摘  要： 介紹了應(yīng)用于電動(dòng)觀光車充電器前級(jí)的一種APFC（Active Power Factor Correction）方案。基于UCC3818A控制電路，選用Boost拓?fù)?，采用平均電流控制方式?shí)現(xiàn)了電路設(shè)計(jì)。對(duì)電路工作原理和各部分功能設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要的分析。實(shí)驗(yàn)表明，在600 W時(shí)PF（Power Factor）值能夠達(dá)到0.984以上，該方案具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞： APFC；UCC3818A；Boost；PF值

0 引言

　　對(duì)于一款功率因數(shù)大于0.9的觀光電動(dòng)車充電器，采用傳統(tǒng)的不控二極管整流+DC/DC變換器顯然不能滿足要求。無(wú)源功率因數(shù)通常只能校正到0.8左右，而且諧波含量?jī)H能降低50%左右[1]。有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，它可以使輸入電流波形跟蹤輸入電壓波形而獲得接近于1的功率因數(shù)，諧波含量也降低至5%以下。在APFC的各種控制方式中，平均電流控制方式電流環(huán)有較高的增益帶寬，對(duì)噪聲不敏感、穩(wěn)定性高，得到了廣泛應(yīng)用[2]。采用平均電流控制APFC+DC/DC變換器可以滿足設(shè)計(jì)要求。德州儀器的UCC3818A系列提供了APFC預(yù)調(diào)節(jié)器所需的全部必要功能，同時(shí)還具有低啟動(dòng)電流、低功耗、過(guò)壓保護(hù)、低壓鎖存檢測(cè)電路等功能，可以提高電路的可靠性和安全性。本文針對(duì)UCC3818A構(gòu)成的Boost開(kāi)關(guān)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的600 W APFC電路進(jìn)行介紹。主要參數(shù)如下：輸入電壓AC 85 V~265 V；輸出電壓DC 380 V±1%；輸入功率因數(shù)0.9以上；滿載效率94%以上。

1 UCC3818A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

　　UCC3818A是一款基于BiCMOS工藝，平均電流模式的升壓控制器，用于高功率因數(shù)和高效率的電源設(shè)計(jì)[3]。圖1為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。引腳15（VCC）和引腳1（GND）分別為供電電源接口和地，引腳9（VREF）為系統(tǒng)電路提供一個(gè)7.5 V的參考電壓。引腳12（RT）和引腳14（CT）用來(lái)設(shè)定電路的開(kāi)關(guān)頻率。引腳10（OVP/EN）為過(guò)壓保護(hù)和使能引腳，通過(guò)外部的一個(gè)分壓電路來(lái)設(shè)置過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)。引腳2（PKLMT）為峰值電流限制檢測(cè)引腳。引腳11（VSENSE）為輸出電壓檢測(cè)引腳，引腳4（CAI）為電流放大器的反相輸入端，引腳8為前饋電壓端。引腳6（IAC）是模擬乘法器的一個(gè)輸入端，它輸入的是瞬態(tài)母線電壓的一個(gè)等比例的電流。引腳3（CAOUT）是寬帶寬運(yùn)算放電器的輸出端，用來(lái)檢測(cè)母線的電壓并且通過(guò)決定PFC調(diào)制器的波形寬度來(lái)確定占空比。引腳16（DRVOUT）是開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)端，升壓開(kāi)關(guān)的輸出驅(qū)動(dòng)是一個(gè)圖騰柱的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)。引腳5（MOUT）是模擬乘法器的輸出端，也是電流放大器的反相輸入端。引腳13（SS）為軟啟動(dòng)控制端，在使能情況下，SS用一個(gè)電流源給一個(gè)外部電容充電。這個(gè)電壓作為啟動(dòng)時(shí)的電壓誤差信號(hào)，確保PWM占空比緩慢增加。引腳7（VAOUT）是比例放大器的輸出引腳，它管理輸出電壓，由電壓誤差放大器構(gòu)成的電壓環(huán)路來(lái)使有源功率因數(shù)校正電路輸出穩(wěn)定的電壓，由電流誤差放大器構(gòu)成的電流控制環(huán)路來(lái)使電流波形接近于正弦波。乘法器能夠合理地工作是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，UCC3818A的乘法器的輸出是代表所需要的輸入電流的一個(gè)信號(hào)，它同時(shí)也是電流放大器的輸入端，其設(shè)定電流環(huán)控制輸入電流從而得到高功率因數(shù)。

　　主功率變換電路如圖2所示，IAC端的輸入電流和母線電壓等比例，其作為基準(zhǔn)電流。電感電流經(jīng)過(guò)R23轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由CAI檢測(cè)且與乘法器輸出作比較后，通過(guò)電流誤差放大器被平均化處理。放大后的平均電流誤差與鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較后，為開(kāi)關(guān)管Q6提供PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并決定了其應(yīng)有的占空比，使電感電流逼近電感平均電流。

　　2 關(guān)鍵電路參數(shù)確定與設(shè)計(jì)

　　2.1 BOOST電感設(shè)計(jì)

　　輸入功率最大和輸入電壓最低時(shí)，流經(jīng)電感的電流最大，此時(shí)的紋波電流也最大，它必須滿足設(shè)計(jì)要求。最大占空比為：

　　由于PFC電路的輸入電流含有大量的高頻紋波電流，輸入電流的紋波過(guò)高會(huì)增加輸入濾波器的負(fù)擔(dān)；由于高頻紋波電流疊加在電感電流上，因此功率器件的容量是峰值電感電流加上1/2的紋波電流峰值；過(guò)小的電感值容易使PFC電路電感電流在不連續(xù)狀態(tài)下工作[4]?？紤]到上面三個(gè)方面的原因，升壓電感所需要電感量為：

　　其中，fs為開(kāi)關(guān)頻率，fs=100 kHz；鐵硅鋁磁芯具有在大電流下不易飽和及低損耗的特點(diǎn)[5]，所以本設(shè)計(jì)采用鐵硅鋁磁芯。按照電感磁芯的選擇因子LI2并經(jīng)驗(yàn)證可以選擇適合的鐵硅鋁磁芯型號(hào)77191。

　　2.2 輸出電容設(shè)計(jì)

　　功率容量和電壓的范圍及在AC掉電后需要給負(fù)載維持的時(shí)間?駐t決定了輸出電容的大小。其公式為：

　　在實(shí)際應(yīng)用中，由于輸出紋波電壓限制了輸出電容的ESR（Equivalent Series Resistance），所以計(jì)算出來(lái)的電容值往往是不夠用的。增添一些低ESR值的電容在使用大ESR電容時(shí)是必須的。

　　2.3 電壓環(huán)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

　　母線二次諧波頻率在輸出電容上產(chǎn)生紋波，進(jìn)而造成諧波失真。這個(gè)紋波通過(guò)一個(gè)誤差放大器反饋回去并以三次諧波紋波的形式在乘法器的輸入端口表現(xiàn)出來(lái)。為了增加穩(wěn)定性和衰減該紋波造成的總諧波失真，電壓環(huán)必須要補(bǔ)償，補(bǔ)償電路如圖3所示。首先要決定允許輸出電容上有多大的紋波，然后再設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)得到所需要的諧波失真（允許電壓環(huán)有0.75%的諧波失真）。峰值二次諧波電壓可以由下面公式得出：

　　其中，fR為二次諧波的頻率。增益可以由下式得出：

　　由RIN、CF、CZ和RF來(lái)組成這個(gè)濾波電路，其中RIN是輸入阻抗。電容Cf是由下式?jīng)Q定的：

　　電阻Rf設(shè)定了誤差放大器的DC增益并且決定了誤差放大器極點(diǎn)的頻率。通過(guò)設(shè)定環(huán)路增益的方程等于1來(lái)找到極點(diǎn)的位置。這個(gè)頻率和輸入功率有關(guān)，可以通過(guò)下式計(jì)算出：

　　因?yàn)殡妷悍糯笃鞯牡洼敵鲎杩?，增加電容CZ和RF串聯(lián)來(lái)減少電壓分壓器的動(dòng)態(tài)負(fù)載。為了保證電壓環(huán)穿越fVI，選擇CZ在fVI/10處增加一個(gè)零點(diǎn)。對(duì)于該設(shè)計(jì)，CZ取2.2 μF。下面的公式可以用來(lái)計(jì)算CZ。

　　2.4 電流環(huán)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

　　電流環(huán)補(bǔ)償電路如圖4所示，功率級(jí)的增益為：

　　其中，VP是振蕩斜坡的電壓擺幅，對(duì)于UCC3818A來(lái)說(shuō)是4 V。設(shè)置交越頻率為1/10的開(kāi)關(guān)頻率，這需要一個(gè)功率級(jí)的增益，在該頻率點(diǎn)為0.383。為了使系統(tǒng)在交越頻率點(diǎn)獲得增益為1，電流放大器需要在該頻率下獲得1/GID的增益。定義GEA為電流放大器的增益：

　　2.5 乘法器設(shè)計(jì)

　　乘法器的輸入端是VAOUT、IIAC和VVFF。乘法器的輸出端可以由式（18）表示：

　　其中，K是一個(gè)常量，等于1/V。

　　式（18）可以用來(lái)計(jì)算VFF引腳的電阻（RVFF），進(jìn)而完成功率限制功能。

　　其中，VIN（min）是輸入電壓最小有效值，RIAC是連接在IAC引腳和整流后母線的總的電阻。

　　因?yàn)閂FF電壓是從母線電壓上得到的，所以其必須要經(jīng)過(guò)很好的濾波來(lái)降低經(jīng)整流后的120 Hz的母線電壓造成的諧波失真。一個(gè)單極性的濾波器對(duì)于該設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)就能夠完成任務(wù)。假設(shè)對(duì)于二次諧波來(lái)說(shuō)分配1.5%的輸入總諧波失真，并且二次諧波的紋波占輸入AC母線的66%，那么次諧波的衰減量應(yīng)該為：

3 測(cè)試結(jié)果

　　使用Tektronix DPO4054數(shù)字示波器和Chroma 66202電參量測(cè)試儀對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)景如圖5所示，可以看到此時(shí)的輸出電壓是378 V，輸出電流是1.59 A，那么輸出功率為601 W。此時(shí)的輸入?yún)?shù)如圖6所示，其輸入功率為638.16 W（含10 W輔助電源輸入功率），輸入PF為0.984 4，輸入電壓為AC 220 V，輸入電流為2.94 A，效率為94.2%，滿足設(shè)計(jì)要求；如果除去輔助電源引起的功率因數(shù)丟失，那么PF會(huì)更加接近于1。圖7為輸入電壓（上）和電流（下）的波形圖，可以看到電流波形較緊地跟隨著電壓波形。

　　4 結(jié)論

　　本文對(duì)UCC3818A工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析；闡述了外圍電路中關(guān)鍵元器件的參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。結(jié)合UCC3818A的內(nèi)部特性，對(duì)電路中電壓環(huán)、電流環(huán)、乘法器等主要功能電路進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。制作了600 W的APFC模塊并對(duì)其理論設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該模塊特性可以滿足PF要求在0.9以上的電動(dòng)觀光車充電器的要求。如果采用更高耐壓的器件，將輔助電源的輸入置于APFC的輸出，可以避免本模塊中因輔助電源引起PF值丟失，從而可以得到更高的PF值。

　　參考文獻(xiàn)

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