有源功率因數(shù)校正功率因數(shù)的定義功率因數(shù)pf定義為功率因數(shù)

1、有源功率因數(shù)校正、功率因數(shù)的定義功率因數(shù)PF定義為：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P U Ll 1 cos h(1) UlIrPF= P = 一 = - cos = cos S iR式中:基波因數(shù)，即基波電流有效值l 1與電網(wǎng)電流有效值Ir之比。lR：電網(wǎng)電流有效值l仁基波電流有效值U L：電網(wǎng)電壓有效值cos：基波電流與基波電壓的位移因數(shù)在線性電路中，無(wú)諧波電流，電網(wǎng)電流有效值 Ir與基波電流有效值l 1相等， 基波因數(shù) =1，所以PF= cos二1 cos二cos。當(dāng)線性電路且為純電 阻性負(fù)載時(shí)，PF= cos二1 1 = 1。二、有源功率因數(shù)校正技術(shù)1 有源功率

2、因數(shù)校正分類1按電路結(jié)構(gòu)分為：降壓式、升/降壓式、反激式、升壓式boost。其中升壓式為簡(jiǎn)單電流型控制，PF值高，總諧波失真THD : Total Harmonic Distortion 小，效率高，適用于75W2000W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)整作用在輸出電容器 C上保持高電壓，所以電容器C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(kāi)關(guān)瞬間輸入電流小，易于 EMl濾波 升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性2按輸入電流的控制原理分為：平均電

3、流型工作頻率固定，輸入電流連續(xù))、滯后電流型、峰值電流型、電壓控制型1iLi_(a)平均電流型圖1輸入電流波形圖其中平均電流型的主要有點(diǎn)如下：恒頻控制工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積小。能抑制開(kāi)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)雜需用乘法器和除法器需檢測(cè)電感電流需電流控制環(huán)路平均電流模式平均電流控制的控制器磚廠innrLnjinrLrU跟蹤餞差小瞬態(tài)特性好對(duì)噪聲不敏憋開(kāi)關(guān)頻率固定 THD/h EMI 小需檢測(cè)電感電流和乘法器， 控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜二極管反向恢復(fù)問(wèn)題UC3854ABEMI :電磁干擾(Electromagnetic-interference )(

4、3) 按輸入電流的工作模式分為：連續(xù)導(dǎo)通模式CCM(ContinuousConductionMode)和不連續(xù)導(dǎo)通模式 DCM(Disco nti nu ous Con duction Mode)。(4) 按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：雙級(jí)模式和單級(jí)模式。DC.TM：雙級(jí)、單級(jí)APFC比擬單級(jí)功率校正-峰值電流控制2、有源功率因數(shù)校正原理有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction，簡(jiǎn)稱APFC技術(shù)的思路是，控制已整流后的電流，使之在對(duì)濾波大電容充電之前能與整流后的電壓波形相同，從而防止形成電流脈沖，減小輸入電流諧波，到達(dá)改善功率因數(shù)的目的'D有源功率因數(shù)校正電路

5、原理圖整流器輸出電壓ud、升壓變換器輸出電容電壓uC與給定電壓U*c的差值都 同時(shí)作為乘法器的輸入，構(gòu)成電壓外環(huán)，而乘法器的輸出就是電流環(huán)的給定電 流 I*s。ud同相。升壓變換器輸出電容電壓uC與給定電壓U*c作比擬的目的是判斷輸出電壓 是否與給定電壓相同，如果不相同，可以通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使之與給定電壓相同， 調(diào)節(jié)器圖中的運(yùn)算放大器的輸出是一個(gè)直流值，這就是電壓環(huán)的作用。而整 流器輸出電壓ud顯然是正弦半波電壓波形，它與調(diào)節(jié)器結(jié)果相乘后波形不變， 所以很明顯也是正弦半波的波形且與將乘法器的輸出作為電流環(huán)的給定信號(hào)I*s，才能保證被控制的電感電流iL與電壓波形ud 一致。l*s的 幅值與輸出電壓

6、uC同給定電壓U*c 的差值有關(guān)，也與ud的幅值有關(guān)。L1中的電流檢測(cè)信號(hào)iF與l*s構(gòu)成電流環(huán)， 產(chǎn)生PWM信號(hào)，即開(kāi)關(guān)V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。V導(dǎo)通，電感電流iL增加， 電流線性增加，電能以磁能的形式儲(chǔ)存在電感線圈中，電容 C放電為負(fù)載提供 能量。當(dāng)iL增加到等于電流Is*時(shí)，V截止，二極管導(dǎo)通，電源和升壓電感L1 由 于線圈中的磁能將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持其電流iL不變，線圈L 轉(zhuǎn)化成VL與電源電壓VIN串聯(lián)高于輸出電壓釋放能量，同時(shí)給電容 C充電 和向負(fù)載供電， 這就是電流環(huán)的作用。這種電路優(yōu)點(diǎn)是輸入電流完全連續(xù)， 并且在整個(gè)輸入電壓的正弦周期都可以 調(diào)試，缺點(diǎn)是輸出電壓必須大于輸入電

7、壓的最大值，所以輸出電壓比擬高，不能利用開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。三、UC3854控制集成塊UC3854是一種工作于平均電流的的升壓型boostAPFC電路，它的峰值 開(kāi)關(guān)電流近似等于輸入電流，是目前使用最廣泛的 APFC電路。1、UC3854總體結(jié)構(gòu)UC3854的總體結(jié)構(gòu)如下列圖所示，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，以及峰值限制比擬器模塊，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)電壓鎖存比擬器，軟起動(dòng)等輔助環(huán)節(jié)。VCC ENA 10£3腔盤VYV SENSE

8、 11VAOUT MULTOUT CAOUT PKLlMRUNyIl OSCILLATORRR S7.EVREFIC . POWER1斗i*FISEN9E Cl1BV EIUgtdrv1 GNDUC3854內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中，標(biāo)有 A、B、C的方框是所謂的乘法器，電壓誤差 放大器的輸出在引腳7上可以測(cè)量到是乘法器的一個(gè)輸入，稱作A。乘法器的另一個(gè)輸入，取自整流器的輸出電壓波形，通過(guò)引腳6引入，稱作B。前饋電壓校正是通過(guò)引腳 6引入的，稱作 C。這三個(gè)量在乘法器里運(yùn)算后，乘法器輸出為電流Imo，它接到引腳5。這個(gè)電流Imo與實(shí)際電流值Isense引 腳4在電流誤差放大器中進(jìn)行比擬。電流誤差放大器的右側(cè)

9、是PWM比擬器。在PWM比擬器里，電流誤差放大器的輸出與芯片振蕩器的輸出斜坡電壓相比較。振蕩器與PWM比擬器的輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè) RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器再驅(qū) 動(dòng)推挽電路輸出PWM信號(hào)腳16，用來(lái)控制主電路開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷時(shí)刻。振蕩器的定時(shí)電容從引腳 14接入， 定時(shí)電阻器外接在腳 12，它在 UC3854中還起到乘法器的最大輸出電流限制作用。 另外，芯片工作電源自腳15 引入，腳1為芯片“地。UC3854內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖的左上角，包含了一個(gè)欠壓鎖定比擬器和一個(gè)使能比擬器，它們都是滯環(huán)比擬器，欠壓比擬器用來(lái)監(jiān)控芯片本身工作電源的電平；使能比擬器可用來(lái)控制芯片是處于工作狀態(tài)還是封鎖狀態(tài)，只有當(dāng)使能比擬器的輸出

10、 都為高電平時(shí)，才允許芯片進(jìn)入工作狀態(tài)。這兩個(gè)比擬器的下方是電壓比擬器。 芯片中的電壓比擬器實(shí)際上是電壓誤差 放大器。電壓比擬器的同相輸入端內(nèi)接 3V的參考電壓，反相輸入端連接到引 腳11，稱作Vsenee, Vsence代表的是輸出電壓。電壓誤差放大器旁邊所接的二極管是想表示其內(nèi)部作用而不是表示其實(shí)際 配置。電壓誤差放大器的同相輸入端還連到下方的軟啟動(dòng)電路。這樣可以讓電壓控制環(huán)在輸出電壓到達(dá)它的工作點(diǎn)之前就開(kāi)始工作，可以消除一般電源裝置深受其害的開(kāi)啟超調(diào)。 在引腳11與放大器反向輸入端之間所接的二極管同樣是一 個(gè)理想二極管，用來(lái)消除參考電壓上是否有額外的二極管壓降的疑慮。引腳2上提供一個(gè)緊急

11、峰值電流限制信號(hào)，當(dāng)腳2的電平被輕微地拉到“地以下時(shí)， PWM輸出信號(hào)就會(huì)被封鎖。芯片內(nèi)置了一個(gè)14uA電流源給軟起動(dòng)電路的定時(shí)電容器 CT充電。2、UC3854的引腳端功能表引腳序號(hào)引腳符號(hào)引腳說(shuō)明1Gnd接地端，器件內(nèi)部電壓均以此電壓為基準(zhǔn)2PK1MT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，使峰值電流比擬器反向端電位補(bǔ)償至零3CAOut電流誤差放大器的輸岀端，對(duì)輸入總線電流進(jìn)行檢測(cè)，并向脈寬調(diào)制器發(fā)送電流校正信 號(hào)的寬帶運(yùn)放輸岀4Isense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)高于一0.5伏因采用二極管對(duì)地保護(hù)15MultO

12、ut乘法放大器的輸岀和電流誤差放大器的正向輸入端6IAC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岀工頻總線相連，并用電阻與芯片內(nèi)基準(zhǔn)相連7VAOut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，但假設(shè)低于1伏乘法器便無(wú)輸出8VRMS前饋總線電壓有效值端，與跟輸入線電壓有效值正比的電阻相連時(shí)，可對(duì)線電壓的變化 進(jìn)行補(bǔ)償9 1VREF基準(zhǔn)電壓輸岀端，可對(duì)周邊電路提供10mA的驅(qū)動(dòng)電流10ENA允許比擬器輸入端，不用時(shí)與+5伏電壓相連11VSENSE電壓誤差放大器反向輸入端，在芯片外與反應(yīng)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12RSET1

13、2腳信號(hào)與地接入不同的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器的輸岀和乘法器的最大輸岀13SS軟起動(dòng)端，與誤差電壓放大器同相端相連14CT接對(duì)地電容器CT,作為振蕩器定時(shí)電容15VCC正電源閾值為10V16V16GTDrvPWMW號(hào)的圖騰輸出端，外接 MOSFE管的柵極，該端電壓箝位在 15V3、主要電路參數(shù)設(shè)計(jì)3.1主要設(shè)計(jì)要求(1) 輸入：AC 220V ± 20%, 50Hz ± 5%。(2) 輸出：DC 400V。(3) 輸出功率：5000W。(4) 電壓調(diào)整率：W 1%,負(fù)載10%100%變化范圍時(shí)。(5) 效率：?80% 。(6) 功率因數(shù)：在輸入電壓 220V ± 20

14、%，輸出 滿載時(shí)，?99%。3.2主要參數(shù)計(jì)算與選擇(1) 主開(kāi)關(guān)器件 VT的選擇即400V。開(kāi)關(guān)器件所承受的開(kāi)關(guān)器件所承受的最大電壓為輸出直流電壓, 最大電流為線路的最大峰值電流lline(pk)?！皣峬in式(3)中，Pout為輸出功率，為5000W； Vin(min)為最低網(wǎng)壓的有效值,為220 (1%20%) V; n 為電源效率，為 0.8。算出：hine(pk)=50A。根據(jù)開(kāi)關(guān)器件對(duì)電壓和電流的要求， 開(kāi)關(guān)器件選擇單管型IGBT器件?？紤] 適當(dāng)?shù)脑６纫约霸谳^高溫度下的降額使用后， 本設(shè)計(jì)選擇1200V/150A的IGBT 器件。(2) 開(kāi)關(guān)頻率的選擇開(kāi)關(guān)頻率高，可以減小APFC電

15、路的結(jié)構(gòu)尺寸，提高功率密度，減小失真； 但頻率太高又會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗，影響效率。本設(shè)計(jì)中將開(kāi)關(guān)頻率選擇為 30kHz， 作為尺寸與效率之間的一種綜合考慮， 這樣的頻率下，電感量的大小合理，尖峰 失真小，電感器的物理尺寸較小，IGBT和Boost二極管VD上的功率耗損也 不會(huì)過(guò)多。(3) Boost電感的計(jì)算5在變換器頻率一定的情況下，電感值決定了輸入端高頻紋波的值。線路輸入電流的最大值I line(pk)發(fā)生在最小網(wǎng)壓的峰值處，它的值前已算出， 即 Iline(pk)=50A。升壓變換器的最大紋波電流發(fā)生在占空比為50%處，也就是當(dāng)升壓比為M=Vout/Vin=1心-D)=2 時(shí)。電感器紋波電流

16、的峰峰值，通常是按照最大輸入電流值的20%來(lái)選取的，這只是經(jīng)驗(yàn)值，因?yàn)檫@通常不是高頻紋波電流的最大值。紋波電流選擇過(guò)大，就可能使變換器進(jìn)入斷續(xù)工作方式的時(shí)間在整個(gè)周期占的比例過(guò)大，為此就必須設(shè)計(jì)更大的輸入濾波器，以衰減更高頻的紋波電流。UC3854由于采用了平均電流方 式控制，因此允許變換器在連續(xù)與斷續(xù)工作方式下平穩(wěn)過(guò)渡并保持性能根本不 變。電感器的電感量是根據(jù)最小網(wǎng)壓下，正弦波定點(diǎn)處的電流幅值和占空比D，再結(jié)合開(kāi)關(guān)頻率來(lái)選擇的。(4)A/(5)式(4)、(5)中，?I是紋波電流的峰峰值；Vout是輸出電壓；Vin(pk)是最 小網(wǎng)壓的峰值；fs是開(kāi)關(guān)頻率。由4、5上式可算出：D=0.38,

17、L=0.31mH。 高頻紋波電流是疊加在線路電流之上的， 所以峰值電感電流就是線路電流的幅值 與1/2紋波電流峰峰值的和。本設(shè)計(jì)中，已將峰值電流限制設(shè)定為120%的最大 電流，即60A。因此電感器額定電流按60A選擇。2升壓二級(jí)管VD的選擇升壓二級(jí)管應(yīng)選trr 小,正向壓降小且具有軟恢復(fù)特性的超快恢復(fù)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60A，并留有一定的裕度。3輸出電容器的選擇流過(guò)輸出電容器的總電流是開(kāi)關(guān)紋波電流與二次諧波線路電流之和。 輸出電 容器的選擇應(yīng)考慮開(kāi)關(guān)頻率、紋波電流值、二次諧波紋波電流、直流輸出電壓值、 輸出紋波電壓值及維持時(shí)間。輸出維持時(shí)間，在選擇輸出電容器的電