基于UC3854芯片的一种有源电路功率因数校正电路方案.docx

基于UC3854芯片的一种有源电路功率因数校正电路方案摘要：主要介绍了有源功率因数校正（APFC）的工作原理、电路分类。设计了基于UC3854芯片的一种有源电路功率因数校正电路方案，着重分析了电路参数的选择和设计。实践证明采用APFC后，输出电压纹波大大降低，实现了功率因数校正。关键词：功率因数；有源功率因数校正；UC38541.引言20世纪70年代，家用电器开始逐步变频化，出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。但是电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染。另外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器件承受很大的电应力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EMI)，而且情况日趋严重。许多国家都已制定了限制谐波的国家标准，国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也分别于1984年和1993年制定了限制谐波的有关规定。我国加入WTO后，国产家电产品将面临入世的严峻挑战。为获得与国外同类产品同等的市场竞争地位，国家认监委在2003年5月1日以后对家电产品强制执行“3C认证”标准。这些都迫切需要可产品化的谐波抑制和功率因数校正方案。本文即讨论了功率因数校正方案，并在此基础上着重分析了校正电路参数。2.功率因数校正原理1功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。即：500)this.style.width=500; border=0 （1）式中： 500)this.style.width=500; border=0表示输入基波电流有效值； 500)this.style.width=500; border=0表示输入电流有效值；500)this.style.width=500; border=0表示输入电流失真系数；500)this.style.width=500; border=0 表示基波电压和基波电流之间的相移因数。所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（500)this.style.width=500; border=0 ）与相移因数（500)this.style.width=500; border=0 ）的乘积。可见功率因数（PF）由电流失真系数（500)this.style.width=500; border=0 ）和基波电压、基波电流相移因数（500)this.style.width=500; border=0 ）决定。500)this.style.width=500; border=0 低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，500)this.style.width=500; border=0 值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。功率因数校正PFC（Power Factor Correction）技术，从其实现方法上来讲，就是使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形，使得输入电流波形为正弦波(500)this.style.width=500; border=0 =1)，且和电压波形同相位（ 500)this.style.width=500; border=0=1）。在理想情况下，可将整流器的负载等效为一个纯电阻，此时的PF值为1，所以有时又把功率因数校正电路叫做电阻仿真器。功率因数校正技术大致可以分为无源和有源两种，考虑到无源PFC的体积庞大且性能较差，因此本文只针对有源功率因数校正APFC（Active Power Factor Correction）技术做些探讨。3.有源功率因数校正电路设计有源功率因数校正（APFC）法，就是在整流器和负载之间接一个DCDC变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦波形，从而把功率因数提高到0.99或更高。由于有源功率因数校正电路结构模式有若干种，需要进行比较后确定一种结构。3.1按有源功率因数校正电路结构分（1）降压式如UC3871，因其噪声大，滤波困难，功率开关管上的电压应力大，控制驱动电平易浮动，故很少被采用。（2）升/降压式如TDA4815、TDA4818，须用两个功率开关管，其中一个功率开关管上的驱动控制信号浮动，电路复杂，故较少被采用。（3）反激式如ML4813，输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下小功率的应用场合。（4）升压式（boost）此方法被广泛采用，其特点为简单电流型控制，PF值高，总谐波失真系数THD小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于752000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：电路中的电感L适用于电流型控制；由于升压型APFC的预调整作用在输出电容C上保持高电压，所以电容C的体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波；升压电感L能阻止电压、电流的瞬变，提高了电路的可靠性。3.2按输入电流的控制原理分（1）平均电流型如ML4832、UC3854，工作频率恒定，采用连续调制模式（CCM）。这种控制方式的优点是恒频控制；工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小；能抑制开关噪声；输入电流波形失真小。主要缺点是控制电路复杂；须用乘法器和除法器；须检测电感电流；需电流控制环路。（2）滞后电流型。如CS3810，工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流，（3）峰值电流型。如ML4831、MC34262，工作频率可变，采用不连续调制模式（DCM）。DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，主要缺点是功率因数和输入电压与输出电压的比值有关，即当输入电压变化时，功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随输入电压与输出电压的比值的加大而总谐波失真系数变大；开关管的峰值电流大（在相同容量情况下，DCM中通过开关器件的峰值电流为 CCM的两倍），从而导致开关管损耗增加。所以在大功率APFC电路中，常采用CCM方式。（4）电压跟踪控制型如ML4813、SG3561，工作频率固定，采用不连续调制模式（DCM）。3.3有源功率因数校正电路设计基于以上各种电路结构的特点分析可知，考虑到变频设备的功率范围在752000W的应用场合，选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC电路来实现较为适合。在具体的电路设计中，控制芯片选用UC3854（内部结构见图1）2，这是Unitrode公司生产的一款高功率因数校正集成控制电路芯片，它的峰值开关电流近似等于输入电流，对瞬态噪声的响应极小，是一款理想的APFC控制芯片。500)this.style.width=500; border=0下面给出由UC3854构成的有源功率因数校正电路框图，如图2所示。500)this.style.width=500; border=04.电路主要参数设计4.1主要设计要求输入电压：AC 80260V输出电压：DC 400V输出功率：250W4.2主要参数设计（1）振荡器的输出和乘法器的最大输出调节电阻500)this.style.width=500; border=0由于500)this.style.width=500; border=0 直接影响到UC3854中乘法器输出电流的最大值，且乘法器输出电流不能超过乘法器的前馈交流输入电流的2倍，综合考虑后选取 500)this.style.width=500; border=015K。（2）开关频率的选择开关频率高可以减小APFC电路的结构尺寸，提高功率密度，减小失真；但频率太高会增大开关损耗，影响效率。在大多数应用中，20300kHz的开关频率是一个较好的范围。本设计中开关频率选择为100kHz，这样电感量的大小合理，尖峰失真小，电感的物理尺寸较小，MOSFET和Boost 二极管上的功率耗损也不会过多。（3）Boost电感的计算1功率因数校正的前提条件是使输入电感中电流保持连续状态，即纹波电流I要小于最小输入交流电流峰值的两倍。则取电感 500)this.style.width=500; border=0（临界电感）。而 500)this.style.width=500; border=0（mH）为：500)this.style.width=500; border=0500)this.style.width=500; border=0（5）升压二级管的选择选 500)this.style.width=500; border=0小，正向压降小且软度好的二极管。二极管的额定电流必须大于电感上电流的最大峰值，并留有一定的裕度，（6）开关器件的选择由于开关频率20kHz，所以选MOS管。对MOS主要关心的是导通损耗，应选导通电阻 500)this.style.width=500; border=0小的；开关管的额定电流必须大于电感上电流的最大峰值，并留有一定的裕度。（7）电流环路的设计电流环开环为一阶积分系统，应有尽可能高的低频增益以减小稳态误差；为使系统稳定地运行，必须对电流环路进行补偿；电流调节器的零点必须处于或小于最大截止频率，此时系统刚好有45的相角裕量；为了消除系统在开关频率处对噪声的敏感，应在电流调节器中引入一个极点，极点的频率为1/2开关频率，当极点频率大于1/2开关频率时，极点就不会对电流环路的频率响应产生影响；开关频率处应呈现衰减特性，以消除环路中的开关噪声；环路应有尽可能高的穿越频率，以实现快速跟随；环路应有足够的稳定裕量，使电路具有强鲁棒性。（8）电压环路的设计为了电路稳定地工作，必须对电压控制环进行补偿，但因为电压控制环路的带宽比开关频率要小，所以对电压控制环路的要求，主要是为了保证输入失真最小。首先，环路的带宽必须足够低，以衰减输出电容上电网频率的二次谐波，保证输入电流的调制量较小；其次，电压误差放大器必须有足够的相移，使得调制出的信号能够与输入电压保持同相，从而获得较高的功率因数。电压环开环为一阶积分系统。为了减少二次谐波电流引起的失真，电压误差放大器须引入一个极点进行补偿，以减小谐波电压的幅度并提供90的相移。4.3 UC3854典型应用电路原理图2下面是结合上面的电路方案和具体的参数设计，给出了UC3854典型应用电路原理图，