一種隔離式輸出可調(diào)節(jié)的高頻有源功率因數(shù)校正器的設(shè)計(jì)

PFC的英文全稱為Power Factor Correction,意思是功率因數(shù)校正,功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，此時(shí)便需要PFC電路提高功率因數(shù)。為了提高電源的功率校正因數(shù)，國(guó)家強(qiáng)制電源廠家要為電源安裝PFC電路以提高電源的轉(zhuǎn)換效率，其實(shí)這一點(diǎn)在Intel的電源設(shè)計(jì)規(guī)范中也已經(jīng)有了強(qiáng)行的規(guī)定。PFC電路分主動(dòng)式(有源)PFC和被動(dòng)式(無(wú)源)PFC兩種。

1 UCC3857設(shè)計(jì)特點(diǎn)

UCC3857用隔離方式進(jìn)行功率因數(shù)校正，其輸出電壓可調(diào)節(jié)，并能低于輸入線電壓;是單級(jí)功率變換器;IGBT實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)(ZCS);校正的功率因數(shù)大于0.99;屬固定頻率、平均電流型PFC控制器;改進(jìn)的有效值前饋電壓;軟起動(dòng);電源電壓范圍9V~18V;具有兩種封裝形式。

UCC3857提供了隔離式Boost升壓功率因數(shù)校正器所需的全部功能。該變換器的優(yōu)點(diǎn)是隔離原邊與副邊，也能使輸出直流電壓低于輸入電壓。在要求高效率、高密集和高性能的應(yīng)用場(chǎng)合，UCC3857是一種理想的器件。它的典型外圍電路見(jiàn)圖1.

UCC3857既有控制功能又為外部?jī)蓚€(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管和一個(gè)功率MOSFET管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用外部RC網(wǎng)絡(luò)，可完全實(shí)現(xiàn)編程MOSFET驅(qū)動(dòng)器的延遲時(shí)間。

IGBT實(shí)現(xiàn)了ZCS,故允許采用更高的開(kāi)關(guān)頻率和更小的磁性元件，并有更高的效率。UCC3857中的功率因數(shù)校正部分可采用平均電流控制方案。IC內(nèi)部電路的變動(dòng)，簡(jiǎn)化了PFC部分的設(shè)計(jì)，也改進(jìn)了它的性能。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

控制器的改進(jìn)包括：一個(gè)內(nèi)設(shè)6bitA/D轉(zhuǎn)換器，作為RMS入線電壓檢測(cè);一個(gè)零負(fù)載功率電路和重要的較低工作電流。

上述措施簡(jiǎn)化了變換器設(shè)計(jì)，消除了前饋元件的二次諧波紋波，并提高了入線瞬態(tài)響應(yīng)約6倍。因無(wú)需兼顧重負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)，故零負(fù)載功率比較器在負(fù)載開(kāi)路條件下可阻止能量傳遞。采用Unitrode公司的BCDMOS工藝(雙極-CMOS-DMOS混合工藝)，能簡(jiǎn)化輔助仿真電源設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低起動(dòng)電流和低工作電流。

UCC3857的兩種塑封外部引腳安排見(jiàn)圖2(a)和(b)。

2 UCC3857各引腳功能說(shuō)明

AGND(6腳)：是IC內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和所有門(mén)限電壓的參考點(diǎn)，除輸出驅(qū)動(dòng)器之外，也是其它電路的回歸端，它與功率地PGND(17腳)短接。

CA(7腳)：內(nèi)部電流環(huán)路誤差放大器的反相輸入端。

CAO(8腳)：內(nèi)部電流環(huán)誤差放大器的輸出端。該輸出電壓的擺幅在0.2V~6.0V之間。它是PWM比較器的一個(gè)輸入端。

VAO(11腳)：該腳是電壓環(huán)誤差放大器的輸出端。它被UCC3857內(nèi)部箝位在5.6V左右，并可在0.1V左右擺動(dòng)。VAO腳電壓低于0.5V時(shí)，將使MOSDRV(14腳)不能輸出，并強(qiáng)迫IGDRV1(16腳)和IGDRV2(18腳)輸出端為零。

CRMS(2腳)：用一只電容器接在CRMS與地之間，以平均半個(gè)周期內(nèi)的AC交流線電壓。該腳在IC內(nèi)部接到RMS檢測(cè)電路。

CT(20腳)：該腳對(duì)地接一只電容器，該電容器具有低ESR、低ESL特性，它與RT共同設(shè)置斜坡發(fā)生器的開(kāi)關(guān)頻率fsw≈0.67/(RT·CT)。

DELAY(12腳)：該腳經(jīng)一只外部電阻器接至VREF(5腳)、并經(jīng)一只電容器接至AGND,以設(shè)置MOSDRV輸出級(jí)的重迭延遲時(shí)間。去掉接AGND的電容器之后，可使重迭功能失效。

IAC(1腳)：該腳對(duì)地接一只電容器，并經(jīng)一只外部電阻器RAC接到電網(wǎng)整流后的交流輸入線電壓。它為內(nèi)部乘法器和RMS檢測(cè)器提供瞬時(shí)線電壓信號(hào)。

IGDRV1(16腳)：兩個(gè)外部IGBT功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)器輸出(之一)。

IGDRV2(18腳)：兩個(gè)外部IGBT功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)器輸出(之二)。

MOSDRV(14腳)：外部功率MOSFET開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)器輸出。

MOUT(3腳)：乘法和除法模擬電路的輸出端。MOUT的輸出電流經(jīng)一只外部電阻器返回橋接引線。合成波形為電流誤差放大器形成正弦參考電壓。

PKLMT(13腳)：是峰值電流限制比較器的反相輸入端。該比較器的門(mén)限電平通常設(shè)置在0V.當(dāng)斷路時(shí)，峰值限制比較器將終止MOSDRV和IGDRV1、IGDRV2的輸出。

PGND(17腳)：是功率級(jí)地線，所有高電平電流的返回地端，它在UCC3857內(nèi)部連接到驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)。

RT(19腳)：該腳經(jīng)一只外部電阻器接地，它為內(nèi)部斜坡發(fā)生器設(shè)置充電電流。UCC3857在RT上提供3.0V的溫度補(bǔ)償電壓。振蕩器的充電電流值=3.0V/RT.為獲得最佳性能應(yīng)限制RT電流輸出在250μA.

VA-(10腳)：是外部電壓控制環(huán)的反饋輸入端。輸出電壓的調(diào)節(jié)信號(hào)經(jīng)光電隔離器電路加到VA捕恕SS(9腳)：該腳對(duì)地AGND接一只電容器，提供軟起動(dòng)功能，由UCC3857內(nèi)部的10μA(額定的)電流源，對(duì)軟起動(dòng)電容器進(jìn)行充電。VAO上的電壓被箝位在近似等于SS腳電壓。

VD(15腳)：為三個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)提供正極性電源。加在VD上的電壓必須限制在低于18VDC.為獲最佳效果，應(yīng)選用一只0.1μF~1.0μF的低ESR和低ESL電容器將VD端對(duì)PGND旁路。為了較好地抑制電源噪聲，VD和VIN可由各自的RC低通濾波器加以隔離。

VIN(4腳)：是UCC3857的輸入電壓源。該電壓必須限制在低于18VDC.當(dāng)VIN上的電壓超過(guò)13.75V(標(biāo)稱值)。UCC3857才能正常工作。

VREF(5腳)：是精密的7.5V基準(zhǔn)電壓輸出端。為盡力改善性能，建議在VREF對(duì)地AGND接一只0.01μF~0.1μF的低ESR、ESL旁路電容器。

3 UCC3857電氣參數(shù)的極限值

輸入電源電壓(VIN,VD)：18V

通用模擬/邏輯輸入(CRMS,MOUT,CA玻VA玻

CT,RT,PKLMT)：-0.3V到5V

最大強(qiáng)迫電流(IAC)：300μA

基準(zhǔn)輸出電流：由內(nèi)部限制

輸出電流(MOSDRV,IGDRV1,IGDRV2)：脈沖電流1A,連續(xù)電流200mA

儲(chǔ)存溫度：-65℃~+150℃

結(jié)溫：-55℃~+150℃

引線溫度(IC引腳焊錫10秒)：+300℃

除非另有說(shuō)明，通常UCC3857應(yīng)用在TA=0℃

~70℃;并且VVIN,VVD=12V,RT=19.2k,CT=680pF,TA=TJ.

關(guān)于UCC3857的詳細(xì)電氣參數(shù)可查閱手冊(cè)。

4 UCC3857應(yīng)用注意與分析

UCC3857功率因數(shù)校正器內(nèi)部功能方框圖如圖3所示。

UCC3857提供了單級(jí)功率因數(shù)校正和降壓或升壓功能的解決方法，它采用隔離式BOOST升壓變換器。典型應(yīng)用電路給出了隔離式升壓變換器的方法：用兩只IGBT組成推挽式電路，用一只MOSFET作輔助開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)IGBT的軟開(kāi)關(guān)變換。

圖1所示的典型應(yīng)用電路具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在用功率因數(shù)校正從交流電網(wǎng)得到近似直流總線電壓方面，它超過(guò)其它常規(guī)方法。常規(guī)的近似方法是采用兩級(jí)功率變換，其成本較高，并且電路復(fù)雜。如果選用UCC3857,則功率因數(shù)校正與降壓變換的雙重功能都包含在單級(jí)電路中。

功率級(jí)包括一個(gè)電流反饋式推挽變換器，它在推挽開(kāi)關(guān)Q1和Q2導(dǎo)通期間，交錯(cuò)提供常規(guī)PWM升壓變換器的有效占空比。當(dāng)只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，能源經(jīng)變壓器和輸出整流器傳遞到輸出端。它可以看作是工作在原邊的電路構(gòu)成一個(gè)升壓變換器，且UCC3857提供輸入電流編程、并采用平均電流型控制，從而達(dá)到單位功率因數(shù)1.00.變壓器的匝數(shù)比可用于得到所需要的輸出電壓電平：它能高于或者低于峰值電網(wǎng)電壓。

功率級(jí)的優(yōu)化包括了設(shè)計(jì)與元器件的選擇，以滿足性能與成本的綜合目標(biāo)。這些內(nèi)容包含了功率開(kāi)關(guān)管、變壓器和電感器的設(shè)計(jì)。

選擇IGBT是基于它們的使用電壓高于MOSFET之優(yōu)點(diǎn)。在通常的電網(wǎng)工作條件下，推挽式開(kāi)關(guān)上的電壓接近1000V.然而IGBT的緩慢截止特性又帶來(lái)較大的開(kāi)關(guān)損耗，利用MOSFET(QA)幫助IGBT實(shí)現(xiàn)ZCS零電流截止。這一過(guò)程是通過(guò)維持QA導(dǎo)通來(lái)完成的(超出了Q1或Q2的截止范圍，見(jiàn)圖4中波形)，當(dāng)IGBT截止時(shí)允許電感器電流從IGBT轉(zhuǎn)移到MOSFET,從而仍然維持零電壓狀態(tài)。

金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其通道的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡(jiǎn)稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。常用于MOSFET的電路符號(hào)有很多種變化，最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)是以一條直線代表通道，兩條和通道垂直的線代表源極與漏極，左方和通道平行而且較短的線代表柵極，如下圖所示。有時(shí)也會(huì)將代表通道的直線以破折線代替，以區(qū)分增強(qiáng)型MOSFET(enhancement mode MOSFET)或是耗盡型MOSFET(depletion mode MOSFET)。