一种隔离式输出可调节的高频有源功率因数校正器的设计
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一种隔离式输出可调节的高频有源功率因数校正器的设计
PFC的英文全称为"Power Factor Correction",意思是"功率因数校正",功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。为了提高电源的功率校正因数，国家强制电源厂家要为电源安装PFC电路以提高电源的转换效率，其实这一点在Intel的电源设计规范中也已经有了强行的规定。PFC电路分主动式(有源)PFC和被动式(无源)PFC两种。
1 UCC3857设计特点
UCC3857用隔离方式进行功率因数校正，其输出电压可调节，并能低于输入线电压;是单级功率变换器;IGBT实现零电流开关(ZCS);校正的功率因数大于0.99;属固定频率、平均电流型PFC控制器;改进的有效值前馈电压;软起动;电源电压范围9V~18V;具有两种封装形式。
UCC3857提供了隔离式Boost升压功率因数校正器所需的全部功能。该变换器的优点是隔离原边与副边，也能使输出直流电压低于输入电压。在要求高效率、高密集和高性能的应用场合，UCC3857是一种理想的器件。它的典型外围电路见图1.
UCC3857既有控制功能又为外部两个IGBT开关管和一个功率MOSFET管提供驱动信号，利用外部RC网络，可完全实现编程MOSFET驱动器的延迟时间。
IGBT实现了ZCS,故允许采用更高的开关频率和更小的磁性元件，并有更高的效率。UCC3857中的功率因数校正部分可采用平均电流控制方案。IC内部电路的变动，简化了PFC部分的设计，也改进了它的性能。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
控制器的改进包括：一个内设6bitA/D转换器，作为RMS入线电压检测;一个零负载功率电路和重要的较低工作电流。
上述措施简化了变换器设计，消除了前馈元件的二次谐波纹波，并提高了入线瞬态响应约6倍。因无需兼顾重负载时的功率因数，故零负载功率比较器在负载开路条件下可阻止能量传递。采用Unitrode公司的BCDMOS工艺(双极-CMOS-DMOS混合工艺)，能简化辅助仿真电源设计，实现了低起动电流和低工作电流。
UCC3857的两种塑封外部引脚安排见图2(a)和(b)。
2 UCC3857各引脚功能说明
AGND(6脚)：是IC内部基准电压和所有门限电压的参考点，除输出驱动器之外，也是其它电路的回归端，它与功率地PGND(17脚)短接。
CA(7脚)：内部电流环路误差放大器的反相输入端。
CAO(8脚)：内部电流环误差放大器的输出端。该输出电压的摆幅在0.2V~6.0V之间。它是PWM比较器的一个输入端。
VAO(11脚)：该脚是电压环误差放大器的输出端。它被UCC3857内部箝位在5.6V左右，并可在0.1V左右摆动。VAO脚电压低于0.5V时，将使MOSDRV(14脚)不能输出，并强迫IGDRV1(16脚)和IGDRV2(18脚)输出端为零。
CRMS(2脚)：用一只电容器接在CRMS与地之间，以平均半个周期内的AC交流线电压。该脚在IC内部接到RMS检测电路。
CT(20脚)：该脚对地接一只电容器，该电容器具有低ESR、低ESL特性，它与RT共同设置斜坡发生器的开关频率fsw≈0.67/(RT·CT)。
DELAY(12脚)：该脚经一只外部电阻器接至VREF(5脚)、并经一只电容器接至AGND,以设置MOSDRV输出级的重迭延迟时间。去掉接AGND的电容器之后，可使重迭功能失效。
IAC(1脚)：该脚对地接一只电容器，并经一只外部电阻器RAC接到电网整流后的交流输入线电压。它为内部乘法器和RMS检测器提供瞬时线电压信号。
IGDRV1(16脚)：两个外部IGBT功率开关管的驱动器输出(之一)。
IGDRV2(18脚)：两个外部IGBT功率开关管的驱动器输出(之二)。
MOSDRV(14脚)：外部功率MOSFET开关管的驱动器输出。
MOUT(3脚)：乘法和除法模拟电路的输出端。MOUT的输出电流经一只外部电阻器返回桥接引线。合成波形为电流误差放大器形成正弦参考电压。
PKLMT(13脚)：是峰值电流限制比较器的反相输入端。该比较器的门限电平通常设置在0V.当断路时，峰值限制比较器将终止MOSDRV和IGDRV1、IGDRV2的输出。
PGND(17脚)：是功率级地线，所有高电平电流的返回地端，它在UCC3857内部连接到驱动器输出级。
RT(19脚)：该脚经一只外部电阻器接地，它为内部斜坡发生器设置充电电流。UCC3857在RT上提供3.0V的温度补偿电压。振荡器的充电电流值=3.0V/RT.为获得最佳性能应限制RT电流输出在250μA.
VA-(10脚)：是外部电压控制环的反馈输入端。输出电压的调节信号经光电隔离器电路加到VA端。SS(9脚)：该脚对地AGND接一只电容器，提供软起动功能，由UCC3857内部的10μA(额定的)电流源，对软起动电容器进行充电。VAO上的电压被箝位在近似等于SS脚电压。
VD(15脚)：为三个驱动器输出级提供正极性电源。加在VD上的电压必须限制在低于18VDC.为获最佳效果，应选用一只0.1μF~1.0μF的低ESR和低ESL电容器将VD端对PGND旁路。为了较好地抑制电源噪声，VD和VIN可由各自的RC低通滤波器加以隔离。
VIN(4脚)：是UCC3857的输入电压源。该电压必须限制在低于18VDC.当VIN上的电压超过13.75V(标称值)。UCC3857才能正常工作。
VREF(5脚)：是精密的7.5V基准电压输出端。为尽力改善性能，建议在VREF对地AGND接一只0.01μF~0.1μF的低ESR、ESL旁路电容器。
3 UCC3857电气参数的极限值
输入电源电压(VIN,VD)：18V
通用模拟/逻辑输入(CRMS,MOUT,CA，VA，
CT,RT,PKLMT)：-0.3V到5V
最大强迫电流(IAC)：300μA
基准输出电流：由内部限制
输出电流(MOSDRV,IGDRV1,IGDRV2)：脉冲电流1A,连续电流200mA
储存温度：-65℃~+150℃
结温：-55℃~+150℃
引线温度(IC引脚焊锡10秒)：+300℃
除非另有说明，通常UCC3857应用在TA=0℃
~70℃;并且VVIN,VVD=12V,RT=19.2k,CT=680pF,TA=TJ.
关于UCC3857的详细电气参数可查阅手册。
4 UCC3857应用注意与分析
UCC3857功率因数校正器内部功能方框图如图3所示。
UCC3857提供了单级功率因数校正和降压或升压功能的解决方法，它采用隔离式BOOST升压变换器。典型应用电路给出了隔离式升压变换器的方法：用两只IGBT组成推挽式电路，用一只MOSFET作辅助开关，以实现IGBT的软开关变换。
图1所示的典型应用电路具有几个优点：在用功率因数校正从交流电网得到近似直流总线电压方面，它超过其它常规方法。常规的近似方法是采用两级功率变换，其成本较高，并且电路复杂。如果选用UCC3857,则功率因数校正与降压变换的双重功能都包含在单级电路中。
功率级包括一个电流反馈式推挽变换器，它在推挽开关Q1和Q2导通期间，交错提供常规PWM升压变换器的有效占空比。当只有一个开关导通时，能源经变压器和输出整流器传递到输出端。它可以看作是工作在原边的电路构成一个升压变换器，且UCC3857提供输入电流编程、并采用平均电流型控制，从而达到单位功率因数1.00.变压器的匝数比可用于得到所需要的输出电压电平：它能高于或者低于峰值电网电压。
功率级的优化包括了设计与元器件的选择，以满足性能与成本的综合目标。这些内容包含了功率开关管、变压器和电感器的设计。
选择IGBT是基于它们的使用电压高于MOSFET之优点。在通常的电网工作条件下，推挽式开关上的电压接近1000V.然而IGBT的缓慢截止特性又带来较大的开关损耗，利用MOSFET(QA)帮助IGBT实现ZCS零电流截止。这一过程是通过维持QA导通来完成的(超出了Q1或Q2的截止范围，见图4中波形)，当IGBT截止时允许电感器电流从IGBT转移到MOSFET,从而仍然维持零电压状态。
金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其"通道"的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。常用于MOSFET的电路符号有很多种变化，最常见的设计是以一条直线代表通道，两条和通道垂直的线代表源极与漏极，左方和通道平行而且较短的线代表栅极，如下图所示。有时也会将代表通道的直线以破折线代替，以区分增强型MOSFET(enhancement mode MOSFET)或是耗尽型MOSFET(depletion mode MOSFET)。 |
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