基于UC3846的有源嵌位單級PFC開關(guān)電源

文立群，肖強(qiáng)暉

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于UC3846的有源嵌位單級PFC開關(guān)電源

文立群，肖強(qiáng)暉

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

設(shè)計(jì)了一種基于PWM控制芯片UC3846的恒壓源，其適用于175～265V寬電壓的交流輸入，額定輸出電壓為24V，輸出電流為2A。采用單級三端PFC校正技術(shù)，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)；采用有源嵌位軟開關(guān)技術(shù)，降低開關(guān)應(yīng)力，提高電源的輸出效率。仿真和實(shí)物測試結(jié)果表明，本恒壓源的輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.992；在額定負(fù)載下，整機(jī)效率可達(dá)到88%以上。

UC3846；單級PFC；有源嵌位；軟開關(guān)

0 引言

對電力電子裝置而言，高功率因數(shù)能夠有效減少其對電網(wǎng)的諧波污染。目前，在工程上應(yīng)用最多的高功率因數(shù)開關(guān)電源大多采用兩級DC/DC開關(guān)變換器串聯(lián)的方式，即所謂的PFC（power factor correction）串聯(lián)DC/DC變換器技術(shù)[1]。這種電路的缺點(diǎn)是采用了兩級級聯(lián)，所需元器件多、成本高，且效率低，特別是應(yīng)用于中小功率場合時(shí)，經(jīng)濟(jì)性很差。目前，針對中小功率的AC/DC開關(guān)電源，為了降低成本和提高效率，國內(nèi)外學(xué)者著力研究單級高功率因數(shù)電路。因此，研究單級PFC技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一般地，普通的單級隔離式PFC變換器與傳統(tǒng)的DC/DC變換器相比，具有電壓應(yīng)力高、損耗大的缺點(diǎn)[2]。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種單級PFC變換器，采用帶有源嵌位和軟開關(guān)的Boost-Flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而有效地限制開關(guān)管的電壓尖峰。電路主、輔開關(guān)管在軟開關(guān)條件下，減少了其自身的開關(guān)損耗，提高了電源系統(tǒng)的整體輸出效率。另外，主、輔開關(guān)管共用一組控制電路，有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的、獨(dú)立工作的AC/DC開關(guān)電源通常包括EMC（electro magnetic compatibility）濾波整流電路、主電路（含功率變換器、隔離變壓器）、PWM（pulse width modulation）產(chǎn)生及控制電路、驅(qū)動電路、輸出電路、輔助電源電路、取樣電路[3]。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其工作原理是：輸入交流市電220V，經(jīng)過EMC濾波整流電路、主電路、輸出電路后，得到24V直流電壓；同時(shí)，采用電流取樣和電壓取樣構(gòu)成雙閉環(huán)控制機(jī)制，經(jīng)PWM控制芯片調(diào)節(jié)PWM波形，再通過驅(qū)動電路控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)24V直流電壓的穩(wěn)定輸出。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

1.2 主電路

圖2是帶有源嵌位與軟開關(guān)的單級PFC變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文在基本的單級隔離式PFC變換器電路的基礎(chǔ)上，添加了一個(gè)輔助開關(guān)管Q2和一個(gè)嵌位電容Cg，構(gòu)成有源嵌位；利用變壓器漏感作為諧振電感Lr，主開關(guān)管Q1和輔助開關(guān)管Q2的輸出電容及電路中其他的寄生電容總和作為諧振電容Cr（虛線部分），通過Lr和Cr的諧振來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

圖2 帶有源嵌位和軟開關(guān)的Boost-Flyback變換器主電路圖Fig.2 The main circuit diagram for Boost-Flyback converter with active-clamping and soft-switching

1.3 PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動電路

就整個(gè)系統(tǒng)而言，PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動電路就像人的大腦，控制著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文舍棄傳統(tǒng)的PFC專業(yè)芯片（如L6561），選用PWM控制芯片UC3846。這種方案不僅可以實(shí)現(xiàn)對PFC升壓電路和反激式電路的實(shí)時(shí)控制，且能簡化外圍電路，降低成本。

UC3846是美國德州儀器生產(chǎn)的一款高性能固定頻率電流型PWM控制芯片，采用雙路互補(bǔ)輸出，常作為半橋、全橋雙極性變換器的驅(qū)動信號源。該芯片的優(yōu)點(diǎn)是功能齊全，內(nèi)置高頻振蕩器、差動電流檢測放大器、精密基準(zhǔn)電壓、欠電壓鎖定電路以及軟啟動電路，具有自我保護(hù)功能。外部控制電路較為簡單，工作頻率最高可達(dá)500kHz，適應(yīng)于-65～150℃的外部環(huán)境，輸入電壓范圍為8～40V。該芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 UC3846的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The structure diagram of UC3846

本文選用UC3846作為PWM控制芯片，引入電壓、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，采用峰值電流模式。在圖2的基礎(chǔ)上，通過Saber仿真軟件加以輔助設(shè)計(jì)，同時(shí)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，構(gòu)建其他功能電路[4]，最終得到本文樣機(jī)的電路原理圖，如圖4所示。由于篇幅有限，在此僅對PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動電路進(jìn)行詳述。UC3846的2腳產(chǎn)生5.1V的基準(zhǔn)電壓，1腳通過電阻R4和R5分壓（R5與電容C11并聯(lián)），得到2.5V左右的電壓，以實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動功能；3, 4腳分別作為電流采樣比較器的反、正相輸入端，其中3腳接地（GND），4腳接主開關(guān)管Q1（流過Q1的電流作為電流采樣信號），同時(shí)通過電阻R3和電容C8接至振蕩器CT端，進(jìn)行斜坡補(bǔ)償；5腳通過電阻R6和R7分壓，得到2.5V的電壓，作為電壓誤差放大器正相輸入端的基準(zhǔn)；6腳接輸出電壓的采樣信號（該采樣信號需經(jīng)過光耦PC817隔離）；7腳作為誤差放大器的輸出端，通過電阻R8和電容C10與6腳相連，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器；8, 9腳作為振蕩器的震蕩電容電阻端，分別接電容C7和電阻R2，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開關(guān)頻率f=50kHz；10腳懸空；11腳和14腳產(chǎn)生兩路互補(bǔ)方波信號（有一定的死區(qū)時(shí)間），分別輸入到高壓浮動驅(qū)動集成模塊IR2113輸入端的14腳和12腳；經(jīng)自舉電路后（自舉二極管D8、自舉電容C13），IR2113的輸出端1腳和8腳輸出15V左右的互補(bǔ)信號，分別驅(qū)動主開關(guān)管Q1和輔助開關(guān)管Q2。

圖4 電路設(shè)計(jì)原理圖Fig.4 The circuit design schematic diagram

2 系統(tǒng)主要器件參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源系統(tǒng)參數(shù)如下：開關(guān)頻率f=50kHz，額定輸出電壓Uo=24V，輸出的最大電流Io=2A。經(jīng)Saber仿真輔助設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算，系統(tǒng)主要器件參數(shù)如下。

1）PFC電感L3：選用電感量1mH、線徑0.045cm的貼片電感。

2）儲能濾波電容C18：通過計(jì)算得到C18容量為60uF，而在實(shí)際電路中，采用100uF/450V的鋁電解電容。

3）最大占空比Dmax：分析電路得

式中：Vin,DC為整流后的直流電壓；VAD為截止?fàn)顟B(tài)下開關(guān)管承受電壓VDS的增加值，該值的大小主要參照直流母線電壓Ve，本文取100V。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得Dmax≈0.29。

4）功率開關(guān)管Q1, Q2：選用英飛凌公司生產(chǎn)的900V/8A的FQA8N90C。

5） 鉗位電容C14：選用0.1uF/1000V的貼片電容；也可選用相同容量的CBB電容。

6）輸出濾波電感L4：選用3.5mH、線徑0.1cm的工字電感。

7）輸出濾波電解C18：通過計(jì)算得到C18容量為116uF，為降低輸出電壓紋波，選用220uF/50V的鋁電解電容。

8）變壓器T1：磁芯選用ETD29[5]；初級繞組采用26號線（線徑 =0.045cm），單股繞制130匝；次級繞組采用22號線（線徑 =0.070cm），3股并繞22匝；輔助繞組采用27號線（線徑 =0.040cm），單股繞制14匝[6]。

3 樣機(jī)測試結(jié)果與分析

樣機(jī)實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 樣機(jī)實(shí)物圖Fig.5 Sample physical photo

輸入交流市電220V，對不加PFC部件與PFC部件正常工作的2種情況對樣機(jī)進(jìn)行測試，其輸入電壓、電流波形如圖6所示。

圖6 2種情況下的輸入電壓、電流波形圖Fig.6 The waveforms for input voltage and current under two conditions

由圖6可知，與不加PFC部件的輸入電壓、電流波形相比，PFC部件正常工作時(shí)的輸入電流波形沒有發(fā)生畸變，且與輸入電壓的相位差幾乎為零。

利用Fluke 43B電能質(zhì)量分析儀對樣機(jī)進(jìn)行實(shí)測，系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到了0.992。這也說明了本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能。

PFC部件正常工作時(shí)的電壓和電流采樣波形如圖7所示。

圖7 電壓與電流采樣波形Fig.7 The sampling waveform of voltage and current

由圖7可知，PFC部件工作在斷續(xù)模式，采用峰值電流模式控制，電壓采樣波形較為平穩(wěn)，這也間接反映了輸出電壓是穩(wěn)定的。

輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 輸出電壓波形Fig.8 The output voltage waveform

由圖8可知，系統(tǒng)的輸出電壓始終恒定在24V，除示波器探頭引起的雜波干擾外[7]，其自身紋波很小，達(dá)到了預(yù)期的效果。

輸入電壓Ui=220V且滿載時(shí)，測得輸入電流有效值Ii=0.247A，計(jì)算得到輸入功率Pi=UiIi≈54.4W，輸出功率Po=UoIo=48W，整機(jī)效率 =Po/Pi≈0.88，因此，對于50W功率級的電源而言，該值滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款基于PWM控制芯片UC3846的單級PFC開關(guān)電源。介紹系統(tǒng)整體方案的同時(shí)，詳細(xì)剖析了系統(tǒng)電路原理。針對變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)難題，給出了較為詳盡地推導(dǎo)和選取原則。通過樣機(jī)測試表明了，功率因數(shù)、滿載效率和輸出電壓紋波均滿足設(shè)計(jì)要求。可見，單級PFC技術(shù)能夠有效地提高系統(tǒng)的功率因數(shù)；有源嵌位軟開關(guān)技術(shù)可以降低開關(guān)管的損耗，從而提高電源效率。

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（責(zé)任編輯：鄧 彬）

UC3846-Based Active Clamp and Single-Stage PFC Switched Power Supply

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

A constant voltage source based on PWM control chip UC3846 is designed, which applies to the 175～265V AC input voltage, and the rated output voltage is 24V and output current is 2A. The single stage PFC-three terminal correction technique is used to enhance the power factor of the system；meanwhile，the active clamping-soft switch technology is used to reduce the switch stress and improve the output efficiency of the power. The simulation and physical test shows that the input power factor of the constant voltage source is 0.992 and the system efficiency reaches 88% under the rated load.

UC3846；single-stage PFC；active clamping；soft switch

TP17

A

1673-9833(2014)02-0052-04

2014-01-30

湖南省教育廳基金資助項(xiàng)目（13C023）

文立群（1986-），男，湖南邵陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)锳C/DC，DC/DC功率變換器，

E-mail：qqwlq1123@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.02.011