UCC28019的高效率APFC電路設(shè)計(jì)的論文
摘要:文中針對(duì)傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)程序繁雜、所需元件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)龐大、成本昂貴等問(wèn)題,研究了一種基于UCC28019,并采用廣泛應(yīng)用的MSP430單片機(jī)作為控制器的Boost型高效率有源功率因數(shù)校正電路。最后給出了實(shí)驗(yàn)波形,得到了相應(yīng)的結(jié)論,驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)及其控制策略的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用UCC28019設(shè)計(jì)的電路,不僅可使步驟簡(jiǎn)化,系統(tǒng)可靠性增強(qiáng),還有效提高了功率因數(shù),保持了較好的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞:UCC28019;MSP430單片機(jī);Boost;功率因數(shù)校正
0引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用,電力電子設(shè)備成為最大的諧波源。當(dāng)諧波電流注入電網(wǎng)時(shí),電網(wǎng)電流會(huì)發(fā)生非正弦失真,對(duì)其它電氣通信設(shè)備的正常運(yùn)行造成干擾,從而導(dǎo)致電能質(zhì)量降低,因此,如何抑制諧波已成為電力系統(tǒng)等領(lǐng)域的一個(gè)重要課題[1]。針對(duì)上述問(wèn)題,最理想的方法是在電源內(nèi)部進(jìn)行功率因數(shù)校正。人們最早采用無(wú)源校正技術(shù),但不能很好地抑制輸入電流中的諧波含量。進(jìn)入20世紀(jì)70年代,伴隨著電力半導(dǎo)體器件的不斷更新,開(kāi)關(guān)變換器迅猛發(fā)展。80年代是現(xiàn)代化有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段,它將電網(wǎng)功率因數(shù)提高至接近1,且有穩(wěn)定的'直流輸入電壓。自20世紀(jì)90年代以來(lái),出現(xiàn)了新的功率因數(shù)校正原理、拓?fù)浜涂刂品椒╗2]。本文研究了一種基于控制器UCC28019的有源功率因數(shù)校正(APFC)電路,它采用在電流連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的Boost升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),最大化減小了諧波失真,實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常逼近單位功率因數(shù)水平,達(dá)到了低成本、高效率PFC電路設(shè)計(jì)的目的。
1電路的工作原理與設(shè)計(jì)
1.1UCC28019的結(jié)構(gòu)與工作原理
UCC28019是一種工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下,具有功率因數(shù)校正功能的控制芯片。UCC28019的調(diào)控功能經(jīng)過(guò)兩個(gè)回路完成:(1)內(nèi)部電流回路。從ISENSE端輸入的負(fù)極性電壓信號(hào)經(jīng)反相器變?yōu)檎龢O性信號(hào),該信號(hào)在電流放大器作用下輸出為ICOMP。將ICOMP電壓與來(lái)自斜坡信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)進(jìn)行比較,芯片內(nèi)部RS觸發(fā)器將其輸出的結(jié)果作為輸入,與其內(nèi)部65kHz振蕩信號(hào)共同控制PWM的占空比,功率開(kāi)關(guān)上升的過(guò)程恰好超過(guò)ICOMP電壓的時(shí)間,該時(shí)間又決定了DOFF,由斬波拓?fù)浞匠逃蠨OFF=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(guān)系,經(jīng)過(guò)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(shù)。(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(nèi)部結(jié)構(gòu)可知,設(shè)tOFF為斜坡電壓在VSENSE端的輸入,與內(nèi)部一些比較器相連接,具有開(kāi)路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)以及穩(wěn)壓的功能。連接在COMP端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通過(guò)電壓誤差放大器gmv輸出的電流進(jìn)行充放電,這樣得到的VCOMP電壓可使系統(tǒng)正常運(yùn)行。VCOMP上的電壓可以用來(lái)對(duì)斜坡信號(hào)的斜率及電流放大器的增益進(jìn)行設(shè)置,當(dāng)外部回路處于穩(wěn)態(tài)時(shí),增益參數(shù)可以被自動(dòng)調(diào)整,從而使畸變對(duì)輸入電流的波形影響較低,使得開(kāi)關(guān)電源擁有較高的功率因數(shù)[3,4]。
1.2APFC電路的基本原理及設(shè)計(jì)
為了符合設(shè)計(jì)要求,我們將Boost結(jié)構(gòu)DC/DC變換器用于APFC的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),UCC28019采用連續(xù)導(dǎo)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(guò)電流環(huán)的調(diào)整,和輸入電壓的正弦波同相位。將輸入整流電壓信號(hào)和輸出電壓誤差放大信號(hào)相乘得到電流參考信號(hào),通過(guò)比較輸入電流信號(hào)和基準(zhǔn)電流信號(hào),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(jìn)行比較,以輸出開(kāi)關(guān)Tr的驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而確定占空比,最終快速、精確地校正了電流誤差。因?yàn)殡娏髋c電壓具有相同波形,所以實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正的目的[4]。,其中J1為交流輸入接口,J2為整流部分的接口,J3為UCC2801912V供電接口,J4為負(fù)載接口,J5為Boost電子開(kāi)關(guān)接口,JP1為UCC28019芯片,其他為相關(guān)電阻、電感、電容以及二極管。
1.3功率因數(shù)測(cè)量原理及電路設(shè)計(jì)
通過(guò)HWPT07電壓互感器將主回路大的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉慕涣麟,然后將該小信?hào)經(jīng)過(guò)具有一定放大倍數(shù)的放大器LM358進(jìn)行放大,再經(jīng)過(guò)由電壓比較器TL084構(gòu)成的過(guò)零比較器,將交流信號(hào)轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)[5]。同理,首先通過(guò)HWCT-5A-5MA電流互感器可得對(duì)應(yīng)的電流方波信號(hào),然后將兩路信號(hào)輸入單片機(jī)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行捕捉,測(cè)得捕捉上升沿時(shí)間差,計(jì)算出相位差角,進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得出功率因數(shù)值。
2實(shí)驗(yàn)
2.1系統(tǒng)元件參數(shù)計(jì)算
本設(shè)計(jì)中,輸出功率為72W,輸出電流為2A,其交流輸入電壓為24V,主電路包括Boost升壓電路、APFC電路、功率因數(shù)測(cè)量電路等。(1)計(jì)算最大輸入峰值電流IIN_RMS(max),依據(jù)為輸出要求效率η=0.95以及功率因數(shù)PF=0.99。(2)計(jì)算升壓電感(LBST)。升壓電感具有儲(chǔ)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(jì)算采樣電阻(RSENSE)。主要采樣電感上的電流。已知軟過(guò)流保護(hù)的下限VSOC=0.66V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(guò)高精度電阻并聯(lián)得到。(4)反向快速恢復(fù)二極管(DBST)的計(jì)算。反向恢復(fù)時(shí)間越短,功率開(kāi)關(guān)的損耗就越小?倱p耗包括開(kāi)關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗。若使用超快恢復(fù)二極管,則開(kāi)關(guān)損耗可忽略,元件可利用功耗及恢復(fù)時(shí)間來(lái)確定[6]。在125℃時(shí),二極管壓降VF_125℃=1.5V,IOUT=2A,二極管功耗為PDIDOE=VF_125℃IOUT(max)=3W,選擇HEF307。(5)計(jì)算CISENSE。由于瞬時(shí)峰值電流會(huì)對(duì)器件造成損害,所以將RSENSE=220mΩ的電阻和UCC28019的ISENSE引腳串聯(lián),再將一個(gè)1000pF的電容CISENSE接到引腳和地線之間,使得器件的抗干擾性增強(qiáng)[7]。(6)計(jì)算CICOMP?鐚(dǎo)電流放大器輸出端即為ICOMP引腳,將一個(gè)補(bǔ)償電容CICOMP接在此引腳和地之間,起到補(bǔ)償平均取樣電流信號(hào)的作用。查閱手冊(cè)知平均電流極點(diǎn)fIAVG=9.5kHz,gmi=0.95ms,M=7,利用公式(7)可得CICOMP的取值2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入電壓為市電220V,輸入電壓頻率為50Hz,其余參數(shù)由上述公式計(jì)算得到。深色為輸入電流波形;縱坐標(biāo)表示幅值,單位為V,橫坐標(biāo)表示周期,單位為s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,輸出電壓保持在380V左右,在相位和波形上輸入電流均跟隨輸入電壓,實(shí)現(xiàn)了高效校正功率因數(shù)的功能。
3結(jié)語(yǔ)
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(jī)作為控制器。經(jīng)過(guò)對(duì)電路性能的測(cè)試,系統(tǒng)加上220V電源后,輸入電壓和電流波形與正弦波形一致,功率因數(shù)接近1;該控制器避開(kāi)了電網(wǎng)電壓,只運(yùn)用平均電流的控制模型,不僅減少了元器件數(shù)量,還使輸入電流的波形畸變較低,電流環(huán)和電壓環(huán)通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路網(wǎng)絡(luò)方便進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。因此,該研究不僅提高了功率因數(shù),更降低了電路的智能化實(shí)現(xiàn)成本,具有一定的實(shí)用價(jià)值。
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