開關(guān)電源的有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)

摘要：有源功率因數(shù)校正可減少用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提高電器設(shè)備輸入端的功率因數(shù)。詳細(xì)分析了有源功率因數(shù)校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均電流控制模式控制原理，設(shè)計(jì)了基于UC3854BN芯片的一種有源功率因數(shù)校正電路方案，著重分析了電路主要參數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，采用APFC后，大大減小了輸入電流的諧波分量，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；功率因數(shù)；有源功率因數(shù)校正；UC3854BN

    開關(guān)電源具有效率高、成本低等特點(diǎn)，因而在現(xiàn)代電力電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛。但由于開關(guān)電源中的整流器，電容濾波電路是一種非線性器件和儲(chǔ)能元件的組合，因此雖然輸入交流電壓是正弦波，但輸入電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀，含有大量的諧波，使輸入電路的功率因數(shù)下降。
    用電設(shè)備的輸入功率因數(shù)低主要會(huì)造成以下危害；諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng)，干擾其他用電設(shè)備；容易造成線路故障如線路、配電器件過熱，電網(wǎng)諧振；增加線路、變壓器和保護(hù)器件的容量；中線流過疊加的三相三次諧波電流，使中線過流而易損壞。因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小輸入電流波形的畸變，提高輸入功率因數(shù)，以減小電網(wǎng)污染。

1 功率因數(shù)校正原理
    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：
   
    式中：γ為表示輸入電流失真系數(shù)；cosφ表示輸入基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)。
    由式(1)可知，功率因數(shù)PF由電流失真系數(shù)γ和基波電壓、基波電流相移因數(shù)決定。cosφ低，則表示用電設(shè)備的無功功率大，設(shè)備的利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大，同時(shí)，γ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。
    功率因數(shù)校正PFC技術(shù)，從其實(shí)現(xiàn)方法上來講，就是使電網(wǎng)輸入電流波形完全跟隨電網(wǎng)輸入電壓波形，使得輸入電流波形為正弦波(γ=1)且和輸入電壓波形同相位(cosφ=1)。

2 有源功率因數(shù)校正電路實(shí)現(xiàn)方案
2．1 功率因數(shù)校正方法的選擇
    目前，主要用來提高功率因數(shù)的方法有：電感無源濾波，這種方法對(duì)抑制高次諧波有效，但體積大，重量大，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中其應(yīng)用將越來越少；逆變器有源濾波，對(duì)各次諧波響應(yīng)快，但設(shè)備造價(jià)昂貴；三相高功率因數(shù)整流器，效率高、性能好，近年來其控制策略和拓樸結(jié)構(gòu)處于不斷發(fā)展中。單相有源功率因數(shù)校正(APFC)通常采用Boost電路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
2．2 平均電流控制的Boost功率因數(shù)校正電路
    考慮到功率變換在75～2 000 W功率范圍的應(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電路來實(shí)現(xiàn)較為適合。圖1為平均電流控制的Boost功率因數(shù)校正電路原理圖。

    電路工作時(shí)檢測(cè)到電感電流iL，則得到信號(hào)iLR1，將該信號(hào)送入電流誤差放大器CA中，電流基準(zhǔn)值由乘法器輸出z，乘法器有2個(gè)輸入，一個(gè)為x，是輸出電壓Vo／H與基準(zhǔn)電壓Vref之間的誤差信號(hào)；另一個(gè)輸入γ，為電壓DC的檢測(cè)值VDC／K，VDC為輸入正弦電壓的全波整流值。
    平均電流法的電流環(huán)調(diào)節(jié)輸入電流平均值，使其與輸入整流電壓同相位，接近正弦波形。輸入電流信號(hào)被直接檢測(cè)，與基準(zhǔn)電流比較后，其高頻分量的變化通過電流誤差放大器，被平均化處理。放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜坡比較后，給開關(guān)Tr驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并決定其占空比，從而迅速而精確地校正電流誤差。由于電流環(huán)具有較高的增益一帶寬，使跟蹤誤差產(chǎn)生的畸變小于1％，容易實(shí)現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)。

3 有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)
3．1 設(shè)計(jì)要求
    1)輸入電壓：AC 90～270 V；2)變換器效率：η≥0.90；3)輸出電壓：Vo=410V(DC)；4)輸出功率：2 kW；5)功率因數(shù)：PF≥0．99。[!--empirenews.page--]
3．2 主要參數(shù)的設(shè)計(jì)
    1)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，20～300 kHz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80 kHz，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Boost二極管上的功率耗損也不會(huì)過多。
    2)升壓電感設(shè)計(jì)  輸入電壓最小時(shí)電感電流最大，所以計(jì)算電感時(shí)選取該時(shí)刻為計(jì)算點(diǎn)。電感的大小還和開關(guān)中允許的紋波有關(guān)，允許的紋波含量越多，電感值越小。本設(shè)計(jì)中選紋波含量為線電流峰值的20％。最大的線電流峰值ILIN(PK)發(fā)生在最小的輸入電壓時(shí)，D為電流峰值時(shí)的占空比。
   
    考慮安全裕量，實(shí)際設(shè)計(jì)中取升壓電感L=470μH。
    3)輸出電容的選擇  輸出濾波電容C起濾波和平滑輸出直流電壓，減小其脈動(dòng)的作用。輸出電容的大小和開關(guān)頻率、紋波電流、二次諧波電流、輸出直流電壓、輸出紋波電壓、功率及輸出保持時(shí)間有關(guān)。電容一般要采用低損耗，高紋波電流型的電解電容，容值C為：
   
    式中：ω0為市電角頻率；△Vo為允許輸出直流紋波電壓(V)。
    本設(shè)計(jì)中輸出電容C0取值2 200μF／450 V。
    4)開關(guān)管的選擇  由于開關(guān)頻率大于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)通電阻小的MOS管。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。因此選擇IRFP460，UDSS=500 V，RDS(ON)=0．27 Ω，ID=20 A。
    5)升壓二極管的選擇  選反向恢復(fù)時(shí)間小，高頻快速恢復(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，并留有一定的裕度。因此選擇APT30S60B，30 A／600 V，反向恢復(fù)時(shí)間25 ns(要求小于75 ns)。
3．3 控制電路的選擇
    1)UC3854BN的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    在具體的電路設(shè)計(jì)中，控制電路選用UC3854BN芯片，其主要特點(diǎn)是：PWM升壓電路，功率因數(shù)達(dá)到0．99，THD<5％，適用于任何開關(guān)器件，平均電流控制模式，恒頻控制，精確的參考電壓。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    由圖2可知，UC3854內(nèi)部包括：電壓誤差放大器，模擬乘法／除法器，電流放大器，固定頻率脈寬調(diào)制器，功率MOS管的門級(jí)驅(qū)動(dòng)器，過流保護(hù)的比較器，7．5 V基準(zhǔn)電壓，以及軟起動(dòng)，輸入電壓前饋，輸入電壓箝位等。[!--empirenews.page--]
    2)控制電路的設(shè)計(jì)
    結(jié)合上面的電路方案和具體的參數(shù)設(shè)計(jì)，給出了UC3854BN典型應(yīng)用電路原理圖，如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過電路連接、調(diào)試與測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該電路在較為寬廣的輸入電壓范圍下獲得高度穩(wěn)定的直流電壓輸出，校正前的電壓與電流的波形如圖4所示，可以看出電流波形含有大量的高次諧波，功率因數(shù)低，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成很大污染。采用UC3854經(jīng)過APFC校正后的波形如圖5所示?？梢?，經(jīng)過功率因數(shù)校正之后電壓和電流的相位差基本為零，達(dá)到了提高功率因數(shù)的目的。

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5 結(jié)束語
    文中基于Boost電路拓?fù)?，闡述了開關(guān)電源有源功率因數(shù)校正的工作原理及所采用的校正芯片，設(shè)計(jì)了以UC3854BN芯片為基礎(chǔ)的平均電流型控制校正電路。經(jīng)過試驗(yàn)表明，該電路能夠使功率困數(shù)達(dá)到0．99以上，校正效果理想。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，工作穩(wěn)定可靠，在中小功率APFC電路中有著廣泛的應(yīng)用前景。