吳振宇 吳冀平 楊啟涯 辛全彬
摘要:基于有源功率因數校準技術,設計了一款高功率因數開關電源實驗平臺,平臺具有自動功率因數校正,結構簡單,保護措施完善等優(yōu)勢。平臺整體系統(tǒng)設計以德州儀器公司的APFC芯片UCC28019為核心器件,采用電流內環(huán)加電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制,保證了系統(tǒng)功率因數不低于0.95,采用電流電壓互感器采集信號相位,測量并實現功率因數實時顯示,同時也可對異常輸出進行繼電保護。電源系統(tǒng)采用BoosT升壓電路,在輸出36V/2A額定條件下效率不低于95%,采用良好的閉環(huán)反饋電路補償機制,電壓調整率和負載調整率均不高于0.5%。控制核心采用FreescaIe的MC9S12義S128單片機,完成功率因數測量、電壓/電流的動態(tài)測量、參數顯示、過流保護等功能。測試表明,整體系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定,各項技術指標均達到設計需求。
關鍵詞:功率因數校正;UCC28019;BOOsT;MC9S12XS128
DOI:10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.014
1 系統(tǒng)方案
本實驗平臺主要由BOOST升壓電源模塊、功率因數采集模塊、單片機運算模塊、功率因數校準及設定模塊、電源模塊組成,系統(tǒng)設計框圖如圖1,下面分別討論各模塊電路選用的基礎。
1.1 電源模塊
采用BOOST拓撲結構的開關電源。該拓撲具有電路簡單、電源側電流波動小等優(yōu)點,同時也可讓學生充分體驗開關升壓電路的技術特點和重要設計參數,了解電感手工制作過程。相比于推挽拓撲,本設計結構簡單,且更適用于小功率型電源。
1.2 功率因數采集模塊
本方案采用電流互感器、電壓互感器采集電流電壓相位信息,經過放大等處理后由單片機算得相位差,進而求解功率因數,與集成計量芯片ATT7053芯片方案相比較,本方案具有良好的電氣隔離性能、成本低,且對原電路影響小等優(yōu)點。
1.3 功率因數校準及設定模塊
UCC28019是德州儀器公司生產的專用功率因數校正芯片,芯片接口簡潔,且具有自動功率因數校正的功能,可完美與BOOST電路配合使用,完全解決了用軟件設定開關管關斷延遲而導致的不確定因素,提升了電路穩(wěn)定性。
2 電路與程序設計
2.1 功率因數校正模塊設計
功率因數校正部分基于UCC28019設計,主要分為輸入繼電保護部分、BOOST電路功率變換部分、UCC28019周邊電路、IRF540功率MOS開關管及驅動電路、輸出反饋電路。其中,繼保部分利用單片機檢測到的輸出電流電壓值控制繼電器開斷,對系統(tǒng)異常做出處理,設定為輸出電流大于2.5A保護;BOOST電路部分設計為輸出額定電壓36V,并且采用了二極管阻容電路對尖峰電壓進行抑制:UCC28019周邊電路參考德州儀器給出的設計手冊,結合實際需要進行修改;由于系統(tǒng)功率不超過100W,電流也較小,故采用MOS管進行開斷,節(jié)約了開關驅動部分成本,IRF540也具有導通阻抗小的優(yōu)勢,有利于提升系統(tǒng)的效率;反饋電路采用電阻分壓的方案,使用抗溫飄性能好的精密電阻,保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作,且設置電位器改變輸出電壓值以勝任不同需求。電路原理設計如圖2。
2.2 功率因數測量模塊及程序設計
系統(tǒng)設計了功率因數測量單元,用于實時測定功率因數,同時判定是否需要發(fā)出繼電保護信號,功率因數測量模塊設計框圖如圖3。
功率因數采集單元安裝互感器測量電流電壓信號,用OP07及LM358構成放大跟隨電路,互感器得出的信號可以放大到單片機內部AD可以直接采集的大小,而后直接交由單片機處理。小信號處理部分原理圖設計如圖4所示。
本系統(tǒng)采用Freescale的MC9S12XS128單片機,完成功率因數測量,并實現電壓、電流等動態(tài)參數顯示,同時通過測得電流值快速實現過流保護等功能。采集及繼電保護軟件流程如圖5。
3 測試方案與測試結果
3.1 測試方案
首先上電調試反饋電路使系統(tǒng)穩(wěn)定工作,而后依次測試電路電壓調整率、負載調整率、效率等參數。測試前保證設定輸出電壓為36V,輸出電流為2A額定狀態(tài),測量輸入電壓在20-30V間變化時的輸出電壓得出電壓調整率并計算效率,同時記錄系統(tǒng)功率因數。而后,調整輸出負載,使輸出電壓在0.2-2.5A間變化,測量輸出電壓變化,得出負載調整率,同時驗證系統(tǒng)在電流超過2.5A時是否可以自行保護。
3.2 測試結果及分析
測試數據如表1、表2所示。由數據得出系統(tǒng)電壓調整率不高于0.5%,負載調整率不高于0.5%,效率等參數不低于95%,功率因數不低于0.95??蓪崿F過流保護,保護電流為2.5A。
3.3 測試結果及分析
綜上所述,本設計用BOOST升壓電路實現了功率因素測量與校正,滿足教學中關于功率因數校正問題實際驗證的需求,體現功率因數校正的意義與方法。同時模塊還可應用于BOOST電路的示教和設計教學,具有一定的實用價值。