UPS不間斷電源中的PFC電路

一、功率因數控制電路和UC3854

⒈功率因數的定義

PFC即功率因數校正，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，即功率因數

式中， 表示交流輸入市電的基波電流有效值； 表示交流輸入市電電流的有效值； 表示交流輸入市電電流的波形畸變因數；cosφ表示交流輸入市電的基波電壓和基波電流的相移因數。所以功率因數（PF）可以定義為交流輸入市電電流的波形畸變因數γ與相移因數cosφ的乘積。

可見(jiàn)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cosφ決定。cosφ低，表示用電電器設備的無(wú)功功率大，電能利用率低。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，嚴重時(shí)，還會(huì )使用電設備損壞。

傳統的功率因數概念是假定輸入電流無(wú)諧波電流（即I1＝Irms或γ＝1）的條件下得到的，這樣功率因數的定義就變成了PF＝cosφ。

⒉功率因數校正實(shí)現方法

理想情況下，功率因數PF＝cosφ×γ＝1，但通常PF都小于1。功率因數校正的作用，就是使電路的功率因數PF達到或者接近于1。這可以通過(guò)兩個(gè)途徑達到：

⑴使輸入電壓、輸入電流同相位。此時(shí)cosφ＝1，所以PF＝γ。

⑵使輸入電流正弦化。即 ＝ （諧波為零），有 / ＝1即；PF＝cosφ×γ＝1。

從而實(shí)現功率因數校正。利用功率因數校正技術(shù)可以使交流輸入電流的波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時(shí)整流器的負載可等效為純電阻。

在實(shí)際電路中，往往把PFC電路設置在橋式整流輸出至濾波電路之間。這時(shí)基準電壓是m型半波波形，經(jīng)PFC電路跟蹤處理后的輸入電流波形也是m型半波波形，但只要滿(mǎn)足了輸入電流的波形與輸入電壓（基準電壓）的波形同頻同相，就達到了功率因數校正的目的。

⒊PFC跟蹤電流過(guò)程

圖1所示為電流跟蹤波形圖。為了便于說(shuō)明問(wèn)題，圖中電壓Vin的波形與電流I的波形的縱軸采用了不同比例，以使它們能夠重合。

⑴圖1中若以電壓Vin的波形為基準，則電流I的波形錯開(kāi)了一定距離，即產(chǎn)生了相位差。觀(guān)察V、I波形圖可以發(fā)現，只要將虛線(xiàn)J-K、L-M之間的電流波形的幅度依照電壓波形適當提升，而將虛線(xiàn)K-L、M-N之間的電流波形的幅度依照電壓波形適當壓縮，即可使電流波形與電壓波形重合。

根據同樣原理，即便電流波形是方波等非正弦波，也可以整形為正弦波，并與電壓波形重合。

實(shí)際上，在功率因數校正時(shí)，輸入市電電壓的波形和相位的采樣是必需的，而可以不必對輸入電流的波形進(jìn)行采樣，無(wú)論輸入電流的波形如何，只要按照輸入市電的波形和相位改造出所需的電流波形，就可以實(shí)現功率因數控制的目。所以在本書(shū)的實(shí)際電路中，通常并不對輸入電流進(jìn)行采樣，使電路的設計更加靈活。

⑵圖2所示為PFC跟蹤電路示意圖。

圖中BRI為市電輸入橋式全波整流器，L為PFC電感，VD為PFC二極管，C1為市電濾波電容，VT為PFC功率管，R0為市電電流采樣電阻，PFC控制電路輸入的市電電流采樣電壓為負值，R1、R2為直流電壓采樣電阻。PFC控制電路通過(guò)對市電輸入電壓、直流輸出電壓和電路電流采樣值的分析，輸出控制信號，控制PFC功率管的占空比，從而達到校正電路PFC的目的。

由圖可見(jiàn)，PFC的采樣及控制電路設置在整流器BRI與濾波電容C1之間，這時(shí)PFC電路處理的波形為m型半波波形。若將PFC電路設置在濾波電容C2之后，這時(shí)電壓電流已經(jīng)是直流，失去校正的意義。

圖中VT為PFC開(kāi)關(guān)管，它的開(kāi)通與截止受PFC控制器的控制。這一電路具有以下功能：

①提高電路的輸入功率因數

當VT飽和導通時(shí)，相當于將L右端接地，這時(shí)將有較大電流流iPFC過(guò)L，但由于L的電感特性，iPFC只能逐漸增大。隨后VT截止關(guān)閉，電感L中的能量維持iPFC電流繼續流動(dòng)，經(jīng)VD對C1充電，并供給負載，使iPFC逐漸減小。受PFC控制電路的控制，PFC開(kāi)關(guān)管不斷反復開(kāi)、閉，在負載兩端生成輸出電壓。

如果PFC開(kāi)關(guān)管VT導通時(shí)間較長(cháng)，L中電流較大，L中積蓄的能量較多，則當VT截止時(shí)L中維持的電流就較大。反之，若VT導通時(shí)間較短，則L中積蓄的能量就較少，當VT截止時(shí)L維持的電流也較小?？梢?jiàn)控制VT開(kāi)通時(shí)間的長(cháng)短，即可控制電路中電流的大小，所以只要按照輸入電壓的規律來(lái)控制PFC開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與截止，就可以使輸入電流與輸入電壓很好的同頻同相，提高電路的輸入功率因數。

②升壓

當VT開(kāi)通時(shí)，L兩端的電壓極性為左正右負。此時(shí)VD正端為低，處于截止狀態(tài)，C2兩端的電壓不會(huì )經(jīng)VT瀉放。而當VT截止時(shí)，L兩端電壓極性反轉，為左負右正，此時(shí)L兩端的感生電壓與整流器的輸出電壓相串聯(lián)，通過(guò)VD對C1充電。結果C1兩端的電壓高于整流器輸出的電壓。因此這種結構的PFC電路具有升壓功能。

③穩壓

由于可以通過(guò)控制PFC功率管柵極的占空比來(lái)控制整流器輸出的電壓，所以可以通過(guò)對輸出電壓的采樣，來(lái)調整PFC功率管柵極的占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。因此，在具有升壓結構的高頻機中，在升壓的同時(shí)就完成了功率因數的校正。

⒋UC3854

UC3854是TI公司生產(chǎn)的用于有源功率因數校正的專(zhuān)用控制電路。它可以完成升壓變換器校正功率因數所需的全部控制功能，使功率因數達到0.99以上，使輸入電流波形失真小于5%。該控制器采用平均電流型控制方式，控制精度很高，開(kāi)關(guān)噪聲較低。采用UC3854組成的功率因數校正電路后，當輸入電壓在85~260V之間變化時(shí)，輸出電壓仍可以穩定在設定值，因此也可以作為穩壓電源

UC3854的輸出級采用推拉輸電路，輸出電流可達1A以上，因此輸出的恒頻PWM脈沖可以推動(dòng)大功率MOSFET器件。

⑴UC3854的內部結構圖及引腳功能

圖3為UC3854的引腳圖。各引腳功能為：

○1GND接地端

芯片內部所有電壓的測試基準點(diǎn)。振蕩器定時(shí)電容的放電電流也由該腳返回，因此，定時(shí)電容到該引腳的距離應盡可能短。

○2PK LMT峰值限流端

峰值限流門(mén)限值為0V。該引腳應接入電流取樣的負值電壓，一旦該腳電壓為0，芯片的輸出即被關(guān)閉。通常在芯片的○2腳與○9腳（基準電壓輸出端）之間接一只偏置電阻，使○2腳得到一個(gè)正偏置電壓。若電流取樣電阻上的負電壓大到足夠抵消該偏置電壓時(shí)，○2腳電壓即為0V，芯片即被關(guān)閉。

○3CA OUT電流誤差放大器輸出端

該電流誤差放大器檢測并放大市電輸入電流，控制脈寬調制器，強制校正市電輸入電流。

○4ISENSE電流采樣輸入端負極

該引腳為電流誤差放大器的反相輸入端。

○5MULT OUT電流采樣輸入端正極和模擬乘法器輸出端

模擬乘法器的輸出端直接與電流誤差放大器的同相輸入端相連接。

○6IAC交流電流采樣信號入

交流電流采樣信號從該腳加至模擬乘法器的輸入端。

○7VA OUT電壓放大器輸出端

電壓誤差放大器的輸出端。該端輸出的信號也可用來(lái)調整輸出電壓。

○8URMS有效值電壓輸入端

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