基于UCC28019的有源功率因数校正系统

[摘 要] 针对电力系统中非线性负载的应用，对电网造成谐波污染及降低了系统的功率因数的问题，分析了UCC28019及单周控制的优势，设计了一款基于UCC28019的单周控制有源功率因数校正（APFC）模块，并进行测试，该模块具有功率因数高、控制技术先进、设计简单、成本低廉等优势。

[关键词] UCC28019；单周控制；APFC

[中图分类号] TM46 [文献标识码] A

为解决各类电力电子设备造成的输入电流存在大量谐波的问题，引入了功率因数校正技术，即对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波。TI公司推出的UCC28019是一款有源功率因数校正芯片，该芯片采用近似单周控制技术，使系统接近单位功率因数。本文介绍了UCC28019的工作原理及单周控制优势，在此基础上，设计了一款单周控制的功率因数校正模块，给出了实验结果。

1 简介

1.1 功率因数

在理想情况下，如果负载为线性稳定的，电路中同频率的电压和电流都是正弦波，φ是电压越前于电流的相位差，此时功率因数为：

式中，URMS和IRMS是电压、电流的有效值，单位分别为V、A；

而在电流非正弦情况下，

==

式中，I1RMS为基波电流有效值成分，THD为总谐波畸变，为：

1.2 功率因数校正

根据采用的方法的不同可以分成有源功率因数校正（APFC）和无源功率因数校正（PPFC）。无源功率因数校正技术（Passive PFC），简称PPFC，是通过在电路中使用阻容等无源元件，对电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。此方法电路结构简单，功率因数最大也可以达到0.9以上，但无源元件的体积较大，成本高，而且对电流波形失真的抑制效果较差，校正有限制。

有源功率因数校正技术（Active PFC），简称APFC，是采用无源器件和全控型器件构成的功率变换电路对输入电流的波形进行控制，是指成为与电源电压同向的正弦波，功率因数也可以达到0.995，能达到谐波滤除和功率因数校正效果，目前其应用越来越广泛，本文采用此种方法。

2 系统结构

2.1 单周期控制技术

在介绍UCC28019之前，先引入一个新概念――单周期控制技术（One Cycle Control，OCC）。单周期控制技术是一种新颖的非线性控制技术，它能逐周期地调节功率器件的占空比，仅在一个开关周期内实现控制目标。与传统的功率因数校正技术相比该控制技术具有控制电路简单、响应速度快、鲁棒性好、抗输入干扰性能好等优点。典型的中大功率的单相有源PFC采用CCM模式、开关频率固定和基于乘法器的控制方式，其控制电路包括电压控制外环、电流控制内环、乘法器等，因此它的控制电路比较复杂，需要较多的外设，从而导致了设计步骤繁琐、元器件多、体积大、成本高等不足。

2.2 UCC28019的系统结构

UCC28019的振荡频率由内部固定为65 kHz，这样可以有效地避免外界的干扰，提高振荡频率的稳定性。该芯片输出的PWM最大占空比为97%，驱动信号采用图腾柱输出结构，灌电流（峰值电流）为2.0 A，拉电流（峰值电流）为1.5 A，输出电压最大为12.5 V，可直接驱动MOSEFT。

TI公司推出的UCC28019是一款8引脚的电流连续导通模式控制器，使用Boost拓扑结构，该器件的输入电压范围宽，成本低，能以极小的谐波失真获得接近单位功率因数的水平，适用于0.1 kW～2 kW的场合。另外，通过控制输出反馈电压端的电压还可以实现输出电压的调节。经过分析，UCC28019芯片具有单周期控制特征，电压误差放大器是一个跨导型放大器，使得输出分压电路与误差放大器分离开来，电流环在芯片内部集成，只需要电容即可实现环路的设计。根据元件的参数表可以方便的设计电路，其引脚少，电路简单。

芯片内部系统的控制环路包括一个电压环和一个电流环。输出电压通过分压电阻接入VSENSE，引脚内部接入电压误差放大器的反相输入端，其同相端接5 V基准电压，反馈电压与基准电压比较后得到调制电压，连接到内部的电压补偿电路电压补偿环的输出连接到电流环的输入。另外，从采样电阻检测到的电流信号送入ISENSE引脚经过缓冲，反相放大后将得到的信号通过电流放大器进行平均，其输出ICOMP引脚上的电压与平均电感电流成比例。平均电流放大器的增益由VCOMP引脚内部的电压决定，该增益设置为非线性，因此，可以适应全球范围内的交流输入电压。输入电压经过分压后连接到VINS端，分别连接到一个放大器的同相端和另一个放大器的反相端，连接到同相端的放大器的另一端接1.5 V基准电压，决定了输入最小电压的大小，连接到反相端的放大器的另一端接0.82 V基准电压，其用于输入掉电保护。

3 系统工作原理

单相有源PFC电路及其主要波形如图1所示，电路实际上是整流滤波电路和升压斩波电路组成的。

图1为BOOST拓扑结构图，当开关管导通时，升压二极管导通，电源和电感串联作为负载的供电端，当开关管关断时，升压二极关断，电源给电感充电，负载由电容给供电，每个开关周期流过电感的电流都流过开关管，因此控制开关管的通断可以控制流过电感的电流的通断，当开关管按照正弦规律变化时，电感上的电流就呈正弦波，再通过让电流的相位跟踪电压的相位则可以达到功率因数校正的目的。

整个电路中，直流电压给定信号和实际输出直流电压相比较后，送入电压调节器，调节输出电压为直流电流指令信号，此信号和整流后的标准正弦电压信号相乘，得到直流输入电流的参考信号，此信号和实际电路中的输入电流信号相比较，而后通过滞环对开关器件进行控制，使输入电流信号跟踪输入电压信号，这样交流侧电流波形将近似为交流电压信号同向的正弦波，跟踪误差由滞环宽决定。实际电路中由于输出电压很高，采用给输出分压后采集，电压给定为芯片内部的5 V基准源，输入端电流采样接在地一端，方便采样，同时也比较安全。

实际的电路图，如图2：

4 实验结果

在完成基于UCC28019的电源设计之后，进行了模块的制作，测试了额定输入电压为50 V、额定输出电压为110 V、额定功率为100 W状态下，模块的工作结果，如图图3为输入电压和输入电流的波形图，其中幅值大的为电压波形，幅值较小的为电流波形，可以看到其相位基本一致，说明校正完成。

图4电压的直流耦合波形图，可以看到输出电压为近似为110 V，输出波动的峰峰值在小于6 V，也即输出波动小于5%。炽灯，输出电压为110V，其中输入电压和输入电流都是有效值，可以看到功率因数都在0.96以上，最高达到0.984，满足设计要求。

5 结束语

基于UCC28019的有源功率因数校正模块，结构简单，功率因数高，而且UCC28019具有完善的保护功能，模块稳定性高，在电力行业具有很好的应用前景。

参考文献：

[1]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[G].机械工业出版社，2011.

[2]张晓峰，高斌.电气自动化实验教程[M].国防工业出版社，2010.

[3]齐俊生，崔杜武.黑新宏嵌入式硬实时与实现[J].计算机应用，2003.

作者简介：陈虎亮（1983-），男，助理工程师，工学学士，研究方向：发电厂集控运行方面工作。