一種高功率因數電源的設計與實現*

于 柏，夏 華，費 騰

(1.天津商業大學信息工程學院,天津 300134；2.天津商業大學經濟學院,天津 300134)

傳統的AC-DC 變換是由交流電網經整流電路采用電容濾波獲取直流電壓的,這種變換電路由于采用非線性元件二極管進行全橋整流,造成輸入電壓雖然是正弦波形,但輸入的電流是脈沖電流,干擾電網電壓,產生向四周輻射和沿導線傳播的電磁干擾。此外,由于交流電流中含有大量的諧波電流,使電網中電流波形嚴重畸變,輸入電壓與輸入電流間存在較大相位差,電源的輸入功率因數低,利用效率下降[1]。

為提高電源功率因數和電能轉換效率,在功率因數校正電路設計方面,通常采用升壓拓撲結構。而較受關注的是功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)控制技術。目前最為常用的控制技術有3 種:平均電流型控制、電流連續模式(CCM)/電流不連續模式(DCN)界控制、電流鉗位控制。其中平均電流型控制最為普及,該電路中通過檢測Boost 電感電流并與正弦電壓基準信號進行比較,所得的誤差信號經放大后再與諧波信號進行比較,產生PWM 占空比信號去控制主開關,以實現單位功率因數和穩定輸出電壓[2]。因此,改善輸入電流波形和提高電路的功率因數是我們進行高功率因數電源設計首先考慮的重要因素。介紹了一種利用UCC28019 為核心器件的高功率因數電源設計方案。

1 電源總體設計方案

系統采用STC89C52RC 單片機為主控芯片,通過單片機和相位測量電路測出系統的功率因數。UCC28019 是TI 公司推出的一種功率因數校正芯片,該芯片采用平均電流模式對功率因數進行校正,僅用一支8PIN 的IC 及少數外圍元件即可實現功率因數校正,使輸入電流的跟蹤誤差產生畸變小于1%,實現了接近于l 的功率因數[3],利用反饋電壓取樣電路,進行穩壓和輸出電壓的動態調整,單片機通過輸出采樣電路實時監測輸出電壓、電流值,過流檢測電路提供過流保護,控制繼電器斷開主電路,當檢測到輸出電流正常時,電路恢復正常運行。利用鍵盤可實現各種功能選擇(輸出電壓設置及顯示參數的切換)。LCD 實時顯示功率因數和輸出電壓、電流數據,人機界面友好。圖1 為系統整體框圖。

圖1 系統整體框圖

2 硬件電路設計

2.1 功率因數校正電路(PFC)

PFC 控制電路采用UCC28019 做為核心器件,是整個功率因數校正系統的控制器。UCC28019 為持續傳導模式的PFC 控制器,鋸齒波振蕩頻率為65 kHz,輸出方波最高占空比為97%,內帶5 V 的電壓基準,推挽式輸出的驅動電壓可達12.5 V,電流達1.5 A。具有電源輸入軟啟動保護,以及反饋電壓欠壓、過壓鎖存,峰值電流限制,此外還設有電壓、電流反饋補償端。校正后的功率因數可達0.99 以上,特別適用于Boost 升壓電路,輸入電壓范圍寬,輸出功率大[4-5]。PFC 控制的功率因數校正電路設計如圖2 所示。

圖2 功率因數校正電路

控制電路采用15 V 電壓供電,圖中C1對輸入電壓值進行濾波,用電阻R1接于此端和電流檢測電阻之間以限制浪涌沖擊電流進入,C4是電流環的補償電容,通過電容接到GND 提供補償,C3是輸入電壓采樣后的濾波電容,C5、C2、R2為電壓環的補償環節,用一個電阻電容網絡從此端接到GND,以提供補償,用電容C6做旁路,接于VCC 到GND,用于高頻濾除噪聲[6]。

2.2 Boost 升壓電路

交流220 V 市電經自耦變壓器變壓,EMI 濾波,整流橋整流后送入Boost 升壓電路中,Boost 電路主要由開關管Q、電感L、二極管D 和輸出電容C 組成。在輸入電壓和開關管Q 之間串接電感L,電感的下端通過二極管D 給輸出電容COUT及負載供電。Q 關斷時,由于電感電流不能突變,L 經D 向COUT充電,使COUT兩端電壓高于輸入電壓；Q 導通時,二極管D 反相截止,由輸出電容COUT向負載供電。輸出電壓調整是通過UCC28019 控制開關管Q 的導通時間來實現[7-8]。Boost 升壓電路原理圖如圖3 所示。

圖3 Boost 升壓電路

2.3 相位測量電路

變壓器副邊處通過電流互感器和電壓互感器取樣交流電壓和電流信號,針對兩路信號采用了施密特觸發器組成整形電路,施密特觸發器是在單門限電壓比較器基礎上引入了正反饋網絡,因為正反饋作用,它的門限電壓隨著輸出電壓的變化而變化,從而使施密特觸發器有兩個門限電壓,可以提高輸入電路的抗干擾能力[9]。相位測量電路如圖4 所示。

圖4 相位測量電路

電路中通過2 個74LS74 進行相位差波形檢測,相位檢測波形如圖5 所示,其中,U1、I2 分別是交流電壓和電流信號,U3、U4 是經過過零比較整形后的兩路矩形波信號,相位差檢測輸出波形為Q,Q 信號輸入單片機計算出相位差角,進而通過計算得出功率因數值。

圖5 相位測量波形圖

2.4 反饋電壓取樣電路

取樣電壓Vf在負載端用一個電阻分壓器從此端經電壓跟隨和加法運算電路到UCC28019 的6 腳輸入電壓,提供輸出電壓的反饋檢測,以使電源輸出的直流電壓在各種擾動下保持穩定,同時為系統提供過壓和欠壓保護。為使輸出電壓實現連續可調,通過鍵盤可設置電壓值,送入單片機系統,D/A 轉換后經加法運算電路與輸出取樣電壓 Vf相加,送至UCC28019,實現輸出電壓的動態調整和穩定輸出[10]。電路如圖6 所示。

圖6 反饋電壓取樣電路

2.5 過流檢測電路

電路在負載輸出端串接一個康銅絲采樣電阻,利用儀表放大器INA128 芯片對采樣電阻兩端的電壓信號進行采集放大,信號經OP07 跟隨之后一路送LM311 進行比較,當電壓信號低于LM311 同相輸入端設定電壓時,輸出高電平信號,當電壓高于同相輸入端設置電壓時,輸出低電平信號,完成輸出電流的過流檢測,進而驅動過流保護電路動作[11]。電路如圖7 所示。

圖7 過流檢測電路

2.6 過流保護電路

通過過流檢測電路實時采集輸出電流的變化情況。當輸出電流超過預設電流值時,低電平信號送到過流保護電路的輸入端,繼電器線圈通電,常開觸點閉合,常閉觸點斷開,控制繼電器模塊使系統斷電,切斷主控制回路,實現保護系統電路和負載的功能；當故障排除后過流檢測電路測得電流值小于預定值,高電平信號送入過流保護電路的輸入端,繼電器線圈斷電,觸點恢復原狀態,電路重新正常工作。電路如圖8 所示。

圖8 過流保護電路

3 主回路器件選擇與參數計算

UCC28019 是一個用于功率因數校正,工作在固定頻率連續導通模式的升壓變換器的控制IC。UCC28019 僅需要少數外接元件,用于PFC 的預調整器。它的工作頻率在內部固定于65 kHz,內部5 V 基準可精確調節輸出電壓,以應對AC 85(265 V 輸入,平均輸出DC 最高可達到390 V 并從空載到滿載適于200 W～2 kW 的輸出功率水平。

系統效率0.92,功率因數為0.99,最大功率350 W,最小輸入電壓85 V,可得最大輸入RMS 線路電流IIN_RMS(max):

基于以上計算,最大峰值輸入電流IIN_PEAK(max)和最大平均輸入電流IIN_AVGMAX(max)如下:

UCC28019 是連續電流型PFC 控制器,在允許有20%的電感電流紋波IRIPPLE和6%的高頻電壓紋波VIN_RIPPLE的情況下,輸入濾波電容的最大值CIN由輸入電流紋波IRIPPLE和輸入電壓紋波VIN_RIPPLE(max)決定。輸入濾波電容的值可通過以下公式計算[12]。首先確定輸入電流紋波IRIPPLE和電壓的紋波VIN_RIPPLE。

ΔIRIPPLE表示輸入電流紋波的變化量；ΔIRIPPLE_IN表示輸入電壓紋波的變化量。

通過以上推導,輸入電容計算如下:fSW表示芯片的振蕩頻率。

通過計算最大峰值電感電流IL_PEAK(max)之后,可確定升壓電感LBST的選取。

按照最壞情況的占空比D=50%計算,電感值為:

電路工作頻率為65 kHz,輸入濾波電容取0.1 μF；電感參數為1.25 mH,工作頻率65 kHz,最大電流10 A。

輸出電壓經反饋分壓電阻后:

基準電壓取5 V,RFB1選取1MΩ,則RFB1為13 kΩ。

根據內部非線性功率限制的增益,電感電流取樣電阻RSENSE的大小受限于軟過流觸發,要高于最大峰值電感電流的25%,用SOC 的最小閾值VSOC,

輸出電容COUT的大小要滿足變換器保持時間的需要,假設變換器在一個線路周期內tHOLDUP=1/fLINE(min),保持PFC 級不低于300 V,計算電容值如下:

fLINE(min)表示交流電的最小頻率,tHOLDUP表示交流電的周期。

根據理論計算值,實際采樣電阻取75 mΩ,考慮到電容有20%的偏差,輸出濾波電容選擇270 μF,即可滿足電路的設計要求。

4 系統軟件設計

系統軟件設計采用單片機STC89C52RC 為主控芯片,通過相位檢測電路采集相關數據,送入單片機進行軟件算法處理,完成功率因數測量及液晶顯示功能。利用輸出電壓、電流采樣電路采集數據經A/D轉換后進行輸出值的動態監測顯示。這里可通過鍵盤設置輸出電壓預設值,經A/D 轉換后送入加法運算電路,和輸出取樣電壓信號一起送至UCC28019 芯片,對Boost 升壓電路實施控制,完成輸出電壓的動態調整和穩定輸出功能。如圖9 所示。

圖9 系統軟件流程圖

5 實驗結果及問題分析

電源系統的硬件和軟件設計完成之后,進行PCB 板焊接、電路搭建和機械組裝,實驗裝置如圖10 所示,主要包括單片機主控芯片,功率因數校正電路,Boost 升壓電路,相位測量電路,反饋電壓取樣電路,過流電壓檢測及保護電路等各個功能模塊,測試時在隔離變壓器前用自耦變壓器調整輸入電壓,模擬電網電壓波動,用滑線變阻器模擬負載的變化,同時為了測試方便,在制作電路時,預留出U2、I2、U0、I0測試端子,實驗裝置的功率為350 W,效率為92%,在確認系統平臺正常工作后,對電源電路進行了整體性能的測試工作,測試結果基本達到了各項設計指標的要求。

圖10 系統實物圖

系統在調試過程中,利用示波器觀察輸入電流波形時,波形出現部分失真現象并且波形的毛刺現象較為嚴重,如圖11 所示。究其原因,可能是在模塊之間采用杜邦線連接造成系統不穩定,同時引入了大量電磁干擾所造成的,為了進一步消除干擾和誤差,考慮在系統設計中將各個功能模塊集成在一塊PCB 板上,通過銅箔走線進行信號連接,同時在板路設計中還要考慮變壓器副邊的地為浮地,流經其電流的方向是變化的,而Boost 主電路的地,流經其電流方向是固定的,因此,變壓器副邊地端與Boost 主電路地端不能共在一起,需要分開處理,充分考慮到這些影響因素,會使系統設計效果更加完善。

圖11 輸入電壓電流波形

6 結論

詳細介紹了一種高功率因數電源的設計與實現,系統采用單片機為主控芯片,以UCC28019 做為功率因數校正芯片,改善了輸入電流波形,提高了功率因數,整個系統具有過壓、欠壓、過流保護及自恢復功能,產品的可靠性和穩定性、電磁兼容性、消除網側電源諧波、提高電源利用率、降低損耗、提高系統的動態性能等方面取得長足進步,硬件電路實現簡單,具有較高的實用價值。