一種有源功率因數(shù)校正裝置

【摘 要】將交流220V電網(wǎng)電壓經(jīng)整流后再提供直流是現(xiàn)實早相電源應(yīng)用中較為廣泛的變流方案，由于傳統(tǒng)的二極管或晶閘管整流器會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波電流而危害電網(wǎng)，引起輸入端功率因數(shù)下降，對電網(wǎng)造成污染，因此有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。它是在橋式整流器與輸出電容器之間加入一個功率因數(shù)校正變換電路，它將整流器的輸入電流校正成為與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波，消除了諧波和無功電流，因而能將電網(wǎng)功率用數(shù)提高到近似為1。本文將對這種有源功率因數(shù)校正裝置結(jié)構(gòu)、原理進行分析。

【關(guān)鍵詞】功率因數(shù) 校正 PFC

一、采用功率因數(shù)校正的必要性

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)運行。這些設(shè)備的輸入端一般是橋式整流和電容濾波電路，其二極管只有在輸入電壓大于直流輸出電壓時才導通，時間很短。因此，輸入電流是尖頂波，造成交流輸入電流嚴重畸變，由此產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)。電網(wǎng)諧波電流不僅引起變壓器和供電線路過熱，影響電器的性能，并且產(chǎn)生電磁干擾，影響其他電子設(shè)備正常運行。抑制諧波的傳統(tǒng)方法是采用無源校正，即在主電路中串入無源LC濾波器。該方法雖然簡單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產(chǎn)生電磁干擾，但是，它有以下缺點：

1）濾波效果與電網(wǎng)阻抗、頻率有關(guān)，動態(tài)性能差；

2）濾波元件可能會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，導致系統(tǒng)無法正常工作；

3）濾波要求越高，濾波器體積越大。

二、有源功率因數(shù)校正的工作原理

有源功率因數(shù)校正技術(shù)（Active Power Filter Correction，AP-FC，在本文中PFC亦指APFC），是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關(guān)，通過控制有源開關(guān)的通斷來強迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數(shù)。目前，單相電路的PFC技術(shù)已經(jīng)成熟，三相PFC電路處于研制階段。

下面以單相電路為例，介紹PFC技術(shù)的工作原理。

有源功率因數(shù)校正電路的形式多種多樣，從原理上說，任何一種DC/DC變換電路都可用作為PFC主電路。但是，由于升壓直流斬波電路的輸入端是大電感，可維持電流的連續(xù)性，跟隨輸入電壓的變化，因為其所具有的特殊的優(yōu)點，所以在PFC主電路中應(yīng)用更為廣泛。

本文以升壓斬波電路為例，說明有源功率因數(shù)校正電路的工作原理。圖1給出了升壓—PFC電路的工作原理。主電路由單相橋式整流電路和升壓斬波電路組成，虛線框內(nèi)為控制電路，包括：電壓誤差放大器VA及基準電壓Ur，乘法器M，電流誤差放大器CA，PWM脈寬調(diào)制器和驅(qū)動電路。

PFC的工作原理為：輸出電壓Uo與基準電壓Ur比較后，誤差信號經(jīng)電壓誤差放大器VA放大后送入乘法器，與全波整流電壓取樣信號相乘以后形成基準電流信號?；鶞孰娏餍盘柵c電流反饋信號相減，誤差信號經(jīng)電流誤差放大器CA后再與鋸齒波相比較形成PWM信號，然后經(jīng)驅(qū)動電路控制主電路開關(guān)S的通斷，使電流跟隨基準電流信號變化。由于基準電流信號同時受輸入交流電壓和輸出直流電壓的控制，因此，當電路的實際電流與基準電流一致時，既能實現(xiàn)輸出電壓恒定，又能保證輸入電流為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓同相，從而獲得接近于1的功率因數(shù)。

根據(jù)上面的分析，PFC電路與一般開關(guān)電源的區(qū)別在于：PFC電路不僅反饋輸出電壓， 還反饋輸入平均電流；PFC電路的電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號的乘積。

三、PFC集成控制電路UC3854及其應(yīng)用

集成電路UC3854是美國Unitrode公司生產(chǎn)的PFC控制專用器件，也是目前使用最多的一種PFC集成控制電路，用于PFC變換電路。它內(nèi)部集成了PFC控制電路所需要的所有功能，應(yīng)用時，只需增添少量的外圍電路，便可構(gòu)成完整的PFC控制電路。

UC3854有16個引腳，各引腳功能依次為：

① （ GND）：接地端。

② （PKLMT）：峰值限制端，接電流檢測電阻的電壓負端。該端的門限值為OV，利用該端可以限定主電路的最大電流值。

③ （ CAOut）：電流放大器CA輸出端。

④ （ISENSE）：電流檢測端。它內(nèi)部接CA輸入負端，外部經(jīng)電阻接電流檢測電阻的電壓正端。

⑤ （ MultOut）：乘法器輸出端。內(nèi)部接乘法/除法器輸出端和CA輸入正端，外部經(jīng)電阻接電流檢測電阻的電壓負端。

⑥ （IAC）：電流輸入端。內(nèi)部接乘法/除法器的輸入B，外部經(jīng)電阻接整流輸入電壓的正端。

⑦ （VAOut）：電壓放大器輸出端。內(nèi)部接乘法/除法器的輸入A，外部接RC反饋網(wǎng)絡(luò)。

⑧ （ VRMS）：電源電壓有效值輸入端。內(nèi)部經(jīng)過平方器接乘法/除法器的輸入C，起前饋作用，該端口的電壓數(shù)值范圍為1.5～4.7V

⑨ （REF）：基準電壓端，產(chǎn)生7.5V基準電壓。

⑩ （ENA）：使能端。它是一個邏輯輸入端，使能控制PWM輸出、電壓基準和振蕩器。當它不用時，可接到+5 V電源或用22kΩ的電阻使ENA置于高電平。

⑾（VSENSE）：輸出電壓檢測端。接電壓（下轉(zhuǎn)475頁）（上接463頁）放大器VA的輸入負端。

⑿（RSET）：外接電阻Rset。端?？刂普袷幤鞒潆婋娏骷跋拗瞥朔?除法器最大輸出。

⒀（SS）：軟啟動端。

⒁（CT）：外接振蕩電容CT端。振蕩頻率為

f=1.25/RsetCT

⒂（UCC）：電源端。正常工作期間Ucc的值應(yīng)大于17V，但最大不能超過35V。 Ucc對GND端應(yīng)接入旁路電容。

⒃（ GTDrv）：門極驅(qū)動端。

控制芯片UC3854適用的功率范圍比較寬，5 kW以下的單相升壓一PFQ電路均可以采用該芯片作為控制器。圖3給出了輸出功率為250W時由UC3854構(gòu)成的PFC電路原理圖。輸出功率不同時，只需改變主電路中的電感L1和電流檢測電阻RS、控制電路中的電流控制環(huán)參數(shù)。輸出電壓UO由下式確定：

圖2 UC3854構(gòu)成的PFC電路原理圖