一種高功率因數電源的設計與實(shí)現

1 引言

隨著(zhù)電子電力技術(shù)的發(fā)展，要求電子元器件的供電電源越來(lái)越苛刻。一般元器件供電都是直接從市電中獲得，但由于電網(wǎng)的輸入阻抗呈容性，而大量整流電路造成電網(wǎng)網(wǎng)側輸入電壓與輸入電流間存在較大相位差，輸入電流呈脈沖狀，諧波分量很高，嚴重干擾電力系統。據了解現階段一般電網(wǎng)網(wǎng)側功率因數約為0．65，因此，高效率利用能源，提高電源功率因數已刻不容緩。

現階段功率因數校正PFC(Power Factor Correction)分為主動(dòng)式與被動(dòng)式兩種。被動(dòng)式PFC結構簡(jiǎn)單，主要是利用電感線(xiàn)圈內部電流不能突變的原理調節電路中的電壓與電流相位差，從而改變功率因數，但其結構笨重，易產(chǎn)生低頻噪聲且最大功率因數只能在70％。主動(dòng)式PFC一般為有源功率因數調整，可簡(jiǎn)單歸納為升壓型開(kāi)關(guān)電源電路，具有體積小，輸入電壓寬以及功率因數高等優(yōu)點(diǎn)，功率因數可接近100％。

2 高功率因數電源設計方案

2．1 功率因數監測

該設計采用相位差測量法，即分別對變壓器副邊檢測的電壓、電流信號先經(jīng)比較器整形，然后通過(guò)計算得到電壓電流的相位差，再進(jìn)行余弦運算，即可得到系統的功率因數。負載端輸出電壓、電流經(jīng)采樣得到系統視在功率。根據P=S×cosQ=S2-P2(Q表示無(wú)功功率)計算電源的有功功率、無(wú)功功率等參數。該方法易于操作，而且通過(guò)等精度法測相，可達到很高精度，從而能很好滿(mǎn)足系統要求。

2．2 功率因數校正

該系統采用有源功率因數校正，可改善電源輸入功率因數，減小輸入電流諧波。其主要實(shí)現方式有2 種：(1)兩級PFC技術(shù)，即在整流濾波和DC／DC功率級之間加入有源PFC電路為前置級，用于提高功率因數和實(shí)現DC／DC級輸入的預穩，該技術(shù)一般用于較大功率輸出場(chǎng)合；(2)單級PFC技術(shù)，即將PFC級與DC／DC級中的元件共用，實(shí)現統一控制，通常共用器件為MOSFET。該方式設計與優(yōu)化尤為重要，適用于小功率應用。

有源功率因數校正的控制方式又可根據電感電流是否連續分為平均電流型控制、CCM／DCM邊界控制和電流箝位控制模式。其中CCM／DCM邊界控制 Boost PFC是一種滯后控制技術(shù)，其上限為正弦基準電流，由輸出檢測信號經(jīng)誤差放大后與輸入全波電壓檢測信號相乘得到，下限為零。具體工作過(guò)程為：檢測電感電流并與正弦電流基準信號相比較，當電感電流達到該基準時(shí)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)：當電感電流為零則再次導通，使電感電流為臨界電流工作狀態(tài)。即CCM／DCM邊界，可消除二極管的反向恢復損耗，大大減小主開(kāi)關(guān)的非零電壓導通損耗。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，使用專(zhuān)用器件的外圍元件數量少。運用Boost電路的PFC，在 CCM模式下輸入電流畸變小且易于濾波，開(kāi)關(guān)管的電流應力也小，可以處理較大的功率并保持較高的效率。

這里選用CCM模式PFC控制器UCC28019實(shí)現最終的功率因數校正。該器件采用軟啟動(dòng)機制，動(dòng)態(tài)響應良好，結合外圍電路可實(shí)現輸入欠壓保護，開(kāi)環(huán)保護，輸出過(guò)壓保護，軟過(guò)流控制(SOC)和峰值電流限制等功能。系統輸出電壓由該器件VSENSE引腳所接分壓電阻與其內部+5 V的基準決定。由公式可得，通過(guò)調節分壓電阻的比率實(shí)現輸出電壓的數字可調。

3 系統整體方案設計

該系統采用MSP430F449為控制和運算核心，通過(guò)等精度測相法測量出系統的功率因數。功率因數校正則以UCC28019為核心，利用硬件電路形成閉環(huán)反饋電路，實(shí)時(shí)監測輸出電壓、電流。單片機提供過(guò)流保護來(lái)控制繼電器以及采樣和顯示電壓電流。利用鍵盤(pán)選擇各種功能。LCD實(shí)時(shí)顯示各操作數據，人機界面友好。圖1為系統整體框圖。

4 系統硬件電路設計

4．1 功率因數測量電路

變壓器副邊處通過(guò)電流互感器和電壓互感器取樣交流信號，然后經(jīng)雙路比較器LM393整形后利用等精度法測量相位差，得到系統功率因數。LM393的整形電路如圖2所示。