收藏本站 The Best Quality of Power Equipment

基于UC3854的大功率直流电源PFC设计教程解析

功率要素校对(大功率直流电源PFC)
基于UC3854的大功率直流电源PFC设计教程解析

n传统的AC-DC改换器和大功率直流电源,其输入电路遍及选用了全桥二极管整流,输出端直接接到大电容滤波器。
n尽管不可控整流器电路简略可靠,但它们发作高峰值电流,使输入端电流波形发作畸变,使沟通电网一侧的功率要素下降到0.5~0.65,无功损耗过大。
因而我们有必要引进功率要素较正
n功率因数的界说
功率要素校对大功率直流电源PFC是十几年大功率直流电源技能进步的严重范畴,它的根本原理是:
n两种首要的功率要素校对的办法
1) 无源大功率直流电源PFC技能
2) 有源大功率直流电源PFC技能
n单管功率要素校对改换器的概念
只用一个主开关管,可使功率因数校对到0.8以上,并使输出大功率直流电源直流电压可调,这种拓扑结构称为单管单级大功率直流电源PFC改换器。
单管功率要素校对改换器的电路类型
nBuck
nBoost
nBoost-Buck
nZeta
nCuk
nSepic
依据Boost电路的大功率直流电源PFC改换器及其操控办法
功率要素校对(大功率直流电源PFC)
n依据Boost电路的大功率直流电源PFC改换器的提出
nBoost用于大功率直流电源PFC的优势
1.Boost可作业在三种模态CCM,BCM,DCM
2.储能电感又是滤波器,可按捺电磁搅扰EMI和射频搅扰RFI 电流波形失真小
3.输出功率大
4.共源极可简化驱动电路等长处 
功率要素校对(大功率直流电源PFC)
依据Boost电路的大功率直流电源PFC改换器及其操控办法——DCM
依据Boost电路的大功率直流电源PFC改换器及其操控办法——DCM
nDCM
n假定在稳态条件下,在一个开关周期内,MOS管的导通时刻为Ton,输入电压为Ui,电感电流为i,电感电流峰值为imax,电感量为L,电感电流到达峰值时,对应的输入电压为。则在MOS管导通期间,有:
n如果输入周期内各开关周期的占空比近似不变时,电感电流的峰值与输入电压成正比。因而,输入电流波形天然跟从输入电压波形,电路不需求电流操控环即可完成大功率直流电源PFC功用。
nDCM的要害
要想确保电路在必定电压规模内处于断续形式,要害是电感量的规划,下面给出电感量规划的终究公式:
d1其间为MOS管导通占空比,d2为续流二极管导通占空比,L为电感量,fs为开关频率,Po为输出功率,mmin为Vo/Vin
n要确保电感电流断续,有必要满意d1+d2<1
n跟着mmin=Vo/Vin的添加,d1+d2先减小后增大
n因而在输入电压较小与较大时均会使电感电流趋于接连一般在断续形式下的电感量规划中按最低输入电压时确参数。
依据Boost电路的大功率直流电源PFC改换器及其操控办法——BCM
nBCM
一般选用变频操控,在固定功率开关管敞开时刻的条件下,调整开关管的关断时刻,使电感一向处于临界导电形式,可获得单位功率因数,适用于中小功率场合。开关频率不固定(变频),功率管导通时刻固定。
依据Boost电路的大功率直流电源PFC改换器及其操控办法——CCM
概述
一般情况下,电感电流接连时的操控电路都需求有一个模拟乘法器和电流检测环路,与输出电压的反响信号一起调制功率开关管的操控信号,其间模拟乘法器的精度将影响PF值和输入电流谐波含量THD。示意图如下
nCCM状况下操控办法
n1. 峰值电流操控
n2. 均匀电流操控
n3.滞环操控
n4. 单周期操控
nCCM
电感电流接连时能够挑选多种操控办法,如:峰值电流操控、滞环电流操控、均匀电流操控和单周期操控等,适用于大功率场合,开关频率能够稳定(如均匀电流操控等(定频)),也能够改动(如滞环操控(变频))。
依据Boost电路的大功率直流电源PFC改换器及其操控办法-总结
DCM
输入电流主动盯梢输入电压,操控简略,仅需一个电压环,本钱低,电感量小,主管ZCS,续流管无反向恢复问题,定频作业,合适小功率用电设备。
BCM
输入电流主动盯梢输入电压,电感量小,一般选用变频操控,在固定功率开关管敞开时刻的条件下,调整开关管的关断时刻,使电感一向处于临界导电形式,可获得单位功率因数,可是滤波器规划困难,适用于中小功率场合。
CCM
常用的有电流峰值操控法、电流滞环操控法或均匀电流操控法,能够定频,也能够变频,高功率要素,要用到乘法器,操控相对杂乱,本钱高。适用于大功率场合。
大功率直流电源PFC操控办法——CCM-Peak Current Control
1.峰值电流操控
峰值电流操控的原理框图如下:
•当电感电流到达电流基准曾经,开关一向处于导通的状况
•电流基准是由全波整流电压的采样值与电压环差错扩大器的输出乘积决议的,一旦当电感电流到达电流基准,经比较器输出一关断信号,使开关管截止
•今后由定频时钟再次注册开关,如此进行周期性改动
•电感电流的峰值包络线盯梢整流电压Vdc的波形,使输入电流与输入电压同相位,并挨近正弦波
小结
峰值电流操控的长处是完成简略,缺陷是当交 流 电 网电压从零改动到峰值时,其占空比由最大值(一般为95%)改动到最小值(峰值电网电压邻近)。在占空比>50%时,电流环会发作次谐波振动现象,这种现象常出现在恒频PWM DC/DC改换器中,因而,这个电路中也会发作这种现象。为了克 服 这一现象,有必要在比较器的输人端加一斜坡补偿函数,但有时即便斜坡补偿后仍然不太抱负。
2. 均匀电流操控
均匀电流操控的原理框图入下
n均匀电流操控的长处q电流环有较高的增益带宽
q盯梢差错小
q瞬态特性较好
qTHD(<5%)和EMI小
q对噪声不灵敏
q开关频率固定适用于大功率运用场合,是现在大功率直流电源PFC中运用最多的一种操控办法。
3.滞环电流操控
滞环电流操控的原理框图如下
基于UC3854的大功率直流电源PFC设计教程解析

n电压外环的作用是为滞环操控单元供给瞬时电流参阅信号,作为滞环逻辑操控器的输入
n所检测的输入电压经分压后,发作两个基准电流:上限值与下限值
n当电感电流达基准下限值时,开关管导通,电感电流上升,当电感电流达基准上限值时,开关管关断,电感电流下降
n电流滞环宽度决议了电流纹波巨细.开关频率由环宽决议(变频)
基于UC3854的大功率直流电源PFC设计教程解析n长处
q电流环带宽高
q具有很强且具有很强的鲁棒性和快速动态呼应才能
q电流盯梢差错小
q硬件完成简略。
n缺陷
q负载巨细对开关频率影响较大
q不利于规划输出滤波器的优化规划   现在,关于滞环电流操控的改进计划研讨还很活泼,意图在于完成恒频操控(经过实时的改动环宽),将其他操控办法与滞环电流操控相结合是发展方向之一
4.单周期操控
n单周期操控是一种新式的非线性操控战略,首要用于BUCK改换器
n在输入或输出跳变时,单周期操控能够在一个开关周期完成操控方针,较大进步体系的动态功用进而扩展到各种运用场合,如功率因数校对、有源滤波、整流器等
4.单周期操控
n单周期操控是一种新式的非线性操控战略,首要用于BUCK改换器
n在输入或输出跳变时,单周期操控能够在一个开关周期完成操控方针,较大进步体系的动态功用进而扩展到各种运用场合,如功率因数校对、有源滤波、整流器等
单周期操控是一种不需求乘法器的操控办法,取而代之的是一个复位积分器,如上图所示。其间时刻常数RC等于RS触发器的Clock时钟周期,因而有如下联系:
d为积分时刻占空比。
功率要素校对的意图是使输入电流盯梢输入电压,改动器等效电阻为线性,有:
n若输出滤波电容够大,输出电压Uo可视为稳定值,在一个开关周期内可看出Um也可视为定值
n因而由(4)能够看出,Boost输入电流与输入电压成份额,然后到达电流盯梢电压的意图
n一个开关周期内,Boost改换器输出电压与输入电压联系为: 
n如果U1=Um,U2=Um-RsiL
n即可用操控电路完成操控方针!
n单周期操控电路如下图所示
n复位积分器如右图所示
n长处
q单周操控能优化体系呼应
q减小畸变和按捺大功率直流电源搅扰
q反响快
q开关频率稳定
q鲁棒性强
q易于完成
q抗大功率直流电源搅扰操控电路简略
大功率直流电源PFC操控办法——CCM-总结
nCCM 形式下操控战略总结
(1)峰值电流操控 :长处是完成简略,缺陷是当交 流 电 网电压从零改动到峰值时,占空比改动太大。在占空比>50%时,电流环会发作次谐波振动现象。
(2)均匀电流操控:长处是电流环有较高的增益带宽、盯梢差错小、瞬态特性较好、THD(<5%)和EMI小、对噪声不灵敏、开关频率固定、适用于大功率运用场合,其缺陷是参阅电流与实际电流的差错跟着占空比的改动而改动,然后可能会发作低次电流谐波。
(3)滞环电流操控:长处是电流环带宽高,具有很强且具有很强的鲁棒性和快速动态呼应才能,电流盯梢差错小,硬件完成简略。其缺陷负载巨细对开关频率影响较大,不利于规划输出滤波器的优化规划。
(4)单周操控:能优化体系呼应、减小畸变和按捺大功率直流电源搅扰,有反响快、开关频率稳定、鲁棒性强、易于完成、抗大功率直流电源搅扰、操控电路简略等长处。
谐波污染的管理首要途径:
n无源电力滤波器(PPF)
n有源电力滤波器(APF)
n有源功率因数校对器(A大功率直流电源PFC)依据boost的大功率直流电源PFC
DCM
BCM
CCM
均匀电流操控
峰值电流操控
滞环操控
单周期操控
大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍
n概述
n各引脚功用
n构成
n内部结构
n功用
n规划特色
n极限作业条件
n功率级运用规模
大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍-概述
n1994年末UC公司推出了UC3854。
n跟着Unitrode,Motorola,Silicon,Siemens等公司相继推出了各种有源功率因数校对芯片,如UC3852、UC3854,3854A\B、UC3855、MC34261、ML4812、ML4821、TDA4814等 ,单相有源功率因数校对技能发展很快。
nUC3854为大功率直流电源供给有源功率要素校对,它能按正弦的电网电压来操控非正弦的电流改动,该器材能最佳的运用供电电流使电网电流失真减到最小,履行一切大功率直流电源PFC的功用
大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍-各引脚功用
UC3854各引脚功用
n引脚1(Gnd):一切的电压丈量都以Gnd脚的地电平为参阅基准.
n引脚2(PKLMT):峰值电流约束脚.
n引脚3(CAOut):电流差错扩大器输出脚.
n引脚4(Isense):电流差错扩大器反向输入端
n引脚5(MultOut):乘法器输出端和电流差错扩大器正向输入端.
n引脚6(Iac):沟通电流输入端.
n引脚7(VAOut):电压扩大器输出.引脚8(Vrms):电网电压有效值端.
n引脚9(Vref):电压基准输出端.
n引脚10(ENA):使能操控端.
n引脚11(Vsense):电压扩大器的反向输入端. 
n引脚12(Rset):振动器充电电流和乘法器电流约束设置端
n引脚13(SS):软发动端.
n引脚14(Ct):振动器电容器设置端.
n引脚15(Vcc):正极性大功率直流电源电压.
n引脚16(GTDrv):栅极驱动.
大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍-构成
大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍-构成
n电压差错扩大器
n电网预置器(前馈电压)
n模拟乘法器
n电流差错扩大器
n三角波振动器
nPWM比较器
nRS触发器
n与MOSFET兼容的栅极驱动器
n7.5V参阅电压
n欠压比较器
n过流比较器软发动逻辑
大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构
大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍-功用
nUC3854的首要功用为:
n适用于Boost型电路
n适用于CCM作业形式
n均匀电流操控
n开关频率稳定,最高为200kHz
n最大占空比为95%,
n单信号输出
n输出驱动电压14.5V,输出驱动电流1A
n软起动
n输入大功率直流电源欠压维护
n输出过载维护功用
UC3854的规划特色
1)操控功率要素到达0.99
2)约束电网电流失真<5%
3)适用于全球电网电压(80~270AC)
4)前馈电网电压调理、低噪声、高灵敏度
5)均匀电流形式操控
6)低发动大功率直流电源电流,精密电压基准
7)固定频率脉宽调制(PWM)
8)低失调模拟乘法器
9)   1A栅极驱动器
大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍-作业条件
nUC3854的极限作业条件

大功率直流电源PFC典型芯片UC3854介绍-功率级的运用规模
n升压型大功率直流电源PFC功率要素校对器的操控电路,简直不随改换器的功率巨细而变。
一般500W的大功率直流电源PFC与一个50W的大功率直流电源PFC操控电路根本相同,不同之处仅在功率电路,但操控电路规划过程根本相同。
依据Boost电路的大功率直流电源PFC改换器规划实例
1.规划目标
n输入电压:80VAC~270VAC
n输入频率:45Hz~65Hz
n输出大功率直流电源直流电压:400VDC
n输出功率:250W
n功率因数:>98%
n输入电流THD: <5%
2.开关频率
一般开关频率能够恣意挑选,但有必要够高,使功率电路小型化、削减失真并坚持高的改换功率。在大都运用中,20~300kHz的开关频率规模是可接受的折中计划。作为体积和功率的折中,本例选用100kHz的开关频率。此外,电感值要合理的取小一些,使畸变尖峰坚持在最小规模内,电感的体积也尽可能的小,由二极管引起的损耗不能过大。
3.电感的挑选
电感值决议了,输入端高频纹波电流总量,可按给出的纹波电流值△I来挑选电感值。
电感值的断定从输入正弦电流的峰值开端,而最大的峰值电流出现在最小电网电压的峰值处:
由上式可知,在此典范中,功率为250W,最小电网电压为80V,此刻最大峰值电流为4.42A.
3.电感的挑选
电感中的峰-峰值纹波电流,一般挑选在最大峰值电流的20%左右,在此例中,最大峰值电流为4.42A,故峰-峰值纹波电流取△I =900mA.
Vin=1.414×80=113.12V,  fs=100kHz
依据此处电压和和开关频率的占空比来挑选:
由上式可得L=0.89mH,取整为1mH.
4.输出电容
触及输出电容的挑选要素有开关频率纹波电流、2次纹波电流、直流输出电压、输出纹波电压和坚持时刻。流过输出电容的总电流,是开关频率的纹波电流的有效值和线路电流的2次谐波,一般挑选大电解电容作为输出电容,其等效串联电阻(ESR)随频率的改动而改动(低频时一般很大)。一般电容所能操控的电流总量还取决于温升。温升的切当值一般不必核算出,只需核算出由于高频纹波电流和低频纹波电流所引起的温升之和就够了。电容的datasheet会供给必要的ESR和温升值。
4.输出电容
在此例中,电容的挑选仍是首要考虑坚持时刻。坚持时刻是在大功率直流电源封闭今后,输出电压仍然能坚持在规则规模内的时刻长度,其典型值为15~50ms.在250W、DC400输出的离线大功率直流电源中,其坚持时刻对电容值的要求每瓦输出为1~2uF(经验值).另可依据以下公式断定(能量守恒):
式中,Pout=250W, △t=64ms,Vo(min)=300V,可核算得Co=457uF,这儿我们选用450V 450uF的电解电容。
5.开关管和二极管
开关管和二极管有必要能充沛确保电路可靠的作业。一般来说,开关管的额外电流有必要至少要大于电感电流的峰值,额外电压至少大于输出电压,对二极管的要求也是一样的。二极管有必要速率很快,以削减开关损耗(电感电流接连,存在反向恢复问题)。
此例中,二极管有必要是快速高压型的,反向恢复时刻为35ns,600V 的击穿电压,8A的正向额外电流。功率MOSFET为500V击穿电压,23A的额外直流电流。此例的开关损耗首要是由二极管的反向恢复电流引起的。
二极管关断和开关管注册时的电流电压试验波形
基于UC3854的大功率直流电源PFC设计教程解析

6.电感电流检测
两种常用的检测电流的办法
(1)在改换器到地之间运用一检测电阻.
(2)运用电流互感器.
6.电流传感检测
在此例中,运用电流检测电阻来检测电流(如上图页图所示),此电阻值发作的信号够大以不受噪声搅扰,一起小到以不至于发作过大的能量损失。压降为1V左右的检测电阻是一个不错的挑选,这儿挑选0.25欧姆的电阻做为Rs,在最坏情况下,5.6A的峰值电流将会发作最大1.4V的压降.
7 .峰值电流约束
UC3854的峰值约束功用,在电感电流的瞬时值电流超越最大值,即2管脚低于地电平常被激活,将开关断开。电流约束值有基准电压除以电流检测电阻的分压来设置:
8 .前馈电压信号
VFF是输入到平方器电路的电压,UC3854平方器电路一般在1.4~4.5V的规模内作业。UC3854内有一个钳位电路,即便输入超越该值,都将前馈电压VFF的有效值约束在4.5V。前馈输入电压分压器有3个电阻RFF1、RFF2、RFF3,及两个电容CFF1、CFF2。因而它能进行两级滤波并供给分压输出。分压器和电容构成一个二阶低通滤波器,所以其直流输出是和正弦半波的均匀值成正比的。均匀值是正弦半波有效值的90%,如过沟通电网的有效值是270V,其均匀值是243V,而峰值是382V.
前馈电压VFF分压器有两个直流条件需求满意。在高输入电网电压下,前馈电压应不高于4.5V,当到达或超越此值时,前馈电压被钳制而失掉前馈功用。在低输入电网电压时,应设置分压器使前馈电压等于1.414V, 如果VFF不到1.414V,内部限流器将使乘法器输出坚持稳定。
 在本例中,分压电阻RFF1是910kΩ,RFF2是91kΩ,RFF3是20kΩ。当输入电压是AC270V 时,直流均匀值是243V,此刻VFF的最大值将是4.76V,当输入电压是AC80时,直流均匀值为72V,此刻VFF是1.41V.
9.乘法器的设置
乘法器、除法器是功率要素校对器的中心。乘法器的输出调理电流环用以操控输入电流功率要素进步。因而此乘法器的输出是个表达输入电流的信号。
与大都从输出开端到输入的规划使命不同,乘法器电路的规划有必要从输入端开端。乘法器有三个输入端:调理电流端IAC(脚6)、来自输入 的前馈电压端VFF(脚8)、电压差错扩大的输出端VVEA(脚7)。乘法器的输出是电流信号Imo(脚5):
式中,Km=1是个常数,IAC是整流后的输入电流,VVEA是电压差错扩大器输出,VFF是前馈电压。
10.乘法器输入电流
乘法器的输入电流来自经RVAC的输入电压,乘法器在较高电流下有较好的线性度,但引荐的最大电流是0.6mA。在高网电压时,峰值电压是382V,脚6上的电压是6V,RVAC用 620KΩ的电阻值得到最大的值是0.6mA.因为引脚6上的电压是6.0V,为使电路正常作业,在输入波形VIN=0处,需求一个偏置电流。在基准电压VREF和脚6之直接1个电阻Rb1,IAC就能供给最小偏置电流,Rb1=RVAC/4,Rb1其值取150KΩ。
11..乘法器输出电流
乘法器的最大输入电流Imo,出现在低电网线路输入正弦波的峰值处。
由上可得,Imo 的最大值为365uA.Imo不会大于两倍的IAC.
11.乘法器输出电流
电流Iset是乘法器输出电流的另一个约束点。Imo不能大于3.75/RSET关于本例电路可得到最大值RSET=10.27KΩ,因而可选10KΩ。
11.乘法器输出电流
为了构成电流环的反响回路,乘法器的输出电流Imo有必要与一个正比与电感电流的电流相加,构成负反响。接在乘法器输出和电流检测电阻的电阻Rmo履行这一功用,它使乘法器的输出端成为电感电流和基准电流的求和结点。
在此例中,存在着以上的一个约束方程,电感电流的峰值电流被限定在5.6A,电流检测电阻是0.25Ω,所以检测电阻上的峰值电压是1.4V。乘法器最大输出电流是365uA,所以组成电阻Rmo应该是3.84KΩ,可选3.9KΩ。
12.振动器频率
振动器的频率由电容CT和电阻RSET来设定,RSET已知为10KΩ,开关频率fs要设定为100kHz,电容即由下式决议:
所以CT为0.00125uF。
13.电流差错扩大器的补偿
(1)核算电感电流下降时在检测电阻两头所造成的压降,再除以开关频率,方程为:
Δvrs =(400×0.25)/(0.001×10,000) =1.0V
此电压有必要等于 Vs的峰-峰值,即定时器电容上的电压5.2V。
差错扩大器的增益为:
(2)反响电阻,设Rci=Rmo=3.9KΩ
Rcz=GcaRci=5.2×3.9=20KΩ
(3)电流环穿越频率:
(4)选Ccz,挑选45°相位规模,在环路穿越频率处设置零点。
基于UC3854的大功率直流电源PFC设计教程解析

取620pF
(5)挑选Ccp,极点有必要在fs/2上,
取62pF
14.电压差错扩大器的补偿
THD为5%,选3%的3次谐波沟通输入作为标准值。1.5%分配做Vff输入,0.75%到输出纹波电压,或1.5%到Vvac。留下0.75%分配到各种非线性器材
(1)输出纹波电压:输出纹波电压由下式决议,式中 fr是2次谐波的频率:
(2)扩大器增益的设置:Vo(pk)有必要削减到电压差错扩大器输出所答应的纹波电压,这就是要设置差错扩大器在2次谐波频率点上的增益,公式如下:
关于UC3854,△Vvao为5-1=4V,例中
(3)反响网络的数值:取Rvi为511
取0.047uF
(4)设置分压电阻:
取10KΩ
(5)极点频率:
升压级增益为:
它包含乘法器、分压器和平方器在内;Xco是输出电容的阻抗。 
在扩大器的呼应的极点上,差错扩大器增益由下式给出:
总的电压环增益为Gbst和Gva的乘积,由下式给出:
Xco和Xcf两项都和频率有关,该函数有2次方的斜率(-40dB/10倍频程)。
为求出截止频率,设Gv=1,求解fvi,Xco安排在1/(2πfCo),Xcf安排在1/(2πfCvf)1/(2πfCo)
Rvf的值等于Cvf在fvi的阻抗,
可选用174KΩ
15.前馈电压滤波电容
这些电容断定了沟通输入电流上Vff分配的3次谐波失真,并断定所需衰减的总量。整流后的电网电压2次谐波含量是 66.2%。THD是答应的总谐波失真百分比。
用两个等式连解极点,求出极点频率,fr是2次谐波的纹波频率。
挑选Cff1和Cff2:
UC3854的仿真电路
UC3854的仿真波形
n电流差错扩大器输出及载波波形
n电感电流及驱动波形
n输入电流波形及频谱分析
UC3854的试验波形
UC3854均匀电流操控的小结
n这种操控办法的长处是:
1 恒频操控。
2 作业在电感电流接连状况,开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。
3 能按捺开关噪声。
4 输入电流波形失真小。
n首要缺陷是:
1 操控电路杂乱。
2 需用乘法器和除法器。
3 需检测电感电流。
4 需电流操控环路。 

相关文章

在线留言

*

*

◎欢迎您的留言,您也可以通过以下方式联系我们:

◎客户服务热线:021-51095123

◎邮箱:xin021@126.com

021-51095123
扫描二维码关注我们

扫描二维码 关注我们