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变频空调中基于UCC3818的APFC电路设计

作者:时间:2008-02-01来源:电子工程博客收藏

引言
中,其AC/DC变换大都采用二极管整流和大容量电容器组成的整流滤波单元与供电电网直接相连。其功率因数一般为0.7左右,同时输入电流谐波大,特别是奇次谐波尤为突出。本文基于升压拓扑电路结构,以UCC3818为PFC控制核心,介绍了如何计算及设置其控制参数,并将该电路应用于中去实现其功率因数校正,使各次谐波电流含量均满足CCC认证标准。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/78591.htm

PFC的基本原理及控制方法
实现PFC可以采用无源和有源两种控制方式。无源控制方式由电感和电容构成,特点是简单、易实现,但很难实现高功率因数,所以应用在系统功率较小或对功率因数要求不太严格的场合;而有源控制方式很容易实现近似为1的功率因数,所以应用在系统功率较大和对功率因数要求很高的场合。有源功率因数校正()与其它转换式电源一样,是通过脉宽调制来实现的。
单相电路可以采用多种拓扑结构实现,如升压、降压等。升压电路结构简单,控制器容易实现;且输入电流连续,传导噪声较小。因此通常采用升压拓扑结构构建单相。其结构通常是在桥式整流之后增加一个升压电路,如图1所示。通过功率开关元件的开关作用,使输入的电流变成与电网电压几乎完全同相的正弦波,电流畸变率降到5%以下,功率因数提高到0.99或更高。根据APFC电路输入检测和控制方式的不同,用升压变换器构成的APFC电路可分成:电感电流不连续模式(DCM)工作和电感电流连续模式(CCM)工作两大类。在CCM模式下常用的控制方法有三种,即峰值电流型控制、滞环电流型控制和平均电流型控制。
平均电流型控制以整流器输出电压和电压环的误差放大电器输出电压为电流内环的基准输入,反馈输入电流信号可通过回路中的取样电阻直接检测,与电流基准信号运算后,其高频分量在电流误差放大环节被平均化处理。放大的平均电流误差与一定振幅的锯齿波比较后,决定了功率开关驱动信号的占空比。于是,电流环调整输入电流的平均值,使与整流器输入电压同相位,并且为正弦波。电压环的控制使升压电路的输出电压恒定,对后级起到预稳压的作用。在平均电流型控制模式下,工频输入电流的瞬时值是高频电流的平均值。由于电流误差放大器的存在,电感电流峰值和平均值的误差很小,这个平均值和输入电压的关系是线性的,因此容易获得良好的谐波抑制效果。而且,由于误差电压是和一个较大振幅的锯齿波相比较,提高了系统的噪声容限。即使在极低的负载时,电路工作在DCM模式,电流误差放大器较高的增益也能使占空比在大范围内变化,保持电感平均电流和输入电源电压的线性对应关系。

电路设计实例及过程
本文中,技术指标为输入电压Vin=220±20%VAC,输出电压Vo=355VDC,输入电压频率43~65Hz,输出功率PO=2kW,开关频率fs=40kHz。控制芯片为TI公司采用BiCMOS半导体工艺的UCC3818。
UCC3818是APFC专用控制电路。该控制器采用平均电流型控制,控制精度高,开关噪声低。当APFC电路输入电压在85~265V之间变化时,输出电压还可以保持稳定,因此也可作为AC/DC稳压电源。此外,由于UCC3818采用推挽输出级,输出电流可达1A,因此输出的PWM脉冲可直接驱动功率MOSFET。
开关频率的选择
开关频率高可以减小功率电路的体积和重量,并使系统动态响应加快,减小电流的失真与畸变。另一方面,在开关高频率工作的同时,由于开关管和二极管工作在硬开关状态,频率越高损耗越大,电路的效率就越低。且随着频率的提高,有些器件已经不能看作是集总参数元件,必须看作分布参数器件,作为电路的假设条件已经不能满足,电路问题转换为电磁场问题,甚至在某些频段出现不需要的振荡,从这种角度考虑,选择的频率要低一些。在大多数情况下,开关频率选择在20~300kHz之间,都是可行的折中范围。综合考虑上述因素,变换器的开关频率选为40kHz。UCC3818芯片的工作频率由式(1)确定:
        (1)
在此,振荡电阻RT=10kW,振荡电容CT=1500pF。
电感的选取
第一,PFC电路的输入电流含有大量的高频纹波电流。输入电流的纹波过高会增加输入滤波器的负担。第二,由于高频纹波电流叠加在电感电流上,所以功率器件的容量是峰值电感电流加上二分之一的纹波电流峰峰值。第三,过小的电感值容易使PFC电路电感电流在不连续状态下工作。考虑上面三个原因,首先计算在最低输入电压峰值时的最大占空比为:
 (2)
取变换器效率h为0.9,则最大输入峰值线电流为:
    (3)
取纹波系数为0.2,则电感上的纹波电流为:
       (4)
所以,电感的取值应该满足
(5)
实际电感取值为在0.6mH。
电容的选取
选择输出电容器的时候应考虑下列因素:开关频率的纹波电流、二次谐波电流、输出直流电压、输出纹波电压和断电保持时间等。
电容的容量有两个选取原则,一是最小纹波原则,二是最长保持时间原则。
最长保持时间原则是指断电保持时间,典型的截止时间一般取苩=15~20毫秒。选取的电容要满足:
       (6)
其中,VO(min)为下一级负载允许的最低输入电压。采用这个原则求得的电容值要比依据上一个最小纹波原则的电容大得多。对功率因数校正装置来说,电容的选取一般按输出功率的大小,每瓦约需0.5~2mF。因此根据上述要求所选电容容量为2400mF,额定电压为400VDC。
功率开关管和二极管的选择
开关元件所承受的最大电压为输出电压,即355V,开关所承受的输出电流为线路的最大峰值电流。
              (7)
由上式算出开关管的最大电流近似为20A。根据开关对电压和电流的要求,所选择的定额必须有适当的裕量,并考虑在较高温度下的使用,因此选择MOSFET作为电路的主开关元件,其型号为IRFPS37N50K。升压二极管选用Fairchild公司的RURG3060,这是30A/600V的超快恢复二极管,它的反向恢复时间为60ns。另外,启动时为了保护升压电感,并联旁路二极管20ETS08以保护电感。
软启动电路
UCC3818具有软启动的功能,即脉宽调节器的输出脉宽从零开始逐渐增至最大值,以减小启动时输出电压过冲。通过在芯片的软启动端接入电容实现。软启动时间为:
          (8)
本文中软启动电容为1mF。
电流检测电阻选择
电流检测方法有两种:电阻检测和电流互感器检测。采用电阻检测的方法,取样电阻为20mW/8W,实际应用时选择5个0.1W电阻并联。
乘法器的设置
乘法器的输出作为电流环调节器的输入,控制输入电流以得到高的功率因数。其输出表达式:
(9)
式中,K为1,IMOUT为乘法器输出信号,IIAC为电流信号输入,VVAOUT为电压误差放大器输出信号,VVFF为前馈电压信号。
前馈电压VVFF
VVFF端电阻和电容构成低通滤波器,其电阻可由下式求得:
  (10)
式中,RIAC为乘法器输入电流端电阻。RVFF=30.1kW,电容为2.2mF。
乘法器的输入电流信号
乘法器的输入电流信号来自通过RIAC的电压信号。因为芯片IAC引脚最大输入电流为500mA,所以其阻值为:
         (11)
考虑到1/4W电阻的额定电压的限制,采用两个390kW的电阻串连。
控制电路的参数设计
为了使电路稳定工作,必须对电流环路和电压环路进行补偿,首先是电流环的设计。

 

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