硬開關與軟開關功率因數校正電路的研究

摘要：介紹兩種常用的APFC芯片UC3854和UC3855的工作原理、功能特點，做了實驗波形分析及對比性研究。

關鍵詞：畸變因數有源功率因數校正零電壓轉換

Keywords:THDAPFCZVT

The Research of Soft Hard Switch Power Factor Correction Circuit

Abstract: The article mainly introduces the working principle, function characteristics of the two kinds of APFC chip: UC3854 and UC3855. The article presents the experiment waveform of the two kinds of chips. At last the article has made the contrast analysis.

1引言

　　前級從220V交流電網整流提供直流是在電力電子技術及電子儀表中應用極為廣泛的一種基本變流方案。但整流器－電容濾波電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，因此雖然輸入交流電壓是正弦波，但輸入電流波形卻嚴重畸變，呈脈沖狀，含有大量的諧波，使輸入電路的功率因數不到0.7。

　　用電設備的輸入功率因數低主要會造成以下危害：諧波電流嚴重污染電網，干擾其他用電設備；容易造成線路故障如線路、配電器件過熱，電網諧振；增加線路、變壓器和保護器件的容量；中線流過疊加的三相三次諧波電流，使中線過流而易損壞。

　　因此，我們必須采取適當的措施來減小輸入電流波形的畸變，提高輸入功率因數，以減小電網污染。如信息產業部在通信電源的入網檢測中就要求1500W以上的電源設備，其功率因數必須高于0.92；1500W以下的電源設備，其功率因數必須高于0.85。

　　目前，主要用來提高功率因數的方法有：電感無源濾波，這種方法對抑制高次諧波有效，但體積大，重量大，在產品設計中其應用將越來越少；逆變器有源濾波，對各次諧波響應快，但設備造價昂貴；三相高功率因數整流器，效率高、性能好，近年來其控制策略和拓樸結構處于不斷發展中。單相有源功率因數校正（APFC），通常采用Boost電路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在產品設計中得到越來越廣泛的應用。

　　本文主要介紹了兩種常用的APFC芯片UC3854和UC3855的工作原理、功能特點及實驗波形分析，并作了對比性研究。

2UC3854構成的硬開關有源功率因數校正

電路

2.1工作原理

　　UC3854是一種高功率因數校正集成控制電路芯片，其主要特點是：PWM升壓電路，功率因數達到0.99，THD<5％ ， 適 用 于 任 何 的 開 關 器 件 ， 平 均 電 流 控 制 模 式 ， 恒 頻 控 制 ， 精 確 的 參 考 電 壓 。 其 結 構 如 圖 1所 示 ：

　　UC3854包括：電壓誤差放大器，模擬乘法/除法器，電流放大器，固定頻率脈寬調制器，功率MOS管的門級驅動器，過流保護的比較器，7.5V基準電壓，以及軟起動，輸入電壓前饋，輸入電壓箝位等。

　　模擬乘法/除法器是功率因數校正芯片的核心，它的輸出IMO反映了線電流，因此被作為基準電流，IMO與乘法器的輸入電流IAC（IAC與輸入電壓瞬時值成比例）的關系為：

IMO=IAC(UAO－1.5)/KU2ms

（對應圖1中IM=AB/C）

式中IMO、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號，從芯片

圖1UC3854的電路結構圖

中減去1.5V是芯片設計的需要；K在乘法器中是個常數，等于1；Ums是前饋電壓，約為1.5～4.77V，由APFC的輸入電壓經分壓后提供。

　　模擬乘法/除法器除以U2ms起了前饋作用，一方面芯片內部箝位Ums，消除了輸入電壓對電壓環放大倍數的影響，使電壓環放大倍數和輸入電壓無關；另一方面電壓誤差放大器的輸出還可使輸入功率穩定，不隨線電壓的變化而變化。如當輸入電壓變為兩倍，則反映輸入電壓變化的IAC、Ums均變為原來的兩倍。由上式可知IMO將減半，通過調制使輸入電流減半，從而保持輸入功率不變。另外電壓誤差放大器具有輸出箝位，可限制電路的最大功率。前饋電壓的輸入采用了二階低通濾波，這樣既可提高抗干擾能力，又不影響前饋電壓輸入端對電網波動的快速響應。

　　電壓誤差放大器的輸出電壓范圍為1～5.8V，當輸出電壓低于1V時，將會抑制乘法器的輸出。電壓誤差放大器最大輸出內部限定為5.8V是為了防止輸出過沖；為了減小輸入電壓過低時產生的交越死區，交流輸入端的標稱電壓是6V，同時還應用電阻將該端口與內基準連起來，這樣線電流的交越失真將最小。

　　UC3854的開關管和二極管都工作在硬開關的狀態，主要帶來以下問題：

　　（1）開通時開關管的電流上升和電壓下降同時進行，關斷時開關管的電流下降和電壓上升同時進行，使開關管的開通和關斷損耗大；

　　（2）當開關器件關斷時，感性元件感應出較大的尖峰電壓，有可能造成開關管電壓擊穿；

　　（3）當開關器件開通時，開關器件結電容中儲存的能量有可能引起開關器件過熱損壞；

　　（4）二極管由導通變為截止時存在反向恢復問題，容易造成直流電源瞬間短路。

2.2實驗結果

　　用UC3854制造的APFC裝置，其參數如下：

　　輸入電壓范圍：AC80～270V；

　　輸出電壓：410V

　　開關工作頻率：72kHz；

　　輸入電感：1.6mH；

　　輸出電容：2160μF

　　功率：1200W

　　用數字示波器測試并打印出開關管兩端電壓波形和輸入電感兩端電壓波形如圖2、圖3所示。

　　從以上波形可以看出，開關管上有電壓尖峰；并且當開關管關、二極管開及開關管開、二極管關時在輸入電感上感應出較大的電壓尖峰。為了克服硬開關APFC的缺點，并進一步改善性能，UC公司推出了UC3855。

3UC3855構成的軟開關有源功率因數校正

電路

圖2開關管兩端波形? 圖3輸入電感兩端波形

3.1UC3855工作原理

　　UC3855是一種能實現零電壓轉換的高功率因數校正器集成控制芯片，采用零電壓轉換電路、平均電流模式產生穩定的、低畸變的交流輸入電流，無需斜坡補償，最高工作頻率可達500kHz，其內部有ZVS檢測、一個主輸出驅動和一個ZVT輸出驅動。由于采用軟開關技術，可以極大地減小二極管反向恢復時和MOSFET開通時的損耗，從而具有低電磁輻射和高效率的特點。其結構如圖4所示。

　　UC3855也主要由乘法、除法、平方電路構成，為電流環提供編程的電流信號（IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms）。芯片內部有一個高性能、帶寬為5MHz的電流放大器，并具有過壓、過流和回差式欠壓保護功能，輸入線電壓箝位功能，低電流起動功能。內部乘法器電流限制功能在低線電壓時能抑制功率輸出。和UC3854相比，UC3855增加的電路功能主要有：過電壓保護；工作達500kHz的零電壓轉換（ZVT）控制電路；具有電流合成器，只需檢測主開關管開通時的電感電流，而主開關管關斷時流經電感和二極管的電流可通過芯片內的電流合成器構造出來，因此可比UC3854少用一個電流互感器。這樣既提高了信噪比，又減小了電流檢測的損耗。

　　總體而言UC3855具有更高的的功率因數（接近1），更高的效率，和更低的電磁干擾（EMI）。

3.2ZVT－PFC電路原理

　　圖5為ZVT－PFC電路原理圖，S為主開關管，S1、Lr、Cr、VD1構成的諧振支路和主開關管并聯。輔助開關S1先于主開關S導通，使諧振網絡工作，電容電壓（即主開關電壓）諧振下降到零，創造了主開關零電壓導通的條件。在輔助開關管導通時，二極管電流線

圖4UC3855的電路結構圖

圖5ZVT－PFC電路原理圖

圖6電流合成器的波形

性下降到零，二極管VD實現零電流截止（軟關斷）。ZVT－PFC的主要優點是：主開關管零電壓導通并且保持恒頻運行；二極管VD零電流截止；電流、電壓應力小；工作范圍寬；ZVT－PFC的不足之處是：輔助開關S1在硬開關條件下工作，但和主開關相比流經的電流很小，所以其損耗可忽略不計。

　　圖6是電流合成器的波形，上部的波形是電流合成器合成的電感電流的波形，下部的波形是電感電流的實際波形。從圖6我們可以看出這兩種波形吻合得很好。測量結果還得出重構波形和實際波形在線電壓較高時誤差較大，并且在電流合成電路中微小的偏差就可導致誤差。

　　表1、表2所示為UC3855的畸變因數、功率因數和交流線電壓的關系

表1畸變因數、功率因數和交流線電壓的關系表（一階誤差放大箝位電路）

表2畸變因數、功率因數和交流線電壓的關系表（二階誤差放大箝位電路）

4對比結論

　　圖7是通過測量ZVT－PFC電路和硬開關的PFC電路（取消零轉換部分）所得效率數據圖。硬開關的PFC電路還需要一個風扇來保持功率器件的正常

圖7效率數據圖

工作溫度。從以上數據圖可以看出具有ZVT的PFC電路（對應芯片UC3855）效率明顯優于硬開關的PFC電路（對應芯片UC3854）。從圖上還可看出特別在低輸入電壓時具有ZVT的PFC電路明顯優于硬開關的PFC電路，因為低輸入電壓時具有高輸入電流，從而在硬開關電路中引入高輸入損耗。

參考文獻

1張占松、蔡宣三，開關電源的原理與設計，電子工業出版社

2UNITRODE，productandapplicationguide