新穎的電流臨界導(dǎo)通的功率因數(shù)校正芯片的研究

介紹了一種新穎的電流臨界導(dǎo)通（DCMboundary）的功率因數(shù)校正（PFC）芯片。它的主要特點(diǎn)是提高了高電壓輸入時(shí)的功率因數(shù)，減少了輸入電流的總的諧波含量（THD），同時(shí)它還改善了啟動(dòng)時(shí)輸出電壓過(guò)沖和電路的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)表明這種新穎的DCMboundaryPFC控制芯片實(shí)現(xiàn)了這些功能。

關(guān)鍵詞：零功率檢測(cè)；跨導(dǎo)誤差放大器；功率因數(shù)校正；啟動(dòng)時(shí)輸出電壓過(guò)沖保護(hù)

0??? 引言

??? 隨著電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)已成為電力電子領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。隨著功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展，功率因數(shù)校正控制芯片也有了很大的發(fā)展。根據(jù)電路的工作模式，功率因數(shù)校正控制芯片可以分成3類：

??? 1）電流斷續(xù)的功率因數(shù)校正控制芯片；

??? 2）電流臨界連續(xù)的功率因數(shù)校正控制芯片；

??? 3）電流連續(xù)的功率因數(shù)校正控制芯片。

??? 近幾年來(lái)，這些芯片得到了很大的發(fā)展。

??? 本文介紹了一種新穎的電流臨界連續(xù)的功率因數(shù)校正控制芯片UCC38051。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。它不僅改善了啟動(dòng)時(shí)輸出電源過(guò)沖，而且有欠壓保護(hù)功能；同時(shí)它通過(guò)提高誤差放大器的輸出變化率來(lái)改善它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；另外，它還具有開環(huán)保護(hù)功能。本文以這種新穎的電流臨界導(dǎo)通（DCM boundary）功率因數(shù)校正芯片制作了一個(gè)100W的PFC電路原理樣機(jī)，對(duì)芯片進(jìn)行了分析，最后給出了實(shí)驗(yàn)波形。

1??? 芯片介紹

??? UCC38051采用8腳SOP封裝，引腳配置如圖1所示，表1給出了引腳功能。

圖1??? UCC38051引腳排列

表1??? UCC38051引腳功能表

??? UCC38051是一種峰值電流模式的控制芯片，它可以應(yīng)用在電流臨界導(dǎo)通的功率因數(shù)校正電路中。因?yàn)閁CC38051內(nèi)部使用了一個(gè)零功率檢測(cè)比較器，所以可以抑制電路啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的過(guò)沖，這樣電路中的元器件就可以得到保護(hù)，它們的壽命就可以延長(zhǎng)。

??? UCC38051具有低的啟動(dòng)電流和工作電流，輸出過(guò)壓保護(hù)，輸入欠壓保護(hù)和反饋開路保護(hù)功能。

2??? 芯片的分析

??? 圖2給出了這種新穎的DCM bounday PFC控制芯片的內(nèi)部框架圖，下面將進(jìn)行分析，闡述它的工作原理。

圖2??? UCC38051內(nèi)部框圖

2.1??? 輕載特性的改善

??? 對(duì)于一般的功率因數(shù)校正電路來(lái)說(shuō)，輕載時(shí)電路的損耗比較大。降低輕載時(shí)功率因數(shù)校正電路的損耗已經(jīng)成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。而芯片UCC38051較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

??? 圖3中給出了這種降低輕載時(shí)電路損耗的原理圖。如果功率因數(shù)校正電路在輕載時(shí)其工作頻率比較高時(shí)，那么它的損耗比較大，因此，在輕載時(shí)必須減少電路的開關(guān)次數(shù)，來(lái)降低電路的損耗。UCC38051中有一個(gè)零功率檢測(cè)比較器，當(dāng)輸出功率比較低時(shí)，這個(gè)比較器就會(huì)工作。此時(shí)它會(huì)使電路工作在間隙模式下，這樣電路的損耗就會(huì)降低。

圖3??? 零功率檢測(cè)比較器

??? 芯片UCC38051腳2（COMP）的電壓，在輸入功率等于零和輸出電壓過(guò)壓的工作條件下，會(huì)低于它正常工作時(shí)的電壓。當(dāng)它低于零功率檢測(cè)比較器的基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器就會(huì)工作，這樣零功率檢測(cè)比較器就會(huì)閉鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零。因此，有了這個(gè)零功率檢測(cè)比較器就會(huì)防止啟動(dòng)時(shí)輸出電壓過(guò)沖。另外，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出電壓也會(huì)比較高，腳2的電壓也會(huì)比正常工作時(shí)低，這樣也可能封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但是，UCC38051內(nèi)部有一個(gè)跨導(dǎo)誤差放大器，當(dāng)電路工作在這個(gè)狀態(tài)時(shí)，它會(huì)使腳2輸出電壓不會(huì)低于零功率檢測(cè)比較器的基準(zhǔn)電壓，從而不會(huì)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.2??? 動(dòng)態(tài)性能調(diào)節(jié)和欠壓保護(hù)

??? 對(duì)于功率因數(shù)校正電路來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)性能的好壞和啟動(dòng)電流的大小直接影響電路的壽命。因此，在設(shè)計(jì)功率因數(shù)校正電路時(shí)，必須考慮這兩個(gè)問(wèn)題。圖4給出了解決動(dòng)態(tài)響應(yīng)和啟動(dòng)電流的原理圖。

圖4??? 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和欠壓保護(hù)原理圖

??? 當(dāng)功率因數(shù)校正電路的輸出功率突然變化時(shí)，它的輸出電壓就會(huì)引起很大的變化。例如，當(dāng)負(fù)載突然變輕時(shí)，它的輸出電壓會(huì)陡然增加很多；當(dāng)負(fù)載突然加重時(shí)，它的輸出電壓會(huì)突然降低很多。如果電路以這樣的方式工作，它的動(dòng)態(tài)性能就比較差，會(huì)增加后級(jí)電路的負(fù)擔(dān)，影響電路的壽命。而在芯片UCC38051內(nèi)部有一個(gè)跨導(dǎo)型電壓誤差放大器，當(dāng)功率因數(shù)校正電路負(fù)載突然變化時(shí)，電路的反饋電壓信號(hào)通過(guò)腳1（VO_SNS）送給跨導(dǎo)型電壓誤差放大器，使跨導(dǎo)型電壓誤差放大器工作，使電路的增益非線性變化，導(dǎo)致電路增益突然變化很多，這樣就可以迫使電路的輸出電壓的變化不能很大。因此，有了這個(gè)跨導(dǎo)型電壓誤差放大器，就使電路的輸出電壓不會(huì)變化很大，這樣就可以改善電路的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，有了這個(gè)跨導(dǎo)型誤差放大器，就改善了高輸入電壓時(shí)的功率因數(shù)和減小了輸入電流總的諧波含量。

??? 欠壓保護(hù)對(duì)于功率因數(shù)校正電路來(lái)說(shuō)也十分重要。UCC38051芯片通過(guò)一個(gè)滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)功能。它是通過(guò)腳1的反饋電壓信號(hào)給欠壓保護(hù)的滯環(huán)比較器一個(gè)電壓信號(hào)，當(dāng)輸出電壓比較低時(shí)，電路中的反饋電壓也比較低，當(dāng)反饋電壓低于滯環(huán)的轉(zhuǎn)換電壓時(shí)，這個(gè)滯環(huán)比較器會(huì)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而就實(shí)現(xiàn)了欠壓保護(hù)功能。

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 上述功率因數(shù)校正電路的主電路如圖5所示，其主要參數(shù)如下：

圖5??? 主電路圖

??? 輸入電壓??? AC 90～265V；

??? 輸入電壓頻率??? 47～63Hz；

??? 輸出電壓??? 400V；

??? 最大輸出功率??? 100W；

??? 最大開關(guān)頻率??? fmax=100kHz。

??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了，這種新穎的電流臨界導(dǎo)通的功率因數(shù)校正控制芯片，很好地解決了電路啟動(dòng)時(shí)輸出電壓過(guò)沖的問(wèn)題；動(dòng)態(tài)性能也得到了改善；同時(shí)，改善了高輸入電壓時(shí)的功率因數(shù)和降低了輸入電流總的諧波含量。圖6和圖7分別給出了輸入電壓115V，輸出功率滿載時(shí)的輸入電流波形和輸入電流諧波含量圖。圖8和圖9分別給出了輸入電壓230V，輸出功率滿載時(shí)的輸入電流波形和輸入電流諧波含量圖。圖10給出了啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的波形。圖11和圖12分別給出了輸出功率從滿載到空載和從空載到滿載時(shí)的輸出電壓波形。

圖6??? 輸入電流波形（Vin=115V，Po=100W）

圖7??? 輸入電流諧波含量（Vin=115V，Po=100W）

圖8??? 輸入電流波形（Vin=230V，Po=100W）

圖9??? 輸入電流諧波含量（Vin=230V，Po=100W）

圖10??? 啟動(dòng)時(shí)的輸出電壓波形

圖11??? 輸出電壓（從滿載到空載）波形

圖12??? 輸出電壓（從空載到滿載）波形

4??? 結(jié)語(yǔ)

??? 以UCC38051為核心設(shè)計(jì)的DCM boundary功率因數(shù)校正電路，提高了高輸入電壓時(shí)的功率因數(shù)，減小了總的諧波含量，這樣在輕載時(shí)就降低了對(duì)電網(wǎng)的污染；同時(shí)，它改善了在輸出功率變化時(shí)的動(dòng)態(tài)性能；有效地抑制了啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的過(guò)沖和降低了啟動(dòng)時(shí)的輸入電流。因此，這種控制芯片可以應(yīng)用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求比較高、啟動(dòng)電流要求比較低、功率因數(shù)要求高、諧波含量要求低和啟動(dòng)時(shí)要求對(duì)輸出電壓過(guò)沖進(jìn)行保護(hù)的場(chǎng)合。