開關(guān)電源的有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)

摘要：有源功率因數(shù)校正可減少用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提高電器設(shè)備輸入端的功率因數(shù)。詳細(xì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，采用APFC后，大大減小了輸入電流的諧波分量，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；功率因數(shù)；有源功率因數(shù)校正；UC3854BN

開關(guān)電源具有效率高、成本低等特點(diǎn)，因而在現(xiàn)代電力電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛。但由于開關(guān)電源中的整流器，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)下降。
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(guò)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(guò)疊加的三相三次諧波電流，使中線過(guò)流而易損壞。因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減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(shè)備的無(wú)功功率大，設(shè)備的利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大，同時(shí)，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。
功率因數(shù)校正PFC技術(shù)，從其實(shí)現(xiàn)方法上來(lái)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(shí)現(xiàn)方案
2．1 功率因數(shù)校正方法的選擇
目前，主要用來(lái)提高功率因數(shù)的方法有：電感無(wú)源濾波，這種方法對(duì)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(lái)越少；逆變器有源濾波，對(duì)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(lái)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(lái)越廣泛的應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)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(lái)實(shí)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(shí)檢測(cè)到電感電流iL，則得到信號(hào)iLR1，將該信號(hào)送入電流誤差放大器CA中，電流基準(zhǔn)值由乘法器輸出z，乘法器有2個(gè)輸入，一個(gè)為x，是輸出電壓Vo／H與基準(zhǔn)電壓Vref之間的誤差信號(hào)；另一個(gè)輸入γ，為電壓DC的檢測(cè)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(hào)被直接檢測(cè)，與基準(zhǔn)電流比較后，其高頻分量的變化通過(guò)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(guān)Tr驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(shí)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(shè)計(jì)
3．1 設(shè)計(jì)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。