硬開關與軟開關功率因數(shù)校正電路的研究

摘要：介紹兩種常用的APFC芯片UC3854和UC3855的工作原理、功能特點，做了實驗波形分析及對比性研究。

關鍵詞：畸變因數(shù)有源功率因數(shù)校正零電壓轉換

Keywords:THDAPFCZVT

The Research of Soft Hard Switch Power Factor Correction Circuit

Abstract: The article mainly introduces the working principle, function characteristics of the two kinds of APFC chip: UC3854 and UC3855. The article presents the experiment waveform of the two kinds of chips. At last the article has made the contrast analysis.

1引言

　　前級從220V交流電網(wǎng)整流提供直流是在電力電子技術及電子儀表中應用極為廣泛的一種基本變流方案。但整流器－電容濾波電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，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)不到0.7。

　　用電設備的輸入功率因數(shù)低主要會造成以下危害：諧波電流嚴重污染電網(wǎng)，干擾其他用電設備；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，我們必須采取適當?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。如信息產(chǎn)業(yè)部在通信電源的入網(wǎng)檢測中就要求1500W以上的電源設備，其功率因數(shù)必須高于0.92；1500W以下的電源設備，其功率因數(shù)必須高于0.85。

　　目前，主要用來提高功率因數(shù)的方法有：電感無源濾波，這種方法對抑制高次諧波有效，但體積大，重量大，在產(chǎn)品設計中其應用將越來越少；逆變器有源濾波，對各次諧波響應快，但設備造價昂貴；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構處于不斷發(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)品設計中得到越來越廣泛的應用。

　　本文主要介紹了兩種常用的APFC芯片UC3854和UC3855的工作原理、功能特點及實驗波形分析，并作了對比性研究。

2UC3854構成的硬開關有源功率因數(shù)校正

電路

2.1工作原理

　　UC3854是一種高功率因數(shù)校正集成控制電路芯片，其主要特點是：PWM升壓電路，功率因數(shù)達到0.99，THD5％ ， 適 用 于 任 何 的 開 關 器 件 ， 平 均 電 流 控 制 模 式 ， 恒 頻 控 制 ， 精 確 的 參 考 電 壓 。 其 結 構 如 圖 1所 示 ：

　　UC3854包括：電壓誤差放大器，模擬乘法/除法器，電流放大器，固定頻率脈寬調制器，功率MOS管的門級驅動器，過流保護的比較器，7.5V基準電壓，以及軟起動，輸入電壓前饋，輸入電壓箝位等。

　　模擬乘法/除法器是功率因數(shù)校正芯片的核心，它的輸出IMO反映了線電流，因此被作為基準電流，IMO與乘法器的輸入電流IAC（IAC與輸入電壓瞬時值成比例）的關系為：

IMO=IAC(UAO－1.5)/KU2ms

（對應圖1中IM=AB/C）

式中IMO、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號，從芯片

圖1UC3854的電路結構圖

中減去1.5V是芯片設計的需要；K在乘法器中是個常數(shù)，等于1；Ums是前饋電壓，約為1.5～4.77V，由APFC的輸入電壓經(jīng)分壓后提供。

　　模擬乘法/除法器除以U2ms起了前饋作用，一方面芯片內部箝位Ums，消除了輸入電壓對電壓環(huán)放大倍數(shù)的影響，使電壓環(huán)放大倍數(shù)和輸入電壓無關；另一方面電壓誤差放大器的輸出還可使輸入功率穩(wěn)定，不隨線電壓的變化而變化。如當輸入電壓變?yōu)閮杀叮瑒t反映輸入電壓變化的IAC、Ums均變?yōu)樵瓉淼膬杀?。由上式可知IMO將減半，通過調制使輸入電流減半，從而保持輸入功率不變。另外電壓誤差放大器具有輸出箝位，可限制電路的最大功率。前饋電壓的輸入采用了二階低通濾波，這樣既可提高抗干擾能力，又不影響前饋電壓輸入端對電網(wǎng)波動的快速響應。

　　電壓誤差放大器的輸出電壓范圍為1～5.8V，當輸出電壓低于1V時，將會抑制乘法器的輸出。電壓誤差放大器最大輸出內部限定為5.8V是為了防止輸出過沖；為了減小輸入電壓過低時產(chǎn)生的交越死區(qū)，交流輸入端的標稱電壓是6V，同時還應用電阻將該端口與內基準連起來，這樣線電流的交越失真將最小。

　　UC3854的開關管和二極管都工作在硬開關的狀態(tài)，主要帶來以下問題：

　?。?）開通時開關管的電流上升和電壓下降同時進行，關斷時開關管的電流下降和電壓上升同時進行，使開關管的開通和關斷損耗大；

　　（2）當開關器件關斷時，感性元件感應出較大的尖峰電壓，有可能造成開關管電壓擊穿；

　?。?）當開關器件開通時，開關器件結電容中儲存的能量有可能引起開關器件過熱損壞；

　?。?）二極管由導通變?yōu)榻刂箷r存在反向恢復問題，容易造成直流電源瞬間短路。

2.2實驗結果

　　用UC3854制造的APFC裝置，其參數(shù)如下：

　　輸入電壓范圍：AC80～270V；

　　輸出電壓：410V

　　開關工作頻率：72kHz；

　　輸入電感：1.6mH；