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APFC低压系统的研究与实现.docx
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APFC低压系统的研究与实现.docx
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近年来,随着智能家居、电动汽车和建筑装饰等产业的迅速发展,中小型整
流设备被广泛应用于日常生活中,导致电网中的谐波含量急剧增加,促使有源功
率因数校正(Active Power Factor Correction,APFC)技术成为了当前产业关注
的热点
[1,2,3,4,5]
。非线性单周期控制在动态响应和抗干扰能力等方面比传统平均
电流控制和滞环电流控制更具优势,并且其直流输出电压能够实现较大范围调
节,加 之 Boost 电路具 有输入侧电流连续 、结构简单等优点 ,因此单周 期 控制
APFC 电路得到了广泛的应用
[6,7,8,9,10]
。目前控制芯片的生产商主要有美国德州
仪器(Texas Instruments,TI)、意法半导体、日本富士电机公司、美国 APT 公
司及西门子等公司,其先后推出了多种用于有源功率因数校正技术的专用芯片,
例如 LM5117、MSC60028、UCC1857、APT5012JN-U2、ML4833 等。其中,TI
公司生产的 UCC28180 专用芯片采用平均电流模式控制,在无需输入交流线路
检测的情况下,即可实现输入电流的低失真。此外,该控制器的电流检测阈值有
所降低,可使用低值检测电阻来降低功耗,这对于大功率系统尤为重要
[10,11,12]
。然
而,一般专用芯片所提供的设计资料主要针对的输入电压为 220 V。在建筑物内、
低压微电网系统和机床辅助供电系等对要求电压较低的场所并无有效资料可
参考。
本文利用 TI 公司生产的 UCC28180 芯片,设计了一种低电压输入、固定直
流电压输出的 APFC 系统,其输出功率为 120 W,可以满足低电压或实验室安全
电压等场合的应用需求。
1 系统原理 及设计
1.1 单周期控制 APFC 原理
单周期控制技术是一种非线性控制技术,可以实时调节控制功率器件的占
空比,并且具有动态响应速度快、鲁棒性强和电路结构简单等优点
[13,14,15,16]
。单
周期控制系统可以抑制输入电压的干扰,对直流电压具有良好的调节特性。当
开关频率足够高时,可以获得高质量的直流输出电压。
基于前沿调制单周期控制的 APFC 电路原理如图 1 所示。图中,D
1
~D
4
组成
整 流 桥 ,L
BST
为 升 压 电 感 ,D
BOOST
为 升 压 二 极 管 ,C
OUT
为 输 出 滤 波 电 容 ,R
o
为 负
载,R
SENSE
为电流采样电阻,clock 为时钟信号,U
IN
为输入交流电压,u
d
为整流后的
直流电压,U
OUT
为输出电压,输出电压经 R
FB1
和 R
FB2
分压后,与参考电压 U
ref
比较,
由 C
1
、R
3
和运放组成电压补偿网络调节后输出调制电压 u
m
。u
m
信号通过可复
位积分器后与 R
SENSE
上的电流信号进行比较,与时钟信号 clock 一同进入 SR 触
发器,由 SR 触发器控制开关 S 和积分器的复位。
图 1
图 1 前沿调制单周期 APFC 原理图
Figure 1. Schematic diagram of single cycle APFC with forward modulation
对单周期控制 APFC 稳态特性进行分析:首先假设电路运行在连续导通模
式(Continuous Conduction Mode,CCM),开关频率远大于电源工频,忽略电感电
流纹波、开关器件能量损耗和线路分布参数对电路的影响,根据 Boost 电路的
工作原理,当占空比为 D 时,可得输出电压 U
OUT
与整流桥输出电压 u
d
之间的关
系为式(1)。
UOUT=(1−D)udUOUT=1-Dud
(1)
假设 APFC 电路功率因数 PF=1,这时整个 APFC 电路对电网呈阻性,等效
电阻为 R
e
,可得电感电流 i
L
为
iL=udRe=uo(1−D)ReiL=udRe=uo(1-D)Re
(2)
电流采样电阻 R
SENSE
上的电压为 u
S
uS=UOUT(1−D)RSENSERe=1T∫(1−D)T0um ( τ )d τ uS=UOUT(1−D)RSENSERe=
1T∫(1−D)T0um ( τ )d τ
(3)
其中,u
m
为调制信号,于是可得 到 前 沿 调制的单周期 APFC 基 本 控 制方程。
控制过程为:输出电压和参考电压作差得到误差信号,误差信号经过 PI 调节
后得到调制信号 u
m
,并由积分器进行积分。当积分值大于电流采样电阻上电压
时,开关发生翻转,同时积分器复位,等待下一个周期,保证每个周期的误差信号
不会累加至下一个周期。
1.2 系统组成结 构
基于单周期控制原理设计的 APFC 系统如图 2 所示,控制芯片采用 TI 公司
的 8 引脚 APFC 控制器 UCC28180。
图 2
图 2 基于 UCC28180 的 APFC 电路
Figure 2. APFC circuit based on UCC28180
图 2 中,熔断器 FUSE、压敏电阻 R
V
、X 电容 CX1CX1、Y 电容 CY1CY1、Y
电容 CY2CY2、共模电感 L
CM
、安规电容 C 和热敏电阻 R
T
组成前级 EMC 保护
电路。BRIDGE 为整流桥,D
START
为启动二极管,C
IN
为输入电容,Q
EFT
为升压开关
管。R
FB1
、R
FB2
、C
VSENSE
、C
VCOMP_P
、R
VCOMP
和 C
VCOMP
组成电压环路采集补偿网
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