實現(xiàn)隔離。UC3842由振蕩器、具有溫度補償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、圖騰柱輸出電路、電流檢測比較器、輸入和基準欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路組成，它是驅(qū)動功率MOSFET的理想器件。UC3842的內(nèi)部框架和引腳如圖5所示。

圖5 UC3842結(jié)構(gòu)原理圖Fig.5 UC3842 structure diagram

圖5中各個引腳的功能如下：

①腳輸出誤差放大器的信號，其外接電阻及電容是為了讓該模塊的作用效果更好；

②腳輸入外電路反饋電壓，然后與芯片中誤差放大器產(chǎn)生的2.5V基準電壓比較，得出電壓誤差，以實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制；

③腳為采樣電流輸入端，通過采樣電流調(diào)節(jié)芯片輸出的PWM波形占空比；

④腳為時間控制端，其振蕩器開始工作的頻率由外面串聯(lián)的電阻與電容的參數(shù)決定，計算公式為f=1.8/(RT×CT)；

⑤腳是公共接地端；

⑥腳為PWM波形輸出端，其上升或下降的時間都很短（僅為50ns），驅(qū)動能力在-1～+1A之間；

⑦腳是芯片供電端，當電壓太低或太高時會鎖定，芯片功率損耗很低，只有15mW；

⑧腳作為基準電壓（5V）輸出端，其負載能力的大小為50mA。

3.2 電路原理圖

驅(qū)動電路的電路原理圖如圖6所示。

圖6 電路原理圖Fig.6 The circuit principle diagram

3.3 電路工作原理

驅(qū)動電路是用來驅(qū)動開關(guān)管的，其輸入信號PWM來自UC3842的6腳輸出的PWM信號，此處在兩路輸入信號前端串聯(lián)10kΩ的電阻R24與R25，其作用是為了防止輸入芯片的信號過高而燒壞芯片。Ho與Lo端輸出的信號作為驅(qū)動信號，分別驅(qū)動主電路中的開關(guān)管Q2與Q1。圖6中R20和R22接在MOS管的柵極，R21和R23則為MOS管的柵源電阻。加入柵極電阻，可以有效抑制MOS管寄生振蕩，但是其阻值大小的選擇要適當。因為如果阻值選擇過大，會降低開關(guān)速度，增大開關(guān)損耗；但如果阻值選擇過小，則會導(dǎo)致關(guān)斷時間過短，關(guān)斷時會在漏極產(chǎn)生很高的尖峰電壓[3-4]。柵源電阻的作用是為MOS管的輸入電容釋放能量提供通路，還可以防止器件誤導(dǎo)通。本研究中，柵極電阻阻值取20Ω，柵源電阻阻值取20kΩ[5-6]。

4 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)以上工作原理和參數(shù)設(shè)計值，設(shè)計了實際電路，實物電路板如圖7所示。

圖7 實物電路板Fig.7 Physical circuit board

對所設(shè)計的雙管正激式單級PFC變換器樣機進行實測，其輸入電壓與輸入電流的波形如圖8所示。其中，通道CH1顯示的是電壓波形，通道CH2顯示的是從電流檢測電阻上檢測到的電流波形。

圖8 輸入電壓與輸入電流波形圖Fig.8 The waveform of input voltage and input current

從圖8所示輸入波形圖可以看出：電流波形的相位基本與輸入交流電壓波形一樣，這也說明本研究所設(shè)計的樣機達到功率因數(shù)校正的目的。且可以看出，其輸出電壓為48V，輸出電流為2.08A，故其輸出功率為100W。

變換器樣機的輸出電壓波形圖如圖9 所示。

圖9 輸出電壓波形Fig.9 The output voltage waveform

從圖9所示輸出電壓波形可以看出：輸出的直流電壓很穩(wěn)定，其大小與設(shè)計的初始值基本一致。

通過對樣機進行的實測，驗證了之前所做的理論分析是正確的。其結(jié)果表明，該變換器可以對輸入電流進行校正，也能夠穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出電壓，達到了預(yù)期的設(shè)計效果，并且實現(xiàn)了隔離輸出，提高了系統(tǒng)的安全性能。

5 結(jié)語

在本研究中，所設(shè)計的雙管正激式單級PFC變換器將BOOST型PFC變換器跟雙管正激式變換器的優(yōu)點結(jié)合在一起，通過復(fù)用MOSFET開關(guān)管，使整個電路既能實現(xiàn)功率因數(shù)校正，又能達到高功率因數(shù)，還可保證其輸出直流電壓的穩(wěn)定性。雙管正激式結(jié)構(gòu)比較適合設(shè)計中大型輸出功率的變換器。因為本研究設(shè)計的樣機應(yīng)用新型技術(shù)，性能更高，可以滿足新的行業(yè)標準，所以具有不錯的應(yīng)用前景。

參考文獻：

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（責任編輯：廖友媛）

Design of Dual-Transistor Forward Single Stage PFC Converter Based on UC3842

Chen Ming，Xiao Qianghui
（School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China）

A UC3842-based PFC converter is designed by means of dual-transistor forward single stage PFC topological structure and multiplex MOSFET switch, and the system structure, main circuit work principle and drive circuit are introduced. Through the measurements of the prototype, the output voltage of 48V and the output power of 100W are obtained. The voltage between the two poles of the energy storage capacitor is controlled within the allowable range and the electrical isolation between the input and output is achieved. The testing result indicates that the performance index of the prototype meets the design requirements.

UC3842；power factor correction（PFC）；dual-mosfet forward；single-stage

TN876

A

1673-9833(2014)02-0046-06

2014-02-27

湖南省教育廳科研基金資助項目（13C023）

陳 明（1988-），男，湖南常德人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為DC/DC和DC/AC功率變換器，

E-mail：cmzzzgd@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.02.010