功率因数校正

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1、采用UC3854的有源功率因数校正电路工作原理与应用北京信息职业技术学院100031路秋生简介:本文主要介绍了有源功率因数校正（APFC）的工作 得到广泛应用的UC3854集成电路的典型应用原理、电 尸原理、工作分类。并对在国内做了介绍、分析。关键词：功率因数（PF）有源功率因数校正 乘法器 除法器一. 功率因数校正原理 1.功率因数（PF）的定义功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。即PCOS Lr = = XCQS（ 1）式中：71 表示输入基波电流有双值；表示输入电流有效值=r = y-表示输入电流失真系数-cos也表示基波电压与基波电蒲之间的相移因数。所

2、以功率因数可以定义为输入电流失真系数（V）与相移因数（如S小）的乘积。可见功率因数（PF）由电流失真系数（V）和基波电压、基波电流相移因数（匚血） 决定。如$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，尹值低，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。由于常规整流装置常使用非线性器件（如可控硅、二极管），整流器件的导通角 小于180。，从而产生大量谐波电流成份，而谐波电流成份不做功，只有基波电流 成份做功。所以相移因数（如s中）和电流失真系数（尹）相比，输入电

3、流失真 系数 顷）对供电线路功率因数（PF）的影响更大。 为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世界上许多国家和相关国际组织制 定出相应的技术标准，以限制谐波电流含量。如：IEC555-2， IEC61000-3-2， EN 60555-2等标准，它们规定了允许产生的最大谐波电流。我国于1994年也颁 布了电能质量公用电网谐波标准(GB/T14549-93)。传统的功率因数概念是假定输入电流无谐波电流(即I1=Irms或二 1)的条件下得 到的，这样功率因数的定义就变成了 PF=ms中。二. PF与总谐波失真系数(THD： The Total Harmonic Distortion )的关系

4、有 =_1即 PF =1 cos(2)Jl+(77丑项三. 功率因数校正实现方法由功率因数pf二匚重*y二1可知，要提高功率因数，有两个途径：1. 使输入电压、输入电流同相位。此时如s中=1，所以PF=r。2.使输入电流正弦化。即Irms=I1(谐波为零)，有|脉艮即 中=8淮打=1从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟 踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此叫做电阻时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正 仿真器。四. 有源功率因数校正方法分类1.按有源功率因数校正电路结构分(1) 降压式：因噪声大，滤波困难，

5、功率开关管上电压应力大，控制驱动电平 浮动，很少被采用。(2) 升/降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，复杂，较少采用。(3) 反激式：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以下功率的应用场合。(4) 升压式(boost):简单电流型控制，PF值高，总谐波失真(THD)小，效 率高，但是输出电压高于输入电压。适用于75W2000W功率范围的应用场合，应 用最为广泛。它具有以下优点： 1电路中的电感L适用于电流型控制。 2由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体 积小、储能大。 3在整个交流输入电压变

6、化范围内能保持很高的功率因数。 4输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波。 5升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。UC3854是一种工作于平均电流的的升压型(boost) APFC电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的APFC2. 按输入电流的控制分(1) 平均电流型：工作频率固定，输入电流连续(CCM)，波形图如图1 (a) 所示。TI的UC3854就工作在平均电流控制方式。这种控制方式的优点是： 1恒频控制。 2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。 3能抑制开关噪声。 4输入电流波形失真小。主要

7、缺点是:电路 1控制电路复杂。 2需用乘法器和除法器。 3需检测电感电流。 4需电流控制环路。（2）滞后电流型。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，波形图如图1（b） 所示。（3）峰值电流型。工作频率变化，电流不连续（DCM），工作波形图如图1（c） 所示。DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，但存在以下缺点: 功率因数和输入电压n与输出电压vo的比值乃有关。即当Vin变化时，功率 因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随九的加大而THD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

8、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）电压控制型。工作频率固定，电流不连续，工作波形图如图1（d）所示。lLCa）平均电符型t（b）滞后电流型图1输入电流波形图四.有源功率因数校正的实现下面以常见的美国TI公司生产的APFC用集成电路UC3854介绍其性能特点、工1. UC3854控制集成电路（1） UC3854引脚功能说明（参见图3、图4）。UC3854引脚功能如表1所示。表1 UC3854的引脚（端）功能引脚 号引脚符 号引脚功能(1)GND接地端，器件内部电压均以此端电压为基准(2)PKLMT峰值限定端，其阈值电压为零伏与

9、芯片外检测电阻负端相连，可与芯片内接基准电压的电阻相连，使峰值电流比较器反向端电位补偿至零(3)CA out电流误差放大器输出端，对输入总线电流进行检测，并向脉冲宽度调制器 发出电流校正信号的宽带运放输出(4)Isense电流检测信号接至电流放大器反向输入端，(4)引脚电压应高于-0.5V (因米 用二极管对地保护)(5)Mult out乘法放大器的输出和电流误差放大器的同相输入端(6)Iac乘法器的前馈交流输入端，与B端相连，(6)引脚的设定电压为6V，通过外 接电阻与整VA out误差电压放大器的输出电压 乘法器便无输出，这个信号又与乘法器A端相连，但若低于1V(8)VRMS前馈总线有效值

10、电压端，与跟输入线电压有效值成正比的电阻相连时，可 对线电压的变化进行补偿(9)V REF基准电压输出端，可对外围电路提供10mA的驱动电流(10)ENA允许比较器输入端，不用时与+5V电压相连(11)V检测电压误差放大器反相输入端，在芯片外与反馈网络相连，或通过分压网络 与功率因数校正器输出端相连(12)Rset(12)端信号与地接入不同的电阻，用来调节振荡器的输出和乘法器的最大输 出(13)SS软启动端，与误差放大器同相端相连(14)CT接对地电容器ct，作为振荡器的定时电容(15)Vcc正电源阈值为10V16V(16)GTdrvPWM信号的图腾输出端，外接MOSFET管的栅极，该电压被钳

11、位在15V(2) UC3854中的前馈作用UC3854的电路框图和内部工作框图如图2、图3所示。十图2 UC3854电路框图VAOirr MULTOUT CAUUT FKLIM图3 UC3E54内部工作柜图rav在 APFC电路中，整流桥后面的滤波电容器移到了整个电路的输出端（见图2、图4中的电解电容C），这是因为vin应保持半正弦的波形，而vout需要保持稳定。从图3所示的UC3854 工作框图中可以看到，它有一个乘法器和除法器，它的输出为，而C为前馈电压vs的平方，之所以要除C是为了保证在高功率因数 的条件下，使APFC的输入功率P不随输入电压Vin的变化而变化。工作 分析、推导如下：i乘

12、法器的输出为式中：Km表示乘法器的增益因子。Kin表示输入脉动电压缩小的比例因子。电流控制环按照Vin和电流检测电阻Ro （参见图2）建立了 Iin。矿.即二*3业K表示Vin的衰减倍数将式（3）n代入式（4）后有(5)如果PF=1效率n=i有已二写二 二茂广虻/匕彳广中由（6）可知：当Ve固定时，Pi、Po将随V2in的变化而变化。而如果利用除法 器，将Vin除以一个二=（虹次后有= 丈式中=V恒定情况下，P、P不随V的变化而变化。除法器后，可以使控制的环路增益不受可见在保证提高功率因数的前提下， 即通过输入电压前馈技术和乘法器、具有甘好的动态响应和负载调整特性。输入电压V变化的影响，容易实

13、现全输入电压范围内的正常工作，并可使整个 在实际应用中需要加以注意：前馈电压中任何100 Hz纹波进入乘法器都会和电 压误差放大器中的纹波叠加在一起，不但会增加波形失真，而且还会影响功率因 数的提高。前馈I电路中前馈电容Cf（图2、图4中的Cf ）的取值大小也会影响功率因数。如 果C太小，则功率因数会降低，而C过大，前馈延迟又较大。当电网电压变化 剧对时，会造成输出电压的过冲或欠冲，所以C的取值应折中考虑。（3） UC3854的典型应用电路图如图4所示。uhvm-HhMMPSIIMCEQ!O.OItLFUHpF 干AATWBbJh-a+SSSVDCOUT4yf IlOlnF*AA*VisakE

14、NAlt.BVghM南7.SVO.E-EX3Wu-BS-fFy.EV十i目电HUFU图4 UC3854典型应用电路图47 帕 F .1uF五. 小结通过以上的讨论可以看出，由在APFC控制过程中,UC3854引入了前馈和乘法器、 除法器，并且工作于平均电流的电流连续(CCM)工作方式，性能较优，使用效 果较好，在实用中得到了广泛应用。、.弓、，k”，duh六参考文献1. TI Analog/Mixed-singal Products Designers Master selection GuideCD-ROM August 2002 SLYC005G UC3854 PDF2. 路秋生有源功率因数校正及应用核工业自动化2001.2 P31-353. 路秋生 有源功率因数补偿(APFC)核工业自动化2002.2 P43-484. 张延鹏等 通信用高频开关电源 人民邮电出版社ISBN7-115-06427-X/TN.1174 P67-77关于作者路秋生 教授 主要从事电子技术、电力电子技术的教学科研工作。