UPS不間斷電源中的PFC電路

一、功率因數(shù)控制電路和UC3854

⒈功率因數(shù)的定義

PFC即功率因數(shù)校正，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，即功率因數(shù)

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

可見功率因數(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)cosφ決定。cosφ低，表示用電電器設(shè)備的無功功率大，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(duì)電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)使用電設(shè)備損壞。

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或γ＝1）的條件下得到的，這樣功率因數(shù)的定義就變成了PF＝cosφ。

⒉功率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)方法

理想情況下，功率因數(shù)PF＝cosφ×γ＝1，但通常PF都小于1。功率因數(shù)校正的作用，就是使電路的功率因數(shù)PF達(dá)到或者接近于1。這可以通過兩個(gè)途徑達(dá)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(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(fù)載可等效為純電阻。

在實(shí)際電路中，往往把PFC電路設(shè)置在橋式整流輸出至濾波電路之間。這時(shí)基準(zhǔn)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，但只要滿足了輸入電流的波形與輸入電壓（基準(zhǔn)電壓）的波形同頻同相，就達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。

⒊PFC跟蹤電流過程

圖1所示為電流跟蹤波形圖。為了便于說明問題，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(zhǔn)，則電流I的波形錯(cuò)開了一定距離，即產(chǎn)生了相位差。觀察V、I波形圖可以發(fā)現(xiàn)，只要將虛線J-K、L-M之間的電流波形的幅度依照電壓波形適當(dāng)提升，而將虛線K-L、M-N之間的電流波形的幅度依照電壓波形適當(dāng)壓縮，即可使電流波形與電壓波形重合。

根據(jù)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(shù)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(duì)輸入電流的波形進(jìn)行采樣，無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(xiàn)功率因數(shù)控制的目。所以在本書的實(shí)際電路中，通常并不對(duì)輸入電流進(jìn)行采樣，使電路的設(shè)計(jì)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(fù)值，R1、R2為直流電壓采樣電阻。PFC控制電路通過對(duì)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(hào)，控制PFC功率管的占空比，從而達(dá)到校正電路PFC的目的。

由圖可見，PFC的采樣及控制電路設(shè)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(shè)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開關(guān)管，它的開通與截止受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(shù)

當(dāng)VT飽和導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于將L右端接地，這時(shí)將有較大電流流iPFC過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(xù)流動(dòng)，經(jīng)VD對(duì)C1充電，并供給負(fù)載，使iPFC逐漸減小。受PFC控制電路的控制，PFC開關(guān)管不斷反復(fù)開、閉，在負(fù)載兩端生成輸出電壓。

如果PFC開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，L中電流較大，L中積蓄的能量較多，則當(dāng)VT截止時(shí)L中維持的電流就較大。反之，若VT導(dǎo)通時(shí)間較短，則L中積蓄的能量就較少，當(dāng)VT截止時(shí)L維持的電流也較小。可見控制VT開通時(shí)間的長(zhǎng)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(guī)律來控制PFC開關(guān)管的開通與截止，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(shù)。

②升壓

當(dāng)VT開通時(shí)，L兩端的電壓極性為左正右負(fù)。此時(shí)VD正端為低，處于截止?fàn)顟B(tài)，C2兩端的電壓不會(huì)經(jīng)VT瀉放。而當(dāng)VT截止時(shí)，L兩端電壓極性反轉(zhuǎn)，為左負(fù)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VD對(duì)C1充電。結(jié)果C1兩端的電壓高于整流器輸出的電壓。因此這種結(jié)構(gòu)的PFC電路具有升壓功能。

③穩(wěn)壓

由于可以通過控制PFC功率管柵極的占空比來控制整流器輸出的電壓，所以可以通過對(duì)輸出電壓的采樣，來調(diào)整PFC功率管柵極的占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。因此，在具有升壓結(jié)構(gòu)的高頻機(jī)中，在升壓的同時(shí)就完成了功率因數(shù)的校正。

⒋UC3854

UC3854是TI公司生產(chǎn)的用于有源功率因數(shù)校正的專用控制電路。它可以完成升壓變換器校正功率因數(shù)所需的全部控制功能，使功率因數(shù)達(dá)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，開關(guān)噪聲較低。采用UC3854組成的功率因數(shù)校正電路后，當(dāng)輸入電壓在85~260V之間變化時(shí)，輸出電壓仍可以穩(wěn)定在設(shè)定值，因此也可以作為穩(wěn)壓電源

UC3854的輸出級(jí)采用推拉輸電路，輸出電流可達(dá)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部所有電壓的測(cè)試基準(zhǔn)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(yīng)盡可能短。

○2PK LMT峰值限流端

峰值限流門限值為0V。該引腳應(yīng)接入電流取樣的負(fù)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(zhǔn)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(fù)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(cè)并放大市電輸入電流，控制脈寬調(diào)制器，強(qiáng)制校正市電輸入電流。

○4ISENSE電流采樣輸入端負(fù)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(hào)入

交流電流采樣信號(hào)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(hào)也可用來調(diào)整輸出電壓。

○8URMS有效值電壓輸入端

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