采用UC3854的有源功率因数校正电路工作原理与应用
基于UC3854控制的PFC技术的应用研究
基于UC3854控制的PFC技术的应用研究【摘要】近年来，功率因数校正技术已在大功率电力电子电路中得到了广泛应用，开关电源功率因数校正（Power Factor CorrectiON，PFC）技术作为用来抑制电网谐波污染及降低电磁污染的有效手段，正在成为电力电子技术研究的重点。
本文就采用PFC有源功率因数校正技术的目的进行了阐述，重点对UC3854集成电路的结构、PFC有源功率因数校正技术的工作原理进行了分析。
【关键词】UC3854；PFC；功率因数校正技术１采用功率因数校正技术的目的随着电力电子技术的发展，越来越多的电力电子设备接入电网运行。
这些设备的输入端一般是桥式整流和电容滤波电路，其二极管只有在输入电压大于直流输出电压时才导通，时间很短。
因此，输入电流是尖顶波，造成交流输入电流严重畸变，由此产生大量的谐波注入电网。
电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，影响电器的性能，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运行。
因此，许多国家和组织制定了限制用电设备谐波的标准，对用电设备注入电网的谐波和功率因数都作了明确具体的限制，这就要求生产电力电子装置的厂家必须采取措施来抑制其产品的谐波，提高功率因数。
抑制谐波的传统方法是采用无源校正，即在主电路中串入无源LC滤波器。
该方法虽然简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰，但是，它有以下缺点：（１）滤波效果与电网阻抗、频率有关，动态性能差；（２）滤波元件可能会与电网阻抗发生并联谐振，导致系统无法正常工作；（３）滤波要求越高，滤波器体积越大。
解决上述问题的有效方法是在整流桥与滤波电容之间加一级功率因数校正环节。
在电力电子设备中采用功率因数校正(Power Filter Correction，PFC)技术，对于降低高次谐波电流及电网的干扰、提高设备效率、节约能源是十分必要的。
２有源功率因数校正的工作原理有源功率因数校正技术（Active Power Filter Correction，APFC，在本文中PFC亦指APFC），是在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数。
UC3854工作原理
UC3854工作原理UC3854的工作原理本电路PFC控制电路采用UC3854A，UC3854A是美国的Unitrode公司设计生产的PFC专用控制集成电路，它集成了PFC电路控制所需的电压控制、平均电流跟踪限制、乘法器、驱动、保护和基准源等全部电路，使用更方便。
UC3854是一种有源功率因数校正专用控制电路。
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85,260V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1A以上，因此输出的固定频率PWM脉冲可驱动大功率MOSFET。
芯片自身工作电流典型值为10mA，工作电压为16V~35V。
4-2、 UC3854的基本组成UC3854内部框图如图2所示,它由以下几部分组成:1、欠压封锁比较器(UVLC):电源电压V高于16V时，基准电压建立，振荡器开始振荡，输出级输出CCPWM脉冲。
当电源电压V低于10V时，基准电压中断，振荡器停振，输出级被封锁。
CC2、使能比较器(EC):使能脚(10脚)输入电压高于2.5V时，输出级输出驱动脉冲，使能脚输入电压低于2.25V时，输出级关断。
以上两比较器的输出都接到与门输入端，只有两个比较器都输出高电平时，基准电压才能建立，器件才输出脉冲。
3、电压误差放大器(VEA):功率因数校正电路的输出电压经电阻分压后，加到该放大器的反相输入端，与7.5V基准电压比较，其差值经放大后加到乘法器的一个输入端(A)。
4、乘法器(MUL):乘法器输入信号除了误差电压外，还有与已整流交流电压成正比的电流I(B端)和前AC馈电压VRMS。
5、电流误差放大器(CEA):乘法器输出的基准电流I在RMO两端产生基准电压。
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即所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（）与相移因数（）的乘积。
可见功率因数（PF）由电流失真系数（）和基波电压、基波电流相移因数（）决定。
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。
同时，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，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。
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。
采用UC3854的有源功率因数校正电路工作原理与应用
采用UC3854的有源功率因数校正电路工作原理与应
用
简介：本文主要介绍了有源功率因数校正（APFC）的工作原理、电路分类。
并对在国内得到广泛应用的UC3854集成电路的典型应用电路、工作原理做了介绍、分析。
关键词：功率因数（PF）有源功率因数校正乘法器除法器
一．功率因数校正原理
1．功率因数（PF）的定义
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
所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（）与相移因数（）的乘积。
可见功率因数（PF）由电流失真系数（）和基波电压、基波电流相移因数（）决定。
低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导。
功率因数校正器芯片电路UC3854的分析_詹桦
文章编号:1004-3365(2002)02-0136-03功率因数校正器芯片电路UC3854的分析詹 桦,韩 雁(浙江大学 微电子技术和系统设计研究所,杭州 浙江 310027) 摘 要: 随着开关电源越来越广泛的应用,电网的功率因数大大下降,功率因数校正成为一个新的问题。
UC3854就是解决这个问题的一种高性能功率因数校正器。
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。
关键词: 开关电源;功率因数校正;脉冲宽度调制;乘法器中图分类号: T N761文献标识码: AAn Analysis of Power Factor Corrector Chip UC3854ZH AN Hua,HA N Yan(I nstitute o f M icr oelectr onic T echnology and Sy stem De sign,Zhej iang Univ er sity,H angz hou,Z he j iang310027,P.R.Ch ina)Abstract: U C3854is a po wer fact or co rr ector cir cuit w it h g oo d perfo rm ance.U sing the aver ag e cur rent model, U C3854contr ols the sta te o f the sw itching tr ansisto r in the circuit by o ut putting a ser ies o f P WM(Pulse Width M o dulatio n)signals.By this mean,it r eadjust s input curr ent and o utput vo ltag e to synchr o nizat ion,thus fulfilling pow er facto r co rr ectio n.Key words: Sw itching po wer supply;P ow er fa ct or co rr ectio n;Pulse width mo dulatio n;M ultiplierEEACC: 12101 引 言为提高线性稳压器电源的效率,适应现代电子设备多功能和小型化,开关电源电路应运而生。
基于uc3854的pfc电路设计分析
基于uc3854的pfc电路设计分析
什幺是uc3854
UC3854是一种高功率因数校正集成控制电路芯片。
主要特点：属于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，采用通用的操作方式，无需开关；前馈线性调整；平均电流控制模式，噪声灵敏度低；恒频控制，低偏值模拟乘法器/除法器；1A图腾极驱动；高精度基准电压；精度的参考电压。
PFC典型芯片UC3854介绍-概述
1994年底UC公司推出了UC3854。
随着Unitrode，Motorola，Silicon，Siemens等公司相继推出了各种有源功率因数校正芯片，如
UC3852、UC3854，3854AB、UC3855、MC34261、ML4812、ML4821、TD A4814等，单相有源功率因数校正技术发展很快。
UC3854为电源提供有源功率因素校正，它能按正弦的电网电压来牵制非正弦的电流变化，该器件能最佳的利用供电电流使电网电流失真减到最小，执行所有PFC的功能。
简体_UC3854控制之功率因数修正器电路设计
NoteUC3854 控制之功率因子修正器电路设计PHILIP C. TODD 摘要 这个应用手册说明功率因子修正的概念与它的升压型前端调节器的设计。
本手册包含了功率因子修正的重要规格、升压型转换器的功率电路设计与控制此一转换器的 UC3854 集成电路说明。
本文将提供完整的设计过程， 同时说明了设计过程中所必须进行的斟酌与考虑。
本文所提到的设计流程适用于 UC3854A/B 以及 UC3854。
您 可以参考 Unitrod 公司所出品的设计手册 DN-39 以了解某些本文未提到的主题。
虽然本文没有讨论到这些部分， 但是在进行设计时还是必须考虑这些部分的。
本篇应用手册是用以作为取代应用手册 U-125 "使用 UC3854 的功 率因子修正器"之用。
前言主动式功因修正器的主要功能就是使电源供应器的输 入功因修正为 1.0，即使得电源供应器把功因修正器的 输入端视为一个电阻。
而主动式功因修正器主要是利 用电流的响应随着电压的变化而跟着增大与减小的方 式来完成这个功能。
当电压与电流间的变动比为一个 定值时，输入端将呈现电阻性且此时的功率因子将达 到 1.0。
若这个变动比不再是一个定值，则输入的波形 将会产生相位差或谐波失真，而这些变化将会降低功 率因子。
一般对功率因子的定义是实功率与视在功率间的比例，即 P 是输入功率的实功率，Vrms 与 Irms 是负载的电压 与电流均方根值，也就是文中所提到的功因修正器输 入电压与电流均方根值。
若负载是一个纯电阻，则实 功率与电压电流均方根值的乘积将会是相同的，且此 时的功率将会是 1.0；若负载不是一个纯电阻，则功因 将会低于 1.0。
相移量的大小主要是反应了主动式功因修正器的输入电抗大小，任何像是电感或电容的电抗皆会造成输入 电流相对于输入电压的相位改变。
电压电流间的相位 差也是一种功率因子典型的定义，即功率因子等于电 压与电流相角差的余弦函数电压与电流间的相角差也反映出虚功率的大小。
UC3854工作原理与应用
() 1 升压式 P WM功率因数达 09 ; . 9 () 2 交流电 流失真 小于5 %; () 3 通用的操作方式, 无需开关; () 4 前馈线性调整; () 5 平均电流模式控制; )) 6 噪声灵敏度低; () 7 启动电流低; () 8 固定频率 P WM控制; () 9 低偏值模拟乘法器/ 除法器; ( ) A图 1 1 腾极驱动; 0 (i 高精度基准电压. i)
分类号 T 4 T 8 N 6 N 6
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QF i a
A s c F d c a m r e tzi re o es r o t . l h e a P C i c ip v t ul tn opwr c tmeIC S g pa b r t e e t v n o h i ao a f o e e E i e s e i t u n P C b n io teS g h e v oeft o e ao c r c s w hs pt p cc. lpa a i pwr oc pn tn tl bo F a e u n r i i e s c e a r si o o l e e t a n t c m n i l p t u ns t r ppl , og c C84 o y c . a r U 84 ad wt a v y u r m n w i U 35 im st il h p ess 35 hs o as e o a a e r h h s t a Te e C p p t aa xm l n d re e u s rc l&p cccc t ea p ad cb i fte, ie r te u . s n e e i t a r pnp s s i ai i i r Ky r p e f t e oa pfr os ot l u o s wr o, r le bo cn occi e d o a r r m i , t r i t w c r i r 为了 线路供电质量, 改善供电 世界上许多国
基于UC3854的Boost型APFC电路优化设计
第 43 卷第 7 期 2009 年 7 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.7 July，2009
三点式电感线圈结构， 就能有效抑制 VD 反向恢复 带来的过大开通瞬时电流和 di/dt 的冲击，以及过大 开通损耗引起的过热[2]。
L 在线路中起着能量传递、储存和滤波等作用， 并决定了输入端高频纹波电流的总量， 因此应该以 限制电流脉动最小为原则来确定电感值[3]。在输出功 率最大、 输入电压最低的最差情况下， 输入电流最 大，纹波也最大。为了在这种情况下确保输入电流纹 波仍满足要求， 应在输入电压最低点计算出优化的 电感参数：
补偿电路结构如图 3 所示。 该脉动补偿电路由带通
滤波和线性变压器构成。 带通滤波器可提取 2 次纹
以及过大开通损耗引起的过热，使 iin 成为比较平滑 的正弦波；由图 4b 所示经脉动补偿优化后的输出电 压 Uo 波形可见，在输出端加脉动补偿后 ，显著减小 了输出电压纹波；由图 4c，d 所示输入功率因数 λ 和 输入电流总谐波畸变率 THD 波形可知，APFC 电路 经优化后，其 λ 可提高到 0.998 左右，THD 接近零。
4 实验结果与分析
对图 1 进行优化后，构建了单相 Boost 型 APFC 电路实验系统，图 4 示出实验波形。
L＝ 2 姨 2 UinminD
（1）
fs△IL
取输入电压最小值 Uinmin=80 V，占空比 D＝0.71，
开 关 频 率 fs＝100 kHz， 允 许 的 电 感 电 流 最 大 纹 波
1引言
开关电源多数通过整流器与电力网相接， 而传 统的整流器是由二极管或晶闸管组成的非线性电 路， 在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而 污染电网， 这些都迫切需要采取有效措施来减少谐 波并提高功率因数。为减小谐波畸变率，提高功率因 数，设计了一种基于 UC3854 控制的功率为 500 W，输 出电压为 400 V 的 Boost 型 APFC 电路，并对主电路 中的滤波器和输出端电路进行了优化设计。
功率因数校正电路原理说明与应用(APFC)
第四章 APFC4.1 功率因素校正技术的由来由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路具有很多优点:应用广泛、价格低廉、可靠性高等，但是它产生的谐波对电网有着严重的污染，单项不可控整流电路存在以下几个主要的问题：（1）启动时冲击电流大；（2）正常工作时，由于二极管的导通角是<180°，会形成幅度很高的窄脉冲，总谐波失真THD通常超过100%，从而引起了电网电压波形的畸变。
（3）谐波带来的电路功率因数低，一般约为0.5~0.6，造成电路的效率低。
由整流电路可知，二极管整流滤波电路，因为二极管的导通角<180°，以及无源器件电感L、电容C导致的输入信号发生畸变，不但降低了系统的功率因数，效率大大减小，还造成噪声和对电网冲击等一系列的危害。
因此，为了减小AC/DC交流电路输入端谐波电流造成的噪声和谐波污染，保证电网高质量供电以及高可靠性；同时，通过相关技术达到电路节能的效果。
以上阐述都表明了研究提高电路功率因数重要性，因此提出了功率因数校正技术（PFC）的概念。
那如何提高功率因数？根据第三章整流电路的分析可知，功率因数λ=PS=cosφ=υ∙cosφ1主要由两个因素决定：基波因数和相位因数。
因此，通过提高基波因数υ=I1I和相位因数cosφ1是两个主要的途径：(1)使输入电压、输入电流同相位。
若输入电压与输出电压同相位，则相位因素cosφ1为1，功率因素λ增大；(2)使输入电流正弦化若输入电流正弦化，即电流频率保持固定，几乎不存在谐波分量，υ=I1I=1，功率因素λ增大。
满足以上两个条件，功率因素将接近为1，电路效率将非常高。
4.2 PFC的分类根据使用器件的不同，分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。
根据有无整流桥，分为有桥PFC和无桥PFC。
无源PFC无源PFC一般采用电感补偿方法。
这种方式是使用由电感、电容等无源器件组合而成的谐振电路来降低谐波电流，以及减小交流输入的基波电流与电压之间相位差，从而提高功率因数。
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采用UC3854的有源功率因数校正电路工作原理与应用
北京信息职业技术学院 100031 路秋生
简介：
本文主要介绍了有源功率因数校正（APFC）的工作原理、电路分类。
并对在国内得到广泛应用的UC3854集成电路的典型应用电路、工作原理做了介绍、分析。
关键词：功率因数（PF）有源功率因数校正乘法器除法器
一．功率因数校正原理
1．功率因数（PF）的定义
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
所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（）与相移因数（）的乘积。
可见功率因数（PF）由电流失真系数（）和基波电压、基波电流相移因数（）决定。
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。
同时，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，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。
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（）和电流失真系数（）相比，输入电流失真系数（）对供电线路功率因数（PF）的影响更大。
为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术标准，以限制谐波电流含量。
如：IEC555-2， IEC61000-3-2，EN 60555-2等标准，它们规定了允许产生的最大谐波电流。
我国于1994年也颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（GB/T14549-93）。
传统的功率因数概念是假定输入电流无谐波电流（即I1=I rms或=1）的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了PF =。
二．PF与总谐波失真系数（THD：The Total Harmonic Distortion）的关系
三.功率因数校正实现方法
由功率因数可知，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=1 ，所以PF=。
2.使输入电流正弦化。
即I rms=I1（谐波为零），有即；
从而实现功率因数校正。
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。
四.有源功率因数校正方法分类
1．按有源功率因数校正电路结构分
（1）降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。
（2）升/降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。
（3）反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下功率的应用场合。
（4）升压式（boost）：简单电流型控制，PF值高，总谐波失真（THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。
适用于75W~2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。
它具有以下优点：
∙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。
UC3854是一种工作于平均电流的的升压型（boost）APFC电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的APFC电路。
2．按输入电流的控制原理分
（1）平均电流型：工作频率固定，输入电流连续（CCM），波形图如图1（a）所示。
TI的UC3854就工作在平均电流控制方式。
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。
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。
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，波形图如图1（b）所示。
（3）峰值电流型。
工作频率变化，电流不连续（DCM），工作波形图如图1（c）所示。
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V in与输出电压V O的比值有关。
即当V in变化时，功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随的加大而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，工作波形图如图1（d）所示。
图1 输入电流波形图
四．有源功率因数校正的实现
下面以常见的美国TI公司生产的APFC用集成电路UC3854介绍其性能特点、工作原理与典型应用电路。
1．UC3854控制集成电路
（1）UC3854引脚功能说明（参见图3、图4）。
UC3854 引脚功能如表1所示。
表1 UC3854的引脚（端）功能
（2）UC3854中的前馈作用
UC3854的电路框图和内部工作框图如图2、图3所示。
在APFC电路中，整流桥后面的滤波电容器移到了整个电路的输出端（见图2、图4中的电解电容C），这是因为V in应保持半正弦的波形，而V out需要保持稳定。
从图3所示的UC3854工作框图中可以看到，它有一个乘法器和除法器，它的输出为，而C为前馈电压V S的平方，之所以要除C是为了保证在高功率因数的条件下，使APFC的输入功率P i不随输入电压Vin 的变化而变化。
工作原理分析、推导如下：
乘法器的输出为
式中：Km表示乘法器的增益因子。
Kin表示输入脉动电压缩小的比例因子。
电流控制环按照Vin和电流检测电阻Ro（参见图2）建立了I in。
K i表示V in的衰减倍数
将式（3）代入式（4）后有
如果PF=1 效率η=1有
由（6）可知：当Ve固定时，Pi、Po将随V2in的变化而变化。
而如果利用除法器，将Vin除以一个
可见在保证提高功率因数的前提下，V e恒定情况下，P i、P o不随V in的变化而变化。
即通过输入电压前馈技术和乘法器、除法器后，可以使控制电路的环路增益不受输入电压V in变化的影响，容易实现全输入电压范围内的正常工作，并可使整个电路具有良好的动态响应和负载调整特性。
在实际应用中需要加以注意：前馈电压中任何100 Hz纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加在一起，不但会增加波形失真，而且还会影响功率因数的提高。
前馈电路中前馈电容C f（图2、图4中的Cf）的取值大小也会影响功率因数。
如果C f太小，则功率因数会降低，而C f过大，前馈延迟又较大。
当电网电压变化剧烈时，会造成输出电压的过冲或欠冲，所以C f的取值应折中考虑。
（3）UC3854的典型应用电路原理图如图4所示。
图4 UC3854典型应用电路原理图
五．小结
通过以上的讨论可以看出，由在APFC控制过程中，UC3854引入了前馈和乘法器、除法器，并且工作于平均电流的电流连续（CCM）工作方式，性能较优，使用效果较好，在实用中得到了广泛应用。