基于UC3854的單級(jí)式功率因數(shù)校正的研究

1、基于UC3854的單級(jí)式功率因數(shù)校正的研究鄭詩程 劉小麗葛蘆生 安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院（馬鞍山 243002）摘要：本文在研究了單級(jí)式功率因數(shù)校正原理的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了基于UC3854為核心的控制電路和系統(tǒng)主電路, 并對(duì)主電路的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和計(jì)算; 實(shí)驗(yàn)證明, 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確有效, 系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)（PF）達(dá)到0.99以上, 總諧波畸變率（THD）在6%以下; 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好, 輸出電壓在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)均能保持穩(wěn)定.關(guān)鍵詞：功率因數(shù); 單級(jí); 總諧波畸變 Research of single-stage PFC Based on UC3854Zheng shichen

2、g Liu xiaoli Ge lushengSchool of electrical and information of Anhui university of technology (Maanshan 243002)Abstract: This paper studies the principle of single stage power factor correction, and control circuit based on the chip of UC3854 and main circuit are designed. Simultaneously, parameters

3、 of the main circuit are analyzed and calculated, and these parameters are proved to be effective and correct by experiments. Power Factor of the system is greater than 0.99, and THD is less than 6%. The static performance is better and the output voltage is steady when input voltage varies from 90V

4、 to 130V.Keywords: Power factor; Single stage; THD引言近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種辦公自動(dòng)化設(shè)備，家用電器，計(jì)算機(jī)被大量使用，然而，在這些設(shè)備的內(nèi)部都離不開一個(gè)共同的“心臟” 開關(guān)電源，即將市電轉(zhuǎn)化為直流電源，以供給系統(tǒng)的需求。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中，由于一些非線性元件的存在，導(dǎo)致輸入的交流電壓雖然是正弦的，但輸入的交流電流卻嚴(yán)重畸變，功率因數(shù)PF=0.67。如圖1所示。圖1.輸入電壓電流波形脈沖狀的輸入電流，含有大量的諧波，而諧波的存在，不但對(duì)公共電力系統(tǒng)產(chǎn)生污染，易造成電路故障，而且嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。本課題基于此問題進(jìn)行有源功率因數(shù)校

5、正技術(shù)的模擬控制策略研究，設(shè)計(jì)了基于UC3854為核心的功率因數(shù)校正系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電源裝置網(wǎng)側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)接近1，極大地減少了電流諧波，消除了對(duì)公共電力系統(tǒng)的污染。 2功率因數(shù)校正原理2.1功率因數(shù)的定義功率因數(shù)（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值3，即功率因數(shù) PF=cos = cos （1）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)；cos表示交流輸入市電的基波電壓和基波電流的相位移因數(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)與相位移因數(shù)cos的乘積。2.2功率因數(shù)（PF）與

6、總諧波畸變因數(shù)（THD）的關(guān)系 （2）PF= （3）當(dāng)輸入電壓和電流同頻、同相位時(shí)，由式（3）可得 （4）3. 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案3. 1 PFC 的控制方法和工作模式如下表1：控制方法檢測(cè)電流開關(guān)頻率工作模式適用拓?fù)渥㈦娏鞣逯甸_關(guān)電流恒定CCMBOOST需斜率補(bǔ)償電流滯環(huán)電感電流 變頻CCMBOOST需邏輯控制平均電流電感電流恒定任意BOOST需電流誤差放大表1.PFC的控制方法和工作模式表由于平均電流控制的Boost功率因數(shù)校正器的主要特點(diǎn)是采用電流誤差放大器，放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜坡比較后，給開關(guān)管Tr驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并決定了其應(yīng)有的占空比，于是電流誤差被迅速而精確地校正。由于電流環(huán)有較高

7、的增益帶寬，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)，因此，本文采用平均電流控制的電感電流連續(xù)模式（CCM）。3. 2主電路設(shè)計(jì)3.2.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主電路采用單級(jí)功率因數(shù)校正器，主要是將PFC級(jí)和DC/DC變換級(jí)集成在一起，兩級(jí)共用一只功率器件，它與傳統(tǒng)的兩級(jí)電路相比省掉了一只功率器件，增加了一個(gè)二極管。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。另外，其控制采用常規(guī)的PWM方式，相對(duì)簡(jiǎn)單。 圖2.單級(jí)有源功率因數(shù)校正3.2.2主電路參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：P=1000W，Vin=90130V，Uo=200V或者Vin130V260V，Uo400V，fs=50KHZ100KHZ，PF0.99以上，TH

8、D8%。升壓電感L的計(jì)算 其中Vin(peak)是輸入電壓的最小峰值電壓，D是輸入電流峰值最大時(shí)的占空比，F(xiàn)s是開關(guān)頻率，是最大輸入電流紋波。輸出電容的選擇 ，此處選1000uF。輸入單相整流橋單相整流橋承受的最大峰值電壓為，最大輸入電流有效值為：，考慮到安全裕量，本系統(tǒng)選用的單相整流橋型號(hào)為KBPC3510。開關(guān)管MOSFET的選擇MOSFET導(dǎo)通時(shí)流過的電流為電感電流，電感電流的最大峰值為：，考慮到輸出二極管的反向恢復(fù)電流，則通過功率開關(guān)管的峰值電流為，開關(guān)管承受的最大直流電壓為,所以選用MOSFET 的規(guī)格為VDSS=500V，IDM=26A的APT5020。輸出二極管由于電路的開關(guān)頻率

9、較高，所以輸出二極管須采用快恢復(fù)二極管。它們的特點(diǎn)是開關(guān)特性好，反向恢復(fù)時(shí)間短，耐壓高，正向電流大，體積小，安裝簡(jiǎn)便。本設(shè)計(jì)中，輸出二極管承受的最大直流電壓為480V，輸出電流，（當(dāng)輸出電壓為200V時(shí)，輸出電流最大）?？紤]到安全裕量選取定額為8A/1200V的RHRP8120型快恢復(fù)二極管。3. 3控制電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)了基于UC3854為核心的有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)的控制電路，以減小輸入電流的諧波畸變。UC3854是TI公司生產(chǎn)的專門用于功率因數(shù)校正的集成控制芯片，在它的內(nèi)部含有電壓放大器、模擬乘法器除法器電路、電流放大器電路和恒頻PWM控制電路，同時(shí)還含有驅(qū)動(dòng)外接功率開關(guān)管MOSFET的驅(qū)動(dòng)

10、輸出電路、7.5V基準(zhǔn)電壓源、交流市電輸入電壓預(yù)測(cè)電路、低供電電壓檢測(cè)電路和過電流比較器電路。UC3854利用平均電流控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)恒頻電流控制，具有穩(wěn)定性好和畸變小的優(yōu)點(diǎn)。UC3854可應(yīng)用于交流輸入供電電壓范圍為75275V、電源的供電頻率范圍為50400Hz的有源功率因數(shù)校正場(chǎng)合，由于UC3854的工作電流小，所以簡(jiǎn)化了UC3854的供電電路部分的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制電路如圖3所示。圖3.UC3854實(shí)現(xiàn)PFC的控制電路圖3. 4 實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)裝置的主電路和控制電路集成于一塊板上，UC3854芯片的電源電壓由另外一塊輔助電源板提供，如圖4所示。在實(shí)驗(yàn)中，利用電能質(zhì)量分析儀（FLUKE-43

11、4）對(duì)電壓電流波形，THD和功率因數(shù)（PF）進(jìn)行測(cè)試。由于用FLUKE-434測(cè)試PF時(shí)，精度只能達(dá)到0.01，因此，本系統(tǒng)測(cè)試的PF顯示值最高只能顯示0.99。圖4.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，取得實(shí)驗(yàn)如下數(shù)據(jù)（表2）。表2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表輸入電壓（V）輸出電壓(V)THD (Vin)THD (Iin)%PF%902004.210.70.991002003.98.60.991102003.57.10.991202003.17.60.991252002.96.70.991302002.75.80.99圖5,6,7,8分別為經(jīng)過校正以后的輸入電壓在110V時(shí)的輸入電壓、電流波形，電壓和電流總諧波

12、畸變率（THD），功率因數(shù)（PF）值。5. 結(jié)論根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出：1） 經(jīng)UC3854校正以后，電壓和電流波形同相位，輸入電流為正弦波，不再是脈沖狀；2） 輸入電壓的總諧波畸變率降到了2.7，電流的總諧波畸變率降到了5.8%；3） 功率因數(shù)（PF）值從0.67提升到了0.99以上；同時(shí)輸出電壓在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)（90130V）均能保持恒定。圖5.電壓和電流波形 圖6.電流總諧波畸變率圖7.電壓總諧波畸變率 圖8.功率因數(shù)顯示參 考 文 獻(xiàn) 1 路秋生. 功率因數(shù)校正技術(shù)與應(yīng)用. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2006,2.2 倪海東, 蔣玉萍. 高頻開關(guān)電源集成控制器. 北京: 機(jī)械工業(yè)出

13、版社,2004,9.3 張占松, 蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì). 北京: 電子工業(yè)出版社, 1998.4 蔡宣三, 龔紹文. 高頻功率電子學(xué). 北京: 科學(xué)出版社,1993.5 WanFenZhang. New Controler Starategies For AC-DC Converters With Power Factor Correction , Department of Electrical and Computer engineering, February 2005.6 FredC.lee,Chairman,Dushan Boroyevich, DanY.Chen. ThREE-PHASE POWER