功率因数可调单相AC-DC变换电路*

杨 力，张师斌，赵 宁

(东南大学电子科学与工程学院，南京210096)

YANGLi，ZHANGShibin，ZHAO Ning*

(School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

随着电力电子的飞速发展，电网中的谐波污染也日趋严重，许多AC-DC电路没有对功率因数进行校正，其对电网的污染降低了用电设备的效率，造成一系列危害，阻碍了电力电子技术的发展。

而解决这一问题的有效办法就是有源功率因数校正技术APFC(Active Power Factor Correction)。有源功率因数校正，就是从电路上采取措施，通常是在电源输入级接入功率因数校正网络［1］，使得电源的输入电流与输入电压同相，以实现功率因数的校正。本系统实现了功率因数校正的功能，在高效率ACDC变换的同时减少了对电网的谐波污染，测量并显示输出电压、功率因数等参数，具有稳压输出和过流保护功能，而且本系统还实现了功率因数可调的功能，可模拟低功率因数电路，相比单一的功率因数校正电路具有更广阔的应用性。

1 设计方案及工作原理

1．1 系统总框图

系统总框图如图1所示，变压器交流电压经过AC-DC变换电路，输出直流电压，其中AC-DC变换电路完成功率因数的校正。根据功率因数测量电路的输出，MSP430［2］反馈控制移相电路精准调节功率因数。电压电流测量电路实时监测输出电压和电流。若电压超出阈值，输出端接入DC-DC降压电路，保证输出电压不变。当输出电流超出阈值，MSP430切断电路，完成过流保护。其中4x4键盘用于手动设置功率因数，LCD12864用于显示测得的各个参数。

图1 系统总框图

该电路采用UCC28019A集成芯片，比分立原件搭建的电路更加可靠稳定，且电路外围电路简单，易于设计，其中Vsense引脚接输出电压反馈，在合适输入电压范围内可保证输出电压稳定不变。如图2所示，通过将芯片的3脚与电流反馈信号断开，接入如图4的移相电路，实现功率因数的调整。

本系统作为功率因数可调单相AC-DC变换电路，主要参数指标如下:其输入电压范围为交流20 V～30 V，输出电流≤2．5 A，输出电压稳定在直流36 V，其功率因数在0．8～1．0范围内可调。

1．2 功率因数校正

分立元件搭建的APFC电路［3］由于模块冗杂，且DSP控制算法［4］难度高，功率因数难以达到很高的指标。所以方案使用基于连续电流控制模式(CCM［5］)的功率因数校正芯片 UCC28019A［6］，其APFC的电路如图2所示。电路如图3所示。

该电路传递函数推导如下:

看作理想运放，则有U+=U－，代入求解得:

图2 APFC电路

1．3 功率因数调整

UCC28019A通过芯片内部电流和电压环双环控制来完成功率因数校正。根据这一点，功率因数的调节通过将电流反馈信号移相实现，而本系统要求功率因数在0．8～1．0可调，当功率因数为0．8时，电压与电流相位差为36．86°，系统移相电路至少需保证0°～36．68°的相移。采用常用的RC移相

图3 RC移相电路

如果取参数R1=R2，则表达式化简为

其模为1，理论上只产生相移而不会影响幅值。当R3=0时，相移为 0;当 ωC1R3=∞ 时，相移为－π。

图4 数控移相电路

将图3移相电路中的可调电阻用数字电位器X9C102(1K)代替，电阻值可以通过程序控制，即程序控制相位移动，电路图如图4所示。

1．4 功率因数测量

由于电流电压波形会失真，测量电流和电压的波形的相位差计算功率因数的方法误差很大，所以不适用。功率因数可由PF=P/S［7］而得，P为有功功率，S为视在功率，S可直接由测得的输入电压电流的有效值相乘得到，而有功功率可直接将电压电流波形通过乘法器后再计算其有效值得到。在变压器绕几圈线接出即可得到输入电压波形，使用霍尔电流传感器得到电流波形。有效值测量直接使用集成有效值计算芯片AD637［8］，然后为了AD采样的精准和稳定，使用了 24 bitΣ－Δ型 AD芯片ADS1248［9］，保证高测量精度。其电压有效值测量电路如图5所示。其电流有效值测量电路如图6所示。其有功功率功率测量电路如图7所示。

图5 电压有效值电路

图6 电流有效值电路

图7 有功功率有效值电路

1．5 DC-DC 降压

当输入交流电压有效值大于25．5 V时，由UCC28019A控制的Boost升压电路的输出电压将超出36 V。所以需要接一级可接入的降压电路稳定到36 V，若使用线性稳压芯片会影响电源效率，所以采用Buck降压电路［10］，效率可达到96%以上。因为降压电路的切换需要采集当前的电压输出，而且只在输入电压过高的时候使用，所以buck电路采取软件闭环控制，控制简单稳定，MCU负担不大。其电路如图8所示。

图8 DC-DC降压电路

1．6 输出电流测量

在最终电压输出端，与负载串联一个100 mΩ的电阻，其上电压正比于负载电流，两端电压通过INA282差分放大后接入电压跟随器，由AD采集最后输出后计算可得负载电流。在检测到输出电流大于2．5 A情况下，电路自动切断，实现过流保护。

2 系统软件设计分析

2．1 主程序流程图

系统软件设计分析主程序流程图如图9所示。

图9 主程序流程图

2．2 核心程序模块设计

2．2．1 AD 采样与显示

整个系统需要对多路模拟信号进行AD采集，而电路纹波较大，为了AD采集的稳定和精准，采用24 bitΣ－Δ型 AD芯片 ADS1248，ADS1248是 SPI接口［11］。所以在程序中让 MSP430的 IO口模拟SPI的时序，以实现对不同端口的AD值的读取。采集的值是24 bit二进制，所以用长整型格式保存，为了避免一次采集数据的误差，所以程序对AD值又进行了32次采样取平均，取平均通过向低位移5位实现，提高了程序效率。

显示采用LCD12864，先将每一个数据转换成字符串，长整型数据的每一位通过先除法再求余来转换成ACILL码，然后通过SPI时序向其写入数据即可显示。

2．2．2 功率因数的 PID［12］调节

在功率因数精确测量的情况下，通过对比设定的功率因数就可得到误差，因为只需要调整后的功率因数稳定，所以利用对误差的比例和微分运算实现PD调节就可以满足系统对响应时间的要求和功率因数的稳定，相比开环控制能具有更强的适应性。其具体实现方式为将功率因数测量值和设定值的差值作为误差，通过计算得到误差的比例项和微分项之和，以此作为移相电路中数字电位器电阻变化量，并根据测试选取合适的比例参数和微分参数，这种调节方式的精度只与数字电位器调节精度和功率因数测量精度相关，大大降低电路非线性和参数变化的影响。

2．2．3 DC-DC 降压电路的接入

在输入电压大于25．5V的情况下，UCC28019A所控制的Boost升压电路将超出36 V的输出电压，所以需要切入DC-DC降压电路。程序里面每个大循环都对UCC28019A所控制的电路的输出电压进行了AD采集，当输出电压大于36．1 V时，此时程序里面通过控制继电器接入DC-DC降压电路，同时开启MSP430内部PWM输出，控制DC-DC降压电路中的MOS管，根据末端输出的电压值，PD调节PWM的输出值。

性能测试

(1)输入保持24 V，调节负载电阻，输出电流I0=2 A时，输出电压为U0=35．99 V。

(2)根据输入输出功率计算得电路效率为91．4%。

(3)由单相电参数测试仪读取电路功率因数PF=0．997。

(4)负载调整率测试:保持输入电压为24 V，调节负载电阻，记录输出电压如表1所示。

表1 0．17 A～2．00 A输出电流下的输出电压

负载率0．056%。

(5)电压调整率测试:调节负载使输出电流Io=2 A，调节输入电压Us在20 V～30 V范围内变化，记录输出电压如表2所示。

表2 20 V～30 V输入电压下的输出电压

电压调整率0．028%。

(6)功率因数调整测试:设定不同功率因数，设定值、电参数测量仪测试结果如表3所示。

表3 功率因数在0．8～1．0内调整的测试结果

(7)过流保护测试:调节负载，使输出电流增加，当增加至2．5A时，电路切断保护。

3 结论

本系统采用UCC28019A芯片及外围电路、MSP430组成单相AC-DC变换电路系统，实现了功率因数调节的数字化、智能化，根据上述性能测试的数据，表明其电路性能达到了设计要求的各项指标，实现了功率因数的校正和可调、稳压输出和过流保护的功能。本电路由于是具有功率因数可调电路，因此，可以作为模拟低功率因数电路使用。UCC28019A芯片常用于较高交流电压输入的电路，而本设计也验证了该芯片在较低交流输入电压下也能正常工作，所以本设计也可作为UCC28019A的应用实例。

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