UCC28019的高效率APFC电路设计

摘要：文中针对传统功率因数校正电路设计程序繁杂、所需元件数量多、结构庞大、成本昂贵等问题，研究了一种基于UCC28019，并采用广泛应用的MSP430单片机作为控制器的Boost型高效率有源功率因数校正电路。最后给出了实验波形，得到了相应的结论，验证了电路设计及其控制策略的正确性。实验结果表明，使用UCC28019设计的电路，不仅可使步骤简化，系统可靠性增强，还有效提高了功率因数，保持了较好的稳定性。

关键词：UCC28019；MSP430单片机；Boost；功率因数校正

0引言

随着电力电子技术的发展及广泛应用，电力电子设备成为最大的谐波源。当谐波电流注入电网时，电网电流会发生非正弦失真，对其它电气通信设备的正常运行造成干扰，从而导致电能质量降低，因此，如何抑制谐波已成为电力系统等领域的一个重要课题[1]。针对上述问题，最理想的方法是在电源内部进行功率因数校正。人们最早采用无源校正技术，但不能很好地抑制输入电流中的谐波含量。进入20世纪70年代，伴随着电力半导体器件的不断更新，开关变换器迅猛发展。80年代是现代化有源功率因数校正（APFC）技术发展的初级阶段，它将电网功率因数提高至接近1，且有稳定的直流输入电压。自20世纪90年代以来，出现了新的功率因数校正原理、拓扑和控制方法[2]。本文研究了一种基于控制器UCC28019的有源功率因数校正（APFC）电路，它采用在电流连续导通模式下工作的Boost升压拓扑结构，最大化减小了谐波失真，实验结果非常逼近单位功率因数水平，达到了低成本、高效率PFC电路设计的目的。

1电路的工作原理与设计

1.1UCC28019的结构与工作原理

UCC28019是一种工作在连续导电模式下，具有功率因数校正功能的控制芯片。UCC28019的调控功能经过两个回路完成：（1）内部电流回路。从ISENSE端输入的负极性电压信号经反相器变为正极性信号，该信号在电流放大器作用下输出为ICOMP。将ICOMP电压与来自斜坡信号发生器的信号进行比较，芯片内部RS触发器将其输出的结果作为输入，与其内部65kHz振荡信号共同控制PWM的占空比，功率开关上升的过程恰好超过ICOMP电压的时间，该时间又决定了DOFF，由斩波拓扑方程有DOFF=VIN/VOUT。由于VIN是正弦波，而ICOMP的电压与电感电流具有一阶线性关系，经过控制回路的作用，电感电流与输入电压波形同步，输入电流同为正弦波形且与输入电压保持同相，从而校正了功率因数。（2）外部电压回路。由电源输出电压得到取样电压，将其作为器件由输出脉冲控制其通断。由UCC28019内部结构可知，设tOFF为斜坡电压在VSENSE端的输入，与内部一些比较器相连接，具有开路保护、欠压保护、过压保护以及稳压的功能。连接在COMP端的补偿网络通过电压误差放大器gmv输出的电流进行充放电，这样得到的VCOMP电压可使系统正常运行。VCOMP上的电压可以用来对斜坡信号的斜率及电流放大器的增益进行设置，当外部回路处于稳态时，增益参数可以被自动调整，从而使畸变对输入电流的波形影响较低，使得开关电源拥有较高的功率因数[3,4]。

1.2APFC电路的基本原理及设计

为了符合设计要求，我们将Boost结构DC/DC变换器用于APFC的主电路拓扑结构，UCC28019采用连续导电模式CCM下的平均电流控制模式作为APFC电路的控制方式。平均电流法是将输入电流的平均值通过电流环的调整，和输入电压的正弦波同相位。将输入整流电压信号和输出电压误差放大信号相乘得到电流参考信号，通过比较输入电流信号和基准电流信号，利用电流误差放大器将高频分量的变化平均化。将放大的平均电流误差与锯齿波进行比较，以输出开关Tr的驱动信号，从而确定占空比，最终快速、精确地校正了电流误差。因为电流与电压具有相同波形，所以实现了对功率因数进行校正的目的[4]。，其中J1为交流输入接口，J2为整流部分的接口，J3为UCC2801912V供电接口，J4为负载接口，J5为Boost电子开关接口，JP1为UCC28019芯片，其他为相关电阻、电感、电容以及二极管。

1.3功率因数测量原理及电路设计

通过HWPT07电压互感器将主回路大的交流电转变为小的交流电，然后将该小信号经过具有一定放大倍数的放大器LM358进行放大，再经过由电压比较器TL084构成的过零比较器，将交流信号转为对应的方波信号[5]。同理，首先通过HWCT-5A-5MA电流互感器可得对应的电流方波信号，然后将两路信号输入单片机对两路信号进行捕捉，测得捕捉上升沿时间差，计算出相位差角，进而通过计算得出功率因数值。

2实验

2.1系统元件参数计算

本设计中，输出功率为72W，输出电流为2A，其交流输入电压为24V，主电路包括Boost升压电路、APFC电路、功率因数测量电路等。（1）计算最大输入峰值电流IIN_RMS（max），依据为输出要求效率η=0.95以及功率因数PF=0.99。（2）计算升压电感（LBST）。升压电感具有储能作用，按照占空比D=0.5可以得到斩波电感的最小值。（3）计算采样电阻（RSENSE）。主要采样电感上的电流。已知软过流保护的下限VSOC=0.66V及电感峰值电流的最大值，可以得到取样电阻RSENSE的值采样电阻可以通过高精度电阻并联得到。（4）反向快速恢复二极管（DBST）的计算。反向恢复时间越短，功率开关的损耗就越小。总损耗包括开关损耗及导通损耗。若使用超快恢复二极管，则开关损耗可忽略，元件可利用功耗及恢复时间来确定[6]。在125℃时，二极管压降VF_125℃=1.5V，IOUT=2A，二极管功耗为PDIDOE=VF_125℃IOUT（max）=3W，选择HEF307。（5）计算CISENSE。由于瞬时峰值电流会对器件造成损害，所以将RSENSE=220mΩ的电阻和UCC28019的ISENSE引脚串联，再将一个1000pF的电容CISENSE接到引脚和地线之间，使得器件的抗干扰性增强[7]。（6）计算CICOMP。跨导电流放大器输出端即为ICOMP引脚，将一个补偿电容CICOMP接在此引脚和地之间，起到补偿平均取样电流信号的作用。查阅手册知平均电流极点fIAVG=9.5kHz，gmi=0.95ms，M=7，利用公式（7）可得CICOMP的取值2.2实验结果输入电压为市电220V，输入电压频率为50Hz，其余参数由上述公式计算得到。深色为输入电流波形；纵坐标表示幅值，单位为V，横坐标表示周期，单位为s。实验结果表明，输出电压保持在380V左右，在相位和波形上输入电流均跟随输入电压，实现了高效校正功率因数的功能。

3结语

本文研究了一种基于UCC28019专用集成芯片的APFC电路，并采用MSP430单片机作为控制器。经过对电路性能的测试，系统加上220V电源后，输入电压和电流波形与正弦波形一致，功率因数接近1；该控制器避开了电网电压，只运用平均电流的控制模型，不仅减少了元器件数量，还使输入电流的波形畸变较低，电流环和电压环通过简单的电路网络方便进行补偿设计。因此，该研究不仅提高了功率因数，更降低了电路的智能化实现成本，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]黄伟林.提高功率因数的必要性及其方法[J].中小企业管理与科技，2013（7）：302-303.

[2]吴小斐，王归新，陶鑫，等.基于有源功率因数校正的高功率因数电源设计[J].现代电子技术，2010，32（2）：195-197.

[3]吴振宇，吴冀平，杨启涯，等.基于UCC28019的功率因数校正实验平台设计[J].电子产品世界，2017（2）：48-50.

[4]李永建，糜晓宇，凌跃胜，等.关于Boost型APFC电路最大功率因数的讨论[J].河北工业大学学报，2007，36（6）：32-36.

[5]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6]杨帆，徐骞.单相两级有源功率因数校正变换器的研究[J].通信电源技术，2010，27（2）：30-32.

[7]HSAthab，DCLu.Ahigh-efficiencyAC/DCconverterwithquasi-activepowerfactorcorrection[J].PowerElectronics，2010，25（5）：1103-1109.

[8]杨泽明，郑浪.低谐波高功率因数的AC/DC变换器设计[J].电力勘测设计，2014（6）：72-77.

作者:李彩凤 杨风 常宇 单位:中北大学部级电工电子实验教学示范中心