新颖的电流临界导通的功率因数校正芯片的研究

0    引言

    随着电力质量标准的日益严格，功率因数校正（PFC）技术已成为电力电子领域中的研究热点。随着功率因数校正技术的发展，功率因数校正控制芯片也有了很大的发展。根据电路的工作模式，功率因数校正控制芯片可以分成3类：

    1）电流断续的功率因数校正控制芯片；

    2）电流临界连续的功率因数校正控制芯片；

    3）电流连续的功率因数校正控制芯片。

    近几年来，这些芯片得到了很大的发展。

    本文介绍了一种新颖的电流临界连续的功率因数校正控制芯片UCC38051。它具有结构简单和功能强大的优点。它不仅改善了启动时输出电源过冲，而且有欠压保护功能；同时它通过提高误差放大器的输出变化率来改善它的动态响应能力；另外，它还具有开环保护功能。本文以这种新颖的电流临界导通（DCM boundary）功率因数校正芯片制作了一个100W的PFC电路原理样机，对芯片进行了分析，最后给出了实验波形。

1    芯片介绍

    UCC38051采用8脚SOP封装，引脚配置如图1所示，表1给出了引脚功能。

图1    UCC38051引脚排列

表1    UCC38051引脚功能表

    UCC38051是一种峰值电流模式的控制芯片，它可以应用在电流临界导通的功率因数校正电路中。因为UCC38051内部使用了一个零功率检测比较器，所以可以抑制电路启动时输出电压的过冲，这样电路中的元器件就可以得到保护，它们的寿命就可以延长。

    UCC38051具有低的启动电流和工作电流，输出过压保护，输入欠压保护和反馈开路保护功能。

2    芯片的分析

    图2给出了这种新颖的DCM bounday PFC控制芯片的内部框架图，下面将进行分析，阐述它的工作原理。

图2    UCC38051内部框图

2.1    轻载特性的改善

    对于一般的功率因数校正电路来说，轻载时电路的损耗比较大。降低轻载时功率因数校正电路的损耗已经成为现在的研究热点。而芯片UCC38051较好地解决了这个问题。

    图3中给出了这种降低轻载时电路损耗的原理图。如果功率因数校正电路在轻载时其工作频率比较高时，那么它的损耗比较大，因此，在轻载时必须减少电路的开关次数，来降低电路的损耗。UCC38051中有一个零功率检测比较器，当输出功率比较低时，这个比较器就会工作。此时它会使电路工作在间隙模式下，这样电路的损耗就会降低。

图3    零功率检测比较器

    芯片UCC38051脚2（COMP）的电压，在输入功率等于零和输出电压过压的工作条件下，会低于它正常工作时的电压。当它低于零功率检测比较器的基准电压时，比较器就会工作，这样零功率检测比较器就会闭锁驱动信号，使输出驱动信号为零。因此，有了这个零功率检测比较器就会防止启动时输出电压过冲。另外，在动态过程中输出电压也会比较高，脚2的电压也会比正常工作时低，这样也可能封锁驱动信号，但是，UCC38051内部有一个跨导误差放大器，当电路工作在这个状态时，它会使脚2输出电压不会低于零功率检测比较器的基准电压，从而不会封锁驱动信号。

2.2    动态性能调节和欠压保护

    对于功率因数校正电路来说，动态性能的好坏和启动电流的大小直接影响电路的寿命。因此，在设计功率因数校正电路时，必须考虑这两个问题。图4给出了解决动态响应和启动电流的原理图。

图4    动态调节和欠压保护原理图

    当功率因数校正电路的输出功率突然变化时，它的输出电压就会引起很大的变化。例如，当负载突然变轻时，它的输出电压会陡然增加很多；当负载突然加重时，它的输出电压会突然降低很多。如果电路以这样的方式工作，它的动态性能就比较差，会增加后级电路的负担，影响电路的寿命。而在芯片UCC38051内部有一个跨导型电压误差放大器，当功率因数校正电路负载突然变化时，电路的反馈电压信号通过脚1（VO_SNS）送给跨导型电压误差放大器，使跨导型电压误差放大器工作，使电路的增益非线性变化，导致电路增益突然变化很多，这样就可以迫使电路的输出电压的变化不能很大。因此，有了这个跨导型电压误差放大器，就使电路的输出电压不会变化很大，这样就可以改善电路的动态性能。同时，有了这个跨导型误差放大器，就改善了高输入电压时的功率因数和减小了输入电流总的谐波含量。

    欠压保护对于功率因数校正电路来说也十分重要。UCC38051芯片通过一个滞环比较器实现欠压保护功能。它是通过脚1的反馈电压信号给欠压保护的滞环比较器一个电压信号，当输出电压比较低时，电路中的反馈电压也比较低，当反馈电压低于滞环的转换电压时，这个滞环比较器会封锁驱动信号，从而就实现了欠压保护功能。

3    实验结果

    上述功率因数校正电路的主电路如图5所示，其主要参数如下：

图5    主电路图

    输入电压    AC 90～265V；

    输入电压频率    47～63Hz；

    输出电压    400V；

    最大输出功率    100W；

    最大开关频率    fmax=100kHz。

    实验结果证明了，这种新颖的电流临界导通的功率因数校正控制芯片，很好地解决了电路启动时输出电压过冲的问题；动态性能也得到了改善；同时，改善了高输入电压时的功率因数和降低了输入电流总的谐波含量。图6和图7分别给出了输入电压115V，输出功率满载时的输入电流波形和输入电流谐波含量图。图8和图9分别给出了输入电压230V，输出功率满载时的输入电流波形和输入电流谐波含量图。图10给出了启动时输出电压的波形。图11和图12分别给出了输出功率从满载到空载和从空载到满载时的输出电压波形。

图6    输入电流波形（Vin=115V，Po=100W）

图7    输入电流谐波含量（Vin=115V，Po=100W）

图8    输入电流波形（Vin=230V，Po=100W）

图9    输入电流谐波含量（Vin=230V，Po=100W）

图10    启动时的输出电压波形

图11    输出电压（从满载到空载）波形

图12    输出电压（从空载到满载）波形

4    结语

    以UCC38051为核心设计的DCM boundary功率因数校正电路，提高了高输入电压时的功率因数，减小了总的谐波含量，这样在轻载时就降低了对电网的污染；同时，它改善了在输出功率变化时的动态性能；有效地抑制了启动时输出电压的过冲和降低了启动时的输入电流。因此，这种控制芯片可以应用于对动态性能要求比较高、启动电流要求比较低、功率因数要求高、谐波含量要求低和启动时要求对输出电压过冲进行保护的场合。