基于UC3852控制的有源PFC電路設計

司宇航，賈文超，周長鵬

（長春工業大學，吉林 長春 130000）

功率因數校正電路（Power Factor Corrector）是一個標準的變換器通過利用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）技術改變輸入功率的大小，以提供負載所需要的功率。改變脈沖的寬度通常利用Power MOSFET來實現，脈沖寬度調制器將輸入的直流電壓改變成一串脈沖波形式的電壓，再通過利用快速二極管和變壓器將電壓脈沖波轉換成平滑的直流電壓輸出，將輸出的電壓值與電源供應器應該輸出的標準電壓值進行比較，將產生的電壓差值反饋給PWM控制器，如果電路輸出電壓過高，脈沖寬度就會減小，進而使輸出電壓降低。同理，如果電路輸出電壓過低，就會增大脈沖寬度以使輸出的電壓恢復為正常值。PFC技術可劃分為兩大類，一類是無源PFC技術，另一類是APFC（Active Power Factor Correction）有源功率因數校正技術。

1 有源功率因數校正電路

APFC工作原理如圖1所示，APFC電路接在整流橋與變換器之間，市電交流220 V電壓經整流橋全波整流后，再進行DC/DC變換。有源功率因數校正電路由電流反饋環和電壓反饋環共同控制，輸入電流環使變換器的輸入電流波形與全波整流后的電壓波形一致，并且相位相同，而輸出電壓環能夠使DC/DC變換器輸出穩定的直流電壓，并使其成為一個直流穩壓源。因為APFC電路十分復雜，所以通常采用集成電路控制。

圖1 APFC工作原理圖

2 APFC電路控制芯片UC3852

UC3852是一款零電流關斷的有源高功率因數控制器，由于它具有成本低、所需外部元器件較少的特點，所以被廣泛應用在50～500 W的PFC變換器中。由UC3852控制的APFC電路可產生正弦的交流輸入電流，并且通過調整直流輸出電壓可使功率因數提高到0.99以上。該芯片的主要特點如下：①具有欠壓閉鎖功能，芯片在16 V時開通，并在11 V時自動關斷；②柵極驅動輸出被鉗位到12 V，并具有較低的自偏壓輸出；③具有過電流保護功能；④可通過編程改變控制電路的最大頻率和最大開通時間；⑤芯片工作電流較小，啟動電流為0.4 mA；⑥能夠實現零電流開關，可以實現高效率并且開通時間可控；⑦電路功率因數高，總體成本低。UC3852 PFC集成控制器由內部電源、誤差放大器、邏輯電路、零電流與過電流比較器、PWM比較器及驅動輸出級等單元電路組成。UC3852內部結構和引腳如圖2所示。

3 有源功率因數校正電路的結構與設計

3.1 APFC電路的相關參數

本文以UC3852為控制芯片，設計一個有源PFC電路，將其作為120 W開關電源的前置變換器，主要的技術要求如下：額定輸入電壓Ui=220 V，最低輸入電壓Ui（min）=180 V，最高輸入電壓Ui（max）=265 V，直流輸出電壓U0=400 V，開關頻率30 kHz，反射電壓UR=116 V，過電壓△U=70 V，期望效率η=90%.

3.2 電路結構

由UC3852控制的APFC電路如圖3所示。其中，電容C4是輸出濾波電容，C1是位于高頻旁路的小容量電容器。有源PFC控制電路在整流橋VD1和輸出濾波電容C4之間。R1、C2是IC啟動電路，R1同時又是IC的電源偏置電阻。L1是升壓電感器，與副繞組組成電流變壓器用來檢測電流。R2是電流檢測電阻器，用來檢測電感電流。R3和C3用作編程UC3852的開關導通時間。VT1是由UC3852驅動的功率開關MOSFET。VD3是高速開關二極管。R7、R8與R9為輸出電壓分配器，用于反饋輸出信號。R5與C5一起構成誤差放大器的RC補償網絡。

圖2 UC3852內部結構和引腳圖

3.3 控制電路及升壓電感的設計

3.3.1 升壓電感器參數的確定

設升壓電感器L1的電感量為L，變換器的最長導通時間為：ton（max）=4P0L/U2P(min)≈7.4×10-3L（s）。

最長截止時間為：toff（max）=4P0L/[UP（max）（U0-UP（max））]≈4.94×10-2L（s）。

最長開關周期為：tmax=ton（max）+toff（max）=5.68×10-2L（s）。

最低頻率為fmin=1/tmax=30 Hz，因L=1/（5.68×10-2×3×104）≈587μH。

峰值檢測電流為：ILP=4P0/UP(min)≈1.89A。

根據已設計的升壓電感值，通過面積乘積法（AP）法來設計磁芯尺寸。面積乘積即磁芯有效截面積與窗口面積的乘積，為：

式（1）中：Aw為磁芯窗口面積，cm2；Ae為磁芯的有效截面積。

設計的升壓電感應當滿足：

式（2）中：J為電流密度，一般取2～6 A/mm2，此處取典型值4 A/mm2；Kw為窗口面積的利用系數，通常為0.3～0.4，選用0.35；ΔBmax為最大磁通密度，取0.25 T。

參照設計方案，結合實際設計要求，采用PQ26/20鐵芯。相關參數如下：有效截面積Ae=113 mm2，窗口面積Aw=29.93 mm2。則 AP=0.338 cm4，滿足 AP＞0.262 cm4。

不超過磁通密度的條件下，達到要求的電感值需要的最少繞組匝數為：所以升壓電感取值為40匝，副繞組為3匝，均采用AWG#21漆包線繞制。

3.3.2 其余元件的選擇

其余元件參數的計算可通過查閱UC3852芯片資料手冊計算得出，本文不再詳細列出。本設計最終的選擇為：電流檢測電阻R2選擇0.2Ω、1/2 W電阻。啟動電路中R1選擇180 KΩ、1/2 W的電阻，C2選用15μF、50 V的鋁電解電容。R3選擇13.3 KΩ、1%精度的電阻，C3選擇180 pF、16 V的瓷介電容。R9=5.1 KΩ，R7與R8的阻值之和為400 KΩ。在RC補償網絡中，R5=1 MΩ、C5=0.1μF、R6=20 KΩ。VT1選用FCP20N60型號的MOSFET，VD3選用2 A、500 V的快恢復（開關）二極管，VD2選用IN4148型小信號高速二極管。

圖3 APFC原理圖

本文設計了一種利用UC3852芯片控制的100 W開關電源前置變換器提高開關電源的功率因數，經過測試，PF=0.992，THD=6%，U0=400 V（誤差為±3%）。由于APFC電路的設計實踐性很強，本文給出的方法僅作為一種參考。