基于UC3854芯片的一種有源電路功率因數(shù)校正電路方案

1、基于UC3854芯片的一種有源電路功率因數(shù)校正電路方案摘要：主要介紹了有源功率因數(shù)校正（APFC）的工作原理、電路分類。設(shè)計(jì)了基于UC3854芯片的一種有源電路功率因數(shù)校正電路方案，著重分析了電路參數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明采用APFC后，輸出電壓紋波大大降低，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；有源功率因數(shù)校正；UC38541.引言20世紀(jì)70年代，家用電器開始逐步變頻化，出現(xiàn)了電磁烹任器、變頻照明器具、變頻空調(diào)器、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH(感應(yīng)加熱)飯堡、變頻洗衣機(jī)等。但是電力電子裝置中的相控整流和不可控二極管整流使輸入電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，不但大大降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，還引起了嚴(yán)重的

2、諧波污染。另外，硬件電路中電壓和電流的急劇變化，使得電力電子器件承受很大的電應(yīng)力，并給周圍的電氣設(shè)備及電波造成嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)，而且情況日趨嚴(yán)重。許多國(guó)家都已制定了限制諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)政府也分別于1984年和1993年制定了限制諧波的有關(guān)規(guī)定。我國(guó)加入WTO后，國(guó)產(chǎn)家電產(chǎn)品將面臨入世的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為獲得與國(guó)外同類產(chǎn)品同等的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)地位，國(guó)家認(rèn)監(jiān)委在2003年5月1日以后對(duì)家電產(chǎn)品強(qiáng)制執(zhí)行“3C認(rèn)證”標(biāo)準(zhǔn)。這些都迫切需要可產(chǎn)品化的諧波抑制和功率因數(shù)校正方案。本文即討論了功

3、率因數(shù)校正方案，并在此基礎(chǔ)上著重分析了校正電路參數(shù)。2.功率因數(shù)校正原理1功率因數(shù)（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值。即：500)this.style.width=500;" border=0> （1）式中： 500)this.style.width=500;" border=0>表示輸入基波電流有效值； 500)this.style.width=500;" border=0>表示輸入電流有效值；500)this.style.width=500;" border=0>表示輸入電流失真系數(shù)；500)this

4、.style.width=500;" border=0> 表示基波電壓和基波電流之間的相移因數(shù)。所以功率因數(shù)可以定義為輸入電流失真系數(shù)（500)this.style.width=500;" border=0> ）與相移因數(shù)（500)this.style.width=500;" border=0> ）的乘積。可見功率因數(shù)（PF）由電流失真系數(shù)（500)this.style.width=500;" border=0> ）和基波電壓、基波電流相移因數(shù)（500)this.style.width=500;" border=0>

5、; ）決定。500)this.style.width=500;" border=0> 低，則表示用電電器設(shè)備的無(wú)功功率大，設(shè)備利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大。同時(shí)，500)this.style.width=500;" border=0> 值低，則表示輸入電流諧波分量大，將造成輸入電流波形畸變，對(duì)電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時(shí)，對(duì)三相四線制供電，還會(huì)造成中線電位偏移，致使用電電器設(shè)備損壞。功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correction）技術(shù)，從其實(shí)現(xiàn)方法上來(lái)講，就是使電網(wǎng)輸入電流波形完全跟蹤電網(wǎng)輸入電壓波形，使得輸入電流波形為正弦波(500)this.

6、style.width=500;" border=0> =1)，且和電壓波形同相位（ 500)this.style.width=500;" border=0>=1）。在理想情況下，可將整流器的負(fù)載等效為一個(gè)純電阻，此時(shí)的PF值為1，所以有時(shí)又把功率因數(shù)校正電路叫做電阻仿真器。功率因數(shù)校正技術(shù)大致可以分為無(wú)源和有源兩種，考慮到無(wú)源PFC的體積龐大且性能較差，因此本文只針對(duì)有源功率因數(shù)校正APFC（Active Power Factor Correction）技術(shù)做些探討。3.有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)有源功率因數(shù)校正（APFC）法，就是在整流器和負(fù)載之間接一個(gè)DCD

7、C變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦波形，從而把功率因數(shù)提高到0.99或更高。由于有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)模式有若干種，需要進(jìn)行比較后確定一種結(jié)構(gòu)。3.1按有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)分（1）降壓式如UC3871，因其噪聲大，濾波困難，功率開關(guān)管上的電壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動(dòng)電平易浮動(dòng)，故很少被采用。（2）升/降壓式如TDA4815、TDA4818，須用兩個(gè)功率開關(guān)管，其中一個(gè)功率開關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng)，電路復(fù)雜，故較少被采用。（3）反激式如ML4813，輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡(jiǎn)單電壓型控制，適用于150W以下小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。（4）升壓式（boost）此

8、方法被廣泛采用，其特點(diǎn)為簡(jiǎn)單電流型控制，PF值高，總諧波失真系數(shù)THD小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。適用于752000W功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：電路中的電感L適用于電流型控制；由于升壓型APFC的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容C上保持高電壓，所以電容C的體積小、儲(chǔ)能大；在整個(gè)交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)；輸入電流連續(xù)，并且在APFC開關(guān)瞬間輸入電流小，易于EMI濾波；升壓電感L能阻止電壓、電流的瞬變，提高了電路的可靠性。3.2按輸入電流的控制原理分（1）平均電流型如ML4832、UC3854，工作頻率恒定，采用連續(xù)調(diào)制模式（CCM）。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是恒

9、頻控制；工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積??；能抑制開關(guān)噪聲；輸入電流波形失真小。主要缺點(diǎn)是控制電路復(fù)雜；須用乘法器和除法器；須檢測(cè)電感電流；需電流控制環(huán)路。（2）滯后電流型。如CS3810，工作頻率可變，電流達(dá)到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關(guān)通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流，（3）峰值電流型。如ML4831、MC34262，工作頻率可變，采用不連續(xù)調(diào)制模式（DCM）。DCM采用跟隨器方法具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是功率因數(shù)和輸入電壓與輸出電壓的比值有關(guān)，即當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，功率因數(shù)PF值也將發(fā)生變化，同時(shí)輸入電流波形隨輸入電壓與輸

10、出電壓的比值的加大而總諧波失真系數(shù)變大；開關(guān)管的峰值電流大（在相同容量情況下，DCM中通過(guò)開關(guān)器件的峰值電流為 CCM的兩倍），從而導(dǎo)致開關(guān)管損耗增加。所以在大功率APFC電路中，常采用CCM方式。（4）電壓跟蹤控制型如ML4813、SG3561，工作頻率固定，采用不連續(xù)調(diào)制模式（DCM）。3.3有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)基于以上各種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析可知，考慮到變頻設(shè)備的功率范圍在752000W的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇工作于連續(xù)調(diào)制模式下的平均電流型升壓式APFC電路來(lái)實(shí)現(xiàn)較為適合。在具體的電路設(shè)計(jì)中，控制芯片選用UC3854（內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1）2，這是Unitrode公司生產(chǎn)的一款高功率因數(shù)校正集成控

11、制電路芯片，它的峰值開關(guān)電流近似等于輸入電流，對(duì)瞬態(tài)噪聲的響應(yīng)極小，是一款理想的APFC控制芯片。500)this.style.width=500;" border=0>下面給出由UC3854構(gòu)成的有源功率因數(shù)校正電路框圖，如圖2所示。500)this.style.width=500;" border=0>4.電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)4.1主要設(shè)計(jì)要求輸入電壓：AC 80260V輸出電壓：DC 400V輸出功率：250W4.2主要參數(shù)設(shè)計(jì)（1）振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出調(diào)節(jié)電阻500)this.style.width=500;" border=0>由

12、于500)this.style.width=500;" border=0> 直接影響到UC3854中乘法器輸出電流的最大值，且乘法器輸出電流不能超過(guò)乘法器的前饋交流輸入電流的2倍，綜合考慮后選取 500)this.style.width=500;" border=0>15K。（2）開關(guān)頻率的選擇開關(guān)頻率高可以減小APFC電路的結(jié)構(gòu)尺寸，提高功率密度，減小失真；但頻率太高會(huì)增大開關(guān)損耗，影響效率。在大多數(shù)應(yīng)用中，20300kHz的開關(guān)頻率是一個(gè)較好的范圍。本設(shè)計(jì)中開關(guān)頻率選擇為100kHz，這樣電感量的大小合理，尖峰失真小，電感的物理尺寸較小，MOSFET和Boo

13、st 二極管上的功率耗損也不會(huì)過(guò)多。（3）Boost電感的計(jì)算1功率因數(shù)校正的前提條件是使輸入電感中電流保持連續(xù)狀態(tài)，即紋波電流I要小于最小輸入交流電流峰值的兩倍。則取電感 500)this.style.width=500;" border=0>（臨界電感）。而 500)this.style.width=500;" border=0>（mH）為：500)this.style.width=500;" border=0>500)this.style.width=500;" border=0>（5）升壓二級(jí)管的選擇選 500)this.

14、style.width=500;" border=0>小，正向壓降小且軟度好的二極管。二極管的額定電流必須大于電感上電流的最大峰值，并留有一定的裕度，（6）開關(guān)器件的選擇由于開關(guān)頻率>20kHz，所以選MOS管。對(duì)MOS主要關(guān)心的是導(dǎo)通損耗，應(yīng)選導(dǎo)通電阻 500)this.style.width=500;" border=0>小的；開關(guān)管的額定電流必須大于電感上電流的最大峰值，并留有一定的裕度。（7）電流環(huán)路的設(shè)計(jì)電流環(huán)開環(huán)為一階積分系統(tǒng)，應(yīng)有盡可能高的低頻增益以減小穩(wěn)態(tài)誤差；為使系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行，必須對(duì)電流環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償；電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)必須處于或小于最大截

15、止頻率，此時(shí)系統(tǒng)剛好有45°的相角裕量；為了消除系統(tǒng)在開關(guān)頻率處對(duì)噪聲的敏感，應(yīng)在電流調(diào)節(jié)器中引入一個(gè)極點(diǎn)，極點(diǎn)的頻率為1/2開關(guān)頻率，當(dāng)極點(diǎn)頻率大于1/2開關(guān)頻率時(shí)，極點(diǎn)就不會(huì)對(duì)電流環(huán)路的頻率響應(yīng)產(chǎn)生影響；開關(guān)頻率處應(yīng)呈現(xiàn)衰減特性，以消除環(huán)路中的開關(guān)噪聲；環(huán)路應(yīng)有盡可能高的穿越頻率，以實(shí)現(xiàn)快速跟隨；環(huán)路應(yīng)有足夠的穩(wěn)定裕量，使電路具有強(qiáng)魯棒性。（8）電壓環(huán)路的設(shè)計(jì)為了電路穩(wěn)定地工作，必須對(duì)電壓控制環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，但因?yàn)殡妷嚎刂骗h(huán)路的帶寬比開關(guān)頻率要小，所以對(duì)電壓控制環(huán)路的要求，主要是為了保證輸入失真最小。首先，環(huán)路的帶寬必須足夠低，以衰減輸出電容上電網(wǎng)頻率的二次諧波，保證輸入電流的調(diào)制量較?。黄浯?，電壓誤差放大器必須有足夠的相移，使得調(diào)制出的信號(hào)能夠與輸入電壓保持同相，從而獲得較高的功率因數(shù)。電壓環(huán)開環(huán)為一階積分系統(tǒng)。為了減少二次諧波電流引起的失真，電壓誤差放大器須引入一個(gè)極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，以減小諧波電壓的幅度并提供90°的相移。4.3 UC3854典型應(yīng)用電路原理圖2下面是結(jié)合上面的電路方案和具體的參數(shù)設(shè)計(jì)，給出了UC3854典型應(yīng)用電路原理圖，如圖3所示。500)