硬开关与软开关功率因数校正电路的研究

硬开关与软开关功率因数校正电路的研究 文章来源：百方网

　　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，THD5，适用于任何的开关器件，平均电流控制模式，恒频控制，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。
　　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：2160F
　　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。
　　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.
　　3UC3855构成的软开关有源功率因数校正
　　电路
　　3.1UC3855工作原理
　　UC3855是一种能实现零电压转换的高功率因数校正器集成控制芯片，采用零电压转换电路、平均电流模式产生稳定的、低畸变的交流输入电流，无需斜坡补偿，高工作频率可达500kHz，其内部有ZVS检测、一个主输出驱动和一个ZVT输出驱动。由于采用软开关技术，可以极大地减小二极管反向恢复时和MOSFET开通时的损耗，从而具有低电磁辐射和高效率的特点。其结构如图4所示。
　　UC3855也主要由乘法、除法、平方电路构成，为电流环提供编程的电流信号（IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms）。芯片内部有一个高性能、带宽为5MHz的电流放大器，并具有过压、过流和回差式欠压保护功能，输入线电压箝位功能，低电流起动功能。内部乘法器电流限制功能在低线电压时能抑制功率输出。和UC3854相比，UC3855增加的电路功能主要有：过电压保护；工作达500kHz的零电压转换（ZVT）控制电路；具有电流合成器，只需检测主开关管开通时的电感电流，而主开关管关断时流经电感和二极管的电流可通过芯片内的电流合成器构造出来，因此可比UC3854少用一个电流互感器。这样既提高了信噪比，又减小了电流检测的损耗。
　　总体而言UC3855具有更高的的功率因数（接近1），更高的效率，和更低的电磁干扰（EMI）。
　　3.2ZVT－PFC电路原理
　　图5为ZVT－PFC电路原理图，S为主开关管，S1、Lr、Cr、VD1构成的谐振支路和主开关管并联。辅助开关S1先于主开关S导通，使谐振网络工作，电容电压（即主开关电压）谐振下降到零，创造了主开关零电压导通的条件。在辅助开关管导通时，二极管电流线
　　性下降到零，二极管VD实现零电流截止（软关断）。ZVT－PFC的主要优点是：主开关管零电压导通并且保持恒频运行；二极管VD零电流截止；电流、电压应力小；工作范围宽；ZVT－PFC的不足之处是：辅助开关S1在硬开关条件下工作，但和主开关相比流经的电流很小，所以其损耗可忽略不计。
　　图6是电流合成器的波形，上部的波形是电流合成器合成的电感电流的波形，下部的波形是电感电流的实际波形。从图6我们可以看出这两种波形吻合得很好。测量结果还得出重构波形和实际波形在线电压较高时误差较大，并且在电流合成电路中微小的偏差就可导致误差。
　　表1、表2所示为UC3855的畸变因数、功率因数和交流线电压的关系
　　表1畸变因数、功率因数和交流线电压的关系表（一阶误差放大箝位电路）
　　交流线电压（V）畸变因数（）功率因数
　　表2畸变因数、功率因数和交流线电压的关系表（二阶误差放大箝位电路）
　　交流线电压（V）畸变因数（）功率因数
　　4对比结论
　　图7是通过测量ZVT－PFC电路和硬开关的PFC电路（取消零转换部分）所得效率数据图。硬开关的PFC电路还需要一个风扇来保持功率器件的正常
　　工作温度。从以上数据图可以看出具有ZVT的PFC电路（对应芯片UC3855）效率明显优于硬开关的PFC电路（对应芯片UC3854）。从图上还可看出特别在低输入电压时具有ZVT的PFC电路明显优于硬开关的PFC电路，因为低输入电压时具有高输入电流，从而在硬开关电路中引入高输入损耗。
　

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