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(yùn)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(shí)才導(dǎo)通，時(shí)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(yùn)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(duì)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(diǎn)：

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

（2）濾波元件可能會(huì)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(jí)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(duì)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(qiáng)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?yàn)槠渌哂械奶厥獾膬?yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(hào)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(hào)相乘以后形成基準(zhǔn)電流信號(hào)?；鶞?zhǔn)電流信號(hào)與電流反饋信號(hào)相減，誤差信號(hào)經(jīng)電流誤差放大器CA后再與鋸齒波相比較形成PWM信號(hào)，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(hào)變化。由于基準(zhǔn)電流信號(hào)同時(shí)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(shí)際電流與基準(zhǔn)電流一致時(shí)，既能實(shí)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(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)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(shí)，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(dòng)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(hào)為IM基準(zhǔn)電流信號(hào)，它與乘法器的輸入電流IAC的關(guān)系為（與圖中IM=AB/C對(duì)應(yīng)）：

式中，UAO為電壓放大器的輸出信號(hào)；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(shí)值成比例。從UAO中減去1.5V是芯片設(shè)計(jì)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(shí)輸入功率穩(wěn)定。

圖2 UC3854內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

UC3854有16個(gè)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(cè)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(cè)端。它內(nèi)部接CA輸入負(fù)端，外部經(jīng)電阻接電流檢測(cè)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(cè)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?zhàn)饔茫摱丝诘碾妷簲?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(gè)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(shí)，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(cè)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(dòng)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(duì)GND端應(yīng)接入旁路電容。

?(GTDrv)：門極驅(qū)動(dòng)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(shí)由UC3854構(gòu)成的PFC電路原理圖。輸出功率不同時(shí)，只需改變主電路中的電感L1和電流檢測(cè)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(duì)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。