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基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

时间:2018-01-26 来源:

一般地,普通的单级隔离式PFC变换器与传统的DC/DC变换器相比,具有电压应力高、损耗大的缺点。针对上述问题,本文设计了一种单级PFC变换器,采用带有源嵌位和软开关的Boost-Flyback拓扑结构,从而有效地限制开关管的电压尖峰。电路主、辅开关管在软开关条件下,减少了其自身的开关损耗,提高了电源系统的整体输出效率。另外,主、辅开关管共用一组控制电路,有较强的实用性。

1、系统设计

1.1、系统结构

一个完整的、独立工作的AC/DC开关电源通常包括EMC(electromagneccompability)滤波整流电路、主电路(含功率变换器、隔离变压器)、PWM(pulsewidthmodulaon)产生及控制电路、驱动电路、输出电路、辅助电源电路、取样电路。本文设计的系统结构框图如图1所示。其工作原理是:输入交流市电220V,经过EMC滤波整流电路、主电路、输出电路后,得到24V直流电压;同时,采用电流取样和电压取样构成双闭环控制机制,经PWM控制芯片调节PWM波形,再通过驱动电路控制功率开关管的导通和关断,从而实现24V直流电压的稳定输出。

 

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

 

1.2、主电路

图2是带有源嵌位与软开关的单级PFC变换器的主电路拓扑结构。本文在基本的单级隔离式PFC变换器电路的基础上,添加了一个辅助开关管Q,和一个嵌位电容c。,构成有源嵌位;利用变压器漏感作为谐振电感L,主开关管Q和辅助开关管Q:的输出电容及电路中其他的寄生电容总和作为谐振电容c,(虚线部分),通过L和c的谐振来实现软开关。

 

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

 

1.3、PWM产生及控制电路和驱动电路

就整个系统而言,PWM产生及控制电路和驱动电路就像人的大脑,控制着整个系统的正常运行。本文舍弃传统的PFC专业芯片(如L6561),选用PWM控制芯片UC3846。这种方案不仅可以实现对PFC升压电路和反激式电路的实时控制,且能简化外围电路,降低成本。

UC3846是美国德州仪器生产的一款高性能固定频率电流型PWM控制芯片,采用双路互补输出,常作为半桥、全桥双极性变换器的驱动信号源。该芯片的优点是功能齐全,内置高频振荡器、差动电流检测放大器、精密基准电压、欠电压锁定电路以及软启动电路,具有自我保护功能。外部控制电路较为简单,工作频率最高可达500kHz,适应于-165—150℃的外部环境,输人电压范围为8~40v。该芯片的结构框图如图3所示。

 

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

 

本文选用UC3846作为PWM控制芯片,引入电压、电流双闭环结构,采用峰值电流模式。在图2的基础上,通过Saber仿真软件加以辅助设计,同时对相关参数进行详细计算,构建其他功能电路H,最终得到本文样机的电路原理图,如图4所示。

 

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

 

由于篇幅有限,在此仅对PWM产生及控制电路和驱动电路进行详述。UC3846的2脚产生5.1V的基准电压,1脚通过电阻R和R分压(R与电容C。并联),得到2.5v左右的电压,以实现电路的软启动功能;3,4脚分别作为电流采样比较器的反、正相输入端,其中3脚接地(GND),4脚接主开关管Q(流过Q,的电流作为电流采样信号),同时通过电阻和电容c8接至振荡器CT端,进行斜坡补偿;5脚通过电阻R6和R1分压,得到2.5V的电压,作为电压误差放大器正相输入端的基准;6脚接输出电压的采样信号(该采样信号需经过光耦PC817隔离);7脚作为误差放大器的输出端,通过电阻R和电容.c.与6脚相连,构成PI调节器;8,9脚作为振荡器的震荡电容电阻端,分别接电容c,和电阻,实现系统开关频~f=-50kHz;10脚悬空;11脚和14脚产生两路互补方波信号(有一定的死区时间),分别输入到高压浮动驱动集成模块IR2113输入端的14脚和12脚;经自举电路后(自举二极管D、自举电容C),IR2113的输出端1脚和、8脚输出15V左右的互补信号,分别驱动主开关管Q1和辅助开关管Q2

2、系统主要器件参数

本文设计的开关电源系统参数如下:开关频率.50kHz,额定输出电压Uo=24V,输出的最大电流Io=2A。经Saber仿真辅助设计和相关计算,系统主要器件参数如下。

1)PFC电感L:选用电感量1mH、线径0.045cm的贴片电感。

2)储能滤波电容C18:通过计算得到C18容量为60uF,而在实际电路中,采用100uF/450V的铝电解电容。

 

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

 

绕组采用27号线(线径等于0.040cm),单股绕制14匝。

3、样机测试结果与分析

输入交流市电220V,对不加PFC部件与PFC部件正常工作的2种情况对样机进行测试,其输入电压、电流波形如图6所示。

 

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

 

由图6可知,与不加PFC部件的输入电压、电流波形相比,PFC部件正常工作时的输入电流波形没有发生畸变,且与输入电压的相位差几乎为零。

利用Fluke43B电能质量分析仪对样机进行实测,系统的功率因数达到了0.992。这也说明了本系统实现了功率因数校正的功能。

PFC部件正常工作时的电压和电流采样波形如图7所示。

 

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

 

由图7可知,PFC部件工作在断续模式,采用峰值电流模式控制,电压采样波形较为平稳,这也间接反映了输出电压是稳定的。

输出电压波形如图8所示。

 

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

 

由图8可知,系统的输出电压始终恒定在24V,除示波器探头引起的杂波干扰外,其自身纹波很小,达到了预期的效果。

输人电压ui=220V且满载时,测得输入电流有效值Ii=0.247A,计算得到输人功率Pi=UiIi=54.4W,输出功率Po=UoIo=48W,整机效率n=Po/Pi=0.88,因此,对于5Ow功率级的电源而言,该值满足设计要求。

4、结语

本文设计了一款基于PWM控制芯片UC3846的单级PFC开关电源。介绍系统整体方案的同时,详细剖析了系统电路原理。针对变压器参数的设计难题,给出了较为详尽地推导和选取原则。通过样机测试表明了,功率因数、满载效率和输出电压纹波均满足设计要求。可见,单级PFC技术能够有效地提高系统的功率因数;有源嵌位软开关技术可以降低开关管的损耗,从而提高电源效率。

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