UC3854的单级式功率因数校正

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基于UC3854的单级式功率因数校正的研究

*引言

近年来，随着电子技术的发展，各种办公自动化设备，家用电器，计算机被大量使用，然而，在这些设备的内部都离不开一个共同的“心脏”——开关电源，即将市电转化为直流电源，以供给系统的需求。在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的交流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，功率因数PF=0.67。如图1所示。

图1.输入电压电流波形

脉冲状的输入电流，含有大量的谐波，而谐波的存在，不但对公共电力系统产生污染，易造成电路故障，而且严重降低了系统的功率因数。本课题基于此问题进行有源功率因数校正技术的模拟控制策略研究，设计了基于UC3854为核心的功率因数校正系统，实现了电源装置网侧电流正弦化，功率因数接近1，极大地减少了电流谐波，消除了对公共电力系统的污染。

1．主电路拓扑结构

主电路采用单级功率因数校正器，主要是将PFC级和DC/DC变换级集成在一起，两级共用一只功率器件，它与传统的两级电路相比省掉了一只功率器件，增加了一个二极管。系统拓扑如图2所示。另外，其控制采用常规的PWM方式，相对简单。

iac

AC PFC

DC/DC

图2.单级有源功率因数校正

2.有源功率因数校正电路原理

有源功率因数校正电路原理

整流器输出电压u d 、升压变换器输出电容电压u C 与给定电压U *c 的差值都同时作为乘法器的输入，构成电压外环, 而乘法器的输出就是电流环的给定电流I *s 。 升压变换器输出电容电压u C 与给定电压U *c 作比较的目的是判断输EMI 滤波器u i i i ＋－u d C 1P WM 形成电路L 1V 乘法器

i F *s I u d VD C 采样滤波U o u C －＋△∞*

c U

出电压是否与给定电压相同，如果不相同，可以通过调节器调节使之与给定电压相同，调节器（图中的运算放大器）的输出是一个直流值，这就是电压环的作用。而整流器输出电压u d 显然是正弦半波电压波形，它与调节器结果相乘后波形不变， 所以很明显也是正弦半波的波形且与u d 同相。

将乘法器的输出作为电流环的给定信号I *s ，才能保证被控制的电感电流i L 与电压波形u d 一致。I *s 的幅值与输出电压u C 的差值有关，也与u d 的幅值有关。L 1中的电流检测信号i F 与环， 产生PWM 信号, 即开关V 的驱动信号。V 导通， 电感电流i L 增加。 当i L 增加到等于电流I *s 时，V 截止， 这时 使二极管导通，电源和L 1释放能量，同时给电容C 充电和向负载供电， 这就是电流环的作用。

由升压直流转换器的工作原理可知， 升压电感L 1中的电流有连续和断续两种工作模式， 因此可以得到电流环中的PWM 信号即开关V 的驱动信号有两种产生方式：一种是电感电流临界连续的控制方式，另一种是电感电流连续的控制方式。这两种控制方式下的电压、 电流波形如图所示。

APFC控制的波形

(a) 峰值电流控制方式；(b) 平均电流控制方式

由图(a)的波形可知，开关V截止时，电感电流i L刚好降到零；开关导通时，i L从零逐渐开始上升；i L的峰值刚好等于电流给定值I*s。即开关V导通时，电感电流从零上升；开关截止时，电感电流从峰值降到零。电感电流i L的峰值包络线就是I*s 。因此, 这种电流临界连续的控制方式又叫峰值电流控制方式。

从图(b)的波形可知，这种方式可以控制电感电流i L在给定电流I*s 曲线上，由高频折线来逼近正弦曲线，这就是电流滞环控制，I*s反映的是电流的平均值，因此这种电流连续的控制方式又叫平均值控制方式。电感电流i L经过C1和射频滤波后，得到与输入电压同频率的基波电流i i。

在相同的输出功率下，峰值电流控制的开关管电流容量要大一倍。平均电流控制时，在正弦半波内，电感电流不到零，每次DC/DC开关导通之前，电感L1和二极管VD中都有电流, 因此开关开通的瞬间，L1中的电流、二极管VD中的反向恢复电流对直流转换电路中的开关器件V和二极管形成了“寿命杀手”，在选择元件时要特别重视。而峰值电流控制没有这一缺点，只要检测电感电流下降时的变化率，当电流过零时就允许开关开通，而电流的峰值用一个限流电阻检测就能达到目的，这样既便宜又可靠，在小功率范围内推广应用是很适合的。

在非连续性模式，升压转换之MOSFET在电感电流降为零时开始导通，而在电感电流达到所需之输入参考电压值时，MOSFET则关断。利用此方式使输入波形跟随输入电压波形，得到接近于1的功率因数。

3.有源功率因数校正的控制

有源功率因数校正技术的思路是，控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前能与整流后的电压波形相同，从而避免形成电流脉冲，达到改善功率因数的目的。有源功率因数校正电路原理如图所示，主电路是一个全波整流器，实现AC/DC的变换，电压波形不会失真；在滤波电容C之前是一个Boost变换器，实现升压式DC/DC变换。从控制回路来看，它由一个电压外环和一个电流内环构成。在工作过程中，升压电感L1中的电流受到连续的监控和调节，使之能跟随整流后正弦半波电压波形。

有源功率因数校正电路是一个双闭环控制系统。内环是一个电流控制

环, 它是一个I型控制系统（一阶无差系统）。按照控制理论, I型系统可以无差的跟踪斜坡信号，由于正弦波信号变化率比斜坡信号慢, 所以I型系统也可以无差的跟踪正弦波信号。电流环的作用是使输入电流无差的跟踪输入电压的波形, 于是输入电流就是与输入电压同相的正弦波波形, 达到了功率因数校正的目的。

外环是一个电压控制环, 它是一个II型控制系统（二阶无差系统）, 按照控制理论, II型系统可以无差的跟踪阶跃信号。只要输入一个不变的参考电压, 就可以得到一个稳定不变的输出电压。电压环的作用是使输出保持一个高于输入电压最高峰值的稳定电压, 这是所必需的。

双闭环控制的效果是使输入电流与输入电压呈同相的正弦波, 输出是一个高于输入电压最大峰值的稳定直流电压。这个稳定的直流为后级变换电路提供直流能量。