第九讲功率因数校正.doc

第九讲 有源功率因数校正
一、功率因数校正的基本原理
理论上：
P.F.= P/S=(REAL POWER)/(TOTAL APPARENT POWER)=Watts/V.A.
=有功功率/视在功率
对于输入电压和电流都是理想的正弦波的情况，如果把输入电压和输入电流的相位差定义为φ，那么，P.F.=P/S=Cosφ相应的功率相量图如下图1所示。

图1
对于非理想的正弦波, 假设输入电压为正弦波, 输入电流为周期性的非正弦波, 比如在实际的AC-DC 线路中广泛应用的全波整流, 只有当输入电压大于电容的电压时, 才有市电电流给电容充电，如图2所示。

在这种情况下, 电压有效值Vrms=Vpeak/√2，周期性的非正弦波电流经过傅里叶变换为:

有功功率P=VRMS*I1RMSP=VRMS*I1RMS*Cosφ1(φ1-输入电压和输入电流基波分量I1RMS 的相位差)。
S=VRMS*IRMS total
于是使功率因数Power Factor 可以表达为：
P.F.=P/S= (I1RMS/I RMS total)* Cos φ1
定义电流失真系数K= I1RMS/I RMS total = Cosθ；θ为失真角(Distortion angle)；K 为与电流谐波(Harmonic) 分量有关的系数。如果总的谐波分量为零, K 就为1。最后, 可以表达为: P.F.=Cos φ1*Cos θ，功率向量图如图3所示。

图3
φ1 是电压V 与电流基波I1RMS 之间的相量差；θ 是电流失真角。可见功率因数 (PF) 由电流失真系数 ( K ) 和基波电压、基波电流相移因数( Cos φ1) 决定。
Cos φ1 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，K 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，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。
由于常规整流装置常使用非线性器件（如可控硅、二极管），整流器件的导通角小于180o，从而产生大量谐波电流成份，而谐波电流成份不做功，只有基波电流成份做功。所以相移因数(Cos φ1)和电流失真系数（K）相比，输入电流失真系数（K）对供电线路功率因数 (PF) 的影响更大。
为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术标准，以限制谐波电流含量。如：IEC555-2， IEC61000-3-2，EN 60555-2 等标准，它们规定了允许产生的最大谐波电流。我国于1994 年也颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（GB/T14549-93）。
二、PF 与总谐波失真系数（THD: Total Harmonic Distortion）的关系

三.功率因数校正实现方法
由功率因数: P.F.=Cos φ*K = 1 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Cos φ =1, 所以PF=K。
2、使输入电流正弦化。即IRMS=I1RMS（谐波为零），有I1RMS/IRMS=1 , 即
P.F.=Cos φ*K = 1
从而实现功率因数校正。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，所以有的地方又把功率因数校正电路叫做电阻仿真器。
四、有源功率因数校正方法分类
1、按有源功率因数校正电路结构分
（1）降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。
（2）升/降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。
（3）反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W 以下功率的应用场合。
（4）升压式（boost）：简单电流型控制，PF 值高，总谐波失真（THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于75W~2000W 功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：
1）电路中的电感L 适用于电流型控制。
2）由于升压型APFC 的预调整作用在输出电容器C 上保持高电压，所以电容器C 体积小、储能大。
3）在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。
4）输入电流连续，并且在APFC 开关瞬间输入电流小，易于EMI 滤波。
5）升压电感L 能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。
升压式和反激式电路如图4所示。

图4
UC3854, L4981 是一种工作于平均电流的的升压型（boost）APFC 电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的APFC 电路。
2、按输入电流的控制原理分
（1）平均电流型：工作频率固定，输入电流连续（CCM），波形图如图5（a）所示。TI 的UC3854, ST 的L4981 就工作在平均电流控制方式。一般用于输出功率Po > 400~500W 的大功率场合 。
这种控制方式的优点是：1）恒频控制。2）工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI 滤波器体积小。3）能抑制开关噪声。4）输入电流波形失真小。
主要缺点是：1）控制电路复杂。2）需用乘法器和除法器。3）需检测电感电流。4）需电流控制环路。
（2）滞后电流型。工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流，波形图如图5（b）所示。一般用于输出功率200W < Po < 400W 的中等功率场合。
（3）峰值电流型。工作频率变化，电流不连续（DCM），工作波形图如图5（c）所示。一般用于输出功率Po < 250W 的小功率场合。DCM 采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点。但存在以下缺点：1）功率因数和输入电压Vin 与输出电压VO 的比值Vin/Vo 有关。即当Vin 变化时，功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随Vin/Vo 的加大而THD 变大。2）开关管的峰值电流大（在相同容量情况下，DCM 中通过开关器件的峰值电流为 CCM 的两倍），从而导致开关管损耗增加。所以在大功率APFC 电路中，常采用CCM 方式。
（4）电压控制型。工作频率固定，电流不连续，工作波形图如图5（d）所示。

图5

五、PFC的工作原理
PFC（功率因数校正）的工作原理框图如图6所示。

图6
六、PFC 的实际设计及应用
下面以TI/UNITRODE 的UC3854为例进行讲解。
1、UC3854 的特性
(1)升压脉冲宽度调制,功率因数可达0.99
(2)市电电流谐波可达<5%
(3) 宽市电电压, 不需选择开关
(4)前馈市电调节
(5)平均电流控制
(6)低噪音敏感性
(7)低启动工作电流
(8)固定的PWM 驱动频率
(9)低偏置电压的模拟乘/除法器
(10)1A 图腾柱门极驱动
(12)精确的电压参考
2、UC3854 的功能描述:
它可以进行电源的功率因数校正, 防止电源从正弦电压市电吸取非正弦的电流, 充分利用从市电吸收的电流, 减小电流谐波，框图如图7所示。

图7
为了达到这些功能；UC3854 包含:
● a voltage amplifier ● 一个电压放大器
● an analog multiplier/divider ● 一个模拟乘/除法器
● a current amplifier ● 一个电流放大器
● a fixed-frequency PWM ● 一个固定频率的PWM
另外, 它还有:
● a power MOSFET compatible gate driver ● 一个与MOSFET 兼容的门极驱动
● 7.5V reference ● 7.5V 电压参考
● line anticipator ● 市电预期
● load-enable comparator ● 负载使能比较器
● low-supply detector ● 低电压侦测
● over-current comparator ● 过流比较器
UC3854 利用平均电流控制方法, 跟峰值电流控制不一样的是, 平均电流控制可以精准的保持
市电电流为正弦波, 并且不需要斜率补偿, 最小限度的对市电瞬态噪音作反应.
它的高电压参考和大的震荡幅值可以减小对噪音的敏感度, 工作频率可达200KHz. 可用在单相
和三相电源, 市电电压从75V 到 275V, 频率从50Hz 到 400Hz 的范围. 为了减小工作所需能
量,UC3854 有低启动电流的特点.
>>>UC3854 的引脚功能:
引脚号、引脚符号、引脚功能
1 GND 接地端，器件内部电压均以此端电压为基准
2 PKLMT 峰值限定端，其阈值电压为零伏与芯片外检测电阻负端相连，可与芯片内接基准电压的电阻相连，使
峰值电流比较器反向端电位补偿至零
3 CA out 电流误差放大器输出端，对输入总线电流进行检测，并向脉冲宽度调制器发出电流校正信号的宽带运
放输出
4 Isense 电流检测信号接至电流放大器反向输入端，4 引脚电压应高于-0.5V（因采用二极管对地保护）
5 Mult. out 乘法放大器的输出和电流误差放大器的同相输入端
6 IAC 乘法器的前馈交流输入端，与B 端相连，(6)引脚的设定电压为6V，通过外接电阻与整流输出电压的
正端相连.
7 VA out 误差电压放大器的输出电压，这个信号又与乘法器A 端相连，但若低于1V 乘法器便无输出
8 VRMS 前馈总线有效值电压端，与跟输入线电压有效值成正比的电阻相连时，可对线电压的变化进行补偿
9 VREF 基准电压输出端，可对外围电路提供10mA 的驱动电流
10 ENA 允许比较器输入端，不用时与+5V 电压相连
11 Vsense 电压误差放大器反相输入端，在芯片外与反馈网络相连，或通过分压网络与功率因数校正器输出端相
连
12 Rset 12 端信号与地接入不同的电阻，用来调节振荡器的输出和乘法器的最大输出
13 SS 软启动端，与误差放大器同相端相连
14 CT 接对地电容器CT，作为振荡器的定时电容
15 Vcc 正电源阈值为10V～16V
16 GTDRV PWM信号的图腾输出端，外接MOSFET 管的栅极，该电压被钳位在15V

>>>UC3854 的控制方法:

UC3854中文资料

UC3854中文资料
UC3854是功率因数校正器(PFC)的集成电路.
UC3845引脚图及引脚功能描述
UC3845有16个Pin,其各脚功能如下:
1)GND 接地端
2)PKLMT峰值限制端,接电流检测电阻的电压负端,当电流峰值过高时,电路将被关闭.
3)CAOUT  电流放大器CA输出端
4)ISENSE 电刘检测端,内部接CA输入负端,外部经电阻接电流检测电阻的电压正端
5)Mult Out乘法器输出端,即电流检测另一端,内部接乘法/除法器输出端 和CA输入正端,外端经电阻接电流检测电阻的电压负端 
6)JAC    输入电流端,内部接乘法/除法器输入端,外部经电阻接整流输入电压的正端
7)UA Out 电压放大器UA输出端,内部接乘法/除法器输入端,外部接RC反馈网络
8)URMS   有效值电源电压端,内部经平方器接乘法/除法器输入端,起前馈作用,URMS的数值范围为1.5~4.77v
9)REF    基准电压端,产生7.5V基准电压
10)ENA   起动端,通过逻辑电路控制基准电压,振荡器,软起动等
11)USENSE输出电压检测端,接电压放大器UA的输入负端
12)RSET  外接电阻RSET端,控制振荡器充电电流及限制乘法/除法器最大输出
13)SS    软起动端
14)CT    外接电容CT端,CT为振荡器定时电容,使产生振荡频率为f=1.25/RSET*CT
15)Vcc   集成电路的供电电压Vcc,额定值22V
16)GTDRV 门极驱动端,通过电阻接功率MOS开关管门极,该端电位钳在15V

                 图1 16引脚封装

                                图2 20引脚图封装
UC3845内部结构图:

图3 内部电路图
UC3845典型应用电路

                                                图4 典型设计电路图

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