采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用

一． 功率因數(shù)校正原理

1．功率因數(shù)（PF）的定義
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

所以功率因數(shù)可以定義為輸入電流失真系數(shù)（）與相移因數(shù)（）的乘積。

可見(jiàn)功率因數(shù)（PF）由電流失真系數(shù)（）和基波電壓、基波電流相移因數(shù)（）決定。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)，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。

由于常規(guī)整流裝置常使用非線性器件（如可控硅、二極管），整流器件的導(dǎo)通角小于180^o，從而產(chǎn)生大量諧波電流成份，而諧波電流成份不做功，只有基波電流成份做功。所以相移因數(shù)（）和電流失真系數(shù)（）相比，輸入電流失真系數(shù)（）對(duì)供電線路功率因數(shù)（PF）的影響更大。

為了提高供電線路功率因數(shù)，保護(hù)用電設(shè)備，世界上許多國(guó)家和相關(guān)國(guó)際組織制定出相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以限制諧波電流含量。如：IEC555-2， IEC61000-3-2，EN 60555-2等標(biāo)準(zhǔn)，它們規(guī)定了允許產(chǎn)生的最大諧波電流。我國(guó)于1994年也頒布了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）。

傳統(tǒng)的功率因數(shù)概念是假定輸入電流無(wú)諧波電流（即I₁=I_rms 或=1）的條件下得到的，這樣功率因數(shù)的定義就變成了PF =。

二．PF與總諧波失真系數(shù)（THD：The Total Harmonic Distortion）的關(guān)系

三.功率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)方法
由功率因數(shù)可知，要提高功率因數(shù)，有兩個(gè)途徑：

1.使輸入電壓、輸入電流同相位。此時(shí)=1 ，所以PF= 。

2.使輸入電流正弦化。即I_rms=I1（諧波為零），有 即；

從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時(shí)整流器的負(fù)載可等效為純電阻，所以有的地方又把功率因數(shù)校正電路叫做電阻仿真器。

四.有源功率因數(shù)校正方法分類

1． 按有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)分
（1）降壓式：因噪聲大，濾波困難，功率開(kāi)關(guān)管上電壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動(dòng)電平浮動(dòng)，很少被采用。
（2）升/降壓式：需用二個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng)，電路復(fù)雜，較少采用。
（3）反激式：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以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。
（4）升壓式（boost）：簡(jiǎn)單電流型控制，PF值高，總諧波失真（THD）小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。適用于75W~2000W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)：

• 1電路中的電感L適用于電流型控制。
• 2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。
• 3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)。
• 4輸入電流連續(xù)，并且在APFC開(kāi)關(guān)瞬間輸入電流小，易于EMI濾波。
• 5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。

UC3854是一種工作于平均電流的的升壓型（boost）APFC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。

2．按輸入電流的控制原理分
（1）平均電流型：工作頻率固定，輸入電流連續(xù)（CCM），波形圖如圖1（a）所示。TI的UC3854就工作在平均電流控制方式。
這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：

• 1恒頻控制。
• 2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。
• 3能抑制開(kāi)關(guān)噪聲。
• 4輸入電流波形失真小。

主要缺點(diǎn)是：

• 1控制電路復(fù)雜。
• 2需用乘法器和除法器。
• 3需檢測(cè)電感電流。
• 4需電流控制環(huán)路。

（2）滯后電流型。工作頻率可變，電流達(dá)到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開(kāi)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，波形圖如圖1（b）所示。

（3）峰值電流型。工作頻率變化，電流不連續(xù)（DCM），工作波形圖如圖1（c）所示。 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)，但存在以下缺點(diǎn)：
①功率因數(shù)和輸入電壓V_in與輸出電壓V_O的比值有關(guān)。即當(dāng)V_in變化時(shí)，功率因數(shù)PF值也將發(fā)生變化，同時(shí)輸入電流波形隨的加大而THD變大。

②開(kāi)關(guān)管的峰值電流大（在相同容量情況下，DCM中通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的峰值電流為 CCM的兩倍），從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管損耗增加。所以在大功率APFC電路中，常采用CCM方式。

（4）電壓控制型。工作頻率固定，電流不連續(xù)，工作波形圖如圖1（d）所示。

四．有源功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)
下面以常見(jiàn)的美國(guó)TI公司生產(chǎn)的APFC用集成電路UC3854介紹其性能特點(diǎn)、工作原理與典型應(yīng)用電路。

1．UC3854控制集成電路
（1）UC3854引腳功能說(shuō)明（參見(jiàn)圖3、圖4）。
UC3854 引腳功能如表1所示。

表1 UC3854的引腳（端）功能

引腳號(hào)	引腳符號(hào)	引腳功能
(1)	GND	接地端，器件內(nèi)部電壓均以此端電壓為基準(zhǔn)
(2)	PKLMT	峰值限定端，其閾值電壓為零伏與芯片外檢測(cè)電阻負(fù)端相連，可與芯片內(nèi)接基準(zhǔn)電壓的電阻相連，使峰值電流比較器反向端電位補(bǔ)償至零
(3)	CA out	電流誤差放大器輸出端，對(duì)輸入總線電流進(jìn)行檢測(cè)，并向脈沖寬度調(diào)制器發(fā)出電流校正信號(hào)的寬帶運(yùn)放輸出
(4)	Isense	電流檢測(cè)信號(hào)接至電流放大器反向輸入端，(4)引腳電壓應(yīng)高于-0.5V（因采用二極管對(duì)地保護(hù)）
(5)	Mult out	乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的同相輸入端
(6)	IAC	乘法器的前饋交流輸入端，與B端相連，(6)引腳的設(shè)定電壓為6V，通過(guò)外接電阻與整
(7)	VA out	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，但若低于1V乘法器便無(wú)輸出
(8)	VRMS	前饋總線有效值電壓端，與跟輸入線電壓有效值成正比的電阻相連時(shí)，可對(duì)線電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償
(9)	VREF	基準(zhǔn)電壓輸出端，可對(duì)外圍電路提供10mA的驅(qū)動(dòng)電流
(10)	ENA	允許比較器輸入端，不用時(shí)與+5V電壓相連
(11)	V檢測(cè)	電壓誤差放大器反相輸入端，在芯片外與反饋網(wǎng)絡(luò)相連，或通過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)與功率因數(shù)校正器輸出端相連
(12)	Rset	(12)端信號(hào)與地接入不同的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出
(13)	SS	軟啟動(dòng)端，與誤差放大器同相端相連
(14)	CT	接對(duì)地電容器CT，作為振蕩器的定時(shí)電容
(15)	Vcc	正電源閾值為10V～16V
(16)	GTDRV	PWM信號(hào)的圖騰輸出端，外接MOSFET管的柵極，該電壓被鉗位在15V

（2）UC3854中的前饋?zhàn)饔?
UC3854的電路框圖和內(nèi)部工作框圖如圖2、圖3所示。

在APFC電路中，整流橋后面的濾波電容器移到了整個(gè)電路的輸出端（見(jiàn)圖2、圖4中的電解電容C），這是因?yàn)閂_in應(yīng)保持半正弦的波形，而V_out需要保持穩(wěn)定。

從圖3所示的UC3854工作框圖中可以看到，它有一個(gè)乘法器和除法器，它的輸出為，而C為前饋電壓V_S的平方，之所以要除C是為了保證在高功率因數(shù)的條件下，使APFC的輸入功率P_i不隨輸入電壓Vin的變化而變化。 工作原理分析、推導(dǎo)如下：
乘法器的輸出為

式中：Km表示乘法器的增益因子。
Kin表示輸入脈動(dòng)電壓縮小的比例因子。
電流控制環(huán)按照Vin和電流檢測(cè)電阻Ro（參見(jiàn)圖2）建立了I_in。

K_i表示V_in的衰減倍數(shù)
將式（3）代入式（4）后有

如果PF=1 效率η=1有

由（6）可知：當(dāng)Ve固定時(shí)，Pi、Po將隨V2in的變化而變化。而如果利用除法器，將Vin除以一個(gè)

可見(jiàn)在保證提高功率因數(shù)的前提下，V_e恒定情況下，P_i、P_o不隨V_in的變化而變化。即通過(guò)輸入電壓前饋技術(shù)和乘法器、除法器后，可以使控制電路的環(huán)路增益不受輸入電壓V_in變化的影響，容易實(shí)現(xiàn)全輸入電壓范圍內(nèi)的正常工作，并可使整個(gè)電路具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整特性。

在實(shí)際應(yīng)用中需要加以注意：前饋電壓中任何100 Hz紋波進(jìn)入乘法器都會(huì)和電壓誤差放大器中的紋波疊加在一起，不但會(huì)增加波形失真，而且還會(huì)影響功率因數(shù)的提高。

前饋電路中前饋電容C_f（圖2、圖4中的Cf）的取值大小也會(huì)影響功率因數(shù)。如果C_f太小，則功率因數(shù)會(huì)降低，而C_f過(guò)大，前饋延遲又較大。當(dāng)電網(wǎng)電壓變化劇烈時(shí)，會(huì)造成輸出電壓的過(guò)沖或欠沖，所以C_f 的取值應(yīng)折中考慮。

（3）UC3854的典型應(yīng)用電路原理圖如圖4所示。

五．小結(jié)
通過(guò)以上的討論可以看出，由在APFC控制過(guò)程中，UC3854引入了前饋和乘法器、除法器，并且工作于平均電流的電流連續(xù)（CCM）工作方式，性能較優(yōu)，使用效果較好，在實(shí)用中得到了廣泛應(yīng)用。