兩種功率因數校正電路的對比研究分析

　　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(shù)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(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不到0.7。

　　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，我們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。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，其功率因數必須高于0.92；1500W以下的電源設備，其功率因數必須高于0.85。

　　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。

　　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(diǎn)及實(shí)驗波形分析，并作了對比性研究。

　　2 UC3854構成的硬開(kāi)關(guān)有源功率因數校正電路

　　2.1工作原理

　　UC3854是一種高功率因數校正集成控制電路芯片，其主要特點(diǎn)是：PWM升壓電路，功率因數達到0.99，THD5％ ， 適用于任何的開(kāi)關(guān)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(mén)級驅動(dòng)器，過(guò)流保護的比較器，7.5V基準電壓，以及軟起動(dòng)，輸入電壓前饋，輸入電壓箝位等。

　　模擬乘法/除法器是功率因數校正芯片的核心，它的輸出IMO反映了線(xiàn)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(shí)值成比例）的關(guān)系為：

　　IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms

　?。▽獔D1中IM=AB/C）

　　式中IMO、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號，從芯片中減去1.5V是芯片設計的需要；K在乘法器中是個(gè)常數，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。

　　圖1UC3854的電路結構圖

　　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)放大倍數的影響，使電壓環(huán)放大倍數和輸入電壓無(wú)關(guān)；另一方面電壓誤差放大器的輸出還可使輸入功率穩定，不隨線(xiàn)電壓的變化而變化。如當輸入電壓變?yōu)閮杀?，則反映輸入電壓變化的IAC、Ums均變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍。由上式可知IMO將減半，通過(guò)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(dòng)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(shí)，將會(huì )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(guò)沖；為了減小輸入電壓過(guò)低時(shí)產(chǎn)生的交越死區，交流輸入端的標稱(chēng)電壓是6V，同時(shí)還應用電阻將該端口與內基準連起來(lái)，這樣線(xiàn)電流的交越失真將最小。

　　UC3854的開(kāi)關(guān)管和二極管都工作在硬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，主要帶來(lái)以下問(wèn)題：

　?。?）開(kāi)通時(shí)開(kāi)關(guān)管的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行，關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)管的電流下降和電壓上升同時(shí)進(jìn)行，使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷損耗大；

　?。?）當開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，感性元件感應出較大的尖峰電壓，有可能造成開(kāi)關(guān)管電壓擊穿；

　?。?）當開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)器件結電容中儲存的能量有可能引起開(kāi)關(guān)器件過(guò)熱損壞；

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

　　2.2實(shí)驗結果

　　用UC3854制造的APFC裝置，其參數如下：

　　輸入電壓范圍：AC80～270V；

　　輸出電壓：410V

　　開(kāi)關(guān)工作頻率：72kHz；

　　輸入電感：1.6mH；

　　輸出電容：2160μF

　　功率：1200W

　　用數字示波器測試并打印出開(kāi)關(guān)管兩端電壓波形和輸入電感兩端電壓波形如圖2、圖3所示。

圖2開(kāi)關(guān)管兩端波形

　　 圖3輸入電感兩端波形

　　從以上波形可以看出，開(kāi)關(guān)管上有電壓尖峰；并且當開(kāi)關(guān)管關(guān)、二極管開(kāi)及開(kāi)關(guān)管開(kāi)、二極管關(guān)時(shí)在輸入電感上感應出較大的電壓尖峰。為了克服硬開(kāi)關(guān)APFC的缺點(diǎn)，并進(jìn)一步改善性能，UC公司推出了UC3855。

　　3 UC3855構成的軟開(kāi)關(guān)有源功率因數校正電路

　　3.1UC3855工作原理

　　UC3855是一種能實(shí)現零電壓轉換的高功率因數校正器集成控制芯片，采用零電壓轉換電路、平均電流模式產(chǎn)生穩定的、低畸變的交流輸入電流，無(wú)需斜坡補償，最高工作頻率可達500kHz，其內部有ZVS檢測、一個(gè)主輸出驅動(dòng)和一個(gè)ZVT輸出驅動(dòng)。由于采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以極大地減小二極管反向恢復時(shí)和MOSFET開(kāi)通時(shí)的損耗，從而具有低電磁輻射和高效率的特點(diǎn)。其結構如圖4所示。

　　UC3855也主要由乘法、除法、平方電路構成，為電流環(huán)提供編程的電流信號（IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms）。芯片內部有一個(gè)高性能、帶寬為5MHz的電流放大器，并具有過(guò)壓、過(guò)流和回差式欠壓保護功能，輸入線(xiàn)電壓箝位功能，低電流起動(dòng)功能。內部乘法器電流限制功能在低線(xiàn)電壓時(shí)能抑制功率輸出。和UC3854相比，UC3855增加的電路功能主要有：過(guò)電壓保護；工作達500kHz的零電壓轉換（ZVT）控制電路；具有電流合成器，只需檢測主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的電感電流，而主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)流經(jīng)電感和二極管的電流可通過(guò)芯片內的電流合成器構造出來(lái)，因此可比UC3854少用一個(gè)電流互感器。這樣既提高了信噪比，又減小了電流檢測的損耗。

　　總體而言UC3855具有更高的的功率因數（接近1），更高的效率，和更低的電磁干擾（EMI）。

　　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(shù)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(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不到0.7。

　　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，我們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。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，其功率因數必須高于0.92；1500W以下的電源設備，其功率因數必須高于0.85。

　　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。

　　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