基于UCC28070的交錯(cuò)式PFC設(shè)計(jì)

黃 峰，張正清

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104）

0 引 言

開(kāi)關(guān)電源是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，其主要功能是升壓和降壓，具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用.開(kāi)關(guān)電源的控制電路比較復(fù)雜.輸出紋波電壓較高，且開(kāi)關(guān)電源中的調(diào)整管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，存在開(kāi)關(guān)損耗.因此，有必要降低電源電路的損耗［1］.

現(xiàn)代的PFC技術(shù)不同于功率因數(shù)補(bǔ)償，它針對(duì)非正弦電流波形畸.交流線(xiàn)路電流跟蹤電壓波形瞬時(shí)變化軌跡，電流和電壓保持同相位，系統(tǒng)呈純阻性.

本文利用TI公司UCC28070［2］設(shè)計(jì)了一款功率為1500W 的交錯(cuò)式 PFC電源［3－4］.UCC28070是先進(jìn)的功率因素修正器件，集成了兩個(gè)工作在180°反相的交錯(cuò)式PWM.這種PWM交錯(cuò)工作能降低輸入和輸出紋波電流，使得導(dǎo)電EMI濾波變得更加容易，成本更低.測(cè)試數(shù)據(jù)表明，與傳統(tǒng)控制模式相比，系統(tǒng)顯著增強(qiáng)了PF、效率、總諧波失真等性能.

1 UCC28070和控制電路原理

UCC28070是首款單芯片交錯(cuò)式功率因數(shù)校正（PFC）控制電路，可滿(mǎn)足千瓦級(jí)通信、服務(wù)器與工業(yè)系統(tǒng)的要求.新型UCC28070雙相平均電流模式控制器可簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)超過(guò)0.9的額定功率因數(shù)，從而提高了節(jié)能性能.

UCC28070采用獨(dú)特的180°交錯(cuò)技術(shù)，有助于提高系統(tǒng)可靠性，降低輸入與輸出電流紋波，通過(guò)電磁分配改進(jìn)熱管理水平.與目前常見(jiàn)的非交錯(cuò)式PFC架構(gòu)相比，平均電流模式交錯(cuò)技術(shù)能使紋波減少50%～100%.

在工作時(shí)，UCC28070的PFC部分由電流環(huán)和電壓環(huán)進(jìn)行雙環(huán)控制.UCC28070的PFC控制器主要包含有電壓誤差放大器（VA）、乘法器（Mult）、電流誤差放大器（CA1、CA2）等電路.PWM部分主要包括振蕩器、PWM比較器 （A相PWM比較器、B相PWM比較器）、RS觸發(fā)器和驅(qū)動(dòng)器等單元電路.

PFC控制電路的原理圖如圖1所示.它是以UCC28070為核心的控制電路，兩路電流檢測(cè)以及輸出兩路相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷.

圖1 PFC控制原理圖

2 參數(shù)計(jì)算及選型

（1）主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

①BOOST電感計(jì)算

輸入交流電壓230VAC±15%，頻率50±2.5Hz，輸出直流總線(xiàn)電壓400VDC，額定輸出功率1500W，輸入功率因數(shù)PF≥0.99，總電流諧波失真度THD≤5%，效率≥0.95.

BOOST級(jí)的輸出電壓應(yīng)當(dāng)高于輸入最高電壓的峰值.輸入電壓220V，50Hz交流電，變化范圍是額定值的15%（Δ＝15），最高峰值電壓為374V.最小輸入電壓的有效值為195.5V.輸出電壓可以選擇390～410V.

電感應(yīng)當(dāng)在最大電流時(shí)避免飽和.最大交流輸入電流發(fā)生在輸入電壓最低，同時(shí)輸出功率最大時(shí)有Iimax＝4.04A.

工作頻率由功率器件，效率和功率等級(jí)等因素決定.開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為75kHz.

如果Uo選取較低，在最高輸入電壓峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的占空度非常小，由于功率開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)時(shí)間限制（否則降低開(kāi)關(guān)頻率），可能輸入電流不能跟蹤輸入電壓，造成輸入電流THD加大.因此為保證電流連續(xù)，BOOST電感應(yīng)當(dāng)大于：

②輸出電容

通過(guò)外接輸出電容來(lái)穩(wěn)定輸出的同時(shí)，減少紋波電壓.選擇三個(gè)耐壓值為450V，電容量為330μF的電容并聯(lián)COUT＝990μF.輸出紋波電壓的峰－峰值VRIPPLE為

③功率管及續(xù)流二極管的電流計(jì)算

BOOST電路續(xù)流二極管的平均電流ID為1.875A.選擇型號(hào)為CSD10060的SiC二極管，為了減少二極管的反向電流，降低反向電流對(duì)檢流電路的影響，使占空比能夠更大.通過(guò)MOS管的峰值電流（IPEAK）為8.64A.

（2）電流互感器的選擇

①電流互感器的選擇

主要根據(jù)峰值電流來(lái)計(jì)算，一般選擇使檢流電阻上的最大電流不超過(guò)100mA.實(shí)際選擇NCT＝80.確定型號(hào)為L(zhǎng)1222的電流互感器，它的原副邊匝數(shù)比為1∶80，電感量為3mH.

②檢流電阻的計(jì)算與選擇

根據(jù)峰值電流的限制信號(hào)VS，主路電流通過(guò)電流互感器耦合到檢測(cè)電路，在通過(guò)RS轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，一般留有10%的占空比調(diào)節(jié)余量，使電路輕載時(shí)不受影響.考慮電阻工作時(shí)的額定功率，選擇3個(gè)100Ω的電阻并聯(lián).RS＝33.3Ω.復(fù)位電阻RR選擇標(biāo)準(zhǔn)值為680Ω的電阻.電流互感器矯正二極管選擇肖特基二極管SSCD110S，它的反向擊穿電壓為100V，正向?qū)▔航禐?.85V.

（3）輸入欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

運(yùn)放輸出高電平為Uo，低電平為0，運(yùn)放正端輸入電壓值為UREF.根據(jù)運(yùn)放的虛短原理和疊加定理，確定正端分壓電阻的取值.定運(yùn)放供電電壓為6V，根據(jù)LM2904運(yùn)放特性，輸出高電平為4.5V.設(shè)達(dá)到開(kāi)啟電壓時(shí)，運(yùn)放負(fù)端的輸入電壓為UON.達(dá)到關(guān)斷電壓時(shí)，運(yùn)放負(fù)端的輸入電壓為UOFF.開(kāi)啟電壓設(shè)為190V開(kāi)機(jī)，UON＝2.13V，UOFF＝1.79V.

（4）UCC28070參數(shù)設(shè)定

①工作頻率選擇及最大占空比鉗位

UCC28070內(nèi)部有時(shí)鐘晶振，通過(guò)改變電阻RRT的阻值，來(lái)調(diào)節(jié)芯片的工作頻率.這里設(shè)計(jì)的工作頻率為75kHz，選擇標(biāo)準(zhǔn)值為100kΩ的電阻.

UCC28070不僅可以改變工作頻率，同樣，可以通過(guò)改變電阻RDMX的阻值，確定想要的最大占空比，這里設(shè)計(jì)選擇的最大占空比為0.95，確定電阻RDMX的阻值.選擇標(biāo)準(zhǔn)值為91kΩ的電阻.

②輸出電壓調(diào)節(jié)

電阻RA通過(guò)控制基準(zhǔn)的大小來(lái)減少最低誤差，構(gòu)建電阻RA一般用兩個(gè)或兩個(gè)以上的電阻串聯(lián)來(lái)滿(mǎn)足高電壓的需要.而RB則用于調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍VOUT.這里RA取3MΩ ，則RB為23.3 kΩ.選擇標(biāo)準(zhǔn)值為36kΩ與68kΩ的電阻并聯(lián)，并聯(lián)后電阻為RB＝23.5kΩ.

輸出電壓通過(guò)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)RA和RB采樣給VSENSE管腳，而且UCC28070通過(guò)內(nèi)部門(mén)檻電壓設(shè)置過(guò)壓保護(hù)電路閾值.VOVP＝409V.

③峰值電流限制

UCC28070有一個(gè)可以調(diào)節(jié)設(shè)置的峰值電流限制電路.它通過(guò)選擇定值電阻RPK1，在計(jì)算需要的電阻RPK2，這里根據(jù)選擇的電流互感器及檢流電阻的參數(shù).選擇峰值電壓為3.7V，所以RPK2為5.9kΩ.

④電壓環(huán)路補(bǔ)償

BOOST拓?fù)潆娐?，其電感等效于一個(gè)電流源.該模型的小信號(hào)傳遞函數(shù)如下：

傳遞函數(shù)包括一個(gè)一階微分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié).一階微分環(huán)節(jié)由電解電容Ce及其寄生電阻Resr引起，產(chǎn)生一個(gè)ESR零點(diǎn).

為了使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)保持穩(wěn)定，采用Ⅱ型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零極點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償電容跟寄生電阻和負(fù)載電阻產(chǎn)生的零點(diǎn)和極點(diǎn).Ⅱ型補(bǔ)償電路的小信號(hào)傳遞函數(shù)如下：

具有一個(gè)零點(diǎn)、一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)初始極點(diǎn).零點(diǎn)由電阻R2和電容C1構(gòu)成，R1＝3MΩ，R2＝6.8kΩ，C1＝220pF，C2＝10000pF.求得：

3 UCC28070電路調(diào)試

設(shè)計(jì)測(cè)試電路，通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)，分壓給管腳VSENSE，提供電壓采樣信號(hào)，在不上強(qiáng)電的情況下，測(cè)試驅(qū)動(dòng)是否正常，操作步驟如下：

（1）外部用電阻網(wǎng)絡(luò)，外接5V電源，通過(guò)分壓得到一個(gè)大小為1～3V的電壓，VSENSE管腳提供一個(gè)模擬信號(hào)，幫助芯片啟動(dòng)工作.

（2）關(guān)掉輸入電壓，通過(guò)輔助電源，給芯片提供＋12.5V的直流電，通過(guò)設(shè)置示波器到標(biāo)準(zhǔn)模式，到觸發(fā)狀態(tài)，捕捉MOS管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，波形如圖2所示.

（3）關(guān)掉輔助電源，將捕捉的波形展開(kāi)，觀察驅(qū)動(dòng)波的頻率是否為設(shè)置的75kHz，最大占空比是否超過(guò)設(shè)置的95.5%.

欠壓保護(hù)電路調(diào)試.利用帶有回差的比較器，控制芯片工作狀態(tài).通過(guò)改變輸出電壓，觀察芯片的工作指示燈狀態(tài).過(guò)程如下：

（1）按照原理圖接線(xiàn)，其中輸入電壓這里接到調(diào)壓器的輸出端.由于只是測(cè)試是否欠壓保護(hù)，所以選擇半載測(cè)試.

（2）通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器的轉(zhuǎn)盤(pán)，慢慢的增大輸入電壓，觀察UCC28070的工作狀態(tài)指示燈.當(dāng)指示燈變暗變亮?xí)r，記下此時(shí)調(diào)壓器的輸出電壓，看是否與的設(shè)計(jì)值相符.

當(dāng)UCC28070工作時(shí)，通過(guò)反向旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器轉(zhuǎn)盤(pán)，逐漸減小輸入電壓，觀察UCC28070工作狀態(tài)指示燈，當(dāng)指示燈由亮變暗時(shí)，記下調(diào)壓器的輸出電壓，檢查是否與設(shè)計(jì)值相符.

帶載調(diào)試.

（1）按照原理圖接線(xiàn)，接負(fù)載電阻.接線(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)避免線(xiàn)路接錯(cuò)，用萬(wàn)用表檢測(cè)負(fù)載電阻是否為選擇值.

（2）打開(kāi)輔助電源，在通過(guò)調(diào)壓器慢慢增大輸入電壓，看電路是否正常啟機(jī)工作，觀察功率因數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求.

（3）用萬(wàn)用表測(cè)試輸出電壓的大小，觀察是否穩(wěn)定在設(shè)計(jì)的400V左右.

（4）在半載正常的前提下，通過(guò)切換電阻大小，把電阻切換到100Ω，再觀察功率因數(shù)及輸出電壓的變化，看是否還是穩(wěn)定.

（5）當(dāng)確定帶滿(mǎn)載穩(wěn)定以后，按照測(cè)試報(bào)告的要求，測(cè)試設(shè)計(jì)的電路的各項(xiàng)指標(biāo).

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示.波形如圖3所示.

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

圖3 交錯(cuò)式驅(qū)動(dòng)的輸出驅(qū)動(dòng)波形

4 結(jié) 論

利用UCC28070設(shè)計(jì)了一款交錯(cuò)式PFC控制電路.新型交錯(cuò)式PFC控制電路，不僅減少了諧波分量，提高了功率因素，而且對(duì)減少電路損耗，提高系統(tǒng)工作效率有明顯的作用.

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