基于UC3846的有源嵌位單級PFC開關(guān)電源

一般地，普通的單級隔離式PFC變換器與傳統(tǒng)的DC/DC變換器相比，具有電壓應(yīng)力高、損耗大的缺點。針對上述問題，本文設(shè)計了一種單級PFC變換器，采用帶有源嵌位和軟開關(guān)的Boost-Flyback拓撲結(jié)構(gòu)，從而有效地限制開關(guān)管的電壓尖峰。電路主、輔開關(guān)管在軟開關(guān)條件下，減少了其自身的開關(guān)損耗，提高了電源系統(tǒng)的整體輸出效率。另外，主、輔開關(guān)管共用一組控制電路，有較強的實用性。

1、系統(tǒng)設(shè)計

1.1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個完整的、獨立工作的AC/DC開關(guān)電源通常包括EMC(electromagneccompability)濾波整流電路、主電路(含功率變換器、隔離變壓器)、PWM(pulsewidthmodulaon)產(chǎn)生及控制電路、驅(qū)動電路、輸出電路、輔助電源電路、取樣電路。本文設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其工作原理是：輸入交流市電220V，經(jīng)過EMC濾波整流電路、主電路、輸出電路后，得到24V直流電壓;同時，采用電流取樣和電壓取樣構(gòu)成雙閉環(huán)控制機制，經(jīng)PWM控制芯片調(diào)節(jié)PWM波形，再通過驅(qū)動電路控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)24V直流電壓的穩(wěn)定輸出。

1.2、主電路

圖2是帶有源嵌位與軟開關(guān)的單級PFC變換器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。本文在基本的單級隔離式PFC變換器電路的基礎(chǔ)上，添加了一個輔助開關(guān)管Q，和一個嵌位電容c。，構(gòu)成有源嵌位;利用變壓器漏感作為諧振電感L，主開關(guān)管Q和輔助開關(guān)管Q：的輸出電容及電路中其他的寄生電容總和作為諧振電容c，(虛線部分)，通過L和c的諧振來實現(xiàn)軟開關(guān)。

1.3、PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動電路

就整個系統(tǒng)而言，PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動電路就像人的大腦，控制著整個系統(tǒng)的正常運行。本文舍棄傳統(tǒng)的PFC專業(yè)芯片(如L6561)，選用PWM控制芯片UC3846。這種方案不僅可以實現(xiàn)對PFC升壓電路和反激式電路的實時控制，且能簡化外圍電路，降低成本。

UC3846是美國德州儀器生產(chǎn)的一款高性能固定頻率電流型PWM控制芯片，采用雙路互補輸出，常作為半橋、全橋雙極性變換器的驅(qū)動信號源。該芯片的優(yōu)點是功能齊全，內(nèi)置高頻振蕩器、差動電流檢測放大器、精密基準(zhǔn)電壓、欠電壓鎖定電路以及軟啟動電路，具有自我保護功能。外部控制電路較為簡單，工作頻率最高可達500kHz，適應(yīng)于-165—150℃的外部環(huán)境，輸人電壓范圍為8～40v。該芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

本文選用UC3846作為PWM控制芯片，引入電壓、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，采用峰值電流模式。在圖2的基礎(chǔ)上，通過Saber仿真軟件加以輔助設(shè)計，同時對相關(guān)參數(shù)進行詳細計算，構(gòu)建其他功能電路H，最終得到本文樣機的電路原理圖，如圖4所示。

由于篇幅有限，在此僅對PWM產(chǎn)生及控制電路和驅(qū)動電路進行詳述。UC3846的2腳產(chǎn)生5.1V的基準(zhǔn)電壓，1腳通過電阻R和R分壓(R與電容C。并聯(lián))，得到2.5v左右的電壓，以實現(xiàn)電路的軟啟動功能;3，4腳分別作為電流采樣比較器的反、正相輸入端，其中3腳接地(GND)，4腳接主開關(guān)管Q(流過Q，的電流作為電流采樣信號)，同時通過電阻和電容c8接至振蕩器CT端，進行斜坡補償;5腳通過電阻R6和R1分壓，得到2.5V的電壓，作為電壓誤差放大器正相輸入端的基準(zhǔn);6腳接輸出電壓的采樣信號(該采樣信號需經(jīng)過光耦PC817隔離);7腳作為誤差放大器的輸出端，通過電阻R和電容.c.與6腳相連，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器;8，9腳作為振蕩器的震蕩電容電阻端，分別接電容c，和電阻，實現(xiàn)系統(tǒng)開關(guān)頻~f=-50kHz;10腳懸空;11腳和14腳產(chǎn)生兩路互補方波信號(有一定的死區(qū)時間)，分別輸入到高壓浮動驅(qū)動集成模塊IR2113輸入端的14腳和12腳;經(jīng)自舉電路后(自舉二極管D、自舉電容C)，IR2113的輸出端1腳和、8腳輸出15V左右的互補信號，分別驅(qū)動主開關(guān)管Q1和輔助開關(guān)管Q2

2、系統(tǒng)主要器件參數(shù)

本文設(shè)計的開關(guān)電源系統(tǒng)參數(shù)如下：開關(guān)頻率.50kHz，額定輸出電壓Uo=24V，輸出的最大電流Io=2A。經(jīng)Saber仿真輔助設(shè)計和相關(guān)計算，系統(tǒng)主要器件參數(shù)如下。

1)PFC電感L：選用電感量1mH、線徑0.045cm的貼片電感。

2)儲能濾波電容C18：通過計算得到C18容量為60uF，而在實際電路中，采用100uF/450V的鋁電解電容。

繞組采用27號線(線徑等于0.040cm)，單股繞制14匝。

3、樣機測試結(jié)果與分析

輸入交流市電220V，對不加PFC部件與PFC部件正常工作的2種情況對樣機進行測試，其輸入電壓、電流波形如圖6所示。

由圖6可知，與不加PFC部件的輸入電壓、電流波形相比，PFC部件正常工作時的輸入電流波形沒有發(fā)生畸變，且與輸入電壓的相位差幾乎為零。

利用Fluke43B電能質(zhì)量分析儀對樣機進行實測，系統(tǒng)的功率因數(shù)達到了0.992。這也說明了本系統(tǒng)實現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能。

PFC部件正常工作時的電壓和電流采樣波形如圖7所示。

由圖7可知，PFC部件工作在斷續(xù)模式，采用峰值電流模式控制，電壓采樣波形較為平穩(wěn)，這也間接反映了輸出電壓是穩(wěn)定的。

輸出電壓波形如圖8所示。

由圖8可知，系統(tǒng)的輸出電壓始終恒定在24V，除示波器探頭引起的雜波干擾外，其自身紋波很小，達到了預(yù)期的效果。

輸人電壓ui=220V且滿載時，測得輸入電流有效值Ii=0.247A，計算得到輸人功率Pi=UiIi=54.4W，輸出功率Po=UoIo=48W，整機效率n=Po/Pi=0.88，因此，對于5Ow功率級的電源而言，該值滿足設(shè)計要求。

4、結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于PWM控制芯片UC3846的單級PFC開關(guān)電源。介紹系統(tǒng)整體方案的同時，詳細剖析了系統(tǒng)電路原理。針對變壓器參數(shù)的設(shè)計難題，給出了較為詳盡地推導(dǎo)和選取原則。通過樣機測試表明了，功率因數(shù)、滿載效率和輸出電壓紋波均滿足設(shè)計要求?？梢?，單級PFC技術(shù)能夠有效地提高系統(tǒng)的功率因數(shù);有源嵌位軟開關(guān)技術(shù)可以降低開關(guān)管的損耗，從而提高電源效率。