开关电源的有源功率因数校正电路设计

摘要：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器设备输入端的功率因数。详细分析了有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计了基于UC3854BN芯片的一种有源功率因数校正电路方案，着重分析了电路主要参数的选择和设计。实践证明，采用APFC后，大大减小了输入电流的谐波分量，实现了功率因数校正。
关键词：开关电源；功率因数；有源功率因数校正；UC3854BN

    开关电源具有效率高、成本低等特点，因而在现代电力电子设备中应用广泛。但由于开关电源中的整流器，电容滤波电路是一种非线性器件和储能元件的组合，因此虽然输入交流电压是正弦波，但输入电流波形却严重畸变，呈脉冲状，含有大量的谐波，使输入电路的功率因数下降。
    用电设备的输入功率因数低主要会造成以下危害；谐波电流严重污染电网，干扰其他用电设备；容易造成线路故障如线路、配电器件过热，电网谐振；增加线路、变压器和保护器件的容量；中线流过叠加的三相三次谐波电流，使中线过流而易损坏。因此，必须采取适当的措施来减小输入电流波形的畸变，提高输入功率因数，以减小电网污染。

1 功率因数校正原理
    功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值，即：
   
    式中：γ为表示输入电流失真系数；cosφ表示输入基波电压与基波电流之间的相移因数。
    由式(1)可知，功率因数PF由电流失真系数γ和基波电压、基波电流相移因数决定。cosφ低，则表示用电设备的无功功率大，设备的利用率低，导线、变压器绕组损耗大，同时，γ值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染。
    功率因数校正PFC技术，从其实现方法上来讲，就是使电网输入电流波形完全跟随电网输入电压波形，使得输入电流波形为正弦波(γ=1)且和输入电压波形同相位(cosφ=1)。

2 有源功率因数校正电路实现方案
2．1 功率因数校正方法的选择
    目前，主要用来提高功率因数的方法有：电感无源滤波，这种方法对抑制高次谐波有效，但体积大，重量大，在产品设计中其应用将越来越少；逆变器有源滤波，对各次谐波响应快，但设备造价昂贵；三相高功率因数整流器，效率高、性能好，近年来其控制策略和拓朴结构处于不断发展中。单相有源功率因数校正(APFC)通常采用Boost电路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在产品设计中得到越来越广泛的应用。
2．2 平均电流控制的Boost功率因数校正电路
    考虑到功率变换在75～2 000 W功率范围的应用场合，选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC电路来实现较为适合。图1为平均电流控制的Boost功率因数校正电路原理图。

    电路工作时检测到电感电流iL，则得到信号iLR1，将该信号送入电流误差放大器CA中，电流基准值由乘法器输出z，乘法器有2个输入，一个为x，是输出电压Vo／H与基准电压Vref之间的误差信号；另一个输入γ，为电压DC的检测值VDC／K，VDC为输入正弦电压的全波整流值。
    平均电流法的电流环调节输入电流平均值，使其与输入整流电压同相位，接近正弦波形。输入电流信号被直接检测，与基准电流比较后，其高频分量的变化通过电流误差放大器，被平均化处理。放大后的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后，给开关Tr驱动信号，并决定其占空比，从而迅速而精确地校正电流误差。由于电流环具有较高的增益一带宽，使跟踪误差产生的畸变小于1％，容易实现接近于1的功率因数。

3 有源功率因数校正电路设计
3．1 设计要求
    1)输入电压：AC 90～270 V；2)变换器效率：η≥0.90；3)输出电压：Vo=410V(DC)；4)输出功率：2 kW；5)功率因数：PF≥0．99。[!--empirenews.page--]
3．2 主要参数的设计
    1)开关频率的选择  开关频率高可以减小APFC电路的结构尺寸，提高功率密度，减小失真；但频率太高会增大开关损耗，影响效率。在大多数应用中，20～300 kHz的开关频率是一个较好的范围。本设计中开关频率选择为80 kHz，这样电感量的大小合理，尖峰失真小，电感的物理尺寸较小，MOSFET和Boost二极管上的功率耗损也不会过多。
    2)升压电感设计  输入电压最小时电感电流最大，所以计算电感时选取该时刻为计算点。电感的大小还和开关中允许的纹波有关，允许的纹波含量越多，电感值越小。本设计中选纹波含量为线电流峰值的20％。最大的线电流峰值ILIN(PK)发生在最小的输入电压时，D为电流峰值时的占空比。
   
    考虑安全裕量，实际设计中取升压电感L=470μH。
    3)输出电容的选择  输出滤波电容C起滤波和平滑输出直流电压，减小其脉动的作用。输出电容的大小和开关频率、纹波电流、二次谐波电流、输出直流电压、输出纹波电压、功率及输出保持时间有关。电容一般要采用低损耗，高纹波电流型的电解电容，容值C为：
   
    式中：ω0为市电角频率；△Vo为允许输出直流纹波电压(V)。
    本设计中输出电容C0取值2 200μF／450 V。
    4)开关管的选择  由于开关频率大于20kHz，所以选MOS管。对MOS主要关心的是导通损耗，应选导通电阻小的MOS管。开关管的额定电流必须大于电感上电流的最大峰值，并留有一定的裕度。因此选择IRFP460，UDSS=500 V，RDS(ON)=0．27 Ω，ID=20 A。
    5)升压二极管的选择  选反向恢复时间小，高频快速恢复二极管。二极管的额定电流必须大于电感上电流的最大峰值，并留有一定的裕度。因此选择APT30S60B，30 A／600 V，反向恢复时间25 ns(要求小于75 ns)。
3．3 控制电路的选择
    1)UC3854BN的内部结构
    在具体的电路设计中，控制电路选用UC3854BN芯片，其主要特点是：PWM升压电路，功率因数达到0．99，THD<5％，适用于任何开关器件，平均电流控制模式，恒频控制，精确的参考电压。其内部结构如图2所示。

    由图2可知，UC3854内部包括：电压误差放大器，模拟乘法／除法器，电流放大器，固定频率脉宽调制器，功率MOS管的门级驱动器，过流保护的比较器，7．5 V基准电压，以及软起动，输入电压前馈，输入电压箝位等。[!--empirenews.page--]
    2)控制电路的设计
    结合上面的电路方案和具体的参数设计，给出了UC3854BN典型应用电路原理图，如图3所示。

4 实验结果
    通过电路连接、调试与测试，实验结果显示该电路在较为宽广的输入电压范围下获得高度稳定的直流电压输出，校正前的电压与电流的波形如图4所示，可以看出电流波形含有大量的高次谐波，功率因数低，同时对电网造成很大污染。采用UC3854经过APFC校正后的波形如图5所示。可见，经过功率因数校正之后电压和电流的相位差基本为零，达到了提高功率因数的目的。

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5 结束语
    文中基于Boost电路拓扑，阐述了开关电源有源功率因数校正的工作原理及所采用的校正芯片，设计了以UC3854BN芯片为基础的平均电流型控制校正电路。经过试验表明，该电路能够使功率困数达到0．99以上，校正效果理想。该系统电路结构简单，体积小，工作稳定可靠，在中小功率APFC电路中有着广泛的应用前景。