《電子技術(shù)應(yīng)用》
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采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用
摘要: 由在APFC控制過程中,UC3854引入了前饋和乘法器、除法器,并且工作于平均電流的電流連續(xù)(CCM)工作方式,性能較優(yōu),使用效果較好,在實用中得到了廣泛應(yīng)用。
Abstract:
Key words :

  一. 功率因數(shù)校正" title="功率因數(shù)校正" target="_blank">功率因數(shù)校正原理

  1.功率因數(shù)(PF)的定義
功率因數(shù)(PF)是指交流輸入有功功率(P)與輸入視在功率(S)的比值。即

采用<a class=UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用" height="211" onclick="get_larger(this)" src="http://files.chinaaet.com/images/20100914/ec3ca792-01ab-4ca1-aece-64eae977d11d.jpg" width="530" />

  所以功率因數(shù)可以定義為輸入電流失真系數(shù)(采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用)與相移因數(shù)(采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用)的乘積。

  可見功率因數(shù)(PF)由電流失真系數(shù)(采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用)和基波電壓、基波電流相移因數(shù)(采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用)決定。采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用低,則表示用電電器設(shè)備的無功功率大,設(shè)備利用率低,導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大。同時,采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用值低,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,對三相四線制供電,還會造成中線電位偏移,致使用電電器設(shè)備損壞。

  由于常規(guī)整流裝置常使用非線性器件(如可控硅、二極管),整流器件的導(dǎo)通角小于180o,從而產(chǎn)生大量諧波電流成份,而諧波電流成份不做功,只有基波電流成份做功。所以相移因數(shù)(采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用)和電流失真系數(shù)(采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用)相比,輸入電流失真系數(shù)(采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用)對供電線路功率因數(shù)(PF)的影響更大。

  為了提高供電線路功率因數(shù),保護用電設(shè)備,世界上許多國家和相關(guān)國際組織制定出相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準,以限制諧波電流含量。如:IEC555-2, IEC61000-3-2,EN 60555-2等標(biāo)準,它們規(guī)定了允許產(chǎn)生的最大諧波電流。我國于1994年也頒布了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(GB/T14549-93)。

  傳統(tǒng)的功率因數(shù)概念是假定輸入電流無諧波電流(即I1=Irms采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用=1)的條件下得到的,這樣功率因數(shù)的定義就變成了PF =采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用

  二.PF與總諧波失真系數(shù)(THD:The Total Harmonic Distortion)的關(guān)系

采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用

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三.功率因數(shù)校正實現(xiàn)方法
由功率因數(shù)采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用可知,要提高功率因數(shù),有兩個途徑:

  1.使輸入電壓、輸入電流同相位。此時采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用=1 ,所以PF=采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用

  2.使輸入電流正弦化。即Irms=I1(諧波為零),有采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用 即; 采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用

  從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正。利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流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,此時整流器的負載可等效為純電阻,所以有的地方又把功率因數(shù)校正電路叫做電阻仿真器。

  四.有源功率因數(shù)校正方法分類

  1. 按有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)分
(1)降壓式:因噪聲大,濾波困難,功率開關(guān)管上電壓應(yīng)力大,控制驅(qū)動電平浮動,很少被采用。
(2)升/降壓式:需用二個功率開關(guān)管,有一個功率開關(guān)管的驅(qū)動控制信號浮動,電路復(fù)雜,較少采用。
(3)反激式:輸出與輸入隔離,輸出電壓可以任意選擇,采用簡單電壓型控制,適用于150W以下功率的應(yīng)用場合。
(4)升壓式(boost):簡單電流型控制,PF值高,總諧波失真(THD)小,效率高,但是輸出電壓高于輸入電壓。適用于75W~2000W功率范圍的應(yīng)用場合,應(yīng)用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點:

  1電路中的電感L適用于電流型控制。

  2由于升壓型APFC的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器C上保持高電壓,所以電容器C體積小、儲能大。

  3在整個交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)。

  4輸入電流連續(xù),并且在APFC開關(guān)瞬間輸入電流小,易于EMI濾波。

  5升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變,提高了電路工作可靠性。

  UC3854是一種工作于平均電流的的升壓型(boost)APFC電路,它的峰值開關(guān)電流近似等于輸入電流,是目前使用最廣泛的APFC電路。

  2.按輸入電流的控制原理分
(1)平均電流型:工作頻率固定,輸入電流連續(xù)(CCM),波形圖如圖1(a)所示。TI的UC3854就工作在平均電流控制方式。
這種控制方式的優(yōu)點是:

  1恒頻控制。

  2工作在電感電流連續(xù)狀態(tài),開關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積小。

  3能抑制開關(guān)噪聲。

  4輸入電流波形失真小。


主要缺點是:

  1控制電路復(fù)雜。

  2需用乘法器和除法器。

  3需檢測電感電流。

  4需電流控制環(huán)路。

  (2)滯后電流型。工作頻率可變,電流達到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關(guān)通與斷操作,使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流,波形圖如圖1(b)所示。

  (3)峰值電流型。工作頻率變化,電流不連續(xù)(DCM),工作波形圖如圖1(c)所示。 DCM采用跟隨器方法具有電路簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點,但存在以下缺點:
①功率因數(shù)和輸入電壓Vin與輸出電壓VO的比值采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用有關(guān)。即當(dāng)Vin變化時,功率因數(shù)PF值也將發(fā)生變化,同時輸入電流波形隨采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用的加大而THD變大。

 ?、陂_關(guān)管的峰值電流大(在相同容量情況下,DCM中通過開關(guān)器件的峰值電流為 CCM的兩倍),從而導(dǎo)致開關(guān)管損耗增加。所以在大功率APFC電路中,常采用CCM方式。

 ?。?)電壓控制型。工作頻率固定,電流不連續(xù),工作波形圖如圖1(d)所示。

采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用
圖1 輸入電流波形圖

  四.有源功率因數(shù)校正的實現(xiàn)
下面以常見的美國TI公司生產(chǎn)的APFC用集成電路UC3854介紹其性能特點、工作原理與典型應(yīng)用電路。

  1.UC3854控制集成電路
(1)UC3854引腳功能說明(參見圖3、圖4)。
UC3854 引腳功能如表1所示。

  表1 UC3854的引腳(端)功能

 

引腳號 引腳符號 引腳功能
(1) GND 接地端,器件內(nèi)部電壓均以此端電壓為基準
(2) PKLMT 峰值限定端,其閾值電壓為零伏與芯片外檢測電阻負端相連,可與芯片內(nèi)接基準電壓的電阻相連,使峰值電流比較器反向端電位補償至零
(3) CA out 電流誤差放大器輸出端,對輸入總線電流進行檢測,并向脈沖寬度調(diào)制器發(fā)出電流校正信號的寬帶運放輸出
(4) Isense 電流檢測信號接至電流放大器反向輸入端,(4)引腳電壓應(yīng)高于-0.5V(因采用二極管對地保護)
(5) Mult out 乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的同相輸入端
(6) IAC 乘法器的前饋交流輸入端,與B端相連,(6)引腳的設(shè)定電壓為6V,通過外接電阻與整
(7) VA out 誤差電壓放大器的輸出電壓,這個信號又與乘法器A端相連,但若低于1V乘法器便無輸出
(8) VRMS 前饋總線有效值電壓端,與跟輸入線電壓有效值成正比的電阻相連時,可對線電壓的變化進行補償
(9) VREF 基準電壓輸出端,可對外圍電路提供10mA的驅(qū)動電流
(10) ENA 允許比較器輸入端,不用時與+5V電壓相連
(11) V檢測 電壓誤差放大器反相輸入端,在芯片外與反饋網(wǎng)絡(luò)相連,或通過分壓網(wǎng)絡(luò)與功率因數(shù)校正器輸出端相連
(12) Rset (12)端信號與地接入不同的電阻,用來調(diào)節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出
(13) SS 軟啟動端,與誤差放大器同相端相連
(14) CT 接對地電容器CT,作為振蕩器的定時電容
(15) Vcc 正電源閾值為10V~16V
(16) GTDRV PWM信號的圖騰輸出端,外接MOSFET管的柵極,該電壓被鉗位在15V

  (2)UC3854中的前饋作用
UC3854的電路框圖和內(nèi)部工作框圖如圖2、圖3所示。

采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用

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在APFC電路中,整流橋后面的濾波電容器移到了整個電路的輸出端(見圖2、圖4中的電解電容C),這是因為Vin應(yīng)保持半正弦的波形,而Vout需要保持穩(wěn)定。

  從圖3所示的UC3854工作框圖中可以看到,它有一個乘法器和除法器,它的輸出為采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用,而C為前饋電壓VS的平方,之所以要除C是為了保證在高功率因數(shù)的條件下,使APFC的輸入功率Pi不隨輸入電壓Vin的變化而變化。 工作原理分析、推導(dǎo)如下:
乘法器的輸出為
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式中:Km表示乘法器的增益因子。
Kin表示輸入脈動電壓縮小的比例因子。
電流控制環(huán)按照Vin和電流檢測電阻Ro(參見圖2)建立了Iin。
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Ki表示Vin的衰減倍數(shù)
將式(3)代入式(4)后有
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如果PF=1 效率η=1有
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由(6)可知:當(dāng)Ve固定時,Pi、Po將隨V2in的變化而變化。而如果利用除法器,將Vin除以一個
采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用

  可見在保證提高功率因數(shù)的前提下,Ve恒定情況下,Pi、Po不隨Vin的變化而變化。即通過輸入電壓前饋技術(shù)和乘法器、除法器后,可以使控制電路的環(huán)路增益不受輸入電壓Vin變化的影響,容易實現(xiàn)全輸入電壓范圍內(nèi)的正常工作,并可使整個電路具有良好的動態(tài)響應(yīng)和負載調(diào)整特性。

  在實際應(yīng)用中需要加以注意:前饋電壓中任何100 Hz紋波進入乘法器都會和電壓誤差放大器中的紋波疊加在一起,不但會增加波形失真,而且還會影響功率因數(shù)的提高。

  前饋電路中前饋電容Cf(圖2、圖4中的Cf)的取值大小也會影響功率因數(shù)。如果Cf太小,則功率因數(shù)會降低,而Cf過大,前饋延遲又較大。當(dāng)電網(wǎng)電壓變化劇烈時,會造成輸出電壓的過沖或欠沖,所以Cf 的取值應(yīng)折中考慮。

 ?。?)UC3854的典型應(yīng)用電路原理圖如圖4所示。

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圖4 UC3854典型應(yīng)用電路原理圖

  五.小結(jié)
通過以上的討論可以看出,由在APFC控制過程中,UC3854引入了前饋和乘法器、除法器,并且工作于平均電流的電流連續(xù)(CCM)工作方式,性能較優(yōu),使用效果較好,在實用中得到了廣泛應(yīng)用。

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