基于UCC28019的功率因數(shù)校正實驗平臺設(shè)計
作者吳振宇 吳冀平 楊啟涯 辛全彬 大連理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院(遼寧 大連 116023)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/344570.htm摘要：基于有源功率因數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)，設(shè)計了一款高功率因數(shù)開關(guān)電源實驗平臺，平臺具有自動功率因數(shù)校正，結(jié)構(gòu)簡單，保護(hù)措施完善等優(yōu)勢。平臺整體系統(tǒng)設(shè)計以德州儀器公司的APFC芯片UCC28019為核心器件，采用電流內(nèi)環(huán)加電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制，保證了系統(tǒng)功率因數(shù)不低于0.95，采用電流電壓互感器采集信號相位，測量并實現(xiàn)功率因數(shù)實時顯示，同時也可對異常輸出進(jìn)行繼電保護(hù)。電源系統(tǒng)采用BOOST升壓電路，在輸出36V/2A額定條件下效率不低于95%，采用良好的閉環(huán)反饋電路補償機制，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均不高于0.5%。控制核心采用Freescale的MC9S12XS128單片機，完成功率因數(shù)測量、電壓/電流的動態(tài)測量、參數(shù)顯示、過流保護(hù)等功能。測試表明，整體系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計需求。
1 系統(tǒng)方案
本實驗平臺主要由BOOST升壓電源模塊、功率因數(shù)采集模塊、單片機運算模塊、功率因數(shù)校準(zhǔn)及設(shè)定模塊、電源模塊組成，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1，下面分別討論各模塊電路選用的基礎(chǔ)。
1.1 電源模塊
采用BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源。該拓?fù)渚哂须娐泛唵?、電源?cè)電流波動小等優(yōu)點，同時也可讓學(xué)生充分體驗開關(guān)升壓電路的技術(shù)特點和重要設(shè)計參數(shù)，了解電感手工制作過程。相比于推挽拓?fù)?，本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，且更適用于小功率型電源。
1.2 功率因數(shù)采集模塊
本方案采用電流互感器、電壓互感器采集電流電壓相位信息，經(jīng)過放大等處理后由單片機算得相位差，進(jìn)而求解功率因數(shù)，與集成計量芯片ATT7053芯片方案[3-5]相比較，本方案具有良好的電氣隔離性能、成本低，且對原電路影響小等優(yōu)點。
1.3 功率因數(shù)校準(zhǔn)及設(shè)定模塊
UCC28019是德州儀器公司生產(chǎn)的專用功率因數(shù)校正芯片，芯片接口簡潔，且具有自動功率因數(shù)校正的功能，可完美與BOOST電路配合使用[6]，完全解決了用軟件設(shè)定開關(guān)管關(guān)斷延遲而導(dǎo)致的不確定因素，提升了電路穩(wěn)定性[7]。
2 電路與程序設(shè)計
2.1 功率因數(shù)校正模塊設(shè)計
功率因數(shù)校正部分基于UCC28019設(shè)計，主要分為輸入繼電保護(hù)部分、BOOST電路功率變換部分、UCC28019周邊電路、IRF540功率MOS開關(guān)管及驅(qū)動電路、輸出反饋電路。其中，繼保部分利用單片機檢測到的輸出電流電壓值控制繼電器開斷，對系統(tǒng)異常做出處理，設(shè)定為輸出電流大于2.5A保護(hù);BOOST電路部分設(shè)計為輸出額定電壓36V，并且采用了二極管阻容電路對尖峰電壓進(jìn)行抑制;UCC28019周邊電路參考德州儀器給出的設(shè)計手冊，結(jié)合實際需要進(jìn)行修改;由于系統(tǒng)功率不超過100W，電流也較小，故采用MOS管進(jìn)行開斷，節(jié)約了開關(guān)驅(qū)動部分成本，IRF540也具有導(dǎo)通阻抗小的優(yōu)勢，有利于提升系統(tǒng)的效率;反饋電路采用電阻分壓的方案，使用抗溫飄性能好的精密電阻，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，且設(shè)置電位器改變輸出電壓值以勝任不同需求。電路原理設(shè)計如圖2。
2.2 功率因數(shù)測量模塊及程序設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計了功率因數(shù)測量單元，用于實時測定功率因數(shù)，同時判定是否需要發(fā)出繼電保護(hù)信號，功率因數(shù)測量模塊設(shè)計框圖如圖3。
功率因數(shù)采集單元安裝互感器測量電流電壓信號，用OP07及LM358構(gòu)成放大跟隨電路，互感器得出的信號可以放大到單片機內(nèi)部AD可以直接采集的大小，而后直接交由單片機處理。小信號處理部分原理圖設(shè)計如圖4所示。
本系統(tǒng)采用Freescale的MC9S12XS128單片機，完成功率因數(shù)測量，并實現(xiàn)電壓、電流等動態(tài)參數(shù)顯示，同時通過測得電流值快速實現(xiàn)過流保護(hù)等功能。采集及繼電保護(hù)軟件流程如圖5。
3 測試方案與測試結(jié)果
3.1 測試方案
首先上電調(diào)試反饋電路使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，而后依次測試電路電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、效率等參數(shù)。測試前保證設(shè)定輸出電壓為36V，輸出電流為2A額定狀態(tài)，測量輸入電壓在20~30V間變化時的輸出電壓得出電壓調(diào)整率并計算效率，同時記錄系統(tǒng)功率因數(shù)。而后，調(diào)整輸出負(fù)載，使輸出電壓在0.2~2.5A間變化，測量輸出電壓變化，得出負(fù)載調(diào)整率，同時驗證系統(tǒng)在電流超過2.5A時是否可以自行保護(hù)[8]。
3.2 測試結(jié)果及分析
測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。由數(shù)據(jù)得出系統(tǒng)電壓調(diào)整率不高于0.5%，負(fù)載調(diào)整率不高于0.5%，效率等參數(shù)不低于95%，功率因數(shù)不低于0.95。可實現(xiàn)過流保護(hù)，保護(hù)電流為2.5A。
3.3 測試結(jié)果及分析
綜上所述，本設(shè)計用BOOST升壓電路實現(xiàn)了功率因素測量與校正，滿足教學(xué)中關(guān)于功率因數(shù)校正問題實際驗證的需求，體現(xiàn)功率因數(shù)校正的意義與方法。同時模塊還可應(yīng)用于BOOST電路的示教和設(shè)計教學(xué)，具有一定的實用價值。
參考文獻(xiàn)：
[1]張桂東,張波,李忠,等.一種基于圖論的電力電子拓?fù)錁?gòu)造方法[C]//中國電源學(xué)會第二十屆學(xué)術(shù)年會. 2013.
[2]宋卓.淺談電子式互感器的原理及比較[J].輕工科技, 2009, (2):60-61.
[3]代朝飛.單相遠(yuǎn)程費控智能電能表設(shè)計[D].浙江工業(yè)大學(xué), 2011.
[4]姚川.適用于寬輸入電壓范圍的Buck-Boost直流變換器及其控制策略的研究[D].華中科技大學(xué),2013.
[5]燕哲.基于單片機的PWM型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程, 2015, (05):262-263.
[6]陳虎亮.基于UCC28019的有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)[J].創(chuàng)新科技, 2013, (12):74-75.
[7]秦娟英,陸家珍.逆變電源的功率因數(shù)校正[J].通信電源技術(shù), 2004, 21(1):28-30.
[8]古鵬,黃崢.可預(yù)置功率因數(shù)補償裝置的設(shè)計[J].電子設(shè)計應(yīng)用, 2007, (08):115-116.
本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第48頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。
標(biāo)簽： 功率因數(shù)校正 UCC28019 BOOST MC9S12XS128 20170203
