一種新穎的電流臨界導通的功率因數校正芯片的研究

摘要：介紹了一種新穎的電流臨界導通（DCMboundary）的功率因數校正（PFC）芯片。它的主要特點是提高了高電壓輸入時的功率因數，減少了輸入電流的總的諧波含量（THD），同時它還改善了啟動時輸出電壓過沖和電路的動態性能。實驗表明這種新穎的DCMboundaryPFC控制芯片實現了這些功能。

關鍵詞：零功率檢測；跨導誤差放大器；功率因數校正；啟動時輸出電壓過沖保護

引言

隨著電力質量標準的日益嚴格，功率因數校正（PFC）技術已成為電力電子領域中的研究熱點。隨著功率因數校正技術的發展，功率因數校正控制芯片也有了很大的發展。根據電路的工作模式，功率因數校正控制芯片可以分成3類：

1）電流斷續的功率因數校正控制芯片；

2）電流臨界連續的功率因數校正控制芯片；

3）電流連續的功率因數校正控制芯片。

近幾年來，這些芯片得到了很大的發展。

本文介紹了一種新穎的電流臨界連續的功率因數校正控制芯片UCC38051。它具有結構簡單和功能強大的優點。它不僅改善了啟動時輸出電源過沖，而且有欠壓保護功能；同時它通過提高誤差放大器的輸出變化率來改善它的動態響應能力；另外，它還具有開環保護功能。本文以這種新穎的電流臨界導通（DCM boundary）功率因數校正芯片制作了一個100W的PFC電路原理樣機，對芯片進行了分析，最后給出了實驗波形。

1 芯片介紹

UCC38051采用8腳SOP封裝，引腳配置如圖1所示，表1給出了引腳功能。

表1 UCC38051引腳功能表

UCC38051是一種峰值電流模式的控制芯片，它可以應用在電流臨界導通的功率因數校正電路中。因為UCC38051內部使用了一個零功率檢測比較器，所以可以抑制電路啟動時輸出電壓的過沖，這樣電路中的元器件就可以得到保護，它們的壽命就可以延長。

圖2 UCC38051內部框圖

UCC38051具有低的啟動電流和工作電流，輸出過壓保護，輸入欠壓保護和反饋開路保護功能。

2 芯片的分析

圖2給出了這種新穎的DCM bounday PFC控制芯片的內部框架圖，下面將進行分析，闡述它的工作原理。

2.1 輕載特性的改善

對于一般的功率因數校正電路來說，輕載時電路的損耗比較大。降低輕載時功率因數校正電路的損耗已經成為現在的研究熱點。而芯片UCC38051較好地解決了這個問題。

圖3中給出了這種降低輕載時電路損耗的原理圖。如果功率因數校正電路在輕載時其工作頻率比較高時，那么它的損耗比較大，因此，在輕載時必須減少電路的開關次數，來降低電路的損耗。UCC38051中有一個零功率檢測比較器，當輸出功率比較低時，這個比較器就會工作。此時它會使電路工作在間隙模式下，這樣電路的損耗就會降低。

芯片UCC38051腳2（COMP）的電壓，在輸入功率等于零和輸出電壓過壓的工作條件下，會低于它正常工作時的電壓。當它低于零功率檢測比較器的基準電壓時，比較器就會工作，這樣零功率檢測比較器就會閉鎖驅動信號，使輸出驅動信號為零。因此，有了這個零功率檢測比較器就會防止啟動時輸出電壓過沖。另外，在動態過程中輸出電壓也會比較高，腳2的電壓也會比正常工作時低，這樣也可能封鎖驅動信號，但是，UCC38051內部有一個跨導誤差放大器，當電路工作在這個狀態時，它會使腳2輸出電壓不會低于零功率檢測比較器的基準電壓，從而不會封鎖驅動信號。

圖5 主電路圖

2.2 動態性能調節和欠壓保護

對于功率因數校正電路來說，動態性能的好壞和啟動電流的大小直接影響電路的壽命。因此，在設計功率因數校正電路時，必須考慮這兩個問題。圖4給出了解決動態響應和啟動電流的原理圖。

當功率因數校正電路的輸出功率突然變化時，它的輸出電壓就會引起很大的變化。例如，當負載突然變輕時，它的輸出電壓會陡然增加很多；當負載突然加重時，它的輸出電壓會突然降低很多。如果電路以這樣的方式工作，它的動態性能就比較差，會增加后級電路的負擔，影響電路的壽命。而在芯片UCC38051內部有一個跨導型電壓誤差放大器，當功率因數校正電路負載突然變化時，電路的反饋電壓信號通過腳1（VO_SNS）送給跨導型電壓誤差放大器，使跨導型電壓誤差放大器工作，使電路的增益非線性變化，導致電路增益突然變化很多，這樣就可以迫使電路的輸出電壓的變化不能很大。因此，有了這個跨導型電壓誤差放大器，就使電路的輸出電壓不會變化很大，這樣就可以改善電路的動態性能。同時，有了這個跨導型誤差放大器，就改善了高輸入電壓時的功率因數和減小了輸入電流總的諧波含量。

欠壓保護對于功率因數校正電路來說也十分重要。UCC38051芯片通過一個滯環比較器實現欠壓保護功能。它是通過腳1的反饋電壓信號給欠壓保護的滯環比較器一個電壓信號，當輸出電壓比較低時，電路中的反饋電壓也比較低，當反饋電壓低于滯環的轉換電壓時，這個滯環比較器會封鎖驅動信號，從而就實現了欠壓保護功能。

3 實驗結果

上述功率因數校正電路的主電路如圖5所示，其主要參數如下：

輸入電壓 AC 90～265V；

輸入電壓頻率 47～63Hz；

輸出電壓 400V；

最大輸出功率 100W；

最大開關頻率 fmax=100kHz。

實驗結果證明了，這種新穎的電流臨界導通的功率因數校正控制芯片，很好地解決了電路啟動時輸出電壓過沖的問題；動態性能也得到了改善；同時，改善了高輸入電壓時的功率因數和降低了輸入電流總的諧波含量。圖6和圖7分別給出了輸入電壓115V，輸出功率滿載時的輸入電流波形和輸入電流諧波含量圖。圖8和圖9分別給出了輸入電壓230V，輸出功率滿載時的輸入電流波形和輸入電流諧波含量圖。圖10給出了啟動時輸出電壓的波形。圖11和圖12分別給出了輸出功率從滿載到空載和從空載到滿載時的輸出電壓波形。

4 結語

以UCC38051為核心設計的DCM boundary功率因數校正電路，提高了高輸入電壓時的功率因數，減小了總的諧波含量，這樣在輕載時就降低了對電網的污染；同時，它改善了在輸出功率變化時的動態性能；有效地抑制了啟動時輸出電壓的過沖和降低了啟動時的輸入電流。因此，這種控制芯片可以應用于對動態性能要求比較高、啟動電流要求比較低、功率因數要求高、諧波含量要求低和啟動時要求對輸出電壓過沖進行保護的場合。