UC3855A/UC3855B高性能功率因数预调节器

2011-04-14 08:16:50来源: 互联网 关键字:性能  功率  功率因数  调节

电源转换器正朝着越来越高的功率密度的方向发展。通常,获得这种高功率密度的方法是提高开关频率,可以缩小滤波器组件的尺寸。但是,提升开关频率会极大地增加系统的开关损耗,而这种损耗会阻碍系统在高于 100 kHz 的开关频率上运行。

1 引言

为了在保持一定效率的同时增加开关频率,人们开发出了几种软开关技术(1、2 和 3)。大多数谐振技术都增加了半导体电流和/或电压应力,从而导致器件体积增大,并增加大环流带来的传导损耗。然而,一种新型转换器被开发了出来,其允许在没有增加开关损耗的情况提高开关频率,同时克服了谐振技术的大部分弊端。在实现主开关零电压开启和升压二极管零电流关闭的时候,零电压转换 (ZVT) 转换器工作在一个固定频率上。这仅仅是通过在开关转换期间运用谐振操作来实现的。在周期的剩余时间里,从根本上将谐振网络从电路中消除,而且转换器的运行同其非谐振部分完全一致。

同传统的升压转换器相比,这种技术带来了效率方面的提高,并可以在低应力下运行升压二极管(这是因为关闭状态下受控的 di/dt)。二极管软开关还可以降低 EMI(这是一个重要的系统考虑因素)。

有源功率因数校正将对转换器的输入电流进行编程以跟随线电压,并且有可能实现 3% THD 的 0.999 功率因数。Unitrode UC3855A/B IC 集成了功率因数校正控制电路,该控制电路可以为高功率因数提供数个电流传感和功率级 ZVT 运行方面的增强特性。

UC3855 集成了设计一款带有平均电流模式控制功能的 ZVT 功率级所需的所有控制功能。由于其能够在避免斜率补偿和其他方法(5、6)低噪声抗扰度的同时对输入电流进行精确地编程,因此人们选择了平均电流模式控制。

1.1 ZVT 技术


1.1.1 ZVT 升压转换器功率级

除开关转换以外的整个开关周期中,ZVT 升压转换器的运行均同传统的升压转换器一样。图 1 显示的就是 ZVT 升压功率级。ZVT 网络由 QZVT、D2、Lr 和 Cr 组成,提供了升压二极管和主开关的有源缓冲。[4、7、8] 描述了 ZVT 电路的运行情况,为了叙述的完整性在此处进行了回顾。参见图 2,下列时序间隔可以被定义为:

图 1 具有 ZVT 功率级的升压转换器

图 2 ZVT 时序结构图

1.1.2 ZVT 时序


1.1.2.1 t0-t1

t0 之前的时间里,主开关处于关闭状态,二极管 D1 正传导满负载电流。在 t0 处,辅助开关 (QZVT) 被开启。由于辅助开关处于开启状态,Lr 中的电流线性地上升至 IIN。在此期间,二极管 D1 中的电流正逐渐下降。当二极管电流达到零时,该二极管关闭(例如 D1 的软开关)。在实际电路中,由于二极管需要一定时间来消除结电荷 (junction charge),因此会有一些二极管逆向恢复。ZVT 电感上的电压为 VO,因此电流上升至 Iin 所需要的时间为:

1.1.2.2 t1-t2

在 t1 处,Lr 电流达到了 IIN,且 Lr 和 Cr 开始产生谐振。该谐振周期在其电压等于零以前对 Cr 放电。漏极电压的 dv/dt 由 Cr(Cr 为外部 CDS 和 COSS 的组合)控制。Cr 放电的同时流经 Lr 的电流不断增加。漏极电压达到零所需要的时间为谐振时间的 1/4。在该周期结束时,主开关的主体二极管开启。

1.1.2.3 t2-t3

在该时间间隔开始时,开关漏极电压已达到 0V,并且主体二极管被开启。流经该主体二极管的电流将由 ZVT 电感驱动。该电感上的电压为零,因此电流处于续流状态。此时,主开关被开启,以实现零电压开关。 1.1.2.4 t3-t4

在 t3 处,UC3855 感应到 QMAIN 的漏极电压降至零,并在关闭 ZVT 开关的同时开启主开关。ZVT 开关关闭以后,Lr 中的能量被线性地从 D2 释放至负载。

1.1.2.5 t4-t5

在 t4 处,D2 中的电流趋于零。当这种情况发生时,该电路就像一个传统升压转换器一样运行。但是,在一个实际电路中,Lr 同驱动 D1 阴极(由于 Lr 的另一端被钳位控制至零)正极节点的 ZVT 开关 COSS 一起谐振。在 ZVT 电路设计部分将对这种影响进行讨论。

1.1.2.6 t5-t6

该级也非常像一个传统升压转换器。主开关关闭。QMAIN 漏-源节点电容充电至 VO,并且主二极管开始向负载提供电流。由于节点电容起初将漏极电压保持在零状态,因此关闭损耗被极大地降低了。

由上述内容可知,这种转换器的运行仅在开启开关转换期间不同于传统升压转换器。主功率级组件并未出现比正常情况更多的电压或电流应力,而且开关和二极管均历经了软开关转换。通过极大地减少开关损耗,可以在不降低效率的情况下增加工作频率。二极管也可以在更低的损耗条件下工作,从而在更低温度、更高可靠性的条件下运行。该软开关转换还降低了主要由升压二极管硬关闭引起的 EMI。

1.1.3 控制电路要求

为了保持主开关的零电压开关,ZVT 开关在 Cr 电压谐振至零以前必须为开启状态。通过使用一个相当于低线压和最大负载条件下 tZVT 的固定延迟,可以实现这一目标。

但是,这样一来在轻负载或更高线压的条件下延迟的时间会比必要延迟时间更长,从而会增加 ZVT 电路传导损耗以及峰值电流应力。通过感应 QMAIN 漏极电压何时降至为零,UC3855 实现了一个可变 tZVT。一旦该电压降至 ZVS 引脚阈值电压 (2.5V) 以下时,ZVT 栅极驱动信号便被终止,并且主开关栅极驱动升高。图 3 显示了该控制波形。在振荡器开始放电时开关周期开始,ZVT 栅极驱动在放电周期开始时升高。在 ZVS 引脚感应到零电压状态或者放电期间结束(振荡器放电时间为最大 ZVT 脉宽)以前,ZVT 信号均处于高位。这样就使 ZVT 开关仅在需要的时候开启。

图 3 ZVT 控制波形

2 控制电路运行及设计


 

图 4 显示了 UC3855A/B 的结构图(引脚数与 DIL−20 封装相当)。其显示了一款集成了基本 PFC 电路的控制器,包括平均电流模式控制以及促进 ZVT 工作的驱动电路。该器件还具有简化电流传感的电流波形合成器电路,以及过压和过电流保护。在下列各章节中,该控制器件被分解成若干个功能模块,并对其进行了单独的讨论。

图 4 UC3855 控制器结构图

2.1 与 UC3854A/B 的比较

UC3855A/B 的 PFC 部分与 UC3854A/B 完全一样。他们共有的几个设计参数在下面被突出显示了出来,以说明其相似性。

功能 UC3854A/B UC3855A/B
使能功能 专用引脚 集成到了 OVP
VRMS 的设计范围 1.5V~4.7V 1.5V~4.7V
VA 的 VREF 3V 3V
VA 的 VREF 6V 6V
IAC 处的失调电压 0.5V 0.7V
乘法器增益

UC3855A/B 中集成的新特性包括:

  • ZVT 控制电路
  • 过压保护
  • 电流合成器

2.2 振荡器

振荡器包括一个内部电流源和散热片,因此仅需要一个外部时序电容器 (CT) 来设置频率。将额定充电电流设置为 500μA,放电电流为 8mA。放电时间大约为总时间的 6%,其定义了最大 ZVT 时间。CT 的计算可通过下式得出:

2.3 ZVT 控制电路

正如 ZVT 技术部分所述,UC3855A/B 提供了控制逻辑,以确保 ZVT 在所有线压及负载状态下运行,并且无需使用一个固定延迟。ZVS 引脚对 MOSFET 漏极电压进行感应,并为一个 ZVT 驱动比较器输入。另一个比较器输入被内部偏置至 2.5V。当 ZVS 输入为 2.5V 以上(并出现 PWM 时钟信号)时,ZVT 驱动信号可升高。下拉 ZVS 引脚可终止 ZVT 驱动信号,并开启主开关输出(最大 ZVT 输出信号等于振荡器放电时间)。图 5 显示了用于感应节点电压的网络。R12 将引脚上拉至 7.5V 的最大值,同时C6提供滤波功能。

图 5 ZVS 传感电路

RC 时间常数应该足够快,以在最大占空比时达到 2.5V。该漏极电压受限于将主MOSFET dv/dt变慢的节点电容,其降低了 ZVS 电路上的高速要求。最大 ZVS 引脚电压应被限制在 VREF,否则 ZVS 电路就会变为闭锁状态,无法正确工作。

ZVS 运行的另一种方法是,通过一个简单的分压器来感应漏极电压。但是,该电压仍然必须被滤波(和钳位控制),以便不会将噪声注入 ZVS 引脚。

如欲了解时序波形,请参考前面的图 3。

3 栅极驱动


 

主驱动可提供 1.5 APK,ZVT 驱动为 0.75APK。由于 ZVT 运行,主开关驱动阻抗要求被减少。在开启时,漏极电压为0V,因此密勒电容效应不再是一个问题;在关闭时,dv/dt 受限于谐振电容器。由于 ZVT MOSFET 通常为至少两个小于主开关的裸片尺寸,因此一个较低的峰值电流容量就可以满足其驱动要求。

3.1 乘法器/分压器电路

UC3855A/B 的乘法器部分与 UC3854A/B 完全一样。其集成了输入电压前馈功能(通过 VRMS 输入),以消除对输入电压环路增益的依赖性。正确地设置该器件,需要定义的参数只有三个(VVRMS、IIAC 和 RIMO)。

3.1.1 VRMS

该乘法器对线电流进行编程,从而影响线路的功耗。考滤到系统功耗限制,对 VRMS 引脚进行编程。参考该结构图(图 4),乘法器输出方程式为:

功耗限制函数由电压环路误差放大器 VEA (6 V) 的最大输出电压来设置。通过观察给定 VEA 值情况下的变化可以轻松地阐明功耗限制函数。如果该 AC 线压降低 2倍,那么前馈电压效应 (V2VRMS) 则降低至四分之

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关键字:性能  功率  功率因数  调节

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0414/article_6899.html
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