基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

文立群，肖强晖

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源

文立群，肖强晖

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

设计了一种基于PWM控制芯片UC3846的恒压源，其适用于175～265V宽电压的交流输入，额定输出电压为24V，输出电流为2A。采用单级三端PFC校正技术，提高系统的功率因数；采用有源嵌位软开关技术，降低开关应力，提高电源的输出效率。仿真和实物测试结果表明，本恒压源的输入功率因数可达到0.992；在额定负载下，整机效率可达到88%以上。

UC3846；单级PFC；有源嵌位；软开关

0 引言

对电力电子装置而言，高功率因数能够有效减少其对电网的谐波污染。目前，在工程上应用最多的高功率因数开关电源大多采用两级DC/DC开关变换器串联的方式，即所谓的PFC（power factor correction）串联DC/DC变换器技术[1]。这种电路的缺点是采用了两级级联，所需元器件多、成本高，且效率低，特别是应用于中小功率场合时，经济性很差。目前，针对中小功率的AC/DC开关电源，为了降低成本和提高效率，国内外学者着力研究单级高功率因数电路。因此，研究单级PFC技术具有重要的现实意义。

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[2]。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（electro magnetic compatibility）滤波整流电路、主电路（含功率变换器、隔离变压器）、PWM（pulse width modulation）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[3]。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。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

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Q2和一个嵌位电容Cg，构成有源嵌位；利用变压器漏感作为谐振电感Lr，主开关管Q1和辅助开关管Q2的输出电容及电路中其他的寄生电容总和作为谐振电容Cr（虚线部分），通过Lr和Cr的谐振来实现软开关。

图2 带有源嵌位和软开关的Boost-Flyback变换器主电路图Fig.2 The main circuit diagram for Boost-Flyback converter with active-clamping and soft-switching

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-65～150℃的外部环境，输入电压范围为8～40V。该芯片的结构框图如图3所示。

图3 UC3846的结构框图Fig.3 The structure diagram of UC3846

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[4]，最终得到本文样机的电路原理图，如图4所示。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R4和R5分压（R5与电容C11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Q1（流过Q1的电流作为电流采样信号），同时通过电阻R3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R7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R8和电容C10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C7和电阻R2，实现系统开关频率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D8、自举电容C13），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。

图4 电路设计原理图Fig.4 The circuit design schematic diagram

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f=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L3：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。

3）最大占空比Dmax：分析电路得

式中：Vin,DC为整流后的直流电压；VAD为截止状态下开关管承受电压VDS的增加值，该值的大小主要参照直流母线电压Ve，本文取100V。代入相关数据，可得Dmax≈0.29。

4）功率开关管Q1, Q2：选用英飞凌公司生产的900V/8A的FQA8N90C。

5） 钳位电容C14：选用0.1uF/1000V的贴片电容；也可选用相同容量的CBB电容。

6）输出滤波电感L4：选用3.5mH、线径0.1cm的工字电感。

7）输出滤波电解C18：通过计算得到C18容量为116uF，为降低输出电压纹波，选用220uF/50V的铝电解电容。

8）变压器T1：磁芯选用ETD29[5]；初级绕组采用26号线（线径 =0.045cm），单股绕制130匝；次级绕组采用22号线（线径 =0.070cm），3股并绕22匝；辅助绕组采用27号线（线径 =0.040cm），单股绕制14匝[6]。

3 样机测试结果与分析

样机实物图如图5所示。

图5 样机实物图Fig.5 Sample physical photo

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。

图6 2种情况下的输入电压、电流波形图Fig.6 The waveforms for input voltage and current under two conditions

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Fluke 43B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。

图7 电压与电流采样波形Fig.7 The sampling waveform of voltage and current

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。

图8 输出电压波形Fig.8 The output voltage waveform

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[7]，其自身纹波很小，达到了预期的效果。

输入电压Ui=220V且满载时，测得输入电流有效值Ii=0.247A，计算得到输入功率Pi=UiIi≈54.4W，输出功率Po=UoIo=48W，整机效率 =Po/Pi≈0.88，因此，对于50W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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[4] 李中启，肖强晖，廖无限. 新型双BUCK恒流源的研究[J]. 湖南工业大学学报，2011，25(4)：70-72. Li Zhongqi，Xiao Qianghui，Liao Wuxian. Research on the New Double-BUCK Constant Current Source[J]. Journal of Hunan University of Technology，2011，25(4)：70-72.

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（责任编辑：邓 彬）

UC3846-Based Active Clamp and Single-Stage PFC Switched Power Supply

Wen Liqun，Xiao Qianghui
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A constant voltage source based on PWM control chip UC3846 is designed, which applies to the 175～265V AC input voltage, and the rated output voltage is 24V and output current is 2A. The single stage PFC-three terminal correction technique is used to enhance the power factor of the system；meanwhile，the active clamping-soft switch technology is used to reduce the switch stress and improve the output efficiency of the power. The simulation and physical test shows that the input power factor of the constant voltage source is 0.992 and the system efficiency reaches 88% under the rated load.

UC3846；single-stage PFC；active clamping；soft switch

TP17

A

1673-9833(2014)02-0052-04

2014-01-30

湖南省教育厅基金资助项目（13C023）

文立群（1986-），男，湖南邵阳人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为AC/DC，DC/DC功率变换器，

E-mail：qqwlq1123@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.02.011