学 号 14052101086
毕业设计（论文） 题目：基于UC3854的功率因数校正电路设计
作 者佘杨滨 届 别2009 届系 别机械与电气工程系 专 业自动化指导教师荣军 职 称讲师完成时间2009年5月21日
摘要
本文介绍了功率因数校正Boost变换器的基本工作原理和Boost变换器常用控制芯片UC3854的工作原理，设计了基于UC3854的Boost变换器的控制电路。该电路采用平均电流模型，它通过脉宽调制输出的一连串脉冲信号来控制电路中开关晶体管的导通与截止, 从而将输入电流与输出电压的相位重新调整到同相的状态, 最终达到功率因数校正的目的。通过比较和分析得知，该电路在有源功率因数校正方面有着结构简单，适应范围广等优点。
关键词： 有源功率因数校正（PFC）； Boost控制电路； UC3854
ABSTRACT
This paper introduces the Power Factor Correction Boost converter's basic working principle and the working principle of common control chip UC3854 of Boost converter , designing the control circuit what based on the UC3854 of Boost converter .Using the average current model, UC3854 controls the state of the switching transistor in the circuit by outputting a series of PWM(Pulse Width Modulation) signals. By this mean, it readjusts input current and output voltage to synchronization, thus fulfilling power factor correction. Through comparison and analysis we know that the circuit in the active power factor correction has a simple structure and wide range adaption and so many advantages. Keywords:active power factor correction(PFC); boost control circuit; UC3854
目录
摘要......................................................................................................................................................................................I ABSTRACT.........................................................................................................................................................................II 目录....................................................................................................................................................................................III 1 绪论. (1)
1.1 开关电源概述 (2)
1.2 谐波电流对电网的危害 (2)
1.3 功率因数校正的意义 (3)
1.4 总体方案设计与论证 (4)
1.5 系统的技术指标和系统构成 (4)
1.5.1 系统的技术指标 (5)
1.5.2 系统的总体构成 (5)
2 Boost升压型变换器的主功率电路的设计 (5)
2.1 功率因数（FC）的定义和实现方法 (5)
2.1.1 功率因数的定义 (5)
2.1.2 功率因数校正(PFC)实现方法 (6)
2.2 有源功率因数校正校正（APFC）原理 (6)
2.2.1 有源功率因数校正技术的研究现状 (6)
2.2.2 有源功率因数校正原理 (7)
2.2.3 有源功率因数校正技术的分类 (8)
2.3 Boost升压型变换器工作原理和控制方式 (9)
2.3.1 Boost变换器的工作原理 (9)
2.3.2 Boost变换器常用控制方式 (11)
2.4 主功率电路主要元器件的参数设计 (12)
2.4.1 升压电感设计 (12)
C
2.4.2输出电容的选择 (13)
2.4.3 功率开关与二极管 (14)
3基于UC3854控制电路的设计 (14)
3.1 UC3854控制器的内部结构和功能特点 (14)
3.1.1 UC3854控制器的内部结构介绍 (14)
3.1.2 UC3854控制器各引脚的功能 (15)
3.2 UC3854控制电路各参数的设计 (17)
3.2.1 UC3854中的前馈作用 (17)
3.2.2 电流的感测 (18)
3.2.3 峰值电流限制 (19)
3.2.4 乘法器的设定 (20)
3.2.5 前馈电压信号 (21)
3.2.6 乘法器的输入电流 (22)
3.2.7 振荡器的频率 (23)
3.2.8 电流误差放大器的补偿 (23)
3.2.9 电压误差放大器的补偿 (24)
3.3 谐波失真预计 (25)
3.3.1 谐波的产生 (25)
G
3.3.2 衰减量 (25)
ff
4结束语 (26)
参考文献 (27)
致谢 (28)
附录 (29)
1 绪论
70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，但是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，使得电力电子器件承受很大的电应力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EMI)，而且情况日趋严重。许多国家都已制定了限制谐波的国家标准，国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也分别于1984年和1993年制定了限制谐波的有关规定。我国加入WTO后，国产家电产品将面临入世的严峻挑战。为获得与国外同类产品同等的市场竞争地位，国家认监委在2003年5月1日以后对家电产品强制执行“3C认证”标准。这些都迫切需要可产品化的谐波抑制和功率因数校正方案。
功率因数校正技术能够实现各种电源装置电网侧电流正弦化，使电同资源得到充分利用，基本上消除负载对电网、负载对负载之闻的高次谐波污染，净化电网。
在传统没有功率因数校正的开关整流器中，交流输入电压，经整流后，紧跟着大电容滤波，由于电容的充放电使输入电流呈脉冲波形。这种电流谐波分量很大，造成功率因数下降。低功率因数开关电源的使用，严重污染了电网，干扰了其它设备，增大了前级设备（如变压器、电缆传输、柴油发电机等）的功率容量，使供电系统容量至少要增大30%以上，使用户增加了投资。对于三相四线输入，当三相负载不平衡时，零线电流会很大。从实际运行结果来看，低功率因数的开关电源所带来的危害是很严重的，这是因为输入电流有很高的峰值，含有大量的高次谐波，不但产生严重电磁干扰，还使供电变压器产生大的电磁应力，噪音增大，铁损严重，温升剧增。因此，在整流器设计中，认真设计好功率因数校正电路是至关重要的。
从早期的无源电路发展到现在的有源电路，从传统的线性控制方法发展到非线性控制方法，新的功率因数校正技术和拓扑电路不断涌现。相比之下，有源功率因数校正电路工作于高频开关状态，体积小、重量轻，比无源功率因数校正电路的效率要高的多。
随着功率因数校正（PFC）技术在我国的重视与应用，功率因数校正专用控制器的研究渐趋增加。而UC3854就是解决这个问题的一种高性能功率因数校正器。
1.1 开关电源概述
开关电源是指利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
电源是所有用电设备的心脏，为设备提供动力。开关电源处于电源技术的核心地位，近十年有了突飞猛进的发展。按目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源。
目前，应用最为广泛的直流电源又三类:线性电源、开关电源和相控电源。线性电源是开关电源的前身。各种电子装置、许多电气控制设备的工作电源都是直流电源。在开关电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性电源。由于和线性稳压电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势，因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源己全面取代了线性稳压电源。另外一种常用的直流电源是相控电源。它的主要优点是电路简单控制方便，主要的缺点是体积大，重量重，输出滤波电感大，另外，由于其频率低，控制的响应速度很慢。因此，只有在很大功率的应用场合才会采用。
近年来，开关电源已广泛应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的经济效益。随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐步增大，开关电源的性能也更加优良。相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关电源的研发水平大大提高。
1.2 谐波电流对电网的危害
大多数通信开关电源是通过整流器和电力网相接的，在普通电力电子装置中，整流电路通常采用不控整流后接电容滤波或是晶闸管相控整流。整流器-电容滤波电路是一种非线形元件和储能元件的组合。虽然输入交流电压是正弦的，但输入电流是仅在交流电压波顶附近区域导通，滤波电容被整流后的电流充电，因此输入交流电严重畸变，呈脉冲状。这种电流的基波是和输入正弦电压同相位的，故产生有功功率，但交流波形中含有较大的高次谐波，这些高次谐波与输入正弦电压既不同频也不同相。
脉冲状的输入电流，含有大量谐波，同时在AC／DC整流输入端需加滤波电路，增加了体积和成本。
（1）一方面发生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波压降，反过来使电网电压（原来是正弦波）也发生畸变。
（2）另一方面，造成电路故障，损坏设备。如使线路和配电压过热，谐波电流还会引起电网LC 谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流和过热而损坏。
（3）三相四线制电路中，三次谐波在中线同相位，合成中线电流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，会造成过热火灾，造成电器设备的损坏。
1.3 功率因数校正的意义
由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路应用十分普遍，价格低廉、可靠性高是它的突出优点，但是它对电网的谐波污染却十分严重，由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路主要存在如下的问题：
1.启动时产生很大的冲击电流，约为正常工作电流的十几倍至数十倍；
2.正常工作时，由于整流二极管导通角很小，形成一个幅度很高的窄脉冲，电流波峰因数（CF）高、电流总谐波畸变率（THD）通常超过100%，同时引起电网电压波形的畸变；
3.功率因数（PF）低，一般约为0.5～0.6。
开关电源的输入端通常采用由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路，输入220V 交流市电整流后直接接滤波电容，以得到波形较为平滑的直流电压。但是由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路是一种非线形元件和储能元件的组合，虽然交流输入市电输入电压的波形是正弦的，但是整流器件的导通角不足180，只有很小的导通角，导致输入交流电流波形严重畸变。大量应用整流电路，使供给电网产生了严重畸变的非正弦电流，输入电流中除含有基波外，还含有很多的奇次、高次谐波分量，这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”，造成严重危害。
i V °综上所述，为了减少AC/DC 变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数，以达到节能的效果，必须限制AC-DC 电路的输入端谐波电流分量。由此可知提高功率因数在AC/DC 开关电源应用中具有重大的意义。
由此可知：有源功率因数校正技术在开关电源中占据着及其重要的位置，它能消除
谐波污染，实现各种电源装置网侧电流正弦化，使功率因数接近于1，极大地减少电流的高次谐波，消除无功损耗。能够在大力倡导绿色电源的背景下，提高开关电源的功率因数已经成为国内开关电源研究的主要方面。
1.4 总体方案设计与论证
根据本电路设计的要求，通过芯片UC3854要实现功率因数校正的功能。此电路大体可分为主功率级电路和控制电路两部分。其主功率级电路责有以下几种方案实现： 方案一：主功率级拓扑电路采用降压型Buck变换器[1]。
降压型Buck变换器结构简单，功能易于实现。但其电路中只有一个电感，没有变压器，这意味着输入和输出之间不可能有隔离。虽然Buck变换器既可以工作于电流连续状态，又可以工作于电流连续状态，但其输入电流总是断续的，这就意味着每个周期里，当开关关断时，输入电流为零。而输入电流断续会使EMI滤波器要比别的电路拓扑更大。而且Buck变换器滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，噪声大，所以很少被采用。
方案二：主功率级拓扑电路采用升压型Boost变换器。
升压型Boost变换器应用简单电流型控制，其有点如下：
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。
Boost变化器效率高，PF值高，适用于75W—2000W功率范围，其应用相当广泛。通过比较，为达到高功率因数校正的目的，本设计采用方案二。
1.5 系统的技术指标和系统构成
本论文研究课题基于电子产品广泛应用带来的谐波污染，主要研究 Boost升压型功率因数校正电路设计和基于UC3854控制电路的应用。
1.5.1 系统的技术指标
输入电压：AC 80～270V
线路频率：47～65HZ
输出电压：DC 400V（升压稳压器的输出电压必须高于输入的峰值电压，建议高出最大输入电压的5%到10%）
输出功率： 250W
占空比D： D=0.4
开关频率： 100KHZ
功率因数大于98%
1.5.2 系统的总体构成
该功率因数校正电路主要由主功率电路和控制电路两部分组成，主功率电路采用Boost 升压型变换器，它包括储能电感、高频功率开关管、二极管和滤波电容组成。其中开关管受高频脉冲信号的控制。控制电路主要主要包括以下几个功能模块：电压误差放大器模块，电流误差放大器模块，乘除法器模块，峰值限制比较器模块，欠电压过电压保护模块和软起动模块。为了简化模型，建模中省去欠电压、过电压锁存比较器，软起动等辅助环节。
系统主功率电路和控制电路原理结构框图如图（1.1）所示(见附录)。
2 Boost升压型变换器的主功率电路的设计
2.1 功率因数（FC）的定义和实现方法
2.1.1 功率因数的定义
功率因数（PF）[1]是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。即
φγφφcos cos cos 1111=×===rms
rms I I I V I V S P PF (2.1) 式中：表示输入基波电流有效值；
1I
rms I 表示输入电流有效值；
rms I I 1
=γ表示输入电流失真系数；
φcos 表示基波电压和基波电流之间的相移因数。
可见功率因数（PF）由电流失真系数（γ）和基波电压、基波电流相移因数（φcos ）决定。φcos 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；γ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，严重时还会致使电器设备的损坏。
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（φcos ）和电流失真系数（γ）相比，输入电流失真系数（γ）对供电线路功率因数（PF）的影响更大。
2.1.2 功率因数校正(PFC)实现方法
由功率因数1cos =×=γφPF 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1cos =φ，所以γ=PF 。
2.使输入电流正弦化。即1I I rms =（谐波为零），有11
=rms I I ，即：1cos =×=γφPF
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。
2.2 有源功率因数校正校正（APFC）原理
2.2.1 有源功率因数校正技术的研究现状
PFC 技术的主要方法可以分为无源PFC 技术和有源PFC 技术。无源PFC 技术采用无源器件，如电感和电容组成的谐振滤波器，实现PFC 功能，主要优点：简单 、成本低、
可靠性高及EMI小等。主要缺点：难以得到高功率因数，低频时元器件尺寸和重量大，工作性能与频率、负载变化和输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电电流等。
有源PFC技术的基本原理是利用控制电路强迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形而实现交流输入电流的正弦化，并与输入电压同步。其中关键电路是乘法器和除法器，有源功率因数校正电路的特点是：功率因数高，PF可达0.99以上；总谐波畸变率低，THD＜10%；交流输入电压范围宽，交流输入电压范围可达AC 90～270V；输出电压稳定；所需磁性元件小。主要缺点是：电路复杂，可靠性下降，EMI高，成本增加，效率会下降。有源PFC技术已经广泛应用在AC/DC开关电源、UPS电源、电子镇流器、程控交换机电源等电子仪器中。
2.2.2 有源功率因数校正原理
所谓功率因数校正(PFC)，就是在整流电路与负载之间增加一个功率变换器，应用电流反馈技术，通过适当的控制方法不断调节输入电流，使其跟踪输入正弦波电压波形，将输入电流校正成与电网电压同相的正弦波，因而功率因数可提高到近似为1。由于该方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（APFC）。即对电路采取措施，使输
γ；同相位就是因数入电流波形接近正弦波并与输入电压同相位，电流正弦化便使1
=
φ。
cos=
1
有源功率因数校正目的在于减小输入电流谐波；实现直流稳压输出；实现单位输入功率因数。为此在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电压、电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而大大提高功率因数PF，一般校正后PF可提高到0.99或更高。由于谐波电流是导致开关电源功率因数下降的主要原因，所以，要改善此类系统的功率因数，就必须大力提高输入电流波形畸变因数。
下图即为一般APFC的电路框图：
图(2.2) 有源功率因数校正原理图
从图(2.2)来看，APFC基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于：DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与
监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1 。
2.2.3 有源功率因数校正技术的分类
有源功率因数校正变换电路有升压（Boost）、降压（Buck）、升降压（Buck-Boost）和回扫四种类型。在多数情况下，开关电源中以升压型最为流行。它的主要优点是：第一，能有效地抑制输入电源电流的谐波失真，完全可以达到甚至低于谐波电流畸变指标要求；第二，能将系统功率因数提高到几乎等于1的水平，完全能够满足世界各国对功率因数和总谐波含量的技术标准要求；第三，输出低纹波含量的直流电压，能确保开关电源的电流波峰系数低于1.5；第四，当输入交流电压在较大的范围内波动时，实现电压宽带输入（85～265V），而输出电压可得到稳定的直流电压；第五，消除了浪涌电压及尖峰电压对电路元件的冲击，提高了开关电源的可靠性和安全性，有力延长了开关电源的使用寿命。
APFC可以采用不同的方法进行控制。从变换电路的工作频率分为固定频率和可变频率两种；从电流控制方法上分有峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制三种，按电感扼流圈有无存储电流分，有连续传导模式（CCM）和不连续传导模式（DCM）两种，前者用于输出功率较大的场合，后者适用于200W以下的中功率APFC变换器。CCM相对DCM其优点为：
（1）.输入和输出电流纹波小、THD 和EMI 小、滤波容易；
（2）.RMS 电流小、器件导通损耗小；
（3）.适应于大功率应用场合。在开关控制模式上又分为零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZCS）两种类型。
此外，有源功率因数的电流控制方法基本上有三种，即峰值电流控制、滞环电流控制以及平均电流控制。下面就假设工作模式为CCM，来介绍一下三种方法的特点：
1.峰值电流法是检测峰值电流，采用恒定的开关电源工作频率，只有稳定的工作频率才能有效地、快速地检测出峰值电流，并将这一电流“削尖”、均化来控制开关管，对PWM 进行调节，使输入电流波形与输入电压保持同步，从而提高功率因数。由于输入电流被“削尖”，在电路上对输入电流波形需要进行斜率补偿。
2.滞环电流法是检测APFC 电路中电感上的电流，当电感电流达到一定值时，开关管开始导通；电感电流下降到一定值时，开关管陡然截止，它的控制方式是利用工作频率改变来控制开关管的导通和截止。一般设计输出滤波电路时，按最低工作频率考虑，所以，开关电源的体积和重量是最小的，工作损耗最小。
3.平均电流法是开关电源和电子镇流器对有源功率因数校正用得最多的一种方法。THD 值小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小，具有恒定的工作频率，可以任意拓扑各种控制电路，输入电压可以随便调节。这中方法的缺点是控制电路比较复杂，需要增添电流误差放大器。
2.3 Boost升压型变换器工作原理和控制方式
2.3.1 Boost变换器的工作原理
主功率电路由整流桥（为简化电路，本设计中直接以直流电源代替）、储能电感、高频功率开关管、二极管和滤波电容组成。其中开关管受高频脉冲信号的控制。
由于Boost 升压型变换器具有电感电流连续、储能电感能抑制RFI 和E．MI 噪声、电流波形失真小、输出功率大及驱动电路简单等优点，因此常被用来作为有源功率因数校正主电路拓扑。图2为Boost 升压式变换器，它由功率晶体管、储能电感L、二极
管及滤波电容C 组成。当晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，感应电动
1V 2V
势为左正右负，负载Z 由电容C 供电。当截止时，电感电流减小，感应电动势为左负
右正，电感中能量释放，与输入电压顺极性一起经二极管向负载供电，并同时向电容充电。这样把低压直流变换成高压直流。其输出电压平均值将超过电源电压,在电感电流连续的条件下，电路工作于图（2.3）所示的两种模式：
1V d
U
图（2.3） 升压式Boost 电路原理图
T D t t ≤≤=1T D ~010）期间，t (1).当晶体管导通、二极管截止（即=，t 时刻，
导通，电感中的电流按直线规律上升，此时：
0=1112/)(t I L t I I L U d 1V =?=Δ (2.2)
(2).当晶体管由导通变为截止（即T t t ≤≤1）期间，电感电流不能突变，产生感应电动势迫使二极管导通，此时：
T D T D t t LI U U T d oa )1(~,/22?===? (2.3)
L t U U L t U I d oa d /)(/21?==Δ (2.4)
将,代入上式，则求得：
T D t =1T D t )1(2?=)1/(D U U d oa ?= (2.5)
式（2）表明，BoostDC/DC 变换器是一个升压斩波器。当D 从零趋近于1时，从变到任意大。同理可求得输入电流：
oa U d U )1/(D I I oa ?= (2.6)
)(/0d oa d U U U ILU T ?Δ= （2.7）
fL D U fLU U U U I d oa d oa d //)(=?=Δ （2.8）
式中为开关转换频率。若忽略负载电流脉动，那么期间，电容泄放的电荷量，反映了电容峰-峰电压脉动量，亦即输出电压的脉动量。
f ],0[1t 0U 式（1）和式（5）共求得f U U U t oa d oa /)(1?=,并代入的脉动量中得：
0U fC K I fC U U U I U oa oa d oa oa c //)(=?=Δ (2.9)
oa d oa U U U K /)(?= (2.10)
2.3.2 Boost变换器常用控制方式
按PFC 电路输入电流检测和控制方式，常用的控制开关变换器实现有源功率因数校正（APFC）的方法有：
1.平均电流控制法（CCM）：CCM 采用乘法器方法来实现APFC，其电路相对复杂，但工作频率固定，电感电流连续，开关管电流有效值小、EMI 滤波器体积小、输入电流波形失真小。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。
其主要缺点是：
(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.滞后电流型控制法：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。
3.峰值电流型(DCM)：DCM 则采用电压跟随器方法来实现APFC，电路简单，易于实现工作频率变化。但存在以下缺点：工作频率变化，电流不连续；功率因数的值随输入电压变化而变化；开关管的峰值电流大，从而导致开关管损耗增加。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与输出电压的比值in V 0V 0
V V in 有关。即当变化时，功率因数PF 值也将发生变化，同时输入电流波形随in V 0
V V in 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。
由于升压型Boost 斩波电路输入端是大电感适用于电流型控制，可维持电流的连续性，并跟随输入电压的变化，所以平均电流控制法（CCM）更广泛地应用于Boost 有源功率因数校正电路中。
2.4 主功率电路主要元器件的参数设计
Boost 升压型功率因数校正器的控制电路几乎与主功率级电路的功率无关，一个5000W 的功率因数校正器，其控制器将会与50W 的功率校正器几乎一样。转换器性能规格制订是设计流程的开始，输入线电压的最小值与最大值、最大的输出功率与输入线电压的频率范围都必须先制定出来。
2.4.1 升压电感设计
电感将决定在输入侧高频纹波电流的大小，且它的值与纹波电流的大小有关。电感值由输入侧的交流电流峰值来决定。由于最大的峰值电流出现在线电压为最小值,负载最大时,所以有：
A V P I in out pk L 42.480
25022(min))(=×=×= (2.11) 本设计中，转换器的输入线电流峰值为4.42A，出现在交流电压为80V 时。假如容许20%的电流脉动，则有：
A I I pk L 9.02.0)(=×=Δ（I Δ是指电流纹波峰对峰值） （2.12）
在升压型转换器中最大纹波电流发生在占空比为50%时，即在升压比为
的时候。电感电流的峰值一般不会发生在这个时候，因为它的峰值是由正弦控制信号的峰值所决定的。
2/0==in V V M 电感值是由半波整流最低输出电压时的电流峰值在此电压时的占空比D 以及开关频率所决定的，其关系式如下：
pk I 时的占空因数71.0400
113400)(00=?=?=V pk V V D in (2.13) V V pk in 113)(=为输入电压为最低值时的整流线电压的峰值。
mH I f D
V L s pk in 89.09
.01010071.01133)(=×××=Δ××=（为了方便起见，电感值被四舍五入而以整数1.0mH 代替）
由于高频的纹波电流会被加入到线电流峰值中，所以电感电流的峰值会等于线电流峰值与高频纹波电流峰对峰值一半的总和。电感必须能够承受这一数值的电流。就本文而言，电感的峰值电流为5.0A，而峰值电流的限制将被设定为5.5A，比峰值电流高出10%。
2.4.2输出电容的选择
0C 输出电容由两个因数决定，第一：保持时间t Δ（维持时间是指当输入能量截止时，输出电压仍可维持在某个特定范围的时间长度。 若不要求维持时间的长短，则输出电容值将会很小，小到每瓦特输出仅需要0.2 F 的电容，而纹波电流与纹波电压将成为主要考虑的目标。维持时间的长短是输出电容所储存能量、负载所需的能量大小、输出电压与负载的最低工作电压等因素的函数）；第二：输出电压纹波的大小。
输出电容由容许的输出最大纹波电压决定，输出纹波电压频率为2倍的基频率。本
设计输出的范例里，输出电容如下式所述： F V V t
P C out μ450300
4006425022222(min)0200=?××=?Δ××= (2.14) 对本转换器而言，为输出电容，0C V V 300(min)0=是负载可工作的最低电压，负载所需的功率为250W，维持时间为64ms。
out P t Δ2.4.3 功率开关[4]
与二极管 功率开关与二极管的额定值必须确保系统工作的可靠性。一般来说，功率开关的电流额定值必须大于等于电感上的最大峰值电流，其电压额定值则必须大于等于输出电压。对于输出二极管而言，这个条件也是相同的。输出二极管的响应必须要很快以减少切换时造成的损失，并使自身损耗下降。功率开关与二极管必须有一些功率降额的级别，这样可以随着应用的不同而有所选择。
在本例电路中，二极管是一个快速高压类型的二极管，反向恢复时间35ns、击穿电压600V、顺向电流额定8A。MOSFET击穿电压500V，电流额定为23A。在功率开关上的损失主要是来自二极管的截止电流。当开关导通但二极管尚未截止的瞬间，由于开关必须流过全部的负载电流加上二极管的反向回复电流，而且此时开关上的电压为输出电压，因此这瞬间的峰值功率损失是相当大的。
在本设计中，选择了快速的二极管和可承受高峰值功率损失的开关。
3基于UC3854控制电路的设计
3.1 UC3854控制器的内部结构和功能特点
3.1.1 UC3854控制器的内部结构介绍
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集成芯片，其内部结构框图如图(3.1)所示：
图（3.1） UC3854内部结构框图
UC3854主要包括：电压误差放大器，模拟乘法／除法器M，电流误差放大器，固定频率的脉宽调制器，功率MOSFET的门极驱动电路，7.5V基准电压。其中模拟乘法／除法器是芯片的核心部分，它的输出电流JM作为基准电流。模拟乘法器／除法器输出和输入的关系，A来自电压误差放大器的输出，B为来自电压取样信号，也即乘法／除法器的输入电流，C为来自输入电压信号经分压后所得值的平方，即：
A V A C C
B A /?Ac I Ms U )/()5.1(RMS RMS Ao Ac Ms U KU U I I ?= （3.1）
式中K为乘法器／除法器的常数。用除法器主要目的是为了保证在高功率的条件下输入电流的变化不随输入电压的变化而变化。比如输入电压增加z倍时，和也增加2倍，那么输出电流将减小2倍，通过控制使减小从而保持输入功率不变。
J MS U J J 3.1.2 UC3854控制器各引脚的功能
UC3854高功率因数校正器是一块专为大功率开关电源提供功率因数校正的单片控制器。该器件具有如下功能和特点: 完整的PWM 功率控制功能；最高工作频率大于300KHZ；图腾柱式[2] 输出级峰值电流(50%占空比) 和连续电流分别为±11.5A和±0.15A；最高工作电压为35V。
UC3854控制电路采用平均电流模型, 它通过脉宽调制输出的一连串脉冲信号来控
2 kW 有源功率因数校正电路设计 概述：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器 设备输入端的功率因数。详细分析有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计一种2 kW 有源功率因数校正电路。实验结果表明：以TDA16888 为核心的有源功率因数校 正器能在90～270 V 的宽电压输入范围内得到稳定的380 V 直流电压输出，功率因数达O．99，系统性能优越。 1 引言 目前家用电器的功率前级多采用二极管全桥整流方式，这会造成电网谐波 污染，功率因数下降，无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基 波幅度的95％，五次谐波幅度约为基波幅度的70％．七次谐波幅度约为基波幅度的45％。高次谐波会对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数 下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安全运行造 成潜在危害。 有源功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波，从而提高电器设备的功率因数， 减少对电网的谐波污染。理论上，降压式(Buck)、升压式(Boost)、升／降压式(Boost-Buck)以及反激式(Flyback)等变换器拓扑都可作为APFC 的主电路。其中，Boost APFC 是简单电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高，但输出电压高于输入电压，适用于75～2 000 W 功率电源，应用广泛。因为升压式APFC 的电感电流连续，储能电感可作为滤波器抑制射频干扰(RFI)和EMI 噪声，并防止电网对主电路的高频瞬态冲击．电路有升压斩波电路，输出电压大于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可达
功率因数校正之基本原理 何谓工率因数？ 功率因数（power factor；pf）定义为实功（real power；P）对视在功率（apparent power；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。 ▲图1: 功率因数之三角关系。 实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚功（reactive power）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。 当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。 ----------------------------------------------------(1)
Irms(1)为电流之主成份，Irms电流之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。 当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。 ■了解规范 EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其class D对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其class A要求则较宽松（图3）。 ▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(Class D)。
定稿日期：２００８－０２－１８ 作者简介：黄海宏（１９７３－），男，江西省清江人，副教授， 研究方向为电力电子和传动方面。 １引言 直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一，由整流电源、蓄电池组和馈电部分组成。通常情况下，整流电源的作用是ＡＣ／ＤＣ变换，在对蓄电池组充电的同时，通过馈电部分向直流负荷供电；在交流停电时，蓄电池组通过馈电部分向直流负荷供电，以保证直流负荷不停电。目前，直流操作电源普遍采用高频开关电源模块并联运行方式，与传统的晶闸管相控电源相比，其技术指标优异，如稳压、稳流精度高，纹波系数低，易与阀控密封铅酸蓄电池组一起组成直流电源成套装置。由于开关电源输入端有整流、电容平波电路，使其输入电流 呈尖脉冲状，功率因数通常只有０．６～０．７， 会对电网造成谐波污染，造成电力公害，干扰其他用电设备，使测量仪表产生较大误差。为降低电源装置对电网的污染，电力用开关电源需加功率因数校正电路。 ２有源功率因数校正基本原理 目前，功率因数校正有无源功率因数校正（ＲＰＦＣ）和有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）两种。ＲＰＦＣ方法是在输入端加入电感量很大的低频电感，并降低滤波电容的容量，以减小滤波电容充电电流的尖峰，校正后的功率因数能达到０．９以上，一般用于三相输入的大功率开关电源模块［１］。 ＡＰＦＣ的基本思路是在输入端加入高频功率开 关管及相应的控制器，如图１所示。控制器通过采集交流输入电压、输入电流和输出电压信号，利用输出电压控制环的输出ｕｏ（ｔ）与输入整流后的电压ｕＡＣ（ｔ） 相乘，得到一个电流参考信号ｉｒｅｆ（ｔ） ，用于控制功率管ＶＴ的导通和关断，使得电感Ｌ电流ｉＬ波形跟踪 ｉｒｅｆ（ｔ）波形，从而使输入交流平均值波形跟随输入电压波形，成为与输入电压同相位的近似正弦波，而且可使功率因数接近于１，同时使输出电压ｕｏ（ｔ）得到控制［２］。目前，国内ＡＰＦＣ方法主要用于单相输入的开关电源模块，其中采用ＵＣ３８５４作为ＡＰＦＣ的控 制用集成电路较为普遍。 ３数字控制ＡＰＦＣ电路 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术得到了迅速发展。数字控制使得电力电子变换控制更为灵活，在ＣＰＵ计算速度允许的情况下，可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法，即使在控制对象改变的情况下，也无需修改控制器硬件，而只需修改某些参数，因此增强了系统的兼容性。由于数字控制所采用的ＣＰＵ计算速度决定了数字控制系统的适用场合，故现在的数字控制多被用于 数字控制有源功率因数校正器的设计 黄海宏１，王海欣１，高 格２，付 鹏２ （１．合肥工业大学，安徽合肥２３０００９；２．中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥２３００３１） 摘要：直流电源系统是变电站的重要组成设备，它可为负载提供不间断电源，因此要求应用于直流电源的高频开关 电源模块必须具备功率因数校正功能。利用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ新型号ＭＣ５６Ｆ８０２５的高性能特性，完成了基于ＤＳＰ的具有软开关特性的数字控制有源功率因数校正（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ， 简称ＡＰＦＣ）电路的设计，描述了系统设计过程。最后通过２．２ｋＷ的实验样机验证了数字控制的优良特性。 关键词：功率因数；数字控制／有源功率因数校正；开关电源；软开关中图分类号：ＴＭ７１４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０５－００１７－０３ ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＲｅｃｔｉｆｉｅｒ ＨＵＡＮＧＨａｉ－ｈｏｎｇ１，ＷＡＮＧＨａｉ－ｘｉｎ１，ＧＡＯＧｅ２，ＦＵＰｅｎｇ２ （１．ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｉｃｅｉｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｉｔｃａｎｓｕｐｐｌｙｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｐｏｗｅｒｆｏｒｌｏａｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｍｕｓｔｈａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｎｅｗＤＳＰｃｈｉｐＭＣ５６Ｆ８０２５，ａｄｉｇｉｔａｌａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｒｅｃｔｉｆｉｅｒｗｉｔｈｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｔｌａｓｔａ２．２ｋＷｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆａｖｏｒａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ／ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇ 图１有源功率因数校正电路框图 １７
功率因数校正方案 方案一：采用数字控制 方案：采用MCU （微控制单元）或DSP（数字信号处理）通过编程控制完成系统的功率因数校正。，MCU 时刻检测输入电压、输入电流以及输出电压的值，在程序中经过一定的算法后输出PWM 控制信号，经过隔离和驱动控制开关管，从而提高输入端的功率因数。采用数字控制的优点是通过软件调整控制参数，使系统调试方便，减少了元器件的数量。缺点是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达到很高的采样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。 方案二：采用模拟控制 方案：采用专用PFC（功率因数校正）控制芯片来完成系统功率因数的校正。整流后的线电压与误差放大器处理的输出电压相乘，建立电流的参考信号，该参考信号就具有输入电压的波形，同时也具有输出电压的平均幅值。因此在电流反馈信号的作用下，误差放大器控制的PWM 信号基本变化规律是成正弦规律变化的，于是得到一个正弦变化的平均电流，其相位与输入电压相同，达到功率因数校正的目的。该方案的优点是，使用专用IC 芯片，简单直接，无需软件编程。缺点是电路调试麻烦，易受噪声干扰。模拟PFC 控制是当前的工业选择，且技术成熟，成本低，使用方便。通过比较，系统选用方案二，采用TI 公司专用PFC 控制芯片UCC28019 来完成功率因数的校正。 方案一：LC校正电路根据电感电流不能突变的原理，整流后采用LCC滤波电路,可在一定程度上提高功率因素PF，一般可达0.8～0.9。优点是电路简单、可靠性高、成本低、EMI（电磁干扰）小；缺点是体积大、重量重，电感损耗较大，PF很难接近1。 方案二：填谷式PF校正电路使用电容C1～C2及二极管D5～D7构成填谷式滤波电路，扩展了整流二极管电流波形导通角θ，二极管D6后可串联浪涌电流限制电阻R，可将PF提高到0.8～0.9之间。该电路优点：体积略小于LC校正电路，可靠性高，EMI小，PF也容易达到0.85以上；缺点是输出功率小，只能用在输出功率小于25W的AC-DC变换器中，损耗相对较大，输入电压允许变化范围小，一般不超过15%。电路原理图如图2.1所示。 2.1 填谷式电路 方案三：有源功率因素校正(APFC)电路在整流器与负载之间插入具有特定功能的DC-DC变换器，使输入电流波形尽可能接近正弦波，构成有源功率因素校正电路（APFC）。该技术优点是：电路体积小，校正后的PF接近1；输入电压变化范围大，目前支持全电压范围(90V～265V)的APFC电路技术非常成熟、应用也很普及，因此在输出功率为20W～300W的AC-DC 变换器中使用APFC电路来改善电流波形THD（总谐波失真）参数较为合适。缺点是：该电
ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形
常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多. 图2 全波整流电压和AC输入电流波形 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。
无源功率因数校正电路的原理和应用 摘要:本文介绍SIEMENS公司提出的开关电源集成控制器TDA16846无源功率因数校正(PFC)电路原理及其在电视机开关电源中的应用。功率因数的改善是基于一个特殊的由电感,电容及二极管组成的充电泵电路,该电路在功率管的高压端兼起吸收缓冲作用,因此它具有输入谐波电流分量小,PF值高以及EMI小、电路简单、成本低和可靠性高等优点。这为电视机厂家提供了一个高效价廉的解决电源谐波问题的新方案。 关键词:开关电源功率因数校正 一、引言 众所周知,目前电视机和大部分通用电器都广泛地从交流电网中提取电能经整流后变成直流电供全机使用,AC电源经桥式整流后常接一个滤波平整电容。由于该电容的存在,使整流臂的导通时间小于半个周期,因而做成输入电源电压是正弦形,而输入电流却是正负交替的脉冲形。后者导致大量电流谐波特别是三次谐波的产生,这既构成对电网效能的干扰和损害,又降低了本机功率因数,为此，我国跟欧美各国一样，已于去年12月1日起正式实施限制功耗大于75W的通用电器产品输入谐波电流的新规定。面对这种新情况,当前各电器厂家都必须考虑更新产品中的电源设备,尤其是对25英寸以上的彩色电视机,过去国内产品绝大部分都没有安装PFC电路,其PF值一般在0.55～0.65之间,输入电流谐波分量往往超出国家限定的标准,因此改进电源电路,增加PFC功能以便降低电视机的输入电流谐波分量是各厂家的当务之急。 本文介绍由SIEMENS公司推出的与开关电源集成控制器TDA16846配合使用的一个无源功率因数校正(PFC)电路,该电路能将电源PF值提高到0.9以上,与有源PFC电路相比,它明显地具有结构简单,成本低,可靠性高,和EMI小等优点,因此对电视机厂家来说,不失为一个有效的解决电源谐波问题的可行方案。 二、无源PFC电路工作原理介绍 图1示出一个不含PFC的标准型电源电路的输入电压Vm和输入电流Im波形,Im只在Vm为正最大和负最大的一小段时间内流通,在这些时间以外,Im为零。这是因为此时的正弦电压输入值小于泸波电容上的电压,导致整流二极管不导通的缘故。
逆变电源中功率因数校正 中心议题：逆变电源中功率因数校正逆变电源系统功率因数及谐波干扰问题分析 解决方案：采用单级PFC电路的逆变器 由于对性能要求的不断提高，特别是当前“绿色”电源的呼声越来越高，现代逆 变器系统对功率因数校正和电流谐波抑制提出的更高的要求。本文对功率因数校正在现代逆 变电源中的应用作了简要介绍。分析比较了几种带有PFC功能的逆变器构成方案，分析结果 表明带单级隔离型PFC电路的两级逆变器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。1 现代逆变电源系统的组成和结构随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许 多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形 式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。现代逆变系统就是一种通过整流和逆变组 合电路，来实现逆变功能的电源系统。逆变系统除了整流电路和逆变电路外，还要有控制电路、保护电路和辅助电路等。现代逆变系统基本结构。 图1 逆变系统基本结构框图 现代逆变系统各部分功能如下：1. 整流电路：整流电路就是利用整流开关器件，如半导体二 极管、晶闸管(可控硅)和自关断开关器件等，将交流电变换为直流电。除此之外，整流电路 还应具有抑制电流谐波和功率因数调整功能。2. 逆变电路：逆变电路的功能是将直流电变换 成交流电，即通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的 频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。3. 控制电路：控制电路的功能 是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变器主 电路完成逆变功能。4. 辅助电路：辅助电路的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电 路工作需要的直流电压。对于交流电网输入，可以采用工频降压、整流、线性稳压等方式， 当然也可以采用DC-DC变换器。5. 保护电路：保护电路要实现的功能主要包括：输入过压、欠压保护；输出过压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护等。2 逆变电源系 统功率因数及谐波干扰问题分析对于逆变器的整流环节（AC-DC），传统的方法仍采用不控整 流将通用交流电网提供的交流电经整流变换为直流。虽然不控整流器电路简单可靠，但它会 从电网中吸取高峰值电流，使输入端电流和交流电压均发生畸变。也就是说，大量的电器设 备自身的稳压电源，其输入前置级电路实际上是一个峰值检波器，在高压电容滤波器上的充 电电压，使得整流器的导通角缩短三倍，电流脉冲成了非正弦波的窄脉冲，因而在电网输入 端产生失真很大的谐波峰值干扰，。(a) 电网输入端电流和电压的畸变 (b)峰值电流中的 各次谐波分量频谱 图2 传统整流电路输入端电网电压和电流失真与谐波干扰分量图 推荐相关文章：开关电源的几种热设计方法手机LED背光电源管理的设计需求2011半导体发 展趋缓，逆变器前景最好肖特基二极管在电源管理中的应用分析电源模块并联供电的冗余结 构及均流技术反激电源的设计反激电源’电源已接通未充电‘问题的解决办法！ 单相电源与三相电源的区别什么是脉冲电源 由此可见，大量整流电路的应用使电网供给严重畸变的非正弦电流，对此畸变的输入电流进 行傅立叶分析，发现它不仅含有基波，还含有丰富的高次谐波分量。这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波污染，使输入端功率因数下降，将造成巨大的浪费和严重危害。输入电 流谐波的危害主要有：（1）使电能的生产、传输和利用的效率降低，使得电器设备过热、产 生振动和噪声并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。（2）可引起电力系统局 部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。（3）使测量仪器产生附 加谐波误差。常规的测量仪器是设计并工作在正弦电压、电流波形的，因此在测量正弦电压 和电流时能保证其精度，但是这些仪表用于测量非正弦量时，会产生附加误差，影响测量精
网络教育学院《电源技术》课程设计 题目：功率因数校正（PFC）技术的研究 学习中心：辽宁东港奥鹏 层次：高中起点专科 专业：电气工程及其自动化 年级： 2010年春季 学号： 学生： 辅导教师：武东锟 完成日期： 2012年 2 月 24 日
内容摘要 本文对于单相与单相PFC技术及其控制方法的研究，针对于各种功率因数校正，介绍了相应的基本工作原理，和功率因数校正技术的额发展和其主要最主要特点。从主电路的拓扑形式和控制方式分析有源功率因数校正。进而更好的学习电源技术。 关键词：功率因数校正；PFC技术；控制方法；有源功率因数
引言、 功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此。防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。 随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计。
1功率因数校正基本原理及方法 1.1功率因数校正基本原理 功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。开关电源供应器上的功率因数校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因数趋近于。这对于电力需求量大到某一个水准的电子设备而言是很重要的, 否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜系统的其它电子设备。 PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。 1.1.1拓扑选择的一般方法 由于输入端存在电感，升压转换器是提供高功率因数的方法。此电感使输入电流整形与线路电压同相。但是，可以采用不同的方案来控制电感电流的瞬时值，以获得功率因数校正。 a．临界导电模式(CRM)PFC——由于控制的设计较为简单，而且可与较低速升压二极管配合使用，所以在较低功率应用中通常采用此方法。 b．不连续导电模式(DCM)PFC——此创新的方案延承了CRM 的优点，并消除了若干限制。 c．连续导电模式(CCM)PFC——由于这种方案恒频且峰值电流较小，是较高功率(>250 W)应用的首选方案。但是，传统的控制解决方案较为复杂，牵涉到多个环
1、什么是功率因数校正(PFC)? 功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。开关电源供应器上的功率因数校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因数趋近于。这对于电力需求量大到某一个水准的电子设备而言是很重要的, 否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜系统的其它电子设备。一般状况下, 电子设备没有功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)时其PF值约只有0.5。 PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。 PFC打个形象的比方：一个啤酒杯的容积是一定的，就好比是视在功率，可是你倒啤酒的时候很猛，就多了不少的泡沫，这就是无功功率，杯底的啤酒其实很少，这些就是有功功率。这时候酒杯的利用率就很低，相当于电源的功率因数就很小。PFC的加入就是要减少输入侧的无功功率，提高电网的利用率，对于普通的工业用电来讲是把电流的相位与电压的相位调整到一块了，对于开关电源来讲是把严重畸变了的交流侧输入电流变成正弦，另外还有降低低次谐波的功能，因为输入的电流是正弦了。 2、为什么我们需要PFC? 功率因素校正的好处包含: 1. 节省电费 2. 增加电力系统容量 3. 稳定电流 低功率因数即代表低的电力效能，越低的功率因数值代表越高比例的电力在配送网络中耗损，若较低的功率因数没有被校正提升，电力公司除了有效功率外，还要提供与工作非相关的虚功，这导致需要更大的发电机、转换机、输送工具、缆线及额外的配送系统等事实上可被省略的设施，以弥补损耗的不足。有PFC 功能的电子设备配可以帮助改善自身能源使用率，减少电费，PFC也是一种环保科技，可以有效减低造成电力污染之谐波，是对社会全体有益的功能。 PFC电源供应器是如何帮助节省能源? 藉由降低您的电力设备必须传输的电压-电流，以提供一台电源供应器至少所需的供电量。因为产生较少无用的谐波(只会替交流电运输系统增加不必要的负担)，让电力的消耗减少。 什么是谐波? 谐波是一种噪音形式，基本上是由复合的60个循环正弦波组合而成的频率所造成。他们通常发生在电源供应器及其它包括计算机在内等多种频率相关机器。谐波会扭曲基本的正弦波波型, 也会在同一系统的水线及接地线造成偏高的电流。[注: 美国的电源线,有3个pins,就是(Live,火线)-(Neutral,水线)-(Ground,地线)] 有哪些国家规定PFC为电子设备的标准配备? 2001年一月，欧盟正式对电子设备谐波有详细规范，规定凡输出在75W~600W范围间之电子设备产品，都必须通过谐波测试[Harmonics test(EN 61000-3-2)]，测量待测物对电力系统所产生的谐波干扰；中国大陆自2002年5月起，规范凡政府机关采购之电子设备，皆将功率因数校正(PFC)视为电子设备的标准配备功能；日本已着手研拟关于节约电力的各项方案，这是一种未来的趋势，相信在不久的将来，其它国家将陆续跟进。 什么是主动式/被动式功率因数校正(Active/Passive PFC)? 被动式PFC，使用由电感、电容等组合而成的电路来降低谐波电流，其输入电流为低频的50Hz到60Hz，因
功率因数校正(英文缩写是PFC)是 目前比较流行的一个专业术语。PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。 功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。 PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。 长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上 的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC 线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC 输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC 输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l 所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC 输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF 与电流总谐波失真(度)THD 之间存在下面关系： 而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC 电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC 电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC 电路的工作原理是：当50Hz 的AC 线路电压按正弦规律由0向峰值V m 变化的1/4周期内(即在0 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 功率因数校正电路设计 初始条件： 输入交流电源：单相220V，频率50Hz。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、基于CCM-BOOST方式实现功率因数校正。 2、输出直流电压：400V。 3、输出功率250W。 4、完成总电路设计和参数设计。 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 武汉理工大学《电力电子》课程设计说明书 目录 摘要 ························································································································································· 1 1. 功率因数 ······································································································································· 2 1.1 功率因数定义 ··························································································································· 2 1.2 电流谐波总畸变率 TH (2) 2 功率因数校正技术 ························································································································ 3 2.1 功率因数校正技术分类 ············································································································ 3 2.2 有源功率因数校正原理 (3) 2.2.1 单相功率因数校正........................................................................................................... 3 2.2.2 单级PFC 变换器 .. (4) 2.3 BOOST 型有源功率因数校正的一般方法 (5) 2.3.1 电流峰值控制法（Peak Current Model Control ） ........................................................... 5 2.3.2 滞环电流控制法（Hysteresis Current Control ）.............................................................. 7 2.3.3 平均电流控制法(Average Current Mode Contro1) .. (9) 3 基于CCM-BOOST 方式的功率因数校正电路设计 ······································································ 10 3.1 功率因数校正芯片UC3854 (10) 3.1.1 UC3854简要介绍 ........................................................................................................... 10 3.1.2 UC3854引脚功能 ........................................................................................................... 11 3.1.3 UC3854内部结构 .. (13) 3.2 功率因数校正电路设计 (15) 3.2.1 系统的主要性能指标 ..................................................................................................... 15 3.2.2 方案选择 ........................................................................................................................ 15 3.2.3 元器件参数设计 (16) 3.3 控制电路设计 (22) 3.3.1 UC3854主要参数设置 ··································································································· 22 3.3.2 外围主要参数设置········································································································· 23 3.3.3 设计完成的校正总体电路 (24) 结论及心得体会..................................................................................................................................... 25 参考文献 ................................................................................................................................................ 26 附录 . (27) 功率因数校正原理及相关IC 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。2高次谐波及功率因数校正一般开关电源的输入整流电路为图1所示：市电经整流后 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。 2高次谐波及功率因数校正 一般开关电源的输入整流电路为图1所示： 市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这 种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I 式中：I1，I2，…In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值 的比称之为总谐波畸变THD(TotalHarmonicDistortion) THD=(2) 用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如： ——引起电子设备的误操作，如空调停止工作等； ——引起电话网噪音； ——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭； ——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。 功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。 设电容输入型电路的输入电压e为： 功率因数校正浅析 功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此。防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的 要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。 随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计 在电源的设计中，APFC一般是优先考虑的校正方法。作为设计人员，大致从以 下几个方面对APFC进行考虑： 拓扑选择的一般方法 由于输入端存在电感，升压转换器是提供高功率因数的方法。此电感使输入电流整形与线路电压同相。但是，可以采用不同的方案来控制电感电流的瞬时值，以获得功率因数校正。 a．临界导电模式(CRM)PFC——由于控制的设计较为简单，而且可与较低速升压二极管配合使用，所以在较低功率应用中通常采用此方法。 b．不连续导电模式(DCM)PFC——此创新的方案延承了CRM 的优点，并消除了若干限制。 c．连续导电模式(CCM)PFC——由于这种方案恒频且峰值电流较小，是较高功率(>250 W)应用的首选方案。但是，传统的控制解决方案较为复杂，牵涉到多个环路，以及以不精确著称的模拟乘法器，并需在控制集成电路周围放许多元件。 二、选择标准 1、功率水平 a．如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至于CRM 或DCM，取 决于你是想优化满载效率，采用CRM；而如欲减少EMI问题，选择DCM。 b．如功率水平高于250W，CCM是首选方案。此方案虽然可保持峰值电流和有效值电流，但必须解决二极管反向恢复问题。功率因数校正电路设计
功率因数校正原理及相关IC.
功率因数校正浅析
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