有源功率因數校正
一、功率因數的定義
功率因數pf定義為：功率因數（pf）是指交流輸入有功功率（p）與輸入視在功率（s）的比值。
pf＝＝=cos= cos （1）
式中：：基波因數，即基波電流有效值i1與電網電流有效值ir之比。
ir：電網電流有效值
i1：基波電流有效值
ul：電網電壓有效值
cosφ：基波電流與基波電壓的位移因數
**性電路中，無諧波電流，電網電流有效值ir與基波電流有效值i1相等，基波因數=1，所以pf＝·cosφ＝1·cosφ＝cosφ。當線性電路且為純電阻性負載時，pf＝·cosφ＝1·1＝1。
二、有源功率因數校正技術
1．有源功率因數校正分類
（1）按電路結構分為：降壓式、公升/降壓式、反激式、公升壓式（boost）。
其中公升壓式為簡單電流型控制，pf值高，總諧波失真（thd：total harmonic distortion）小，效率高，適用於75w~2000w功率範圍的應用場合，應用最為廣泛。它具有以下優點：
● 電路中的電感l適用於電流型控制
● 由於公升壓型apfc的預調整作用在輸出電容器c上保持高電壓，所以電容器c體積小、儲能大
● 在整個交流輸入電壓變化範圍內能保持很高的功率因數
● 輸入電流連續，並且在apfc開關瞬間輸入電流小，易於emi濾波
● 公升壓電感l能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性
（2）按輸入電流的控制原理分為：平均電流型（工作頻率固定，輸入電流連續）、滯後電流型、峰值電流型、電壓控制型。
圖1 輸入電流波形圖
其中平均電流型的主要有點如下：
● 恆頻控制
● 工作在電感電流連續狀態，開關管電流有效值小、emi濾波器體積小。
● 能抑制開關雜訊
● 輸入電流波形失真小
主要缺點是：
● 控制電路複雜
● 需用乘法器和除法器
● 需檢測電感電流
● 需電流控制環路
（3）按輸入電流的工作模式分為：連續導通模式ccm(continuous conduction mode)和不連續導通模式dcm(discontinuous conduction mode)。
（4）按拓撲結構可分為：雙級模式和單級模式。
單級功率校正---峰值電流控制
2、有源功率因數校正原理
有源功率因數校正（active power factor correction，簡稱apfc）技術的思路是，控制已整流後的電流， 使之在對濾波大電容充電之前能與整流後的電壓波形相同， 從而避免形成電流脈衝，減小輸入電流諧波,達到改善功率因數的目的。
有源功率因數校正電路原理圖
整流器輸出電壓ud、公升壓變換器輸出電容電壓uc與給定電壓u*c的差值都同時作為乘法器的輸入，構成電壓外環, 而乘法器的輸出就是電流環的給定電流i*s。
公升壓變換器輸出電容電壓uc與給定電壓u*c作比較的目的是判斷輸出電壓是否與給定電壓相同，如果不相同，可以通過調節器調節使之與給定電壓相同，調節器（圖中的運算放大器）的輸出是乙個直流值，這就是電壓環的作用。而整流器輸出電壓ud顯然是正弦半波電壓波形，它與調節器結果相乘後波形不變， 所以很明顯也是正弦半波的波形且與ud同相。
將乘法器的輸出作為電流環的給定訊號i*s ，才能保證被控制的電感電流il與電壓波形ud一致。i*s的幅值與輸出電壓uc同給定電壓u*c的差值有關，也與ud的幅值有關。l1中的電流檢測訊號if與i*s構成電流環， 產生pwm訊號, 即開關v的驅動訊號。
v導通，電感電流il增加，電流線性增加，電能以磁能的形式儲存在電感線圈中，電容c放電為負載提供能量。當il增加到等於電流is*時，v截止，二極體導通，電源和公升壓電感l1（由於線圈中的磁能將改變線圈l兩端的電壓極性，以保持其電流il不變，線圈l轉化成vl與電源電壓vin串聯高於輸出電壓）釋放能量，同時給電容c充電和向負載供電， 這就是電流環的作用。
這種電路優點是輸入電流完全連續，並且在整個輸入電壓的正弦週期都可以除錯，缺點是輸出電壓必須大於輸入電壓的最大值，所以輸出電壓比較高，不能利用開關管實現輸出短路保護。
三、uc3854控制整合塊
uc3854是一種工作於平均電流的的公升壓型（boost）apfc電路，它的峰值開關電流近似等於輸入電流，是目前使用最廣泛的apfc電路。
1、uc3854總體結構
uc3854的總體結構如下圖所示，主要包括以下幾個功能模組：電壓誤差放大器模組，電流誤差放大器模組，乘除法器模組，鋸齒波發生器模組，輸出驅動模組，以及峰值限制比較器模組，欠電壓過電壓保護模組，軟起動模組和一些數字邏輯。為了簡化模型，建模中省去欠電壓、過電壓鎖存比較器，軟起動等輔助環節。
uc3854 內部結構圖中，標有 a、b、c 的方框是所謂的乘法器，電壓誤差放大器的輸出（在引腳 7 上可以測量到）是乘法器的乙個輸入，稱作 a。乘法器的另乙個輸入，取自整流器的輸出電壓波形，通過引腳 6 引入，稱作 b。前饋電壓校正是通過引腳 6 引入的，稱作 c。
這三個量在乘法器裡運算後， 乘法器輸出為電流 imo， 它接到引腳 5。這個電流 imo 與實際電流值 isense（引腳 4）在電流誤差放大器中進行比較。電流誤差放大器的右側是pwm 比較器。
在 pwm 比較器裡，電流誤差放大器的輸出與晶元振盪器的輸出斜坡電壓相比較。振盪器與 pwm 比較器的輸出用來驅動乙個 rs 觸發器，rs 觸發器再驅動推挽電路輸出 pwm 訊號 （腳 16） ，用來控制主電路開關管的開斷時刻。
振盪器的定時電容從引腳 14 接入， 定時電阻器外接在腳 12，它在 uc3854 中還起到乘法器的最大輸出電流限制作用。另外，晶元工作電源自腳 15引入，腳 1 為晶元「地」。
uc3854 內部結構圖的左上角，包含了乙個欠壓鎖定比較器和乙個使能比較器，它們都是滯環比較器，欠壓比較器用來監控晶元本身工作電源的電平；使能比較器可用來控制晶元是處於工作狀態還是封鎖狀態，只有當使能比較器的輸出都為高電平時，才允許晶元進入工作狀態。
這兩個比較器的下方是電壓比較器。晶元中的電壓比較器實際上是電壓誤差放大器。電壓比較器的同相輸入端內接 3v 的參考電壓，反相輸入端連線到引腳 11，稱作 vsence，vsence 代表的是輸出電壓。
電壓誤差放大器旁邊所接的二極體是想表示其內部作用而不是表示其實際配置。電壓誤差放大器的同相輸入端還連到下方的軟啟動電路。這樣可以讓電壓控制環在輸出電壓達到它的工作點之前就開始工作，可以消除一般電源裝置深受其害的開啟超調。
在引腳 11 與放大器反向輸入端之間所接的二極體同樣是乙個理想二極體，用來消除參考電壓上是否有額外的二極體壓降的疑慮。 引腳 2 上提供乙個緊急峰值電流限制訊號，當腳 2 的電平被輕微地拉到「地」以下時，pwm 輸出訊號就會被封鎖。
晶元內建了乙個 14ua 電流源給軟起動電路的定時電容器 ct 充電。
2、uc3854的引腳（端）功能表
3、主要電路引數設計
3.1主要設計要求
（1） 輸入：ac 220v±20%，50hz±5% 。
（2） 輸出：dc 400v。
（3） 輸出功率：5000w。
（4） 電壓調整率：≤1%，負載 10%~100%變
化範圍時。
（5） 效率：≥80% 。
（6） 功率因數：在輸入電壓 220v±20%，輸出
滿載時，≥99%。
3.2主要引數計算與選擇
（1）主開關器件 vt 的選擇
開關器件所承受的最大電壓為輸出直流電壓，即 400v。 開關器件所承受的最大電流為線路的最大峰值電流 iline(pk)。
式（3）中，pout為輸出功率，為 5000w；vin(min)為最低網壓的有效值，為 220（1%~20%）v；η 為電源效率，為 0.8。
算出：iline(pk)=50a。
根據開關器件對電壓和電流的要求，開關器件選擇單管型 igbt 器件。考慮適當的裕度以及在較高溫度下的降額使用後，本設計選擇 1200v/150a的 igbt 器件。
（2）開關頻率的選擇
開關頻率高， 可以減小 apfc 電路的結構尺寸，提高功率密度，減小失真；但頻率太高又會增大開關損耗，影響效率。本設計中將開關頻率選擇為30khz，作為尺寸與效率之間的一種綜合考慮，這樣的頻率下，電感量的大小合理，尖峰失真小，電感器的物理尺寸較小，igbt 和 boost 二極體 vd上的功率耗損也不會過多。
（3）boost 電感的計算[5]
在變換器頻率一定的情況下，電感值決定了輸入端高頻紋波的值。
線路輸入電流的最大值 iline(pk)發生在最小網壓的峰值處，它的值前已算出，即 iline(pk)=50a。
公升壓變換器的最大紋波電流發生在占空比為50%處，也就是當公升壓比為 m=vout/vin=1/(1-d)=2 時。
電感器紋波電流的峰峰值，通常是按照最大輸入電流值的 20%來選取的，這只是經驗值，因為這通常不是高頻紋波電流的最大值。紋波電流選擇過大，就可能使變換器進入斷續工作方式的時間在整個週期佔的比例過大，為此就必須設計更大的輸入濾波器，以衰減更高頻的紋波電流。uc3854 由於採用了平均電流方式控制，因此允許變換器在連續與斷續工作方式下平穩過渡並保持效能基本不變。
有源功率因數校正總結
一 功率因數的定義 功率因數pf定義為 功率因數 pf 是指交流輸入有功功率 p 與輸入視在功率 s 的比值。pf cos cos 1 式中 基波因數，即基波電流有效值i1與電網電流有效值ir之比。ir 電網電流有效值 i1 基波電流有效值 ul 電網電壓有效值 cos 基波電流與基波電壓的位移因數...
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