巫付專(zhuān)，李昊陽(yáng)，彭 圣，陳蒙娜

(中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院,河南 鄭州 451191)

近年來(lái)，隨著智能家居、電動(dòng)汽車(chē)和建筑裝飾等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，中小型整流設(shè)備被廣泛應(yīng)用于日常生活中，導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波含量急劇增加，促使有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction，APFC)技術(shù)成為了當(dāng)前產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)[1-5]。非線性單周期控制在動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗干擾能力等方面比傳統(tǒng)平均電流控制和滯環(huán)電流控制更具優(yōu)勢(shì)，并且其直流輸出電壓能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍調(diào)節(jié)，加之Boost電路具有輸入側(cè)電流連續(xù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此單周期控制APFC電路得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]。目前控制芯片的生產(chǎn)商主要有美國(guó)德州儀器(Texas Instruments,TI)、意法半導(dǎo)體、日本富士電機(jī)公司、美國(guó)APT公司及西門(mén)子等公司，其先后推出了多種用于有源功率因數(shù)校正技術(shù)的專(zhuān)用芯片，例如LM5117、MSC60028、UCC1857、APT5012JN-U2、ML4833等。其中，TI公司生產(chǎn)的UCC28180專(zhuān)用芯片采用平均電流模式控制，在無(wú)需輸入交流線路檢測(cè)的情況下，即可實(shí)現(xiàn)輸入電流的低失真。此外，該控制器的電流檢測(cè)閾值有所降低，可使用低值檢測(cè)電阻來(lái)降低功耗，這對(duì)于大功率系統(tǒng)尤為重要[10-12]。然而，一般專(zhuān)用芯片所提供的設(shè)計(jì)資料主要針對(duì)的輸入電壓為220 V。在建筑物內(nèi)、低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)和機(jī)床輔助供電系等對(duì)要求電壓較低的場(chǎng)所并無(wú)有效資料可參考。

本文利用TI公司生產(chǎn)的UCC28180芯片，設(shè)計(jì)了一種低電壓輸入、固定直流電壓輸出的APFC系統(tǒng)，其輸出功率為120 W，可以滿足低電壓或?qū)嶒?yàn)室安全電壓等場(chǎng)合的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

1.1 單周期控制APFC原理

單周期控制技術(shù)是一種非線性控制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制功率器件的占空比，并且具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[13-16]。單周期控制系統(tǒng)可以抑制輸入電壓的干擾，對(duì)直流電壓具有良好的調(diào)節(jié)特性。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率足夠高時(shí)，可以獲得高質(zhì)量的直流輸出電壓。

基于前沿調(diào)制單周期控制的APFC電路原理如圖1所示。圖中，D1～D4組成整流橋，LBST為升壓電感，DBOOST為升壓二極管，COUT為輸出濾波電容，Ro為負(fù)載，RSENSE為電流采樣電阻，clock為時(shí)鐘信號(hào)，UIN為輸入交流電壓，ud為整流后的直流電壓，UOUT為輸出電壓，輸出電壓經(jīng)RFB1和RFB2分壓后，與參考電壓Uref比較，由C1、R3和運(yùn)放組成電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)后輸出調(diào)制電壓um。um信號(hào)通過(guò)可復(fù)位積分器后與RSENSE上的電流信號(hào)進(jìn)行比較，與時(shí)鐘信號(hào)clock一同進(jìn)入SR觸發(fā)器，由SR觸發(fā)器控制開(kāi)關(guān)S和積分器的復(fù)位。

圖1 前沿調(diào)制單周期APFC原理圖Figure 1. Schematic diagram of single cycle APFC with forward modulation

對(duì)單周期控制APFC穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析：首先假設(shè)電路運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)，開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電源工頻，忽略電感電流紋波、開(kāi)關(guān)器件能量損耗和線路分布參數(shù)對(duì)電路的影響，根據(jù)Boost電路的工作原理，當(dāng)占空比為D時(shí)，可得輸出電壓UOUT與整流橋輸出電壓ud之間的關(guān)系為式(1)。

UOUT=(1-D)ud

(1)

假設(shè)APFC電路功率因數(shù)PF=1，這時(shí)整個(gè)APFC電路對(duì)電網(wǎng)呈阻性，等效電阻為Re，可得電感電流iL為

(2)

電流采樣電阻RSENSE上的電壓為uS

(3)

其中，um為調(diào)制信號(hào)，于是可得到前沿調(diào)制的單周期APFC基本控制方程。

控制過(guò)程為：輸出電壓和參考電壓作差得到誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到調(diào)制信號(hào)um，并由積分器進(jìn)行積分。當(dāng)積分值大于電流采樣電阻上電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，同時(shí)積分器復(fù)位，等待下一個(gè)周期，保證每個(gè)周期的誤差信號(hào)不會(huì)累加至下一個(gè)周期。

1.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

基于單周期控制原理設(shè)計(jì)的APFC系統(tǒng)如圖2所示，控制芯片采用TI公司的8引腳APFC控制器UCC28180。

圖2 基于UCC28180的APFC電路Figure 2. APFC circuit based on UCC28180

圖2中，熔斷器FUSE、壓敏電阻RV、X電容CX1、Y電容CY1、Y電容CY2、共模電感LCM、安規(guī)電容C和熱敏電阻RT組成前級(jí)EMC保護(hù)電路。BRIDGE為整流橋，DSTART為啟動(dòng)二極管，CIN為輸入電容，QEFT為升壓開(kāi)關(guān)管。RFB1、RFB2、CVSENSE、CVCOMP_P、RVCOMP和CVCOMP組成電壓環(huán)路采集補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。RSENSE、RISENSE、CISENSE和CICOMP組成電流環(huán)路采集補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。RGATE、RGATE2和DTURNOFF組成功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。CVCC為UCC28180的供電濾波電容，RFREQ則為UCC28180頻率設(shè)定電阻。

UCC28180是一款單周期控制APFC專(zhuān)用芯片，具有欠壓鎖定、軟過(guò)流保護(hù)和引腳開(kāi)路檢測(cè)等多種系統(tǒng)保護(hù)功能。此外，利用簡(jiǎn)單阻容網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)電流和電壓控制環(huán)路的靈活補(bǔ)償[17]，并提供一個(gè)基于電壓反饋信號(hào)的增強(qiáng)型動(dòng)態(tài)響應(yīng)電路，可有效改善電路在負(fù)載瞬變時(shí)形成過(guò)壓和欠壓時(shí)的響應(yīng)速度。其相比于其它單周期控制芯片，具有低工作損耗、控制精度高等優(yōu)勢(shì)。

2 主電路關(guān)鍵參數(shù)分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：輸入電壓UIN=36 V，交流輸入頻率f=50 Hz，輸出電壓UOUT=60 V，滿載輸出功率POUT=120 W，滿載效率η>90%，功率因數(shù)PF>99%。根據(jù)系統(tǒng)要求，電路主要參數(shù)的計(jì)算如下文所述。

輸入熔斷器、橋式整流器和輸入電容器的選型都與輸入電流大小相關(guān)，根據(jù)滿載效率要求和功率因數(shù)可以計(jì)算交流側(cè)輸入電流IIN、最大交流側(cè)輸入電流有效值IIN_RMS(max)、最大輸入電流IIN(max)和最大平均輸入電流IIN_AVG(max)(假設(shè)輸入電流波形為正弦波)。

(4)

(5)

(6)

UCC28180通過(guò)改變RFREQ對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行設(shè)定

(7)

其中，fTYP=65 kHz，RINT=1 MΩ，RTYP=32.7 kΩ為T(mén)I公司給定的3個(gè)參數(shù)。若取電阻RFREQ=56 kΩ，則開(kāi)關(guān)頻率為fSW=38.8 kHz。

升壓電感的電感值為

(8)

其中，Dmax為升壓二極管最大占空比；IRIPPLE為電感紋波電流。電感紋波電流IRIPPLE是影響系統(tǒng)性能的重要因素，在輕負(fù)載和高輸入電壓的情況下，選取較大的電感紋波電流會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)，導(dǎo)致輸入電流諧波畸變率iTHD和功率因數(shù)PF增大。通常，取電感電流紋波為20%。

在CCM模式下采用電流控制的升壓變換器和升降壓變換器，當(dāng)占空比D接近或超過(guò)50%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頻率為開(kāi)關(guān)頻率一半的寬窄交替開(kāi)關(guān)脈沖，稱(chēng)為次諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象，這對(duì)暫態(tài)響應(yīng)影響巨大。因此，在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)考慮最大占空比Dmax不應(yīng)超過(guò)0.5，以防止次諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。

輸出電容COUT的值需要根據(jù)轉(zhuǎn)換器電壓保持時(shí)間tHOLDUP來(lái)計(jì)算，要求在交流輸入掉電一個(gè)周期內(nèi)輸出電壓可以保持在50 V以上，可得下式。

(9)

(10)

電容等效串聯(lián)時(shí)電阻過(guò)大，將會(huì)增大輸出電壓紋波，因此本文中采用多個(gè)電解電容并聯(lián)的方式。在此處采用一個(gè)2 200 μF/100 V的電解電容和4個(gè)470 μF/100 V電解電容并聯(lián)。

在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中，最容易忽視熱管理問(wèn)題。在本系統(tǒng)中，需給整流橋、升壓二極管和功率管加裝散熱器，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)

控制電路包含電流采集、輸出電壓設(shè)定、頻率選取和環(huán)路補(bǔ)償4個(gè)部分。電流采集采用電阻RSENSE檢測(cè)，其值應(yīng)確保在高于最大峰值電感電流10%的情況下觸發(fā)芯片軟過(guò)電流保護(hù)，可得

(11)

(12)

計(jì)算檢測(cè)電阻RSENSE的功耗PSENSE

PRISENSE=(IIN_RMS(max))2RISENSE

(13)

電阻RFB1和電阻RFB2用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)和輸出電壓點(diǎn)的設(shè)定。為了降低功耗并減小對(duì)電壓設(shè)定點(diǎn)的影響，電壓反饋分壓電阻RFB1為1 MΩ。分壓電阻RFB2需要根據(jù)內(nèi)部5 V基準(zhǔn)電壓VREF和輸出電壓UOUT計(jì)算，如下所示。

(14)

環(huán)路補(bǔ)償由電壓和電流環(huán)路補(bǔ)償組成。分析環(huán)路補(bǔ)償之前，需要根據(jù)主電路參數(shù)計(jì)算出非線性電流環(huán)路增益因子M1、電壓環(huán)路PWM斜坡斜率M2和非線性增益M3，然后通過(guò)設(shè)置外部控制參數(shù)配合內(nèi)置跨導(dǎo)運(yùn)算放大器進(jìn)行補(bǔ)償。

在電流采集回路中加入平均電流補(bǔ)償電容CICOMP補(bǔ)償采集到的紋波電流。平均電流補(bǔ)償電容CICOMP選取過(guò)小會(huì)造成電流平均不足，使得電流平均環(huán)路不穩(wěn)定；而CICOMP過(guò)大則會(huì)增加相位滯后并增加電流諧波。一般情況下，平均電流補(bǔ)償電容CICOMP在環(huán)路中產(chǎn)生的高頻極點(diǎn)fLAVG應(yīng)小于開(kāi)關(guān)頻率fSW的1/10，電容CICOMP由內(nèi)部電流放大器跨導(dǎo)增益gmi計(jì)算得到，其中K1=7。

(15)

電流環(huán)路傳遞函數(shù)GCL(f)如下，其中KFQ=1/fSW。

(16)

圖3為電流平均環(huán)路伯德圖，可以看出電流平均環(huán)路交越頻率為1.5 kHz，且相角裕度為40°時(shí)，電流平均環(huán)路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 電流平均環(huán)路伯德圖Figure 3.The Bode diagram of current average loop

根據(jù)分壓電阻可以求出電壓反饋增益GFB、GPWM_PS為脈寬調(diào)制器到功率級(jí)的傳遞函數(shù)，fPWM_PS為其極點(diǎn)，電壓環(huán)路傳遞函數(shù)GVL(f)如下所示。

GVL(f)=GFBGPWM_PS(f)

(17)

通過(guò)配置外部參數(shù)使內(nèi)部跨導(dǎo)運(yùn)算放大器產(chǎn)生零點(diǎn)fZERO對(duì)極點(diǎn)fPWM_PS進(jìn)行補(bǔ)償。在20 Hz處加入極點(diǎn)fPOLE，設(shè)計(jì)電壓環(huán)路交越頻率fV為10 Hz，開(kāi)環(huán)電壓伯德圖如圖4所示。

圖4 開(kāi)環(huán)電壓環(huán)路伯德圖Figure 4.The Bode diagram of open loop voltage loop

由圖4可以看出，在10 Hz處增益約為1 dB，可得串聯(lián)補(bǔ)償電容CVCOMP為

(18)

根據(jù)串聯(lián)補(bǔ)償電容CVCOMP可以計(jì)算出串聯(lián)補(bǔ)償電阻RVCOMP

(19)

根據(jù)串聯(lián)補(bǔ)償電容CVCOMP和串聯(lián)補(bǔ)償電阻RVCOMP求出并聯(lián)補(bǔ)償電容CVCOMP_P

(20)

由電壓補(bǔ)償?shù)膫鬟f函數(shù)GEA(f)可以得到電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)GVL_total(f)及電壓閉環(huán)伯德圖。

GVL_total(f)=GFB(f)GPWM_PS(f)GEA(f)

(21)

圖5 電壓閉環(huán)伯德圖Figure 5.The Bode diagram of voltage closed loop

4 樣機(jī)及性能測(cè)試

4.1 測(cè)試電路及測(cè)試設(shè)備

采用圖6所示測(cè)試電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，交流電源采用艾德克斯IT7622程控電源，電子負(fù)載采用艾德克斯IT8615，示波器采用泰克TPS2014B。本文采用電流檢測(cè)模塊對(duì)交流電壓進(jìn)行采集，并利用示波器進(jìn)行波形顯示與iTHD的測(cè)量。需要注意的是，在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試時(shí)必須打開(kāi)散熱風(fēng)扇。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試電路Figure 6. Test circuit of system

4.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中選取33 V、36 V和40 V 3組輸入電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)電子負(fù)載使APFC功率從輕載到滿載，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。圖7為APFC系統(tǒng)實(shí)物圖。圖8為不同負(fù)載下APFC系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率η變化圖。圖9是APFC系統(tǒng)隨著負(fù)載增加功率因數(shù)的變化圖。圖10是輸入交流電流隨負(fù)載增加的諧波畸變率iTHD變化圖。

圖7 APFC系統(tǒng)實(shí)物圖Figure 7. Picture of APFC system

圖8 APFC系統(tǒng)效率ηFigure 8. APFC system efficiency η

圖9 APFC系統(tǒng)功率因數(shù)Figure 9. Power factor of APFC system

圖10 APFC系統(tǒng)的iTHD值Figure 10.The iTHD value of APFC system

圖11和圖12分別展示了APFC系統(tǒng)在60 W和120 W輸出功率下的測(cè)試波形，包含輸出電壓UOUT、輸入電流IIN、輸入電壓UIN和電流環(huán)路補(bǔ)償引腳波形。

圖11 60 W負(fù)載下測(cè)試波形Figure 11. Test waveform under the load of 60 W

圖12 120 W負(fù)載下測(cè)試波形Figure 12. Test waveform under the load of 120 W

在輕載情況下，APFC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率較低。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)額定電流10%后，APFC系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率均超過(guò)90%，半載后逐步開(kāi)始降低。在滿載時(shí)，輸入電壓越大，轉(zhuǎn)換效率越高。由于在低壓大電流的情況下整流橋損耗增大，使得整體效率降低，因此提高輸入電壓，可以增加整體效率。

當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到10%時(shí)，在不同輸入電壓下系統(tǒng)功率因數(shù)均超過(guò)0.95。達(dá)到額定40%時(shí)，系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到最大，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。在輸入電壓為33 V時(shí)，負(fù)載為30%時(shí)功率因數(shù)可以達(dá)到0.998，但輸入電壓為36 V時(shí)，同一負(fù)載條件下功率因數(shù)達(dá)到0.99，因此，輕載情況下，適當(dāng)降低輸入電壓可以有效提高功率因數(shù)。

從圖10中可以看出，輸入交流電流諧波畸變率隨著負(fù)載的增加逐步降低，滿載時(shí)達(dá)到最低。在滿載情況下，輸入電壓為33 V、36 V和40 V時(shí)，總諧波畸變率分別為4.37%、4.85%和5.40%，因此，滿載情況下，適當(dāng)降低電壓可以有效改善輸入電流總諧波畸變率。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正。針對(duì)不同使用情況可對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在高效率需求的情況下可以適當(dāng)提高輸入電壓，降低輸入電流，但會(huì)造成輸入電流的總諧波畸變率增加。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)常工作在半載以下的情況時(shí)，可以適當(dāng)降低輸入電壓，使其功率因數(shù)提高。當(dāng)對(duì)輸入電流總諧波畸變率要求時(shí)，可以適當(dāng)降低電壓，改善輸入電流總諧波畸變率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于UCC28180芯片設(shè)計(jì)了低壓APFC系統(tǒng)，詳細(xì)地分析了單周期控制原理，推導(dǎo)了控制方程，并對(duì)主電路器件的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，利用平均電流環(huán)路與電壓環(huán)路的傳遞函數(shù)對(duì)其環(huán)路補(bǔ)償環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，在輸入電壓33～40 V情況下，基于單周期控制的APFC負(fù)載大于額定負(fù)載15%，其功率因數(shù)大于0.98，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的，并且整體效率大于90%，最高可達(dá)94%。當(dāng)負(fù)載大于40%時(shí)，輸入電流總諧波畸變率小于10%，最低可達(dá)4.83%。本文測(cè)試結(jié)果證明了低壓APFC系統(tǒng)的可行性。