基于UCC28019的高效率APFC電路設計與研究

李彩鳳+楊風+常宇

摘 要：文中針對傳統功率因數校正電路設計程序繁雜、所需元件數量多、結構龐大、成本昂貴等問題，研究了一種基于UCC28019，并采用廣泛應用的MSP430單片機作為控制器的Boost型高效率有源功率因數校正電路。最后給出了實驗波形，得到了相應的結論，驗證了電路設計及其控制策略的正確性。實驗結果表明，使用UCC28019設計的電路，不僅可使步驟簡化，系統可靠性增強，還有效提高了功率因數，保持了較好的穩定性。

關鍵詞：UCC28019；MSP430單片機；Boost；功率因數校正

中圖分類號：TP39；TM131 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-03

0 引 言

隨著電力電子技術的發展及廣泛應用，電力電子設備成為最大的諧波源。當諧波電流注入電網時，電網電流會發生非正弦失真，對其它電氣通信設備的正常運行造成干擾，從而導致電能質量降低，因此，如何抑制諧波已成為電力系統等領域的一個重要課題[1]。

針對上述問題，最理想的方法是在電源內部進行功率因數校正。人們最早采用無源校正技術，但不能很好地抑制輸入電流中的諧波含量。進入20世紀70年代，伴隨著電力半導體器件的不斷更新，開關變換器迅猛發展。80年代是現代化有源功率因數校正（APFC）技術發展的初級階段，它將電網功率因數提高至接近1，且有穩定的直流輸入電壓。自20世紀90年代以來，出現了新的功率因數校正原理、拓撲和控制方法[2]。

本文研究了一種基于控制器UCC28019的有源功率因數校正（APFC）電路，它采用在電流連續導通模式下工作的Boost升壓拓撲結構，最大化減小了諧波失真，實驗結果非常逼近單位功率因數水平，達到了低成本、高效率PFC電路設計的目的。

1 電路的工作原理與設計

1.1 UCC28019的結構與工作原理

UCC28019是一種工作在連續導電模式下，具有功率因數校正功能的控制芯片。

UCC28019的調控功能經過兩個回路完成：

（1）內部電流回路。從ISENSE端輸入的負極性電壓信號經反相器變為正極性信號，該信號在電流放大器作用下輸出為ICOMP。將ICOMP電壓與來自斜坡信號發生器的信號進行比較，芯片內部RS觸發器將其輸出的結果作為輸入，與其內部65 kHz振蕩信號共同控制PWM的占空比，功率開關上升的過程恰好超過ICOMP電壓的時間，該時間又決定了DOFF，由斬波拓撲方程有DOFF=VIN/VOUT。由于VIN是正弦波，而ICOMP的電壓與電感電流具有一階線性關系，經過控制回路的作用，電感電流與輸入電壓波形同步，輸入電流同為正弦波形且與輸入電壓保持同相，從而校正了功率因數。

（2）外部電壓回路。由電源輸出電壓得到取樣電壓，將其作為器件由輸出脈沖控制其通斷。由UCC28019內部結構可知，設tOFF為斜坡電壓在VSENSE端的輸入，與內部一些比較器相連接，具有開路保護、欠壓保護、過壓保護以及穩壓的功能。連接在COMP端的補償網絡通過電壓誤差放大器gmv輸出的電流進行充放電，這樣得到的VCOMP電壓可使系統正常運行。VCOMP上的電壓可以用來對斜坡信號的斜率及電流放大器的增益進行設置，當外部回路處于穩態時，增益參數可以被自動調整，從而使畸變對輸入電流的波形影響較低，使得開關電源擁有較高的功率因數[3，4]。

1.2 APFC電路的基本原理及設計

為了符合設計要求，我們將Boost結構 DC/DC變換器用于APFC的主電路拓撲結構，UCC28019采用連續導電模式CCM下的平均電流控制模式作為APFC電路的控制方式。平均電流法是將輸入電流的平均值通過電流環的調整，和輸入電壓的正弦波同相位。將輸入整流電壓信號和輸出電壓誤差放大信號相乘得到電流參考信號，通過比較輸入電流信號和基準電流信號，利用電流誤差放大器將高頻分量的變化平均化。將放大的平均電流誤差與鋸齒波進行比較，以輸出開關Tr的驅動信號，從而確定占空比，最終快速、精確地校正了電流誤差。因為電流與電壓具有相同波形，所以實現了對功率因數進行校正的目的[4]。圖1所示為電路原理圖，其中J1為交流輸入接口，J2為整流部分的接口，J3為UCC28019 12 V供電接口，J4為負載接口，J5為Boost電子開關接口，JP1為UCC28019芯片，其他為相關電阻、電感、電容以及二極管。

1.3 功率因數測量原理及電路設計

通過HWPT07電壓互感器將主回路大的交流電轉變為小的交流電，然后將該小信號經過具有一定放大倍數的放大器LM358進行放大，再經過由電壓比較器TL084構成的過零比較器，將交流信號轉為對應的方波信號[5]。

同理，首先通過HWCT-5A-5MA電流互感器可得對應的電流方波信號，然后將兩路信號輸入單片機對兩路信號進行捕捉，測得捕捉上升沿時間差，計算出相位差角，進而通過計算得出功率因數值。圖2所示為功率因數測量原理框圖。

2 實驗

2.1 系統元件參數計算

本設計中，輸出功率為72 W，輸出電流為2 A，其交流輸入電壓為24 V，主電路包括Boost升壓電路、APFC電路、功率因數測量電路等。

（1）計算最大輸入峰值電流IIN_RMS（max），依據為輸出要求效率η=0.95以及功率因數PF=0.99。

（2）計算升壓電感（LBST）。升壓電感具有儲能作用，按照占空比D=0.5可以得到斬波電感的最小值。

（3）計算采樣電阻（RSENSE）。主要采樣電感上的電流。已知軟過流保護的下限VSOC=0.66 V及電感峰值電流的最大值，可以得到取樣電阻RSENSE的值：

采樣電阻可以通過高精度電阻并聯得到。endprint

（4） 反向快速恢復二極管（DBST）的計算。反向恢復時間越短，功率開關的損耗就越小。總損耗包括開關損耗及導通損耗。若使用超快恢復二極管，則開關損耗可忽略，元件可利用功耗及恢復時間來確定[6]。在125℃時，二極管壓降VF_125℃=1.5V，IOUT=2 A，二極管功耗為PDIDOE=VF_125℃IOUT（max）=3 W，選擇HEF307。

（5） 計算CISENSE。由于瞬時峰值電流會對器件造成損害，所以將RSENSE=220 mΩ的電阻和UCC28019的ISENSE引腳串聯，再將一個1 000 pF的電容CISENSE接到引腳和地線之間，使得器件的抗干擾性增強[7]。

（6）計算CICOMP。跨導電流放大器輸出端即為ICOMP引腳，將一個補償電容CICOMP接在此引腳和地之間，起到補償平均取樣電流信號的作用。查閱手冊知平均電流極點fIAVG=9.5kHz，gmi=0.95 ms，M=7，利用公式（7）可得CICOMP的取值：

2.2 實驗結果

輸入電壓為市電220 V，輸入電壓頻率為50 Hz，其余參數由上述公式計算得到。圖4中淺色為輸入電壓波形、深色為輸入電流波形；圖5為輸出電壓波形，縱坐標表示幅值，單位為V，橫坐標表示周期，單位為s。

實驗結果表明，輸出電壓保持在380 V左右，在相位和波形上輸入電流均跟隨輸入電壓，實現了高效校正功率因數的功能。

3 結 語

本文研究了一種基于UCC28019專用集成芯片的APFC電路，并采用MSP430單片機作為控制器。經過對電路性能的測試，系統加上220 V電源后，輸入電壓和電流波形與正弦波形一致，功率因數接近1；該控制器避開了電網電壓，只運用平均電流的控制模型，不僅減少了元器件數量，還使輸入電流的波形畸變較低，電流環和電壓環通過簡單的外圍電路網絡方便進行補償設計。因此，該研究不僅提高了功率因數，更降低了電路的智能化實現成本，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1]黃偉林.提高功率因數的必要性及其方法[J].中小企業管理與科技，2013（7）：302-303.

[2]吳小斐，王歸新，陶鑫，等.基于有源功率因數校正的高功率因數電源設計[J].現代電子技術，2010，32（2）：195-197.

[3]吳振宇，吳冀平，楊啟涯，等.基于UCC28019的功率因數校正實驗平臺設計[J].電子產品世界，2017（2）：48-50.

[4]李永建，糜曉宇，凌躍勝，等.關于Boost型APFC電路最大功率因數的討論[J].河北工業大學學報，2007，36（6）：32-36.

[5]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[6]楊帆，徐騫.單相兩級有源功率因數校正變換器的研究[J].通信電源技術，2010，27（2）：30-32.

[7] HS Athab， DC Lu.A high-efficiency AC/DC converter with quasi-active power factor correction[J].Power Electronics，2010，25（5）：1103-1109.

[8]楊澤明，鄭浪.低諧波高功率因數的AC/DC變換器設計[J]. 電力勘測設計，2014（6）：72-77.endprint