功率因數(shù)校正控制器UC3854的建模與應(yīng)用

時(shí)間：2011-02-11 07:12:44

關(guān)鍵字：建模控制器功率因數(shù)校正 UC3854

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[導(dǎo)讀]摘要：介紹功率因數(shù)校正控制器UC3854的組成原理與特性，根據(jù)宏模型概念，構(gòu)建UC3854主要功能模塊的宏模型，并以該宏模型為核心對(duì)功率因數(shù)校正電路在PSPICE環(huán)境下進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：功率因數(shù)宏模型仿真The Constructi

摘要：介紹功率因數(shù)校正控制器UC3854的組成原理與特性，根據(jù)宏模型概念，構(gòu)建UC3854主要功能模塊的宏模型，并以該宏模型為核心對(duì)功率因數(shù)校正電路在PSPICE環(huán)境下進(jìn)行仿真。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)宏模型仿真

The Construction of the Macro Model for Power Factor Controller UC3854

Abstract:The paper introduces the internal structure, main features of the power factor controller UC3854, constructs the macro model for the main function sub－ models of UC3854 and runs a computer simulation in the environment of PSPICE

Keywords: Power factor Macro model Simulation

1引言

　　隨著功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)在我國(guó)的重視與應(yīng)用，功率因數(shù)校正專(zhuān)用控制器的研究漸趨增加?？紤]到CAD技術(shù)迅速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法發(fā)生了革命性變革。計(jì)算機(jī)仿真參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅高效、安全、節(jié)省經(jīng)費(fèi)，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，計(jì)算機(jī)仿真可忽略寄生效應(yīng)，避免噪聲干擾，還可簡(jiǎn)化復(fù)雜電路。

　　然而國(guó)內(nèi)對(duì)功率因數(shù)校正專(zhuān)用控制器的計(jì)算機(jī)仿真模型的研究尚不多見(jiàn)，為了更好地利用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)進(jìn)行高頻功率變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)功率因數(shù)校正專(zhuān)用集成電路的計(jì)算機(jī)仿真模型的研究很有必要。

　　目前，PFC專(zhuān)用集成電路有很多品種，國(guó)外的一些半導(dǎo)體廠(chǎng)商如Motorola、Unitrode、SiliconGeneral、Siemens、MicroLinear都開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了PFC專(zhuān)用集成電路。常見(jiàn)的有專(zhuān)用于升壓變換型功率因數(shù)校正專(zhuān)用集成電路MC34261、TDA4814、TDA4815、TDA4816、TDA4817、UC3854、ML4819等。各種產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和性能有所不同，但其結(jié)構(gòu)與功能模塊基本相同。

　　本文將以Unitrode公司的功率因數(shù)校正專(zhuān)用集成電路UC3854的主要參數(shù)進(jìn)行宏模型構(gòu)建并對(duì)利用所建模型構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路進(jìn)行仿真。

2UC3854的結(jié)構(gòu)與主要特性

圖1UC3854的總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1UC3854的組成結(jié)構(gòu)

　　UC3854的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)功能模塊：電壓誤差放大器模塊，電流誤差放大器模塊，乘除法器模塊，鋸齒波發(fā)生器模塊，輸出驅(qū)動(dòng)模塊，以及峰值限制比較器模塊，欠電壓過(guò)電壓保護(hù)模塊，軟起動(dòng)模塊和一些數(shù)字邏輯。為了簡(jiǎn)化模型，建模中省去欠電壓、過(guò)電壓鎖存比較器，軟起動(dòng)等輔助環(huán)節(jié)。

2.2UC3854的關(guān)鍵特性

表1列出了UC3854各主要功能模塊的關(guān)鍵特性。

表2 列出了UC3854管腳說(shuō)明。

3模塊宏模型的構(gòu)建

3.1誤差放大器

　　UC3854內(nèi)部有電壓誤差放大器和電流誤差放大

表1UC3854的關(guān)鍵參數(shù)

參數(shù)	測(cè)試條件	典型值	單位
電壓誤差放大器
Vsense偏置電流		－25	nA
開(kāi)環(huán)增益		100	dB
輸出電壓擺幅		0.8～5.8	V
短路電流	VAOut=0	－20	mA
電流誤差放大器
Isense偏置		－120	nA
開(kāi)環(huán)增益		110	dB
輸出電壓擺幅		0.5～16	V
短路電流		－20	mA
增益帶寬積		800	kHz
乘法器
最大輸出電流		－200	μA
增益因子		－1.0
振蕩器
振蕩頻率	RSET=8.2k	102	kHz
斜坡幅度		5.5	V
輸出驅(qū)動(dòng)
輸出高電壓	200mAloadonGTDrv,VCC=15V	12.8	V
輸出低電壓	200mAloadonGTDrv	1.0	V

圖2電壓誤差放大器原理示意圖

圖3電壓誤差放大器宏模型示意圖 [!--empirenews.page--]

表2UC3854管腳說(shuō)明

管腳序號(hào)	管腳符號(hào)	管腳說(shuō)明
1	Gnd	接地端，器件內(nèi)部電壓均以此電壓為基準(zhǔn)
2	PK1MT	峰值限定端，其閾值電壓為零伏與芯片外電流傳感電阻負(fù)端相連，有可與芯片內(nèi)接基準(zhǔn)電壓的電阻相連，使峰值電流比較器反向端電位補(bǔ)償至零
3	CAOut	電流誤差放大器的輸出端，對(duì)輸入總線(xiàn)電流進(jìn)行傳感，并向脈寬調(diào)制器發(fā)送電流校正信號(hào)的寬帶運(yùn)放輸出
4	Isense	電流傳感信號(hào)接至電流放大器反向輸入端，4腳電壓應(yīng)高于－0.5伏（因采用二極管對(duì)地保護(hù)）
5	MultOut	乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的正向輸入端
6	IAC	乘法器前饋交流輸入端，與B端相連，6腳的設(shè)定電壓為6伏，通過(guò)外接電阻與整流橋輸出工頻總線(xiàn)相連，并用電阻與芯片內(nèi)基準(zhǔn)相連
7	VAOut	誤差電壓放大器的輸出電壓，這個(gè)信號(hào)又與乘法器A端相連，但若低于1伏乘法器便無(wú)輸出
8	VRMS	前饋總線(xiàn)電壓有效值端，與跟輸入線(xiàn)電壓有效值正比的電阻相連時(shí)，可對(duì)線(xiàn)電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償
9	VREF	基準(zhǔn)電壓輸出端，可對(duì)周邊電路提供10mA的驅(qū)動(dòng)電流
10	ENA	允許比較器輸入端，不用時(shí)與＋5伏電壓相連
11	VSENSE	電壓誤差放大器反向輸入端，在芯片外與反饋網(wǎng)絡(luò)相連，或通過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)與功率因子較正器輸出相連
12	RSET	12腳信號(hào)與地接入不同的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出
13	SS	軟起動(dòng)端，與誤差電壓放大器同相端相連
14	CT	接對(duì)地電容器CT，作為振蕩器定時(shí)電容
15	VCC	正電源閾值為10V～16V
16	GTDrv	PWM信號(hào)的圖騰輸出端，外接MOSFET管的柵極，該端電壓箝位在15V

器，它們的基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似，其差別在于電流誤差放大器對(duì)電流控制電路有特殊要求，其增益和帶寬要大于電壓誤差放大器。因此我們這里只給出電壓誤差放大器的宏模型示意圖，圖2為電壓誤差放大器的原理圖，圖3為其相應(yīng)的宏模型示意圖。

　　在圖2中，運(yùn)放的正向輸入端連接傳感電壓，反向輸入端連接到基準(zhǔn)電壓，運(yùn)放的輸出經(jīng)過(guò)三極管與6.2k的電阻構(gòu)成射極跟隨引出。

　　在圖3中，RI和CI決定了電壓誤差放大器的輸入阻抗，電壓控制電流源G1以及電容CI決定了電壓誤差放大器的增益帶寬積，通過(guò)二極管VD2和VD3以有源功率因數(shù)校正

圖4乘法器宏模型示意圖

圖5振蕩器宏模型示意圖

圖6輸出驅(qū)動(dòng)模塊宏模型示意圖

圖7包含UC3854的功率因數(shù)校正電路圖

及電源Uo和UN來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差放大器輸出的箝拉。 [!--empirenews.page--]

3.2乘法器模型

　　乘法器的模型構(gòu)建在整個(gè)集成電路的建模中非常重要，圖4給出了其宏模型的具體實(shí)現(xiàn)。該乘法器有三個(gè)輸入：電壓誤差放大器的輸出（EAOUT），輸入AC電流（IAC），URMS輸入。其中，IAC端輸入的是電流信號(hào)，而它的采樣是功率級(jí)的輸入電壓，這可以用一個(gè)6V的電壓源UIAC來(lái)進(jìn)行電壓信號(hào)/電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換。注意到輸出端輸出的是電流信號(hào)，該乘法器的輸出電流可用下式表示：

IMO=K×IAC(UEAOUT－1)（1）

式中：K為增益調(diào)節(jié)因子，它隨著功率級(jí)的輸入電壓URMS之變化而變化，它可以用下式表示：

K=k/U2RMS（2）

式中：k為乘法器增益常數(shù)，其典型值為1V。

圖8開(kāi)關(guān)管柵級(jí)驅(qū)動(dòng)脈沖波形（fS=5kHz）

圖9開(kāi)關(guān)管柵級(jí)驅(qū)動(dòng)脈沖波形（fS=100kHz）

3.3振蕩器模型

　　鋸齒波發(fā)生器的振蕩頻率和死區(qū)時(shí)間由外圍電路元件RT和CT共同決定，其工作原理在參考文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)的介紹，在此不再重述。圖5給出了鋸齒波發(fā)生器的原理示意圖。

　　圖5中，參考電壓，UD，RT，F(xiàn)CHARG共同決定了電容的充電電流，而電流源G的加入與否則受X1的控制。當(dāng)X1輸出為6.3V時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，G為12mA，電容放電；當(dāng)X1輸出為1.1V時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，G為0mA，電容充電。為了較精確地控制開(kāi)關(guān)的門(mén)限電平，其中采用了數(shù)字輸入輸出器件。

3.4輸出驅(qū)動(dòng)電路

　　圖6為輸出驅(qū)動(dòng)電路的宏模型，由圖可以很容易分析出其工作的原理。其中，兩個(gè)三極管組成推挽式的輸出驅(qū)動(dòng)。這是在構(gòu)造宏模型時(shí)所做的簡(jiǎn)化，輸入信號(hào)為該芯片內(nèi)部邏輯輸出，對(duì)本電路來(lái)說(shuō)是一個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)。其輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)受到箝位二極管VDCL的箝位，用以對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。

4仿真應(yīng)用實(shí)例

　　為了更好地理解和利用以上所構(gòu)建的宏模型，下面以該模型為核心對(duì)圖7所示功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真。

圖10輸入電壓、電流波形與輸出電壓波形

　　該P(yáng)FC電路的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　最大輸出功率：200W

　　輸入電壓：220VAC50Hz

　　輸出電壓范圍：380～400V

　　開(kāi)關(guān)頻率：fs=100kHz

　　仿真的結(jié)果可總結(jié)為圖8、圖9、圖10及表3。其中圖9所示為穩(wěn)態(tài)情況下電流誤差放大器，鋸齒波發(fā)生器的鋸齒波，功率開(kāi)關(guān)管的柵級(jí)驅(qū)動(dòng)脈沖。由于開(kāi)關(guān)工作頻率為100kHz所以該圖中只能看到部分波形，如果降低頻率為5kHz則可非常明顯地看出為SPWM波，如圖8所示。

　　圖10所示為整流后的輸入電壓波形，整流后的輸入電流波形，功率級(jí)輸出電壓波形。從該圖中可以看到，輸出電壓還是比較理想的，在保留二倍頻諧波的情況下，基本不含高次諧波。輸入電流的波形在相位上與輸入電壓基本保持同相，波形的畸變也不大。表3對(duì)不同工頻電壓情況下的功率因數(shù)作了一個(gè)總結(jié)，可以看出其功率因數(shù)有了較大的改善。

表3不同工頻電壓下的性能