有源功率因数校正电路设计

有源功率因数校正电路设计

一、摘要：

由于电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染。介绍了有源功率因数校正电路的工作原理，提出了基于.. UC3854芯片的一种有源功率因数校正电路方案。经.. PSpice软件仿真证明电路合理可行。

关键词：有源功率因数校正；Booost变换器；UC3854；PSpice仿真1、引言

将交流2 2 0 V电网电压经整流再提供直流是实际单相电源应用中最为广泛的变流方案，但电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染。另外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器材承受很大的电应力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰。

有源功率因数校正技术可将开关电源等电子负载变换成等效的纯电阻，从而提高电路功率因数，减小低频谐波。在各种单相功率因数校正电路中，单相B o o s t电路因具有效率高、电路简单、成本低等优点而得到广泛应用。

随着软开关技术的发展和AP F C电路的广泛应用，针对A P F C电路提出了多种软开关方法，用来降低器件的开关损耗、减小电磁干扰、提高开关频率，使电力电子装置系统在响应时间、

频率范围、噪声和模块体积等方面的性能都得到很大的提高，满足其高频化、数字化、环保化和模块化的未来发展要求。现提出了一种基于U C 3 8 5 4的零电压控制A P F C电路的控制方案，并由仿真结果证明达到了技术要求。

2、功率因数校正原理

功率因数( P F ) 是指交流输入有功功率( P ) 与输入视在功率( S ) 的比值。所以功率因数可以定义为输入电流失真系数与相移因数的乘积。

式中：输入基波电流有效值；

输入电流有效值；

输入电流失真系数。

可见功率因数由电流失真系数和基波电压、基波电流相移因数决定，低则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时值低，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，严重时对三相四线制供电，还会造成中线电压偏移，致使用电设备损坏。

提高功率因数的方法

由功率因数可知，要提高功率因数，有两个途径：1 )使输入电压、输入电流同相位。此时，所以。2 )使输入电流正弦化。即( 谐波为零) ，有

从而实现功率因数校正。

功率因数校正技术，从其实现方法上讲，就是使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形，且和电压波形同相位。在理想的情况下，可将整流器的负载等效为一个电阻。此时的PF值为1，所以有时把功率因数校正电路叫做电阻仿真器。

利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻。

功率因数校正原理框图

A P F C电路的主要思想是：选择输入电压为参考信号，使得输入电流跟踪参考信号，实现输入电流的低频分量与输入电压为一个近似的同频同相正弦波，以提高功率因数和抑制谐波。图l 所示为一个

B o o s t 变换器A P F C电路的原理图，其主电路由单相桥式整流器和D

C —

D C B o o s t 变换器组成。控制电路由电压误差放大器，参考电压，电流误差放大器CA。乘法器M，PWM调制器和驱动器组成。

图1 Boost变换器APFC电路的原理图

工作原理：主电路的输出电压和参考电压比较后，输入给电

压误差放大器V A，整流电压检测值和电压误差放大器V A的输出电压信号共同加到乘法器M 的输入端，乘法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流的检测值比较后，经过电流误差放大器C A加到P WM调制器及驱动器，以控制开关管V T的导通与关断，从而使输入电流( 即电感电流) 低频分量的波形与整流电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了电路功率因数。其中，输入电流高频分量对系统的影响可通过设置电流误差放大器C A的幅频特性来降低，通过设计，对于低频分量，电流误差放大器C A的增益较大，使得输入电流中的低频分量非常接近作为电流反馈控制的基准信号；对于高频分量，电流误差放大器C A的增益则很小，使得高频分量在电流误差放大器输出端几乎不存在，从而保证P WM调制器为正弦波脉宽调制方式控制。

3、有源功率因数校正电路主电路设计

有源功率因数校正（APFC）法，就是在整流器和负载间接一个DC—DC变换器，应用电流反馈技术，使输入电流波形跟踪交流输入正弦波形，从而把功率因数提高到0.99或更高。

单相交流电源经E M I 滤波后通过整流桥整流变成直流电，经由组成的B o o s t 功率因数校正电路，通过输出滤波电路输出直流电压的1 ．5—2倍，本设计的目标为U = 5 0 0 V 。

2 ．1 E MI滤波器的设计

从频率选择的角度看，E MI 滤波器属于低通滤波器。它能毫无

衰减地把直流电和工频交流电传输到开关电源，不但可以大大地衰减从电网引入的外部电磁干扰，还可以

避免开关电源设备本身向外部发出噪声，干扰其他电子设备的正常工作。本设计中采用的E MI 滤波器基本结构如图2所示，它由和L组成。其中L表示绕在

同一铁心上的共模电感，两者匝数相等，绕向相同；为滤波电容，L 的两个绕组形成的电感分别与构成共模噪声滤波器，滤除电源线上的共模噪声。由于电感器

的绕制工艺不可能保证两个电感完全相等，所以两者之差就形成了差模电感。差模电感与构成差模噪声滤波器，滤除差模噪声。

图2 E MI 滤波器的结构

所设计变换器的输入电压为交流市电 5 0 Hz ， 2 2 0 V± 1 0 ％，即1 9 8—2 4 2 V，其峰值为：2 8 0～3 4 2 V，则整流桥所承受的最大反向电压为= 3 4 2 V

取5 0 ％的裕量得：3 4 2×( 1 +5 0 ％) =5 1 3 V

因为电源的输入功率随效率变化，所以应取电源效率最差时的值。在此，我们按开关电源的效率最差时取值，取= 0 .9；输出功率为250 W，最大输入电流有效值为：