一種高功率因數的單相AC—DC變換器

李雨　丁志勇　李鵬鵬

摘 要：設計了一種有源功率因數校正（APFC）的高功率因數單相AC-DC變換器。該系統以TI公司專用APFC控制芯片UCC28019為控制核心，實現BOOST式APFC，后級以高效控制芯片TPS54360為控制器，輸出恒壓36 V，最大輸出電流為2.5 A。該系統采用STC12C5A60S2單片機為監測控制中心，具有輸出過流保護和功率因數、輸出電壓、輸出電流實時測量和顯示功能。在設計時，該系統從布局布線和濾波等方面消除了電磁干擾，使電壓調整率和負載調整率都在0.5%以下，工作性能穩定、可靠。

關鍵詞：APFC；AC-DC變換器；UCC28019；STC12C5A60S2

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0024-02

在電力電子技術和電子儀器中，所需的直流電主要來源于交流電網全波整流再加大的電容濾波。但是，其輸入電流諧波含量較高，大量高次諧波電流倒灌回電網，產生傳導和輻射干擾，對電網產生較為嚴重的諧波污染。因此，設計高功率因數的變換器，抑制電流諧波污染是勢在必行的。

目前，功率因數校正PFC分為主動式（有源）和被動式（無源）兩種。被動式PFC電路一般采用電感補償的方法使交流輸入的基波電流與電壓之間的相位差逐步減小，以此來提高功率因數，其功率因數只能達到0.7～0.8. 主動式PFC電路是通過專用IC去調整電流的波形，以此對電流、電壓間的相位差進行補償，其功率因數通常可達98%以上，校正效果良好。

1 系統方案設計

該設計輸出穩定直流電壓36 V，該系統前級采用BOOST式APFC電路，實現功率因數校正，后級BUCK變換器穩定輸出電壓。系統控制芯片采用TI專用APFC芯片UCC28019，利用電流環和電壓環雙環完成功率因數校正。通過精密采樣、電阻采樣輸入側電壓和電流信號，經過整形和鑒相電路測得兩者的相位差，并計算出功率因數。為了實現輸出電壓，實時顯示輸出電流和功率因數，采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機為監控和運算核心。單片機通過A/D對輸出電壓、電流采樣，并調節電位器控制反饋，穩定系統輸出電壓，由液晶顯示屏實時顯示。通過電流互感器采樣輸出電流，并利用比較器和繼電器實現2.5 A過流保護。

2 系統硬件設計

2.1 APFC控制電路設計分析及計算

電感L：為了留取一定的裕量，所以選擇感值為0.2 mH，允許通過的電流最大值為10 A左右的電感。

輸出電容C：通常選擇大電解電容作為輸出電容。在電感電流連續模式中，容值取決于輸出電流、開關頻率和期望的輸出紋波。為了保證較小的紋波電壓，選用470 uF/100 V的電解電容。

2.2 功率因數測量電路分析及計算

前級采用遲滯比較器和過零比較器，將變壓器二次側的電壓、電流信號整形、處理為占空比固定的方波，后級為鑒相電路，跟隨輸出占空比隨輸入電壓和輸入電流相位差正比變化的脈沖信號，然后通過單片機測量并顯示功率因數值。

2.3 過流保護電路

此模塊選用ACS712電流互感器，動作電流為2.5 A，采集的電壓經過比較器去控制繼電器的通斷。如果出現過流情況，控制繼電器切斷主回路；如果異常情況消失，則電路自動恢復。

3 系統軟件設計

系統軟件部分包括信號采集和液晶顯示部分。單片機通過AD采集輸出電壓和輸出電流，信號經過處理后利用液晶顯示。通過捕捉輸入電壓和電流整流后方波的上升沿，根據相位差計算出功率因數并顯示出來。

4 系統測試結果與性能分析

4.1 系統測試結果

經過多次測試，系統電壓調整率為0.11%，負載調整率為0.13%，功率因數為0.993 0.

4.2 系統優勢與優化

以上重要指標的測試結果反映出該系統的功率因數很高，可以達到99%以上，電壓調整率和負載調整率均在0.1%左右，輸出電壓穩定度高、紋波小、可靠性強。但是，該系統的效率不是特別高，僅為88%左右，可以選用一種肖特基二極管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系統的功耗，提高效率。效率問題是該系統需要重點優化的部分。

5 總結

該系統設計的單相AC-DC變換器，負載調整率和電壓調整率均在0.1%左右，輸入側功率因數可達99%，并可由液晶實時顯示。此外，還具有輸出過流保護和自動恢復功能，只是其效率不是特別高，僅為88%左右，還有待優化。整個系統電路簡單、性能穩定、安全、可靠，對APFC電路的設計有一定指導意義。

參考文獻

[1]張振華.高功率因數電源設計與實現[J].電源技術應用，2010（08）.

[2]聞長遠，王雨曦，姜超，等.一種高功率因數電源的設計與實現[J].電子設計工程，2009，17（7）.

〔編輯：白潔〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2

摘 要：設計了一種有源功率因數校正（APFC）的高功率因數單相AC-DC變換器。該系統以TI公司專用APFC控制芯片UCC28019為控制核心，實現BOOST式APFC，后級以高效控制芯片TPS54360為控制器，輸出恒壓36 V，最大輸出電流為2.5 A。該系統采用STC12C5A60S2單片機為監測控制中心，具有輸出過流保護和功率因數、輸出電壓、輸出電流實時測量和顯示功能。在設計時，該系統從布局布線和濾波等方面消除了電磁干擾，使電壓調整率和負載調整率都在0.5%以下，工作性能穩定、可靠。

關鍵詞：APFC；AC-DC變換器；UCC28019；STC12C5A60S2

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0024-02

在電力電子技術和電子儀器中，所需的直流電主要來源于交流電網全波整流再加大的電容濾波。但是，其輸入電流諧波含量較高，大量高次諧波電流倒灌回電網，產生傳導和輻射干擾，對電網產生較為嚴重的諧波污染。因此，設計高功率因數的變換器，抑制電流諧波污染是勢在必行的。

目前，功率因數校正PFC分為主動式（有源）和被動式（無源）兩種。被動式PFC電路一般采用電感補償的方法使交流輸入的基波電流與電壓之間的相位差逐步減小，以此來提高功率因數，其功率因數只能達到0.7～0.8. 主動式PFC電路是通過專用IC去調整電流的波形，以此對電流、電壓間的相位差進行補償，其功率因數通常可達98%以上，校正效果良好。

1 系統方案設計

該設計輸出穩定直流電壓36 V，該系統前級采用BOOST式APFC電路，實現功率因數校正，后級BUCK變換器穩定輸出電壓。系統控制芯片采用TI專用APFC芯片UCC28019，利用電流環和電壓環雙環完成功率因數校正。通過精密采樣、電阻采樣輸入側電壓和電流信號，經過整形和鑒相電路測得兩者的相位差，并計算出功率因數。為了實現輸出電壓，實時顯示輸出電流和功率因數，采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機為監控和運算核心。單片機通過A/D對輸出電壓、電流采樣，并調節電位器控制反饋，穩定系統輸出電壓，由液晶顯示屏實時顯示。通過電流互感器采樣輸出電流，并利用比較器和繼電器實現2.5 A過流保護。

2 系統硬件設計

2.1 APFC控制電路設計分析及計算

電感L：為了留取一定的裕量，所以選擇感值為0.2 mH，允許通過的電流最大值為10 A左右的電感。

輸出電容C：通常選擇大電解電容作為輸出電容。在電感電流連續模式中，容值取決于輸出電流、開關頻率和期望的輸出紋波。為了保證較小的紋波電壓，選用470 uF/100 V的電解電容。

2.2 功率因數測量電路分析及計算

前級采用遲滯比較器和過零比較器，將變壓器二次側的電壓、電流信號整形、處理為占空比固定的方波，后級為鑒相電路，跟隨輸出占空比隨輸入電壓和輸入電流相位差正比變化的脈沖信號，然后通過單片機測量并顯示功率因數值。

2.3 過流保護電路

此模塊選用ACS712電流互感器，動作電流為2.5 A，采集的電壓經過比較器去控制繼電器的通斷。如果出現過流情況，控制繼電器切斷主回路；如果異常情況消失，則電路自動恢復。

3 系統軟件設計

系統軟件部分包括信號采集和液晶顯示部分。單片機通過AD采集輸出電壓和輸出電流，信號經過處理后利用液晶顯示。通過捕捉輸入電壓和電流整流后方波的上升沿，根據相位差計算出功率因數并顯示出來。

4 系統測試結果與性能分析

4.1 系統測試結果

經過多次測試，系統電壓調整率為0.11%，負載調整率為0.13%，功率因數為0.993 0.

4.2 系統優勢與優化

以上重要指標的測試結果反映出該系統的功率因數很高，可以達到99%以上，電壓調整率和負載調整率均在0.1%左右，輸出電壓穩定度高、紋波小、可靠性強。但是，該系統的效率不是特別高，僅為88%左右，可以選用一種肖特基二極管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系統的功耗，提高效率。效率問題是該系統需要重點優化的部分。

5 總結

該系統設計的單相AC-DC變換器，負載調整率和電壓調整率均在0.1%左右，輸入側功率因數可達99%，并可由液晶實時顯示。此外，還具有輸出過流保護和自動恢復功能，只是其效率不是特別高，僅為88%左右，還有待優化。整個系統電路簡單、性能穩定、安全、可靠，對APFC電路的設計有一定指導意義。

參考文獻

[1]張振華.高功率因數電源設計與實現[J].電源技術應用，2010（08）.

[2]聞長遠，王雨曦，姜超，等.一種高功率因數電源的設計與實現[J].電子設計工程，2009，17（7）.

〔編輯：白潔〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2

摘 要：設計了一種有源功率因數校正（APFC）的高功率因數單相AC-DC變換器。該系統以TI公司專用APFC控制芯片UCC28019為控制核心，實現BOOST式APFC，后級以高效控制芯片TPS54360為控制器，輸出恒壓36 V，最大輸出電流為2.5 A。該系統采用STC12C5A60S2單片機為監測控制中心，具有輸出過流保護和功率因數、輸出電壓、輸出電流實時測量和顯示功能。在設計時，該系統從布局布線和濾波等方面消除了電磁干擾，使電壓調整率和負載調整率都在0.5%以下，工作性能穩定、可靠。

關鍵詞：APFC；AC-DC變換器；UCC28019；STC12C5A60S2

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0024-02

在電力電子技術和電子儀器中，所需的直流電主要來源于交流電網全波整流再加大的電容濾波。但是，其輸入電流諧波含量較高，大量高次諧波電流倒灌回電網，產生傳導和輻射干擾，對電網產生較為嚴重的諧波污染。因此，設計高功率因數的變換器，抑制電流諧波污染是勢在必行的。

目前，功率因數校正PFC分為主動式（有源）和被動式（無源）兩種。被動式PFC電路一般采用電感補償的方法使交流輸入的基波電流與電壓之間的相位差逐步減小，以此來提高功率因數，其功率因數只能達到0.7～0.8. 主動式PFC電路是通過專用IC去調整電流的波形，以此對電流、電壓間的相位差進行補償，其功率因數通常可達98%以上，校正效果良好。

1 系統方案設計

該設計輸出穩定直流電壓36 V，該系統前級采用BOOST式APFC電路，實現功率因數校正，后級BUCK變換器穩定輸出電壓。系統控制芯片采用TI專用APFC芯片UCC28019，利用電流環和電壓環雙環完成功率因數校正。通過精密采樣、電阻采樣輸入側電壓和電流信號，經過整形和鑒相電路測得兩者的相位差，并計算出功率因數。為了實現輸出電壓，實時顯示輸出電流和功率因數，采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機為監控和運算核心。單片機通過A/D對輸出電壓、電流采樣，并調節電位器控制反饋，穩定系統輸出電壓，由液晶顯示屏實時顯示。通過電流互感器采樣輸出電流，并利用比較器和繼電器實現2.5 A過流保護。

2 系統硬件設計

2.1 APFC控制電路設計分析及計算

電感L：為了留取一定的裕量，所以選擇感值為0.2 mH，允許通過的電流最大值為10 A左右的電感。

輸出電容C：通常選擇大電解電容作為輸出電容。在電感電流連續模式中，容值取決于輸出電流、開關頻率和期望的輸出紋波。為了保證較小的紋波電壓，選用470 uF/100 V的電解電容。

2.2 功率因數測量電路分析及計算

前級采用遲滯比較器和過零比較器，將變壓器二次側的電壓、電流信號整形、處理為占空比固定的方波，后級為鑒相電路，跟隨輸出占空比隨輸入電壓和輸入電流相位差正比變化的脈沖信號，然后通過單片機測量并顯示功率因數值。

2.3 過流保護電路

此模塊選用ACS712電流互感器，動作電流為2.5 A，采集的電壓經過比較器去控制繼電器的通斷。如果出現過流情況，控制繼電器切斷主回路；如果異常情況消失，則電路自動恢復。

3 系統軟件設計

系統軟件部分包括信號采集和液晶顯示部分。單片機通過AD采集輸出電壓和輸出電流，信號經過處理后利用液晶顯示。通過捕捉輸入電壓和電流整流后方波的上升沿，根據相位差計算出功率因數并顯示出來。

4 系統測試結果與性能分析

4.1 系統測試結果

經過多次測試，系統電壓調整率為0.11%，負載調整率為0.13%，功率因數為0.993 0.

4.2 系統優勢與優化

以上重要指標的測試結果反映出該系統的功率因數很高，可以達到99%以上，電壓調整率和負載調整率均在0.1%左右，輸出電壓穩定度高、紋波小、可靠性強。但是，該系統的效率不是特別高，僅為88%左右，可以選用一種肖特基二極管，用IGBT代替MOSFET，以此降低系統的功耗，提高效率。效率問題是該系統需要重點優化的部分。

5 總結

該系統設計的單相AC-DC變換器，負載調整率和電壓調整率均在0.1%左右，輸入側功率因數可達99%，并可由液晶實時顯示。此外，還具有輸出過流保護和自動恢復功能，只是其效率不是特別高，僅為88%左右，還有待優化。整個系統電路簡單、性能穩定、安全、可靠，對APFC電路的設計有一定指導意義。

參考文獻

[1]張振華.高功率因數電源設計與實現[J].電源技術應用，2010（08）.

[2]聞長遠，王雨曦，姜超，等.一種高功率因數電源的設計與實現[J].電子設計工程，2009，17（7）.

〔編輯：白潔〕

Abstract： An active Power Factor Correction（APFC）high power factor single-phase AC-DC converter. The system is dedicated to TIs UCC28019 APFC control chip to control the core， to achieve BOOST type APFC， after the class in an efficient control chip TPS54360 controller， constant voltage output 36 V， maximum output current of 2.5 A. The system uses STC12C5A60S2 microcontroller monitoring control center， with output overcurrent protection and power factor， output voltage， output current， real-time measurement and display functions. In the design， the system layout and filtering from the elimination of electromagnetic interference， voltage regulation and load regulation are 0.5%， stable performance， reliable.

Key words： APFC； AC-DC converter； UCC28019； STC12C5A60S2