一种单相高功率因数整流器的设计

摘要: 采用UCC28019 设计了一种新型单相功率因数整流器，分析了系统的工作原理，对主要模块进行了详细分析与设计。在升压储能电感设计中，采用一种新型薄铜带工艺绕制的Boost 储能电感，有效地减小了高频集肤效应、改善了Boost 变换器的开关调制波形并降低了磁件温升。350 W 的样机试验表明，该单相功率因数整流器设计合理、性能可靠，功率因数可达0. 993，具有较为广阔的应用前景。

　　0 引言

　　谐波的污染与危害已经引起了世界各国的广泛关注，解决电力电子装置谐波污染和低功率因数问题的基本方法，除了采用补偿装置对谐波进行补偿外，还开发了新型整流器，使其不产生谐波，且功率因数为1，这种整流器称为单位功率因数整流器( Unity Power Factor Converter，PFC)。然而，传统功率因数整流电路技术复杂，设计步骤繁琐，所需元件多，体积大且成本高，如使用经典的UC3854 芯片开发的PFC 电路。

　　因此，设计时往往要在性能和成本间进行平衡。

　　近年来，单级PFC 的研究主要集中于如何简化传统的PFC 控制电路结构，避免对输入电压采样和使用复杂的模拟乘法器。

　　UCC28019是一款8 引脚的连续导电模式(CCM)控制器，能以极小的谐波失真获得接近单位功率因数的水平，适用于低成本的PFC 应用。该器件具有宽泛的通用输入范围，适用于0. 1 ～2 kW的功率因数整流器。该控制器使用Boost 拓扑结构，工作于电流CCM。欠压锁定期间的起动电流低于200 μA，用户可以通过调整输出电压检测引脚(VSENSE) 上的电压低于0. 77 V，使系统工作于低功耗的待机模式。

　　本文基于UCC28019 设计了一种功率因数整流器，不需检测电网电压，利用平均电流控制模式，实现输入电流较低的波形畸变，大大减少了元件数量。简单的外围电路网络，非常便于对电压环和电流环进行灵活的补偿设计。该整流器具有许多系统级的保护功能，包括峰值电流限制、软过电流保护、开环检测、输入掉电保护、输出过压、欠压保护、过载保护、软起动等。

　　1 系统结构与工作原理

　　本设计的单相功率因数整流器的结构框图如图1 所示。图1 中，主电路采用单相Boost 升压电路，控制电路采用UCC28019 芯片。UCC28019 的引脚图如图2 所示。系统的控制环路包括一个电压环和一个电流环。输出电压通过分压电阻接入引脚6，引脚内部接入电压误差放大器gmv 的反相输入端，反馈电压与5 V 基准电压比较后得到调制电压Ucomp。另外，从电流传感电阻检测到的电流信号送入引脚3 进行缓冲、反相放大后得到的信号通过电流放大器( gmi) 进行平均，其输出ICOMP 引脚上的电压与平均电感电流成比例。平均电流放大器( gmi) 的增益由VCOMP 引脚内部的电压决定，该增益设置为非线性。因此，可以适应全球范围内的交流输入电压。

　　UCC28019 芯片系统级的保护使系统工作在安全的工作范围内。系统保护主要包括软起动、VCC 欠压锁定(UVLO)、输入掉电保护( IBOP)、输出过压保护(OVP)、开环保护/待机模式(OLP /Standby )、输出欠压检测(UVD) / 增强动态响应(EDR)、过流保护、软过流( SOC)、峰值电流限制(PCL)。芯片输出保护的工作状态示意图如图3所示。

图1 单相功率因数整流器结构框图。

图2 UCC 28019 管脚示意图。

图3 UCC 28019 输出保护状态示意图。

　　2 系统设计

　　2. 1 Boost 升压电感的设计

　　要想设计出性能优良的PFC 电路，除了IC外围电路各元件值选择合理外，还需特别认真选择Boost 升压储能电感器。它的磁性材料不同，对PFC 电路的性能影响很大，甚至该电感器的接法不同，且会明显地影响电流波形;另外，驱动电路的激励脉冲波形上升沿与下降沿的滞后或振荡，都会影响主功率开关管的最佳工作状态。当增大输出功率到某个阶段时，还会出现输入电流波形发生畸变甚至出现死区等现象。因此，在PFC 电路的设计中，合理选择Boost PFC 升压电感器的磁心与绕制电感量是非常重要的。电感值的计算以低输入电压Uin(peak) 和对应的最大占空比Dmax时保证电感电流连续为依据，计算公式为：

　　式中Uin(peak)———低输入交流电压对应的正弦峰值电压，V

　　Dmax———Uin(peak) 对应的最大占空比

　　ΔI———纹波电流值，A; 计算时，假定为纹波电流的30%

　　fs———开关频率，Hz

　　占空比的计算公式为：

　　若输入交流电压为220 V( 最低输入电压为85 V)，输出直流电压为390 V，开关频率为fs =50 kHz，输出功率Po =350 W，则可计算得到Dmax =0. 78，纹波电流为1. 75 A，从而求得电感值L3 =713 μH，实际电感值取为1 mH。

由于升压电感工作于电流连续模式，