吳 敏

（重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中國 重慶 408000）

1 采用功率因數(shù)校正技術(shù)的目的

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)運行。這些設(shè)備的輸入端一般是橋式整流和電容濾波電路，其二極管只有在輸入電壓大于直流輸出電壓時才導(dǎo)通，時間很短。因此，輸入電流是尖頂波，造成交流輸入電流嚴(yán)重畸變，由此產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)。電網(wǎng)諧波電流不僅引起變壓器和供電線路過熱，影響電器的性能，并且產(chǎn)生電磁干擾，影響其他電子設(shè)備正常運行。因此，許多國家和組織制定了限制用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)，對用電設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波和功率因數(shù)都作了明確具體的限制，這就要求生產(chǎn)電力電子裝置的廠家必須采取措施來抑制其產(chǎn)品的諧波，提高功率因數(shù)。

抑制諧波的傳統(tǒng)方法是采用無源校正，即在主電路中串入無源LC濾波器。該方法雖然簡單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產(chǎn)生電磁干擾，但是，它有以下缺點：

（1）濾波效果與電網(wǎng)阻抗、頻率有關(guān)，動態(tài)性能差；

（2）濾波元件可能會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作；

（3）濾波要求越高，濾波器體積越大。

解決上述問題的有效方法是在整流橋與濾波電容之間加一級功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)。在電力電子設(shè)備中采用功率因數(shù)校正(Power Filter Correction，PFC)技術(shù)，對于降低高次諧波電流及電網(wǎng)的干擾、提高設(shè)備效率、節(jié)約能源是十分必要的。

2 有源功率因數(shù)校正的工作原理

有源功率因數(shù)校正技術(shù) （Active Power Filter Correction，APFC，在本文中PFC亦指APFC），是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關(guān)，通過控制有源開關(guān)的通斷來強迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數(shù)。目前，單相電路的PFC技術(shù)已經(jīng)成熟，三相PFC電路處于研制階段。

現(xiàn)以單相電路為例，說明PFC技術(shù)的工作原理。

有源功率因數(shù)校正電路的形式多種多樣，從原理上說，任何一種DC/DC變換電路都可用作為PFC主電路。但是，由于升壓直流斬波電路的輸入端是大電感，可維持電流的連續(xù)性，跟隨輸入電壓的變化，因為其所具有的特殊的優(yōu)點，所以在PFC主電路中應(yīng)用更為廣泛。

以升壓斬波電路為例，說明有源功率因數(shù)校正電路的工作原理。圖1給出了升壓—PFC電路的工作原理。主電路由單相橋式整流電路和升壓斬波電路組成，虛線框內(nèi)為控制電路，包括：電壓誤差放大器VA及基準(zhǔn)電壓Ur，乘法器M，電流誤差放大器CA，PWM脈寬調(diào)制器和驅(qū)動電路。

圖1 升壓—PFC電路圖

PFC的工作原理為：輸出電壓U0與基準(zhǔn)電壓Ur比較后，誤差信號經(jīng)電壓誤差放大器VA放大后送入乘法器，與全波整流電壓取樣信號相乘以后形成基準(zhǔn)電流信號?；鶞?zhǔn)電流信號與電流反饋信號相減，誤差信號經(jīng)電流誤差放大器CA后再與鋸齒波相比較形成PWM信號，然后經(jīng)驅(qū)動電路控制主電路開關(guān)S的通斷，使電流跟隨基準(zhǔn)電流信號變化。由于基準(zhǔn)電流信號同時受輸入交流電壓和輸出直流電壓的控制，因此，當(dāng)電路的實際電流與基準(zhǔn)電流一致時，既能實現(xiàn)輸出電壓恒定，又能保證輸入電流為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓同相，從而獲得接近于1的功率因數(shù)。

根據(jù)上面的分析，PFC電路與一般開關(guān)電源的區(qū)別在于：PFC電路不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流；PFC電路的電流環(huán)基準(zhǔn)信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號的乘積。

3 PFC集成控制電路UC3854及其應(yīng)用

集成電路UC3854是美國Unitrode公司生產(chǎn)的PFC控制專用器件，也是目前使用最多的一種PFC集成控制電路，用于控制圖1所示的PFC變換電路。它內(nèi)部集成了PFC控制電路所需要的所有功能，應(yīng)用時，只需增添少量的外圍電路，便可構(gòu)成完整的PFC控制電路。

圖2是UC3854的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可見，UC3854包含：電壓放大器VA，模擬乘法/除法器M，電流放大器CA，固定頻率PWM脈寬調(diào)制器，功率MOSFET的門極驅(qū)動電路，7.5V基準(zhǔn)電壓等。其中模擬乘法/除法器M的輸出信號為IM基準(zhǔn)電流信號，它與乘法器的輸入電流IAC的關(guān)系為（與圖中IM=AB/C對應(yīng)）：

式中，UAO為電壓放大器的輸出信號；Urms為輸出紋波電壓，約為 1.5～4.7V，由 PFC的輸入電壓經(jīng)分壓器后提供；比例系數(shù)K=-1；IAC約為250uA，取自輸入電壓，故與輸入電壓的瞬時值成比例。從UAO中減去1.5V是芯片設(shè)計的要求。圖中平方器和除法器（除以Urms2）起了電壓前饋的作用，使輸入電壓變化時輸入功率穩(wěn)定。

圖2 UC3854內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

UC3854有16個引腳，各引腳功能依次為：

①（GND）：接地端。

②（PKLMT）：峰值限制端，接電流檢測電阻的電壓負(fù)端。該端的門限值為0V，利用該端可以限定主電路的最大電流值。

③（CAOut)：電流放大器CA輸出端。

④(ISENSE)：電流檢測端。它內(nèi)部接CA輸入負(fù)端，外部經(jīng)電阻接電流檢測電阻的電壓正端。

⑤(MultOut)：乘法器輸出端。內(nèi)部接乘法/除法器輸出端和CA輸入正端，外部經(jīng)電阻接電流檢測電阻的電壓負(fù)端。

⑥(IAC)：電流輸入端。內(nèi)部接乘法/除法器的輸/K B，外部經(jīng)電阻接整流輸人電壓的正端。

⑦(VAOut)：電壓放大器輸出端。內(nèi)部接乘法/除法器的輸入A，外部接RC反饋網(wǎng)絡(luò)。

⑧(VRMS)：電源電壓有效值輸入端。內(nèi)部經(jīng)過平方器接乘法/除法器的輸入C，起前饋作用，該端口的電壓數(shù)值范圍為 1.5～4.7V。

⑨(REF)：基準(zhǔn)電壓端，產(chǎn)生7.5V基準(zhǔn)電壓。

⑩(ENA)：使能端。它是一個邏輯輸入端，使能控制PWM輸出、電壓基準(zhǔn)和振蕩器。當(dāng)它不用時，可接到+5V電源或用22kΩ的電阻使ENA置于高電平。

?(VSENSE)：輸出電壓檢測端。接電壓放大器VA的輸入負(fù)端。

?(RSET)：外接電阻Rset端?？刂普袷幤鞒潆婋娏骷跋拗瞥朔?除法器最大輸出。

?(SS)：軟啟動端。

?(CT)：外接振蕩電容CT端。振蕩頻率為f=1.25/RsetCT

?(UCC)：電源端。正常工作期間UCC的值應(yīng)大于17V，但最大不能超過35V。UCC對GND端應(yīng)接入旁路電容。

?(GTDrv)：門極驅(qū)動端。

控制芯片UC3854適用的功率范圍比較寬，5kW以下的單相升壓—PFC電路均可以采用該芯片作為控制器。圖3給出了輸出功率為250W時由UC3854構(gòu)成的PFC電路原理圖。輸出功率不同時，只需改變主電路中的電感L1和電流檢測電阻RS、控制電路中的電流控制環(huán)參數(shù)。輸出電壓UO由下式確定：

UO的大小一般選取為380～400V。

4 結(jié)語

在電力電子設(shè)備中采用功率因數(shù)校正 (Power Filter Correction，PFC)技術(shù)，對于降低高次諧波電流及電網(wǎng)的干擾、提高設(shè)備效率、節(jié)約能源具有十分重要的意義，故而應(yīng)加大功率因數(shù)校正技術(shù)在電力電子變換電路中的應(yīng)用。