採用UC3854的有源功率因數校正電路工作原理與應用

2020-11-24 電子產品世界

一． 功率因數校正原理

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/188513.htm

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

所以功率因數可以定義為輸入電流失真係數（）與相移因數（）的乘積。

可見功率因數（PF）由電流失真係數（）和基波電壓、基波電流相移因數（）決定。低，則表示用電電器設備的無功功率大，設備利用率低，導線、變壓器繞組損耗大。同時，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，對電網造成汙染，嚴重時，對三相四線制供電，還會造成中線電位偏移，致使用電電器設備損壞。

由於常規整流裝置常使用非線性器件（如可控矽、二極體），整流器件的導通角小於180o，從而產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（）和電流失真係數（）相比，輸入電流失真係數（）對供電線路功率因數（PF）的影響更大。

為了提高供電線路功率因數，保護用電設備，世界上許多國家和相關國際組織制定出相應的技術標準，以限制諧波電流含量。如：IEC555-2， IEC61000-3-2，EN 60555-2等標準，它們規定了允許產生的最大諧波電流。我國於1994年也頒布了《電能質量公用電網諧波》標準（GB/T14549-93）。

傳統的功率因數概念是假定輸入電流無諧波電流（即I1=Irms 或=1）的條件下得到的，這樣功率因數的定義就變成了PF =。

二．PF與總諧波失真係數（THD：The Total Harmonic Distortion）的關係


三.功率因數校正實現方法
由功率因數可知，要提高功率因數，有兩個途徑：

1.使輸入電壓、輸入電流同相位。此時=1 ，所以PF= 。

2.使輸入電流正弦化。即Irms=I1（諧波為零），有 即；

從而實現功率因數校正。利用功率因數校正技術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，並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校正電路叫做電阻仿真器。

四.有源功率因數校正方法分類

1． 按有源功率因數校正電路結構分
（1）降壓式：因噪聲大，濾波困難，功率開關管上電壓應力大，控制驅動電平浮動，很少被採用。
（2）升/降壓式：需用二個功率開關管，有一個功率開關管的驅動控制信號浮動，電路複雜，較少採用。
（3）反激式：輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，採用簡單電壓型控制，適用於150W以下功率的應用場合。
（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，但是輸出電壓高於輸入電壓。適用於75W~2000W功率範圍的應用場合，應用最為廣泛。它具有以下優點：

  • 1電路中的電感L適用於電流型控制。
  • 2由於升壓型APFC的預調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範圍內能保持很高的功率因數。
  • 4輸入電流連續，並且在APFC開關瞬間輸入電流小，易於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是一種工作於平均電流的的升壓型（boost）APFC電路，它的峰值開關電流近似等於輸入電流，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（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。
這種控制方式的優點是：

  • 1恆頻控制。
  • 2工作在電感電流連續狀態，開關管電流有效值小、EMI濾波器體積小。
  • 3能抑制開關噪聲。
  • 4輸入電流波形失真小。

主要缺點是：
  • 1控制電路複雜。
  • 2需用乘法器和除法器。
  • 3需檢測電感電流。
  • 4需電流控制環路。

（2）滯後電流型。工作頻率可變，電流達到滯後帶內發生功率開關通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決於電感輸入電流，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（DCM），工作波形圖如圖1（c）所示。 DCM採用跟隨器方法具有電路簡單、易於實現的優點，但存在以下缺點：
①功率因數和輸入電壓Vin與輸出電壓VO的比值有關。即當Vin變化時，功率因數PF值也將發生變化，同時輸入電流波形隨的加大而THD變大。

②開關管的峰值電流大（在相同容量情況下，DCM中通過開關器件的峰值電流為 CCM的兩倍），從而導致開關管損耗增加。所以在大功率APFC電路中，常採用CCM方式。

（4）電壓控制型。工作頻率固定，電流不連續，工作波形圖如圖1（d）所示。

圖1 輸入電流波形圖

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