開關電源的有源功率因數(shù)校正電路設計

摘要：有源功率因數(shù)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(shù)。詳細分析了有源功率因數(shù)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(shù)校正電路方案，著重分析了電路主要參數(shù)的選擇和設計。實踐證明，采用APFC后，大大減小了輸入電流的諧波分量，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正。
關鍵詞：開關電源；功率因數(shù)；有源功率因數(shù)校正；UC3854BN

開關電源具有效率高、成本低等特點，因而在現(xiàn)代電力電子設備中應用廣泛。但由于開關電源中的整流器，電容濾波電路是一種非線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(shù)下降。
用電設備的輸入功率因數(shù)低主要會造成以下危害；諧波電流嚴重污染電網(wǎng)，干擾其他用電設備；容易造成線路故障如線路、配電器件過熱，電網(wǎng)諧振；增加線路、變壓器和保護器件的容量；中線流過疊加的三相三次諧波電流，使中線過流而易損壞。因此，必須采取適當?shù)拇胧﹣頊p小輸入電流波形的畸變，提高輸入功率因數(shù)，以減小電網(wǎng)污染。

1 功率因數(shù)校正原理
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：

式中：γ為表示輸入電流失真系數(shù)；cosφ表示輸入基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)。
由式(1)可知，功率因數(shù)PF由電流失真系數(shù)γ和基波電壓、基波電流相移因數(shù)決定。cosφ低，則表示用電設備的無功功率大，設備的利用率低，導線、變壓器繞組損耗大，同時，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(shù)校正PFC技術，從其實現(xiàn)方法上來講，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(shù)校正電路實現(xiàn)方案
2．1 功率因數(shù)校正方法的選擇
目前，主要用來提高功率因數(shù)的方法有：電感無源濾波，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越少；逆變器有源濾波，對各次諧波響應快，但設備造價昂貴；三相高功率因數(shù)整流器，效率高、性能好，近年來其控制策略和拓樸結(jié)構(gòu)處于不斷發(fā)展中。單相有源功率因數(shù)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)品設計中得到越來越廣泛的應用。
2．2 平均電流控制的Boost功率因數(shù)校正電路
考慮到功率變換在75～2 000 W功率范圍的應用場合，選擇工作于連續(xù)調(diào)制模式下的平均電流型升壓式APFC電路來實現(xiàn)較為適合。圖1為平均電流控制的Boost功率因數(shù)校正電路原理圖。

電路工作時檢測到電感電流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個輸入，一個為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(diào)節(jié)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，給開關Tr驅(qū)動信號，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％，容易實現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)。

3 有源功率因數(shù)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(shù)：PF≥0．99。