开关电源的有源功率因数校正电路设计

摘要：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。详细分析了有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计了基于UC3854BN芯片的一种有源功率因数校正电路方案，着重分析了电路主要参数的选择和设计。实践证明，采用APFC后，大大减小了输入电流的谐波分量，实现了功率因数校正。
关键词：开关电源；功率因数；有源功率因数校正；UC3854BN

开关电源具有效率高、成本低等特点，因而在现代电力电子设备中应用广泛。但由于开关电源中的整流器，电容滤波电路是一种非线性器件和储能元件的组合，因此虽然输入交流电压是正弦波，但输入电流波形却严重畸变，呈脉冲状，含有大量的谐波，使输入电路的功率因数下降。
用电设备的输入功率因数低主要会造成以下危害；谐波电流严重污染电网，干扰其他用电设备；容易造成线路故障如线路、配电器件过热，电网谐振；增加线路、变压器和保护器件的容量；中线流过叠加的三相三次谐波电流，使中线过流而易损坏。因此，必须采取适当的措施来减小输入电流波形的畸变，提高输入功率因数，以减小电网污染。

1 功率因数校正原理
功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值，即：

式中：γ为表示输入电流失真系数；cosφ表示输入基波电压与基波电流之间的相移因数。
由式(1)可知，功率因数PF由电流失真系数γ和基波电压、基波电流相移因数决定。cosφ低，则表示用电设备的无功功率大，设备的利用率低，导线、变压器绕组损耗大，同时，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。
功率因数校正PFC技术，从其实现方法上来讲，就是使电网输入电流波形完全跟随电网输入电压波形，使得输入电流波形为正弦波(γ=1)且和输入电压波形同相位(cosφ=1)。

2 有源功率因数校正电路实现方案
2．1 功率因数校正方法的选择
目前，主要用来提高功率因数的方法有：电感无源滤波，这种方法对抑制高次谐波有效，但体积大，重量大，在产品设计中其应用将越来越少；逆变器有源滤波，对各次谐波响应快，但设备造价昂贵；三相高功率因数整流器，效率高、性能好，近年来其控制策略和拓朴结构处于不断发展中。单相有源功率因数校正(APFC)通常采用Boost电路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在产品设计中得到越来越广泛的应用。
2．2 平均电流控制的Boost功率因数校正电路
考虑到功率变换在75～2 000 W功率范围的应用场合，选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC电路来实现较为适合。图1为平均电流控制的Boost功率因数校正电路原理图。

电路工作时检测到电感电流iL，则得到信号iLR1，将该信号送入电流误差放大器CA中，电流基准值由乘法器输出z，乘法器有2个输入，一个为x，是输出电压Vo／H与基准电压Vref之间的误差信号；另一个输入γ，为电压DC的检测值VDC／K，VDC为输入正弦电压的全波整流值。
平均电流法的电流环调节输入电流平均值，使其与输入整流电压同相位，接近正弦波形。输入电流信号被直接检测，与基准电流比较后，其高频分量的变化通过电流误差放大器，被平均化处理。放大后的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后，给开关Tr驱动信号，并决定其占空比，从而迅速而精确地校正电流误差。由于电流环具有较高的增益一带宽，使跟踪误差产生的畸变小于1％，容易实现接近于1的功率因数。

3 有源功率因数校正电路设计
3．1 设计要求
1)输入电压：AC 90～270 V；2)变换器效率：η≥0.90；3)输出电压：Vo=410V(DC)；4)输出功率：2 kW；5)功率因数：PF≥0．99。
3．2 主要参数的设计
1)开关频率的选择 开关频率高可以减小APFC电路的结构尺寸，提高功率密度，减小失真；但频率太高会增大开关损耗，影响效率。在大多数应用中，20～300 kHz的开关频率是一个较好的范围。本设计中开关频率选择为80 kHz，这样电感量的大小合理，尖峰失真小，电感的物理尺寸较小，MOSFET和Boost二极管上的功率耗损也不会过多。
2)升压电感设计 输入电压最小时电感电流最大，所以计算电感时选取该时刻为计算点。电感的大小还和开关中允许的纹波有关，允许的纹波含量越多，电感值越小。本设计中选纹波含量为线电流峰值的20％。最大的线电流峰值ILIN(PK)发生在最小的输入电压时，D为电流峰值时的占空比。

考虑安全裕量，实际设计中取升压电感L=470μH。
3)输出电容的选择 输出滤波电容C起滤波和平滑输出直流电压，减小其脉动的作用。输出电容的大小和开关频率、纹波电流、二次谐波电流、输出直流电压、输出纹波电压、功率及输出保持时间有关。电容一般要采用低损耗，高纹波电流型的电解电容，容值C为：

式中：ω0为市电角频率；△Vo为允许输出直流纹波电压(V)。
本设计中输出电容C0取值2 200μF／450 V。
4)开关管的选择 由于开关频率大于20kHz，所以选MOS管。对MOS主要关心的是导通损耗，应选导通电阻小的MOS管。开关管的额定电流必须大于电感上电流的最大峰值，并留有一定的裕度。因此选择IRFP460，UDSS=500 V，RDS(ON)=0．27 Ω，ID=20 A。
5)升压二极管的选择 选反向恢复时间小，高频快速恢复二极管。二极管的额定电流必须大于电感上电流的最大峰值，并留有一定的裕度。因此选择APT30S60B，30 A／600 V，反向恢复时间25 ns(要求小于75 ns)。
3．3 控制电路的选择
1)UC3854BN的内部结构
在具体的电路设计中，控制电路选用UC3854BN芯片，其主要特点是：PWM升压电路，功率因数达到0．99，THD5％，适用于任何开关器件，平均电流控制模式，恒频控制，精确的参考电压。其内部结构如图2所示。