基于UCC28070单相双重并联交错式BoostPFC的设计-图文

2011.5Vol.35No.5研究与设计收稿日期:2010-12-29作者简介:王永祥(1981—,男,安徽省人,硕士生,主要研究方向为等离子体设备与控制技术。581基于UCC28070单相双重并联交错式BoostPFC的设计王永祥,孙奉娄(中南民族大学电子信息工程学院,湖北武汉430074文献标识码:A文章编号:1002-087X(201105-0581-02Designofsingle-phasedualparallelinterleavingBoostPFCbasedonUCC28070WANGYong-xiang,SUNFeng-lou(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,South-CentralUniversityforNationalities,WuhanHubei430074,ChinaAbstract:ComparedwiththeconventionalBoostPFC,theprinciplesofsingle-phasedualparallelinterleavingBoostPFCwithCCMmodewereclarified.Thereasonofthelowerinputcurrentripplewasanalyzed.A2kWPFCwascomplementedbasedonUCC28070whilethecurrentharmonicwasreducedandinputpowerfactorwasimproved.Keywords:PFC;doubleparallelinterleaving;UCC28070为实现高功率因素,减少谐波对电网的污染,开关电源需要采用功率因素预调节器。功率因素校正电路的拓扑结构有多种,如Boost型、Buck型、Cuke型等。电感电流连续模式的Boost变换器,因其储能电感也可作滤波器,可以有效地抑制EMI噪声,具有电流波形失真小、输出功率大等优点,故广泛应用于PFC中[1]。随着功率进一步的增大,传统的单重BoostPFC结构的使用受到限制,当功率增加时,单重BoostPFC的开关器件必须承受更大的电流和电压应力,在开关过程中,电路中关键节点出现过大的dv/dt和di/dt,会造成严重的辐射和传导的EMI。采用双重并联交错BoostPFC,可以大大减小单个电感容量,并且可以降低开关器件的平均电流应力和输出电流纹波[2]。1交错式APFC工作原理交错式APFC拓扑如图1所示,其控制和单路APFC电路的控制没有本质区别[3],只是两路开关管的导通时刻相差二分之一个开关周期。即用两个较小的功率因素支路代替传统的单个大功率因素校正电路。两个功率减半的支路分别使用一个电感和一个开关管,电路工作时,开关管S1和S2以相位相差180度交互导通。这种结构的突出优点是输入和输出电流纹波可以大大减小[4],热分布更均衡,输入差模EMI会更好,甚至可以省掉输入的差模EMI滤波电感,减小输入、输出滤波电容的纹波电流,功率密度较单个的大[5]。各参数波形如图2所示。S1和S2为两个开关管的驱动信号,ΔIL1和ΔIL2是电感L1和L2电流的波形,I1和I2是二极管D1和D2上的电流波形。从图中可以看出,输入电流是两个电感中电流IL1和IL2之和,由于电感中的纹波电流异相,它们之间可以相互抵消。这样可以大大减少输入电流的纹波。不难看出,在占空比为50%时,纹波可以减少为零。输出电流是两个二极管的电流之和。2UCC28070功能介绍及实际应用由单片UCC28070构成的交错式APFC电路支持千瓦级功率的系统,有助于减少总谐波失真。在轻载时,使用相位管理功能,提高负载效率。较于传统单相的APFC,交错式CCMAPFC可以使输入与输出电流纹波降低50%~100%,通过电磁分配改进了热管理水平[6]。UCC28070的典型应用电路如图3所示。1脚接电容设置频率抖动速率,2脚接电阻设置抖动幅度,3脚为电压误差放大器输出,4脚为输出电压检测,5脚为AC线路电压输入,6脚为乘法器电流输出,接电阻到GND设置乘法器的增益,7脚为外接电阻设置电流合成下斜波的幅度,8,9脚为电流检测图1交错式BoostPFC原理研究与设计582输入,10脚为峰值电流限制端,11,12脚为电流放大器输出端,13脚为6V的参考电压,14,17脚为驱动输出端,15,16脚为分别为芯片供电的正和地,18脚为软启动及外部故障接口,19脚为频率设置端,20脚为最大占空比设置端。电流合成电路是UCC28070最突出的优点之一,其原理是在开关管导通时,取样电感上升电流,关断时,仿真电感的下降电流,实现同步检测电感的瞬时电流。传统的电流设计上其实是需要两个电流取样点,即MOSFET处和续流二极管上。在UCC28070设计上,二极管的电流是采用电阻的方式去模拟电感值的大小,在电感充电的回路我们可以透过MOSFET来取得电流值,电流流进二极管是采用线性模拟的方式,因此只需要用一个取样点,通过这种方式在两项运作的时候,可以在成本上取得一个相当比例的节省,这是PFC在电流合成上的一个好处。图4为电流合成波形,当GDX输出导通时,电感电流对每相的输出电流记录在CSX端经过的互感器网络上。同时经过VINAC和VSENSE端连续监视输入和输出电压,由内部电路在每个输出管断后重新仿真出电感电流的下降斜坡。通过RSYNTH电阻的选择,内部电路还可以经过调节以适应宽范围的电感量,得到宽范围的应用。交互式PFC的优点之一是变换器的输入和输出处电感纹波电流的减小。输入纹波电流ΔIin和独立电感纹波电流ΔIL1之比是占空比D的函数[7]:由于每个电感的纹波可以相互抵消,可以允许每个电感纹波电流比单相的设计高一些。升压电感L1和L2选择基于最大允许的输入纹波电流,在全电压输入应用时(AC85~264V,最大输入纹波电流出现在低线电压峰值处,,当纹波电流设定在正常峰值电流的30%处,则,设开关频率为fs,则电感。3实验波形基于上述原理,本文设计了一款3kW的APFC,交流输入电压范围85~275V,输出390V的直流,开关频率为38kHz,电感为300μH。实验结果表明,双重并联交错式PFC,大大减少整流电路向电网注入的谐波,交流输入市电电压与电流之间的相位差小于3°,功率因素PF大于0.99。图5中CH1和CH2分别为未加PFC校正的交流输入市电电压和电流的波形,图6中的CH1和CH2分别为PFC校正后的交流输入市电电压和电流的波形。由于输入电感可以相互抵消纹波电流,使得输入纹波电流大为减少,图7中的CH1,CH2和M分别为电感L1,L2和电流波形,M=IL1+IL2波形。OnOffÁIL−ÁIL−ÂÁILILIIN−?OUTCOUTIIII−??ÂÁ(IÁIÂSÁOnSÂ图2交错式BoostPFC各参数的波形图3UCC28070典型的电流连续模式交错式PFC预调节器XCSCA图4电感电流合成波形ÁÂÃÄ11IDDKDDDIDD????????ÁÂÃÄÅÆÇÄÅÇÈÉÁÂÃ2=VVDV−?ÁÂÃÄÅÆÇÈÅÆÈÉ203=(P.IVKD−−????ÁÂÃÄÁÂÄÅÆÇÈÉ2==VDLLIf−???图5没有PFC级的输入电流和电压波形(下转第589页2011.5Vol.35No.5研究与设计5894小结本文设计了一种适合电镀电源恒压和恒流模式运行的全数字化控制思路,智能积分型PI控制被采用到控制电路中,提高了系统的动态性能。采用全数字化PI控制实现了电源工作在恒压输出或恒流输出两种状态。智能积分PI型控制的采用提高了电源的动态性能。并设计了一种新型结构的变压器,该结构的变压器适合应用移相全桥控制电路中,它不仅可以提供移相全桥为实现软开关而需要的漏感,而且开放式结构更有利于变压器散热,减小变压器的损耗,从而提高整机的效率。参考文献:[1]刘海涛.大功率电镀用开关电源的研制[D].西安:西安交通大学,2003.[2]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2000.[3]李凯.基于DSP的大功率高频开关电镀电源研究[J].电源世界,2005,23(12:57-60.[4]林磊.大功率移相全桥DC/DC变换器控制方法研究[J].电力电子技术,2004,38(3:17-19.[5]杜贵平.高频开关电镀电源及其关键问题探讨[J].电气应用,2004,24(9:1-6.[6]芦涛.电镀电源的单片机控制系统[J].哈尔滨理工大学学报,2001,6(3:62-64.[7]周洁.逆变电源的数字控制技术[J].电焊机,2004,32(12:8-11.图7部分实验波形在调试时应当注意,调压器停留在85~120V的电压范围内时间不要太长,否则很容易损坏开关管,因为这个时候还没有实现稳压输出,此时驱动占空比是设定的最大值[8],本文设定为95%,电网的交流输入电流最大,容易导致开关管过流。4结语交错式两重PFC的突出优点之一就是有效地减小了输入电流和输出电容电流的高频纹波。与单相同功率的PFC相比,因为输入电流纹波的大幅降低使得在处理传导EMI时变得更容易,减小了EMI滤波器的尺寸。另外,由于输出电容上高频纹波电流的减小,使得输出电容量减小,进一步减小了每一相的平均电流及纹波。升压电感的尺寸也比单相小很多。由UCC28070构成的APFC可以用在千瓦级别的系统中,在私服器的电源通讯系统,或者是大功率的家电中获得很好的应用。它在轻载时,使用相位管理功能,关断一路相位的切换减小功率的损耗。其独特的电流合成技术,省去二极管采样电路,频率抖动技术,能有效地衰减EMI。参考文献:[1]KANAANHY,MARQUISA,AL-HADDADK.Small-signalmo-delingandlinearcontrolofadualboostpowerfactorcorrectioncir-cuit[J].AnnualIEEEPowerElectronicsSpecialistsConference,2004,35:3127-3133.[2]杜磊,钱照明,张帆.交错并联双管反激DC/DC变流器系统设计与实现[J].电力电子技术,2006,40(4:44-47.[3]姚刚,邓焰,何湘宁.零反向恢复损耗的交错并联单相APFC电路[J].电力电子技术,2006,40(2:23-24.[4]BALOGHL,REDLR.Power-factorcorrectionwithinterleavedboostconvertersincontinuousinductorcurrentmode[J].AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,1993,7(11:168-174.[5]MIWABA,OTTENDM,SCHLECHTMF.Highefficiencypowerfactorcorrectionusinginterleavingtechniques[J].Appli