基于UC3855A軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路設(shè)計

1、序號：10 電氣控制系統(tǒng)課程設(shè)計(論文題 目：基于UC3855A 軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路設(shè)計 指導(dǎo)老師： 榮 軍 院 系： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 班 級： 0 7 自動化 學(xué)生姓名: 黃 帥 學(xué) 號: 140721012142010年 12月10日目 錄目 錄 . II 1 引言 . 1 2 軟開關(guān)介紹 . 22.1 軟開關(guān)的基本概念 . 2 2.2 軟開關(guān)的分類 . 32.2.1 準(zhǔn)諧振變換器 . 3 2.2.2 零開關(guān)PWM 電路 . 3 2.2.3 零轉(zhuǎn)換PWM 電路 . 33 UC3855A簡介 . 43.1 UC3855A引腳及特點(diǎn) . 4 3.2 UC3855A引腳

2、功能概述 . 5 4 電路總體設(shè)計及仿真 . 64.1 電路設(shè)計 . 6 4.2 系統(tǒng)分析 . 74.2.1硬開關(guān)仿真及分析 . 7 4.2.1軟開關(guān)仿真及分析 . 8 4.3 小結(jié) . 8 5 結(jié)論 . 9 參考文獻(xiàn) . 10 致 謝 . 111 引言PWM （脈寬調(diào)制）功率變換技術(shù)省去了龐大笨重的工頻變壓器, 減小了裝置的體積重量, 提高了電源的功率密度與整機(jī)效率。然而, 在硬開關(guān)狀態(tài)下工作的變換器, 隨著開關(guān)頻率的上升, 一方面開關(guān)管的開關(guān)損耗會成比例地上升, 使電路效率降低, 處理功率的能力減小另一方面, 會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。由于功率開關(guān)管并不是理想開關(guān), 開通和關(guān)斷都需要一定時間,

3、 在這段時間里, 在開關(guān)管兩端電壓或電流減小的同時, 通過的電流或電壓上升, 形成電壓和電流波形的交疊, 從而產(chǎn)生了開關(guān)損耗。本文介紹一種采用UC3855A 軟開關(guān)技術(shù)的功率因數(shù)校正電路系統(tǒng), 使開關(guān)損耗以及噪聲大幅減小。同時利用MatLab 工具軟件對其進(jìn)行系統(tǒng)仿真，進(jìn)一步的分析了該系統(tǒng)的優(yōu)越性1。、2 軟開關(guān)介紹2.1 軟開關(guān)的基本概念如圖一所示為硬開關(guān)工作過程，其中硬開關(guān)的電壓（或電流）未完全停止之前，由于機(jī)械應(yīng)力的強(qiáng)制使得對應(yīng)的電流（或電壓）開始導(dǎo)通，這就使得開關(guān)工作時產(chǎn)生的功率0i u P =，從而使得相應(yīng)的開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)損耗和噪聲2。開關(guān)損耗隨著開關(guān)的頻率提高而增加，使得電路的效率下

4、降，阻礙了開關(guān)頻率的提高；同時造成電磁干擾的加劇。 （a ）（b ）圖一 硬開關(guān)工作過程軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一, 它應(yīng)用諧振的原理, 使開關(guān)器件中的電流(或電壓 按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零時, 使器件關(guān)斷(或電壓為零時, 使器件開通 , 從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題, 而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI 等問題3。對硬開關(guān)電路增加很小的電感和電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)即可使電路工作在圖二所示的軟開關(guān)工作條件下。圖中所示的工作條件下，開關(guān)開通前電壓先降為零或關(guān)斷前電流先降為

5、零，這樣就可以消除開關(guān)過程中電流和電壓的重疊, 使得0i u P =，降低開關(guān)的損耗以致達(dá)到“零”損耗，同時消除開關(guān)噪聲。 （a ）（b ）圖二 軟開關(guān)工作過程2.2 軟開關(guān)的分類軟開關(guān)技術(shù)問世以來，經(jīng)歷了不斷發(fā)展和完善，前后出現(xiàn)了許多軟開關(guān)技術(shù)的開關(guān)電路，根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)振諧電路、零開關(guān)PWM 電路和零轉(zhuǎn)換PWM 電路4。2.2.1 準(zhǔn)諧振變換器其特點(diǎn)是諧振元件參與能量變換的某一個階段，不是全程參與。由于正向和反向LC 回路值不一樣，即振蕩頻率不同，電流幅值不同，所以振蕩不對稱。一般正向正弦半波大過負(fù)向正弦半波，所以常稱為準(zhǔn)諧振。無論是串聯(lián)LC 或并聯(lián)LC 都會

6、產(chǎn)生準(zhǔn)諧振。利用準(zhǔn)諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，從而創(chuàng)造了零電壓或零電流的條件，以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器分為零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器和零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器。其基本電路如圖三所示。LrL （a ）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振圖三 準(zhǔn)諧振電路基本開關(guān)單元2.2.2 零開關(guān)PWM 電路這類電路引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生在開關(guān)過程前后。零開關(guān)PWM 電路分為零電壓開關(guān)PWM 電路和零電流開關(guān)PWM 電路5。電路的電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩， 開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM 控制方式。其基本電路

7、如圖四所示。Lr L （a ）零電壓PWM圖四 零開關(guān)PWM 電路基本開關(guān)單元2.2.3 零轉(zhuǎn)換PWM 電路這類軟開關(guān)電路還是采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時刻，所不同的是諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)并從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。并且電路中無功功率的交換被消減到最小。這使得電路效率有了進(jìn)一步的提高。零轉(zhuǎn)換PWM 電路可以分為：零電壓轉(zhuǎn)換PWM 電路和零電流轉(zhuǎn)換PWM 電路。其基本電路如圖五所示。 （a ）零電壓轉(zhuǎn)換PWM圖五 零轉(zhuǎn)換PWM 電路基本開關(guān)單元（b ）零電流轉(zhuǎn)換PWM3 UC3855A簡介3.1 UC38

8、55A引腳及特點(diǎn)UC 公司新推出的UC3855A / B 包含了大功率高頻PFC 升壓變換器的所有控制功能。UC3855A/ B 采用了平均電流型控制技術(shù), 不需要斜率補(bǔ)償就可獲得穩(wěn)定的、低失真交流市電電流。同時,UC3855 還采用有源緩沖與零電壓轉(zhuǎn)換(Zero Voltage Transi2tion 技術(shù)6, 大大降低了二極管恢復(fù)時間和MOSFET 開關(guān)導(dǎo)通損耗, 具有EMI 低、效率高等特點(diǎn)。采用UC3855A/ B 后, 只需增加一個小功率MOSFET 、一只二極管和一只電感器, 就可實(shí)現(xiàn)諧振軟開關(guān)功能, 使升壓變換器的開關(guān)頻率達(dá)到500kHz 。采用一個簡單的電流取樣電阻或電流取樣互

9、感器可實(shí)現(xiàn)平均電流取樣7。當(dāng)采用電流取樣互感器時, 在開關(guān)導(dǎo)通時間內(nèi), 內(nèi)部電流與電路緩沖電感中的電流同步; 開關(guān)關(guān)斷時, 產(chǎn)生電感器電流。在大功率PFC 電路中, UC3855 具有較高的信噪比, 基本上可忽略電流取樣損耗。UC3855引腳圖如圖六 所示。VCC ZVTout Zvs Ct VAout Vsense SS Imo I AC C A -C AOGND GT Vref OVP Vrme C Sout Ion CI Rvs UC3855A圖六 UC3855A引腳圖3.2 UC3855A引腳功能概述UC3855 A/ B 采用20 腳DIL 和SOIC 封裝, 如圖4 所示。各管腳功

10、能如下:C A - :電流放大器的反相輸入端。該腳和C A OU T 腳之間應(yīng)接入電阻電容補(bǔ)償網(wǎng)路。該腳輸入電壓范圍是- 0. 35V 。C AO : 寬帶電流放大器的輸出端, 也是PWM 比較器的一個輸入端。PWM 比較器根據(jù)該端信號調(diào)整市電輸入電流, 使之穩(wěn)定。電流放大器輸出電壓范圍是0. 17. 5V。C I : 電流取樣信號加到該腳和GND 間的電容上。當(dāng)升壓變換器導(dǎo)通時, 緩沖電流取樣互感器給電容充電; 關(guān)斷時, 電流同步電路使電容放電, 其放電速度與升壓電感器電流變化率di / d t 成正比。因此, 僅需一個電流取樣互感器即可恢復(fù)電感器電流。CS OU T : CSOU T 和電

11、流放大器反相輸入端之間接入電流放大器輸入電阻。電流放大器將上述波形與乘法器輸出波形比較。同時, 該腳還接入峰值限流比較器的輸入電壓。若該腳電平大于1. 4V , 則比較器和門極驅(qū)動器的輸出被關(guān)斷。C T : 接在C T 腳和GND 腳之間的電容器將根據(jù)公式f 1 / 11200 C T 設(shè)定PWM 振蕩器的頻率。該電容最好采用低ESL 和ESR 的高質(zhì)量陶瓷電容器。C T 值應(yīng)不小于200p F 。振蕩器和PWM 工作頻率可達(dá)500kHz 。GND : 接地腳。應(yīng)當(dāng)注意, 所有接GND 的旁路電路和定時電容的引線應(yīng)盡可能短一些。 GT : 該腳輸出峰值為1. 5A 的推拉電流, 驅(qū)動外接的MO

12、SFET 。接在GT 腳和MOSFET 門極之間的串聯(lián)電阻用于限制GTDR IVE 輸出電流過沖, 其阻值應(yīng)不小于10。此外,GT 和GND 間應(yīng)接入一個正向電壓很低的肖特基二極管, 以防止瞬態(tài)反向電壓。I AC : 輸入該腳的電流應(yīng)該與整流后瞬時交流市電電壓成正比, 在IAC 腳和已整流市電 電壓之間接入一電阻可實(shí)現(xiàn)上述要求。IAC 內(nèi)部電壓穩(wěn)壓在500mV 。I MO : 該腳為乘法器的輸出端和電流放大器的同相輸入端。由于該腳輸出一定的電流, 因此在該腳和地之間應(yīng)接入一個電阻。該電阻的阻值應(yīng)等于電流放大器的輸入電阻。該腳工作電壓范圍是- 0. 35V 。I ON : 該腳是電流取樣輸入端,

13、 應(yīng)接在電流取樣互感器的次級。電流取樣互感器的主線圈與升壓變換器的開關(guān)管串聯(lián)。OVP : 該腳通過分壓器取樣升壓變換器輸出電壓。當(dāng)該腳電平低于1. 8V 時, 啟動比較器關(guān)斷VR EF 振蕩器和PWM 電路。該腳電平在118V 715V (VR EF 時,UC3855 正常工作。該腳電平高于7. 5V 時, 滯后OV P 比較器置位PWM 鎖存器, 同時ZV TOU T 腳和GTDR IV E 腳的輸出也被關(guān)斷, 直至OV P 腳電平下降400mV 后, 才能恢復(fù)正常工作。分壓器電壓為輸出電壓的5 %時, OVP 關(guān)斷, 當(dāng)輸出電壓達(dá)到額定電壓時, 內(nèi)部滯后將再次啟動工作電路。OV P和啟動比

14、較器都接到PWM 輸出電路, 二者的傳輸延遲時間都是200ms 。R VS : 加到VSENSE 腳的輸出電壓取樣信號經(jīng)緩沖后傳輸?shù)絉 VS 腳。該腳和GND 之間接入一個電阻, 可產(chǎn)生與輸出電壓成正比的電流。該電流為電流同步電路的一個輸入電流。V AO :電壓放大器的輸出端。輸出電壓范圍是100mV 6V 。當(dāng)該腳電壓低于115V 時, 乘法器的輸出被關(guān)斷。VCC :電源電壓。該腳與地之間應(yīng)接入一個1F 的低ESL 、低ESR 陶瓷電容器。UC3855A 欠壓鎖定導(dǎo)通門限是16V , 并且具有6V 滯后;UC3855 B 欠壓鎖定導(dǎo)通門限是10. 5V , 具有0. 5V 滯后。V REF

15、:精密基準(zhǔn)電壓源的輸出腳。該腳可向外部電路提供25mA 的電流并且內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)短路電流限制。當(dāng)VCC 電壓低于欠壓鎖定門限時, V REF 被關(guān)斷; 為了穩(wěn)定工作, 該腳和地之間應(yīng)接入容量在11F 以上的陶瓷電容器。V RMS : 該腳是乘法器的正反饋市電電壓補(bǔ)償端。該端加入與輸入交流市電電壓成正比的直流電壓時, 乘法器將根據(jù)公式1/VRMS 來改變電流指令信號, 以保證輸入功率恒定。這樣可使PFC 升壓穩(wěn)壓器具有通用輸入電源電壓的特點(diǎn)。該腳電壓為1. 5V 時, 市電電壓過低, 該腳電壓為4. 7V 時, 市電電壓過高。該腳輸入電壓范圍是0V 5. 5V 。V SENSE : 該腳是電壓放大器

16、的反相輸入端, 也是PFC 升壓變換器輸出電壓反饋點(diǎn)。通常在該腳和V AO 之間應(yīng)接入電壓回路補(bǔ)償網(wǎng)路。Z VS : 當(dāng)主MOSFET 開關(guān)漏極電壓達(dá)到0V 時, 該腳通過Z V T 比較器取樣漏極電壓并復(fù)位Z V T 鎖存器。該腳也調(diào)整ZV TOU T腳輸出的最大和最小脈寬。為了直接取樣主開關(guān)約為400V 的漏極電壓, 在ZVS 腳和MOSFET 的HV 漏極間應(yīng)接入一個反向二極管。當(dāng)漏極電壓為0V 時,Z VS 腳電壓約為0. 7V ,低于2. 5V ZVF 比較器門限。Z VS 時間應(yīng)為振蕩器斜坡放電時間的1/ 2 , 以確保Z V T 功率元件正常工作。ZV TOU T : 此腳可輸出

17、750mA 峰值電流以驅(qū)動外接的MOSFET 。由于ZV T2 MOS2FET 開關(guān)容量較小, 該腳只需輸出較小的峰值電流。與GT 一樣, 該腳和GND 間應(yīng)串聯(lián)一個門極電阻和肖基特二極管。4 電路總體設(shè)計及仿真4.1 電路設(shè)計230W 210kHz 零電壓轉(zhuǎn)換功率因數(shù)校正開關(guān)電源實(shí)際電路如圖七 所示，其中電容電阻使用官方手冊推薦值，輸入為交流市電值，經(jīng)整流橋整流并簡單穩(wěn)壓后通過UC3855A 構(gòu)成的BOOST 升壓電路使用開關(guān)管VD1以及由開關(guān)管VD2和Cr 和Lr 構(gòu)成的軟開關(guān)及功率因數(shù)校正電路使其輸出為可調(diào)的升壓直流輸出8。該電路結(jié)構(gòu)簡單，僅使用到UC3855A 和7805兩片集成芯片，

18、使用軟開關(guān)使其具有工作效率高、噪聲低等特點(diǎn)，該電路應(yīng)用及其廣泛。 圖七 230W PFC-ZVT 變換器4.2 系統(tǒng)分析 4.2.1硬開關(guān)仿真及分析如圖八所示的硬開關(guān)仿真simulink 圖中，直流輸入通過開關(guān)管VD 的導(dǎo)通將其輸出電壓提供給阻性負(fù)載，示波器觀察環(huán)路電流、開關(guān)管電流、開關(guān)管電壓以及負(fù)載和電流。仿真后波形如圖 （a ） （b ）圖八 硬開關(guān)BOOST 升壓電路仿真圖八（b ）所示，其中可以明顯看出開關(guān)管中電流和電壓的關(guān)系，其中電流（或電壓）在開關(guān)開通以及關(guān)斷過程中對應(yīng)的電壓（或電流）均不為零，因此課件硬開關(guān)在工作過程中是有開關(guān)損耗的。4.2.1軟開關(guān)仿真及分析如圖九（a ）所示的

19、仿真框圖中，開關(guān)管VD1和ZVT 控制管VD2以及Cr 和Lr 構(gòu)成了軟開關(guān)工作的基本環(huán)節(jié)。在仿真波形圖（b ）中可以明顯的觀察到當(dāng)開關(guān)管工作或關(guān)斷時，其電壓（或電流）上升時對應(yīng)電流（或電壓）正好通過自然換向點(diǎn)，使得開關(guān)工作于“零”功耗的條件下，達(dá)到了仿真的目的。 （a ） （b ）圖九 ZVT 電路仿真圖4.3 小結(jié)本節(jié)通過運(yùn)用MatLab 軟件中的simulink 工具箱對軟開關(guān)和硬開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)仿真，仿真效果均達(dá)到預(yù)期效果，能夠反映軟開關(guān)及硬開關(guān)的工作特點(diǎn)，同時對軟開關(guān)仿真過程中，通過上節(jié)對UC3855A 應(yīng)用電路的建模，可以證明上節(jié)中電路的正確性。湖南理工學(xué)院課程設(shè)計(論文 5 結(jié)論 本文采用 UC3855A 具體應(yīng)用電路對軟開關(guān)及功率因數(shù)校正電路進(jìn)行具體的應(yīng)用設(shè) 計及通過 Matlab 軟件對軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路進(jìn)行仿真，設(shè)計結(jié)果是令人滿意的， 均能達(dá)到預(yù)期的效果。但由于該方法的一部分限制，本設(shè)計任然存在一些不足之處： 1、電路的復(fù)雜因數(shù)為進(jìn)行考慮。 2、由于 Ma