硬開關(guān)與軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路的研究

摘要：介紹兩種常用的APFC芯片UC3854和UC3855的工作原理、功能特點(diǎn)，做了實(shí)驗(yàn)波形分析及對比性研究。

關(guān)鍵詞：畸變因數(shù)有源功率因數(shù)校正零電壓轉(zhuǎn)換

Keywords:THDAPFCZVT

The Research of Soft Hard Switch Power Factor Correction Circuit

Abstract: The article mainly introduces the working principle, function characteristics of the two kinds of APFC chip: UC3854 and UC3855. The article presents the experiment waveform of the two kinds of chips. At last the article has made the contrast analysis.

1引言

　　前級(jí)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(yīng)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性器件和儲(chǔ)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(yán)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)不到0.7。

　　用電設(shè)備的輸入功率因數(shù)低主要會(huì)造成以下危害：諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng)，干擾其他用電設(shè)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(hù)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，我們必須采取適當(dāng)?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。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(shè)備，其功率因數(shù)必須高于0.92；1500W以下的電源設(shè)備，其功率因數(shù)必須高于0.85。

　　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(shè)計(jì)中其應(yīng)用將越來越少；逆變器有源濾波，對各次諧波響應(yīng)快，但設(shè)備造價(jià)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(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)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(yàn)波形分析，并作了對比性研究。

2UC3854構(gòu)成的硬開關(guān)有源功率因數(shù)校正

電路

2.1工作原理

　　UC3854是一種高功率因數(shù)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(shù)達(dá)到0.99，THD5％ ， 適 用 于 任 何 的 開 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(jié) 構(gòu) 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(diào)制器，功率MOS管的門級(jí)驅(qū)動(dòng)器，過流保護(hù)的比較器，7.5V基準(zhǔn)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(shù)校正芯片的核心，它的輸出IMO反映了線電流，因此被作為基準(zhǔn)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

（對應(yīng)圖1中IM=AB/C）

式中IMO、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號(hào)，從芯片

圖1UC3854的電路結(jié)構(gòu)圖

中減去1.5V是芯片設(shè)計(jì)的需要；K在乘法器中是個(gè)常數(shù)，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。

　　模擬乘法/除法器除以U2ms起了前饋?zhàn)饔?，一方面芯片?nèi)部箝位Ums，消除了輸入電壓對電壓環(huán)放大倍數(shù)的影響，使電壓環(huán)放大倍數(shù)和輸入電壓無關(guān)；另一方面電壓誤差放大器的輸出還可使輸入功率穩(wěn)定，不隨線電壓的變化而變化。如當(dāng)輸入電壓變?yōu)閮杀叮瑒t反映輸入電壓變化的IAC、Ums均變?yōu)樵瓉淼膬杀?。由上式可知IMO將減半，通過調(diào)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(yīng)。

　　電壓誤差放大器的輸出電壓范圍為1～5.8V，當(dāng)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(nèi)部限定為5.8V是為了防止輸出過沖；為了減小輸入電壓過低時(shí)產(chǎn)生的交越死區(qū)，交流輸入端的標(biāo)稱電壓是6V，同時(shí)還應(yīng)用電阻將該端口與內(nèi)基準(zhǔn)連起來，這樣線電流的交越失真將最小。

　　UC3854的開關(guān)管和二極管都工作在硬開關(guān)的狀態(tài)，主要帶來以下問題：

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

　?。?）當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，感性元件感應(yīng)出較大的尖峰電壓，有可能造成開關(guān)管電壓擊穿；

　?。?）當(dāng)開關(guān)器件開通時(shí)，開關(guān)器件結(jié)電容中儲(chǔ)存的能量有可能引起開關(guān)器件過熱損壞；

　　（4）二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)問題，容易造成直流電源瞬間短路。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　用UC3854制造的APFC裝置，其參數(shù)如下：

　　輸入電壓范圍：AC80～270V；

　　輸出電壓：410V

　　開關(guān)工作頻率：72kHz；

　　輸入電感：1.6mH；