一種新穎的電流臨界導通的功率因數校正芯片的研究

摘要：介紹了一種新穎的電流臨界導通（DCMboundary）的功率因數校正（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，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)驗表明這種新穎的DCMboundaryPFC控制芯片實(shí)現了這些功能。

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

引言

隨著(zhù)電力質(zhì)量標準的日益嚴格，功率因數校正（PFC）技術(shù)已成為電力電子領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。隨著(zhù)功率因數校正技術(shù)的發(fā)展，功率因數校正控制芯片也有了很大的發(fā)展。根據電路的工作模式，功率因數校正控制芯片可以分成3類(lèi)：

1）電流斷續的功率因數校正控制芯片；

2）電流臨界連續的功率因數校正控制芯片；

3）電流連續的功率因數校正控制芯片。

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的功率因數校正控制芯片UCC38051。它具有結構簡(jiǎn)單和功能強大的優(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)響應能力；另外，它還具有開(kāi)環(huán)保護功能。本文以這種新穎的電流臨界導通（DCM boundary）功率因數校正芯片制作了一個(gè)100W的PFC電路原理樣機，對芯片進(jìn)行了分析，最后給出了實(shí)驗波形。

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。

表1 UCC38051引腳功能表

UCC38051是一種峰值電流模式的控制芯片，它可以應用在電流臨界導通的功率因數校正電路中。因為UCC38051內部使用了一個(gè)零功率檢測比較器，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，它們的壽命就可以延長(cháng)。

圖2 UCC38051內部框圖

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

2 芯片的分析

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

2.1 輕載特性的改善

對于一般的功率因數校正電路來(lái)說(shuō)，輕載時(shí)電路的損耗比較大。降低輕載時(shí)功率因數校正電路的損耗已經(jīng)成為現在的研究熱點(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(kāi)關(guān)次數，來(lái)降低電路的損耗。UCC38051中有一個(gè)零功率檢測比較器，當輸出功率比較低時(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。

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。當它低于零功率檢測比較器的基準電壓時(shí)，比較器就會(huì )工作，這樣零功率檢測比較器就會(huì )閉鎖驅動(dòng)信號，使輸出驅動(dòng)信號為零。因此，有了這個(gè)零功率檢測比較器就會(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，這樣也可能封鎖驅動(dòng)信號，但是，UCC38051內部有一個(gè)跨導誤差放大器，當電路工作在這個(gè)狀態(tài)時(shí)，它會(huì )使腳2輸出電壓不會(huì )低于零功率檢測比較器的基準電壓，從而不會(huì )封鎖驅動(dòng)信號。

圖5 主電路圖

2.2 動(dòng)態(tài)性能調節和欠壓保護

對于功率因數校正電路來(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，在設計功率因數校正電路時(shí)，必須考慮這兩個(gè)問(wèn)題。圖4給出了解決動(dòng)態(tài)響應和啟動(dòng)電流的原理圖。

當功率因數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，當負載突然變輕時(shí)，它的輸出電壓會(huì )陡然增加很多；當負載突然加重時(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 )增加后級電路的負擔，影響電路的壽命。而在芯片UCC38051內部有一個(gè)跨導型電壓誤差放大器，當功率因數校正電路負載突然變化時(shí)，電路的反饋電壓信號通過(guò)腳1（VO_SNS）送給跨導型電壓誤差放大器，使跨導型電壓誤差放大器工作，使電路的增益非線(xiàn)性變化，導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)跨導型誤差放大器，就改善了高輸入電壓時(shí)的功率因數和減小了輸入電流總的諧波含量。

欠壓保護對于功率因數校正電路來(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)現欠壓保護功能。它是通過(guò)腳1的反饋電壓信號給欠壓保護的滯環(huán)比較器一個(gè)電壓信號，當輸出電壓比較低時(shí)，電路中的反饋電壓也比較低，當反饋電壓低于滯環(huán)的轉換電壓時(shí)，這個(gè)滯環(huán)比較器會(huì )封鎖驅動(dòng)信號，從而就實(shí)現了欠壓保護功能。

3 實(shí)驗結果

上述功率因數校正電路的主電路如圖5所示，其主要參數如下：

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(kāi)關(guān)頻率 fmax=100kHz。

實(shí)驗結果證明了，這種新穎的電流臨界導通的功率因數校正控制芯片，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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)載到空載和從空載到滿(mǎn)載時(shí)的輸出電壓波形。

4 結語(yǔ)

以UCC38051為核心設計的DCM boundary功率因數校正電路，提高了高輸入電壓時(shí)的功率因數，減小了總的諧波含量，這樣在輕載時(shí)就降低了對電網(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用于對動(dòng)態(tài)性能要求比較高、啟動(dòng)電流要求比較低、功率因數要求高、諧波含量要求低和啟動(dòng)時(shí)要求對輸出電壓過(guò)沖進(jìn)行保護的場(chǎng)合。