硬开关与软开关功率因数校正电路的研究

 1引言

前级从220V交流电网整流提供直流是在电力电子技术及电子仪表中应用极为广泛的一种基本变流方案。但整流器－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不到0.7。

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，我们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。如信息产业部在通信电源的入网检测中就要求1500W以上的电源设备，其功率因数必须高于0.92；1500W以下的电源设备，其功率因数必须高于0.85。

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。

本文主要介绍了两种常用的APFC芯片UC3854和UC3855的工作原理、功能特点及实验波形分析，并作了对比性研究。

2UC3854构成的硬开关有源功率因数校正电路

2.1工作原理

UC3854是一种高功率因数校正集成控制电路芯片，其主要特点是：PWM升压电路，功率因数达到0.99，THD<5％ ， 适 用 于 任 何 的 开 关 器 件 ， 平 均 电 流 控 制 模 式 ， 恒 频 控 制 ， 精 确 的 参 考 电 压 。 其 结 构 如 图 1所 示 ：

UC3854包括：电压误差放大器，模拟乘法/除法器，电流放大器，固定频率脉宽调制器，功率MOS管的门级驱动器，过流保护的比较器，7.5V基准电压，以及软起动，输入电压前馈，输入电压箝位等。

模拟乘法/除法器是功率因数校正芯片的核心，它的输出IMO反映了线电流，因此被作为基准电流，IMO与乘法器的输入电流IAC（IAC与输入电压瞬时值成比例）的关系为：
IMO=IAC(UAO－1.5)/KU2ms
（对应图1中IM=AB/C）
式中IMO、UAO为电压误差放大器的输出信号，从芯片中减去1.5V是芯片设计的需要；K在乘法器中是个常数，等于1；Ums是前馈电压，约为1.5～4.77V，由APFC的输入电压经分压后提供。

图1UC3854的电路结构图

模拟乘法/除法器除以U2ms起了前馈作用，一方面芯片内部箝位Ums，消除了输入电压对电压环放大倍数的影响，使电压环放大倍数和输入电压无关；另一方面电压误差放大器的输出还可使输入功率稳定，不随线电压的变化而变化。如当输入电压变为两倍，则反映输入电压变化的IAC、Ums均变为原来的两倍。由上式可知IMO将减半，通过调制使输入电流减半，从而保持输入功率不变。另外电压误差放大器具有输出箝位，可限制电路的最大功率。前馈电压的输入采用了二阶低通滤波，这样既可提高抗干扰能力，又不影响前馈电压输入端对电网波动的快速响应。

电压误差放大器的输出电压范围为1～5.8V，当输出电压低于1V时，将会抑制乘法器的输出。电压误差放大器最大输出内部限定为5.8V是为了防止输出过冲；为了减小输入电压过低时产生的交越死区，交流输入端的标称电压是6V，同时还应用电阻将该端口与内基准连起来，这样线电流的交越失真将最小。

UC3854的开关管和二极管都工作在硬开关的状态，主要带来以下问题：

（1）开通时开关管的电流上升和电压下降同时进行，关断时开关管的电流下降和电压上升同时进行，使开关管的开通和关断损耗大；
（2）当开关器件关断时，感性元件感应出较大的尖峰电压，有可能造成开关管电压击穿；
（3）当开关器件开通时，开关器件结电容中储存的能量有可能引起开关器件过热损坏；
（4）二极管由导通变为截止时存在反向恢复问题，容易造成直流电源瞬间短路。

2.2实验结果
用UC3854制造的APFC装置，其参数如下：

输入电压范围：AC80～270V；
输出电压：410V
开关工作频率：72kHz；
输入电感：1.6mH；
输出电容：2160μF
功率：1200W

用数字示波器测试并打印出开关管两端电压波形和输入电感两端电压波形如图2、图3所示。

图2开关管两端波形 图3输入电感两端波形
从以上波形可以看出，开关管上有电压尖峰；并且当开关管关、二极管开及开关管开、二极管关时在输入电感上感应出较大的电压尖峰。为了克服硬开关APFC的缺点，并进一步改善性能，UC公司推出了UC3855。