開(kāi)關(guān)電源的有源功率因數校正電路設計

摘要：有源功率因數校正可減少用電設備對電網(wǎng)的諧波污染，提高電器設備輸入端的功率因數。詳細分析了有源功率因數校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均電流控制模式控制原理，設計了基于UC3854BN芯片的一種有源功率因數校正電路方案，著(zhù)重分析了電路主要參數的選擇和設計。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)現了功率因數校正。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；功率因數；有源功率因數校正；UC3854BN

開(kāi)關(guān)電源具有效率高、成本低等特點(diǎn)，因而在現代電力電子設備中應用廣泛。但由于開(kāi)關(guān)電源中的整流器，電容濾波電路是一種非線(xiàn)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下降。
用電設備的輸入功率因數低主要會(huì )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(xiàn)路故障如線(xiàn)路、配電器件過(guò)熱，電網(wǎng)諧振；增加線(xiàn)路、變壓器和保護器件的容量；中線(xiàn)流過(guò)疊加的三相三次諧波電流，使中線(xiàn)過(guò)流而易損壞。因此，必須采取適當的措施來(lái)減小輸入電流波形的畸變，提高輸入功率因數，以減小電網(wǎng)污染。

1 功率因數校正原理
功率因數(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；cosφ表示輸入基波電壓與基波電流之間的相移因數。
由式(1)可知，功率因數PF由電流失真系數γ和基波電壓、基波電流相移因數決定。cosφ低，則表示用電設備的無(wú)功功率大，設備的利用率低，導線(xiàn)、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，對電網(wǎng)造成污染。
功率因數校正PFC技術(shù)，從其實(shí)現方法上來(lái)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 有源功率因數校正電路實(shí)現方案
2．1 功率因數校正方法的選擇
目前，主要用來(lái)提高功率因數的方法有：電感無(wú)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(lái)越少；逆變器有源濾波，對各次諧波響應快，但設備造價(jià)昂貴；三相高功率因數整流器，效率高、性能好，近年來(lái)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(lái)越廣泛的應用。
2．2 平均電流控制的Boost功率因數校正電路
考慮到功率變換在75～2 000 W功率范圍的應用場(chǎng)合，選擇工作于連續調制模式下的平均電流型升壓式APFC電路來(lái)實(shí)現較為適合。圖1為平均電流控制的Boost功率因數校正電路原理圖。

電路工作時(shí)檢測到電感電流iL，則得到信號iLR1，將該信號送入電流誤差放大器CA中，電流基準值由乘法器輸出z，乘法器有2個(gè)輸入，一個(gè)為x，是輸出電壓Vo／H與基準電壓Vref之間的誤差信號；另一個(gè)輸入γ，為電壓DC的檢測值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)調節輸入電流平均值，使其與輸入整流電壓同相位，接近正弦波形。輸入電流信號被直接檢測，與基準電流比較后，其高頻分量的變化通過(guò)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(kāi)關(guān)Tr驅動(dòng)信號，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)現接近于1的功率因數。

3 有源功率因數校正電路設計
3．1 設計要求
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：PF≥0．99。