一种有源功率因数校正电路及控制方法的设计

　有源功率因数校正技术的研究主要集中在电路拓扑、控制策略和建模分析等方面。其中电路拓扑的研究除了电力电子技术中的基本变换器结构外，还针对一些特殊的拓扑结构。利用这些拓扑结构本身特性构成所需要的PFC变换器，以实现提高电路性能，降低成本的目的。控制策略的研究则主要是针对特定的拓扑结构，通过不同的数学和建模分析，寻找最优或最合适的控制方法，以提高整体电路的性能，简化控制电路，降低成本。此外，改进开关器件的性能，也可以从整体上提高电路的性能。
　在实际应用中，针对不同的应用场合，对有源功率因数校正电路的要求也是多种多样的。Boost型电路以其控制简单，电流纹波较小等优点得到了广泛应用。从实现PFC的控制策略上来看，又以DCM模式下的变频控制法和CCM模式下的平均电流控制法应用最为广泛，并且在市面上己经有了商用的PFC控制芯片出售。本文的目的是从开关变换器基本的拓扑结构出发，寻找简单和方便的控制方式。
　根据正向输出的Buck-Boost变换器工作的基本原理，提出了一种新的功率因数校正电路结构，并给出了相应的控制方式。该电路能够利用电压跟随的方式实现PFC。由于该电路能够实现降压输出，因而降低了对所有功率开关管的耐压要求，有利于提高变换器的转换效率和降低成本。
1 Boost PFC变换器电路设计要求
　本文内容来源于对一项军用车载电源的研究设计，该设计的主要设计指标如下。
　（1）输入特性。市电：154~264 V，50±3 Hz；4.5 kW汽油发电机：154~264 V，50±3 Hz；外28 V： DC 28 V 3.5 kW，蓄电池组：DC 24 V/200 Ah。（2）输出特性。输出两路DC 24 V。（3）交流输入正常时的输出特性。输出电压为25.5±0.5 V，输出功率为3 000 W；输出电压纹波不大于10 mV；电源效应小于或等于2%；负载效应小于或等于3%。（4）蓄电池24 V或外28 V输入时的输出特性。输出电压为25.5±0.5 V；输出功率为3 000 W；输出电压纹波不大于10 mV；输出特性：输出两路DC 24 V。（5）配电优先顺序：市电、油机、外28 V、电池。（6）保护。交流输入过压保护：264 V；交流输入欠压保护：154 V；外28 V输入保护；过压保护：32±0.5 V；欠压保护：20±0.5 V；反接保护。（7）蓄电池保护。过放保护和反接保护。（8）输出保护。过压保护：27 V±0.5 V。（9）过流与短路保护。效率大于或等于80%；功率因数大于0.9。（10）充电特性。正常充电特性：最高充电电压28.8±0.2 V；最大充电电流40±5 A；充电时间为6.5 h；充电效果为恒流——均压减流——浮充；电池严重亏电时的充电特性为涓流（1A）——恒流——均压减流——浮充。
　为了满足以上要求，本论文选择了有实际研究价值的基于UC3854控制的Boost PFC变换电路来研究。
比较而言，Flyback型PFC虽然易于实现输入、输出的隔离，但由于其隔离变压器磁芯单向磁化，使得其磁通复位控制困难，变压器利用率低，电路设计不但困难、复杂，而且可靠性降低，又增加了电源的体积、重量、铁耗、铜耗及成本。这均限制了它的实际应用。Boost型PFC输入电流连续、易于控制，功率因数PF高，电流畸变系数THD小，输出电压高，允许电容储存更多的电能，能提供更长时间的掉电保护，这些优点促使世界上一些电力电子器件生产厂商（如美国德州仪器、微线）开发出诸多性能非常稳定可靠的集成控制芯片，如UC3852、UC3854、UC3855、UC3857、UC3858、UC38500、ML4803等，使Boost变换器获得了广泛的应用。
2 UC3854简介
　UC3854是一种有源功率因数校正专用控制芯片。它可以完成升压变换器校正功率因数所需的全部控制功能，使功率因数达到0.99以上，输入电流波形失真小于5%。该控制器采用平均电流型控制，控制精度很高，开关噪声较低。采用UC3854组成的功率因数校正电路后，当输入电压在85~260 V之间变化时，输出电压还可保持稳定，因此也可作为AC/DC稳压电源。UC3854采用推拉输出级，输出电流可达1 A以上，因此，输出的固定频率PWM脉冲可驱动大功率MOSFET。UC3854内部框图如图1所示。

3 Boost PFC变换器电路主要参数的设计与计算
3.1 Boost功率电路的设计与计算
　Boost电路的设计主要就是功率器件的选取和电感的设计。变换器的输入电压范围是AC 80～275 V，输出为DC 400 V，标称功率为300 W，开关频率为50 kHz，变换器工作在DCM下。下面来给出具体的参数设计。
　由于功率恒定，输入电流的最大峰值是在输入电压为最低时：
I
　此外，功率管选取IR公司生产的RFP460LC，耐压为600 V，最大正向通态电流20 A（25℃时）。续流二极管选用Onsemi公司生产MUR860超快恢复二极管，耐压600 V，正向额定电流8 A，反向恢复时间为35 ns。
3.2 控制电路的设计
　分块来设计以UC3854为核心的有源功率因数校正器电路，如图2所示。