基于UC3854控制的PFC技术的应用研究

2011-06-16吴敏

科技视界 2011年23期

吴敏

（重庆工贸职业技术学院中国重庆 408000）

1 采用功率因数校正技术的目的

随着电力电子技术的发展，越来越多的电力电子设备接入电网运行。这些设备的输入端一般是桥式整流和电容滤波电路，其二极管只有在输入电压大于直流输出电压时才导通，时间很短。因此，输入电流是尖顶波，造成交流输入电流严重畸变，由此产生大量的谐波注入电网。电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，影响电器的性能，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运行。因此，许多国家和组织制定了限制用电设备谐波的标准，对用电设备注入电网的谐波和功率因数都作了明确具体的限制，这就要求生产电力电子装置的厂家必须采取措施来抑制其产品的谐波，提高功率因数。

抑制谐波的传统方法是采用无源校正，即在主电路中串入无源LC滤波器。该方法虽然简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰，但是，它有以下缺点：

（1）滤波效果与电网阻抗、频率有关，动态性能差；

（2）滤波元件可能会与电网阻抗发生并联谐振，导致系统无法正常工作；

（3）滤波要求越高，滤波器体积越大。

解决上述问题的有效方法是在整流桥与滤波电容之间加一级功率因数校正环节。在电力电子设备中采用功率因数校正(Power Filter Correction，PFC)技术，对于降低高次谐波电流及电网的干扰、提高设备效率、节约能源是十分必要的。

2 有源功率因数校正的工作原理

有源功率因数校正技术（Active Power Filter Correction，APFC，在本文中PFC亦指APFC），是在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数。目前，单相电路的PFC技术已经成熟，三相PFC电路处于研制阶段。

现以单相电路为例，说明PFC技术的工作原理。

有源功率因数校正电路的形式多种多样，从原理上说，任何一种DC/DC变换电路都可用作为PFC主电路。但是，由于升压直流斩波电路的输入端是大电感，可维持电流的连续性，跟随输入电压的变化，因为其所具有的特殊的优点，所以在PFC主电路中应用更为广泛。

以升压斩波电路为例，说明有源功率因数校正电路的工作原理。图1给出了升压—PFC电路的工作原理。主电路由单相桥式整流电路和升压斩波电路组成，虚线框内为控制电路，包括：电压误差放大器VA及基准电压Ur，乘法器M，电流误差放大器CA，PWM脉宽调制器和驱动电路。

图1 升压—PFC电路图

PFC的工作原理为：输出电压U0与基准电压Ur比较后，误差信号经电压误差放大器VA放大后送入乘法器，与全波整流电压取样信号相乘以后形成基准电流信号。基准电流信号与电流反馈信号相减，误差信号经电流误差放大器CA后再与锯齿波相比较形成PWM信号，然后经驱动电路控制主电路开关S的通断，使电流跟随基准电流信号变化。由于基准电流信号同时受输入交流电压和输出直流电压的控制，因此，当电路的实际电流与基准电流一致时，既能实现输出电压恒定，又能保证输入电流为正弦波，并且与电网电压同相，从而获得接近于1的功率因数。

根据上面的分析，PFC电路与一般开关电源的区别在于：PFC电路不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；PFC电路的电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号的乘积。

3 PFC集成控制电路UC3854及其应用

集成电路UC3854是美国Unitrode公司生产的PFC控制专用器件，也是目前使用最多的一种PFC集成控制电路，用于控制图1所示的PFC变换电路。它内部集成了PFC控制电路所需要的所有功能，应用时，只需增添少量的外围电路，便可构成完整的PFC控制电路。

图2是UC3854的内部结构框图。从图中可见，UC3854包含：电压放大器VA，模拟乘法/除法器M，电流放大器CA，固定频率PWM脉宽调制器，功率MOSFET的门极驱动电路，7.5V基准电压等。其中模拟乘法/除法器M的输出信号为IM基准电流信号，它与乘法器的输入电流IAC的关系为（与图中IM=AB/C对应）：

式中，UAO为电压放大器的输出信号；Urms为输出纹波电压，约为 1.5～4.7V，由 PFC的输入电压经分压器后提供；比例系数K=-1；IAC约为250uA，取自输入电压，故与输入电压的瞬时值成比例。从UAO中减去1.5V是芯片设计的要求。图中平方器和除法器（除以Urms2）起了电压前馈的作用，使输入电压变化时输入功率稳定。