单级功率因数校正(PFC)变压器的设计
单级功率因数校正（PFC)变压器的设计
1引言
为了减少对交流电网的谐波污染，国际上推出了一些限制电流谐波的标准，如IEC 1000- 3-2，它要求开关电源电源必须采取措施降低电流谐波含量。
为了使输入电流谐波满足要求，必须加入功率因数校正（PFCPFC）。目前应用得最广泛的是PFC级＋DC/DC级的两级方案，它们有各自的开关器件和控制电路。这种方案能够获得很好的性能，但它的缺点是电路复杂，成本高。
在单级单级功率因数校正变换器[1]中，PFC级和DC/DC级共用一个开关管和一套控制电路，在获得稳定输出的同时实现功率因数校正。这种方案具有电路简单、成本低的优点，适用于小功率场合。本文介绍了一种单级PFC变换器的基本原理及其设计设计过程。
2单级PFC变换器
单级PFC变换器的原理图，是一种基于脉宽调制（PWM）的变换器。变换器的PFC级采用Boost 电感电路，而DC/DC级采用双管单端正激电路结构。
PWM集成芯片采用了UC3842，是一种电流型控制的专用芯片，具有电压调整率高、外围元器件少、工作频率高、启动电流小的特点。其输出驱动信号通过隔直电容，连接在驱动变压器变压器原边。驱动变压器采用副边双绕组结构，得到两路同相隔离的驱动信号，从而实现了DC/DC级的双管驱动。
变换器的过流保护由电阻R9检测到开关管的过流信号，封锁UC3842的输出信号，实现过流保护。电压负反馈控制由电阻R12和R13获得输出电压信号。
变换器的工作原理简述如下：当变换器接通电源时，输入交流电压整流后的直流电压经电阻R17降压后，给UC3842提供启动电压。进入正常工作后，二次绕组N3提供UC3842的工作电压（12 V）；绕组N2的高频电压经整流滤波，由TL431获得偏差信号，经光耦隔离后反馈到UC3842，去控制开关管的导通与截止，实现稳压的目的。在一个开关周期Ts内，控制Boost 电感工作在不连续导电模式（DCM）下，使得输入电流波形自然跟随输入电压波形，从而实现了功率因数校正。
3变换器的设计
3.1 EMI滤波器的设计
EMI滤波器能有效地抑制电网噪声，提高电子仪器、计算机和测控系统的抗干扰能力及可靠性[2]。单级PFC变换器的PFC级工作在不连续导电模式下，其输入电流波形为脉动三角波，因此其前端需添加EMI滤波器以滤除高频纹波。
EMI滤波器电路，包括共模扼流圈（亦称共模电感）和滤波电容。共模电感主要用来滤除共模干扰，其电感量与EMI滤波器的额定电流有关。本文中的单级PFC变换器的额定电流为1 A，取共模电感值为15 mH。滤波电容C11和C13主要滤除串模干扰，容量大致为0.01μ F～0.47 μ F。C14和C15跨接在输入端，并将电容器的中点接地，能有效抑制共模干扰，容量范围是2200 pF～0.1 μ F。
3.2功率器件的选取
变换器的开关器件一般均选用功率场效应管（MOSFET），依据输入最高电压时输出最大电流的要求来确定其电压与电流等级，并预留有1.5～2倍的电压和2～3倍的电流裕量。在单管变换器中，开关器件的电压UCEO通常可按经验公式选取
式中：Udmax为漏源极的最大电压；
D为占空比。
开关器件的电流按高频变压器一次绕组的最大电流来确定。本文中，由于采用双管电路结构，每个开关管所承受的电压为UCEO的一半，故选用耐压500 V、电流8 A的IRF840。变换器中PFC级的二极管选用了超快速恢复二极管，而DC/DC级整流输出端选用肖特基整流二极管，以减小二极管的压降。
3.3变换器电感的设计
在单级PFC变换器中，为了实现功率因数校正，通常控制PFC级的Boost电感工作在不连续导电模式；而为了提高变换器的率，DC/DC级一般采用连续导电模式，在一个开关周期内，通过L1和L2的电流。为了使Boost电感工作于DCM，则有
式中：RL为变换器的负载电阻；
L1为Boost电感值；
Ts为变换器的开关周期；
D为占空比；
η为变换器的效率；
UC1为中间储能电容上的电压；
Uo为输出电压。
为了使得DC/DC级工作在连续导电模式下，则有
式中：L2为DC/DC级的储能电感值。
在本文中，要求Ts=8.33 μ s，D=0.2， Uo=16 V，RL=2.133 Ω，UC1=380 V。故选取L1=100 μH，L2=20μH。
功率因数校正的实验结果。图中，第一条波形是交流输入电压经整流桥后的电压波形，第二条波形是流经Boost电感L1的电流波形，近似于正弦波。实验得到的功率因数为0.97。
3.4高频变压器的设计
高频变压器是变换器的核心元件，它的性能好坏不仅影响其本身的发热和效率，而且还会影响到变换器的技术性能和可靠性。
1）磁芯的选用
本文的负载设计为Uo=16V，Io=7.5A，由高频变压器的二次绕组N2绕组提供。而绕组N3提供UC3842的工作电源，其输出功率很小，可忽略。由设定条件可知，高频变压器的输出功率为
给出的输出功率与磁芯尺寸的关系，选用了PQ32－30磁芯，其有效截面积为167mm2。
2）绕组匝数的确定
变压器初级绕组电压幅值UP1为
式中：UC1是变压器输入直流电压(等于中间储能电容上的电压)；
ΔU1是变压器初级绕组的电阻压降与开关管的导通压降之和，在实际计算中可以忽略。变压器二次绕组N2的电压幅值UP2
式中：ΔU2是变压器二次绕组的电阻压降与整流管的压降之和。
初级绕组匝数N1为
式中：f是开关频率（120 kHz）；
ΔBm是磁通增量，此处取ΔBm=0.15T。
二次绕组N3提供UC3842的12V工作电压，其匝数由下式得到
式中：UP3为二次绕组N3的电压幅值。
4结语
应用脉宽调制集成控制芯片UC3842构成的单级PFC变换器，具有电路结构简单、成本低等优点。不仅获得稳定的输出，而且实现了功率因数校正。
2 kW有源功率因数校正电路设计
2 kW 有源功率因数校正电路设计 概述：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器 设备输入端的功率因数。详细分析有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计一种2 kW 有源功率因数校正电路。实验结果表明：以TDA16888 为核心的有源功率因数校 正器能在90～270 V 的宽电压输入范围内得到稳定的380 V 直流电压输出，功率因数达O．99，系统性能优越。 1 引言 目前家用电器的功率前级多采用二极管全桥整流方式，这会造成电网谐波 污染，功率因数下降，无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基 波幅度的95％，五次谐波幅度约为基波幅度的70％．七次谐波幅度约为基波幅度的45％。高次谐波会对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数 下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安全运行造 成潜在危害。 有源功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波，从而提高电器设备的功率因数， 减少对电网的谐波污染。理论上，降压式(Buck)、升压式(Boost)、升／降压式(Boost-Buck)以及反激式(Flyback)等变换器拓扑都可作为APFC 的主电路。其中，Boost APFC 是简单电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高，但输出电压高于输入电压，适用于75～2 000 W 功率电源，应用广泛。因为升压式APFC 的电感电流连续，储能电感可作为滤波器抑制射频干扰(RFI)和EMI 噪声，并防止电网对主电路的高频瞬态冲击．电路有升压斩波电路，输出电压大于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可达
数字控制有源功率因数校正器的设计(重要)
定稿日期：２００８－０２－１８ 作者简介：黄海宏（１９７３－），男，江西省清江人，副教授， 研究方向为电力电子和传动方面。 １引言 直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一，由整流电源、蓄电池组和馈电部分组成。通常情况下，整流电源的作用是ＡＣ／ＤＣ变换，在对蓄电池组充电的同时，通过馈电部分向直流负荷供电；在交流停电时，蓄电池组通过馈电部分向直流负荷供电，以保证直流负荷不停电。目前，直流操作电源普遍采用高频开关电源模块并联运行方式，与传统的晶闸管相控电源相比，其技术指标优异，如稳压、稳流精度高，纹波系数低，易与阀控密封铅酸蓄电池组一起组成直流电源成套装置。由于开关电源输入端有整流、电容平波电路，使其输入电流 呈尖脉冲状，功率因数通常只有０．６～０．７， 会对电网造成谐波污染，造成电力公害，干扰其他用电设备，使测量仪表产生较大误差。为降低电源装置对电网的污染，电力用开关电源需加功率因数校正电路。 ２有源功率因数校正基本原理 目前，功率因数校正有无源功率因数校正（ＲＰＦＣ）和有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）两种。ＲＰＦＣ方法是在输入端加入电感量很大的低频电感，并降低滤波电容的容量，以减小滤波电容充电电流的尖峰，校正后的功率因数能达到０．９以上，一般用于三相输入的大功率开关电源模块［１］。 ＡＰＦＣ的基本思路是在输入端加入高频功率开 关管及相应的控制器，如图１所示。控制器通过采集交流输入电压、输入电流和输出电压信号，利用输出电压控制环的输出ｕｏ（ｔ）与输入整流后的电压ｕＡＣ（ｔ） 相乘，得到一个电流参考信号ｉｒｅｆ（ｔ） ，用于控制功率管ＶＴ的导通和关断，使得电感Ｌ电流ｉＬ波形跟踪 ｉｒｅｆ（ｔ）波形，从而使输入交流平均值波形跟随输入电压波形，成为与输入电压同相位的近似正弦波，而且可使功率因数接近于１，同时使输出电压ｕｏ（ｔ）得到控制［２］。目前，国内ＡＰＦＣ方法主要用于单相输入的开关电源模块，其中采用ＵＣ３８５４作为ＡＰＦＣ的控 制用集成电路较为普遍。 ３数字控制ＡＰＦＣ电路 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术得到了迅速发展。数字控制使得电力电子变换控制更为灵活，在ＣＰＵ计算速度允许的情况下，可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法，即使在控制对象改变的情况下，也无需修改控制器硬件，而只需修改某些参数，因此增强了系统的兼容性。由于数字控制所采用的ＣＰＵ计算速度决定了数字控制系统的适用场合，故现在的数字控制多被用于 数字控制有源功率因数校正器的设计 黄海宏１，王海欣１，高 格２，付 鹏２ （１．合肥工业大学，安徽合肥２３０００９；２．中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥２３００３１） 摘要：直流电源系统是变电站的重要组成设备，它可为负载提供不间断电源，因此要求应用于直流电源的高频开关 电源模块必须具备功率因数校正功能。利用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ新型号ＭＣ５６Ｆ８０２５的高性能特性，完成了基于ＤＳＰ的具有软开关特性的数字控制有源功率因数校正（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ， 简称ＡＰＦＣ）电路的设计，描述了系统设计过程。最后通过２．２ｋＷ的实验样机验证了数字控制的优良特性。 关键词：功率因数；数字控制／有源功率因数校正；开关电源；软开关中图分类号：ＴＭ７１４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０５－００１７－０３ ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＲｅｃｔｉｆｉｅｒ ＨＵＡＮＧＨａｉ－ｈｏｎｇ１，ＷＡＮＧＨａｉ－ｘｉｎ１，ＧＡＯＧｅ２，ＦＵＰｅｎｇ２ （１．ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｉｃｅｉｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｉｔｃａｎｓｕｐｐｌｙｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｐｏｗｅｒｆｏｒｌｏａｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｍｕｓｔｈａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｎｅｗＤＳＰｃｈｉｐＭＣ５６Ｆ８０２５，ａｄｉｇｉｔａｌａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｒｅｃｔｉｆｉｅｒｗｉｔｈｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｔｌａｓｔａ２．２ｋＷｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆａｖｏｒａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ／ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇ 图１有源功率因数校正电路框图 １７
功率因数校正之基本原理
功率因数校正之基本原理 何谓工率因数？ 功率因数（power factor；pf）定义为实功（real power；P）对视在功率（apparent power；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。 ▲图1: 功率因数之三角关系。 实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚功（reactive power）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。 当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。 ----------------------------------------------------(1)
Irms(1)为电流之主成份，Irms电流之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。 当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。 ■了解规范 EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其class D对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其class A要求则较宽松（图3）。 ▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(Class D)。
PFC开关电源功率因数校正原理
ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形
常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多. 图2 全波整流电压和AC输入电流波形 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。
功率因数校正(PFC)原理与控制器IC
IC MOSFET EEPROM 886-2-2225-8899 https://www.wendangku.net/doc/202246294.html, 29 23 17 13 4 3 3 2 2 2 → → → [ 2010-01-05] [ ] DC/DC DC/AC AC AC 1 AC 3 60% 100% THD !120%. PF THD AC COSφ1=1 0.64. AC “ ”. AC AC PFC P FC ~ PFC PFC PPFC PFC IC PFC APFC APFC IC, PPFC AC IEC1000-3-2 1 PFC PFC PFC PFC PFC CRM DCM CC M Digg (PFC) ATX ATX SCR DC/DC Converter Military, cots, 270V, 28V, avionics MIL-STD-1275/704, DO160, PFC, 115V https://www.wendangku.net/doc/202246294.html, 2011 https://www.wendangku.net/doc/202246294.html,/hklightingfaira (PFC) IC FPGA/CPLD XILINX,ALTERA,LATTICE,ACTEL,8051 USB https://www.wendangku.net/doc/202246294.html, CTA Metal Compensator Qulified SS Compensator in Various Size with Attractive Price in China https://www.wendangku.net/doc/202246294.html,
1.CRM-PFCCRM BCM TM CRM-PFC 250W 150W CRM-PFC 2 Cin Co, L ZCI VDl VTl PFC R1 R2 1%.R3 R4 DC R4 PFC 0. 6% 2.5V Rs Rs RC 2 IC CS IC VTl VDl L VTl, Rs IC L VT1 VD1 IL I L IC VTl “ ”. IL AC Cin AC 1 0.98~0.99 3 CRM-PFC AC CRM-PFC IC 2000 CR M-PFC 2.5 AC 1 80~250V 85~265V RC CRM~PFC PWM CRM-PFC DC 400V . CRM-PFC I C 1. 2.DCM-PFCDCM-PFC 4 3 CRM- PFC DCM-PFC CRM-PFC AC D CM-PFC DCM-PFC CRM-PFC DCM-PFC EMI CRM-PFC AC EMI DCM PFC PFC IC NCPl601 AC DCM; AC CRM CRM DCM https://www.wendangku.net/doc/202246294.html,M-PFCCCM-PFC 5 6 CCM-PFC IliD 500W PFC/PWM IC UCC38500 CM6900 MIA800 CCM-PFC IC 2 CCM-PF
功率因数校正电路(pfc)电路工作原理及应用
功率因数校正(英文缩写是PFC)是 目前比较流行的一个专业术语。PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。 功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。 PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。 长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上 的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC 线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC 输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC 输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l 所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC 输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF 与电流总谐波失真(度)THD 之间存在下面关系： 而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC 电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC 电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC 电路的工作原理是：当50Hz 的AC 线路电压按正弦规律由0向峰值V m 变化的1/4周期内(即在0 O 引言 传统的用于电子设备前端的二极管整流器，作为一个谐波电流源，干扰电网线电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，导致电源的利用效率下降。近几年来，为了符合国际电工委员会61000-3-2的谐波准则，功率因数校正电路正越来越引起人们的注意。功率因数校正技术从早期的无源电路发展到现在的有源电路；从传统的线性控制方法发展到非线性控制方法，新的拓扑和技术不断涌现。本文归纳和总结了现在有源功率因数校正的主要技术和发展趋势。 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 式中：I1为输入基波电流有效值； 为输入电流失真系数； Irms为输入电流有效值； cosφ为基波电压与基波电流之间的相移因数。 可见PF由γ和cosφ决定。cosφ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。γ值低，则表示输入电流谐波分量大，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。由于常规整流装置使用晶闸管或二极管，整流器件的导通角远小于180°，从而产生大量谐波电流成分，而谐波电流不做功，只有基波电流做功，功率因数很低。全桥整流器电压和电流波形图如图1所示。 2 功率因数校正实现方法 由式(1)可知，要提高功率因数有两个途径，即使输入电压、输入电流同相位；使输入电流正弦化。 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。 功率因数校正电路分为有源和无源两类。无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成。虽然无源功率因数校正电路得到的功率因数不如有源功率因数校正电路高，但仍然可以使功率因数提高到o．7~0．8，因而在中小功率电源中被广泛采用。有源功率因数校正电路自上世纪90年代以来得到了迅速推广。它是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 功率因数校正电路设计 初始条件： 输入交流电源：单相220V，频率50Hz。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、基于CCM-BOOST方式实现功率因数校正。 2、输出直流电压：400V。 3、输出功率250W。 4、完成总电路设计和参数设计。 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 武汉理工大学《电力电子》课程设计说明书 目录 摘要 ························································································································································· 1 1. 功率因数 ······································································································································· 2 1.1 功率因数定义 ··························································································································· 2 1.2 电流谐波总畸变率 TH (2) 2 功率因数校正技术 ························································································································ 3 2.1 功率因数校正技术分类 ············································································································ 3 2.2 有源功率因数校正原理 (3) 2.2.1 单相功率因数校正........................................................................................................... 3 2.2.2 单级PFC 变换器 .. (4) 2.3 BOOST 型有源功率因数校正的一般方法 (5) 2.3.1 电流峰值控制法（Peak Current Model Control ） ........................................................... 5 2.3.2 滞环电流控制法（Hysteresis Current Control ）.............................................................. 7 2.3.3 平均电流控制法(Average Current Mode Contro1) .. (9) 3 基于CCM-BOOST 方式的功率因数校正电路设计 ······································································ 10 3.1 功率因数校正芯片UC3854 (10) 3.1.1 UC3854简要介绍 ........................................................................................................... 10 3.1.2 UC3854引脚功能 ........................................................................................................... 11 3.1.3 UC3854内部结构 .. (13) 3.2 功率因数校正电路设计 (15) 3.2.1 系统的主要性能指标 ..................................................................................................... 15 3.2.2 方案选择 ........................................................................................................................ 15 3.2.3 元器件参数设计 (16) 3.3 控制电路设计 (22) 3.3.1 UC3854主要参数设置 ··································································································· 22 3.3.2 外围主要参数设置········································································································· 23 3.3.3 设计完成的校正总体电路 (24) 结论及心得体会..................................................................................................................................... 25 参考文献 ................................................................................................................................................ 26 附录 . (27) 功率因数校正浅析 功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此。防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的 要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。 随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计 在电源的设计中，APFC一般是优先考虑的校正方法。作为设计人员，大致从以 下几个方面对APFC进行考虑： 拓扑选择的一般方法 由于输入端存在电感，升压转换器是提供高功率因数的方法。此电感使输入电流整形与线路电压同相。但是，可以采用不同的方案来控制电感电流的瞬时值，以获得功率因数校正。 a．临界导电模式(CRM)PFC——由于控制的设计较为简单，而且可与较低速升压二极管配合使用，所以在较低功率应用中通常采用此方法。 b．不连续导电模式(DCM)PFC——此创新的方案延承了CRM 的优点，并消除了若干限制。 c．连续导电模式(CCM)PFC——由于这种方案恒频且峰值电流较小，是较高功率(>250 W)应用的首选方案。但是，传统的控制解决方案较为复杂，牵涉到多个环路，以及以不精确著称的模拟乘法器，并需在控制集成电路周围放许多元件。 二、选择标准 1、功率水平 a．如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至于CRM 或DCM，取 决于你是想优化满载效率，采用CRM；而如欲减少EMI问题，选择DCM。 b．如功率水平高于250W，CCM是首选方案。此方案虽然可保持峰值电流和有效值电流，但必须解决二极管反向恢复问题。 功率因数校正原理及相关IC 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。2高次谐波及功率因数校正一般开关电源的输入整流电路为图1所示：市电经整流后 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。 2高次谐波及功率因数校正 一般开关电源的输入整流电路为图1所示： 市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这 种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I 式中：I1，I2，…In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值 的比称之为总谐波畸变THD(TotalHarmonicDistortion) THD=(2) 用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如： ——引起电子设备的误操作，如空调停止工作等； ——引起电话网噪音； ——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭； ——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。 功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。 设电容输入型电路的输入电压e为： 学 号 14052101086 毕业设计（论文） 题目：基于UC3854的功率因数校正电路设计 作 者佘杨滨 届 别2009 届系 别机械与电气工程系 专 业自动化指导教师荣军 职 称讲师完成时间2009年5月21日 摘要 本文介绍了功率因数校正Boost变换器的基本工作原理和Boost变换器常用控制芯片UC3854的工作原理，设计了基于UC3854的Boost变换器的控制电路。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。通过比较和分析得知，该电路在有源功率因数校正方面有着结构简单，适应范围广等优点。 关键词： 有源功率因数校正（PFC）； Boost控制电路； UC3854 ABSTRACT This paper introduces the Power Factor Correction Boost converter's basic working principle and the working principle of common control chip UC3854 of Boost converter , designing the control circuit what based on the UC3854 of Boost converter .Using the average current model, UC3854 controls the state of the switching transistor in the circuit by outputting a series of PWM(Pulse Width Modulation) signals. By this mean, it readjusts input current and output voltage to synchronization, thus fulfilling power factor correction. Through comparison and analysis we know that the circuit in the active power factor correction has a simple structure and wide range adaption and so many advantages. Keywords:active power factor correction(PFC); boost control circuit; UC3854 1概述 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000 3 2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。 2高次谐波及功率因数校正 一般开关电源的输入整流电路为图1所示： 市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I为：I=(1) 式中：I1，I2，…In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变TH D(TotalHarmonicDistortion)：THD=(2) 用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如： ——引起电子设备的误操作，如空调停止工作等； ——引起电话网噪音； ——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭； ——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。 功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。 设电容输入型电路的输入电压e为： e(t)=Em·sinω0t(3) 图1电容输入型电路 图2电容输入型电路的输入电流,5A/DIV 图3输入电压波形发生畸变 入电流i为：i(t)=Imk·sin(kω0t)(4) 则有效功率Pac为： Pac=e(t)·i(t)dt=Em·Im1/2=E·I1而视在功率Pap为： Pap=E·I因此： PF=Pac/Pap=I1/I=(5) 电流波形为图2的电源功率因数只有62.4％。由式(2)、(5)可见功率因数与总谐波畸变THD的关系为: PF=1/(6) 从式(2)、式(5)可见，抑制谐波分量即可达到减小THD，提高功率因数的目的。因此可以说谐波的抑制电路即功率因数校正电路(实际上有所区别)。 3功率因数校正的实现方法 综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形校正为或使无限接近正弦波,即可实现功率因数校正。 功率因数校正器 PFC的英文全称为"Power Factor Correction"，意思是"功率因数校正"，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。 定义介绍折叠编辑本段 基本概述折叠 计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。 基本简介折叠 为了提高电源的功率校正因数，国家强制电源厂家要为电源安装PFC电路以提高电源的转换效率，其实这一点在Intel的电源设计规范中也已经有了强行的规定。 PFC电路分主动式(有源)PFC和被动式(无源)PFC两种。 被动式折叠编辑本段 概述折叠 一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到 0.7~0.8，它一般在高压滤波电容附近。被动式PFC电路的结构也较为简单，实际上是一颗矽钢片制成的工频电感，它利用电感线圈内部电流不能突变的原理调节电路中的电压及电流的相位差，使电流趋向于正弦化以提高功率因素。被动式PFC结构笨重，工作时常带有低频震动并引发低频噪音，相对于主动式PFC电路，被动式PFC电路的功率因数要低得多，一般只有70%左右。 缺点折叠 因此被动式PFC电路固有其不可克服的缺点: 1、当欧洲EN的谐波规范越来越严格时，电感量产的质量需提升，而生产难度将提高。 2、沉重重量增加电源供应器在运输过程损坏的风险。 3、原料短缺的风险较高。 4、如电源内部结构固定的不正确，容易产生震动噪音。 5、当电源供应器输出超过300瓦以上，被动式PFC在材料成本及产品性能表现上将越突出其不可克服的多种的缺陷。 主动式折叠编辑本段 电路由高频电感、开关管和电容等元件构成，可简单的归纳为升压型开关电源电路，它能将110V或220V的交流市电转变为380V左右的直流高压。主动式PFC电路具有体积小，重量轻，通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，输入电压范围宽等优越的电气性能，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。与被动式PFC电路类似，主动式PFC工作时也会产生噪音，只不过是高频噪音。相对于被动PFC电路，主动PFC电路复杂，成本较被动PFC要高得多，主要应用于中高端电源产品。 比较折叠编辑本段 概述折叠 1、主动式PFC提升功率因素值至95%以上，被动式PFC约只能改善至75%。换句话说，主动式PFC比被动式PFC能节约更多的能源。 1.3.1 “填谷式”功率因数校正电路方法 这种所谓的填谷式功率因数校正方法需要用到额外的二极管和电容器，通过改变存储电容各充电和放电阶段的电路效率来提高功率因数。这种情况并不是真正的无源（没有LC滤波器），而是有源的，只是因为在一个周期的不同时期二极管的开关工作。 这种方法是由Spangler于1988年提出的。最近，KitSum采用Spangler电路的倍电压类型的计算机模拟结果表明功率因数有可能达到98％。 在低功率应用如荧光灯中该低成本解决方案是很有潜力的，原始的Spangler方案已在这方面应用了很多年。它是一个不容忽视的好的、廉价、实用有效的解决方案。 图4.1.7给出了原始的Spangler电路，图4.1.8给出了计算机模拟的该电路输入所期望的电流波形。图4.1.9给出了新型的倍电压类型的Spangler电路，图4.1.10给出了计算机模拟的在倍电压类型电路的输入所期望的电流波形。 4.1.7低功率应用时的“填谷式”功率因数校正电 路 (Spangler) 图4.1.8 Spangler电路的典型输入电流波形 4.1.9 改进后的“填谷式”功率因数校正电路 (Spangler和 KitSum) 4.1.10 改进后的Spangler电路的输入电流的波 形 1.3.2功能 在简单条件下，图4.1.7所示填谷式功率因数校正电路的功能如下： 考虑输入正弦波为刚过零点的情况。设加在负载R1上的输出电压约为供电输入电压峰值的１/3 ，C1通过D3给负载供电，同时C2通过D2给负载供电。因此C1和C2是以并联的方式给负载供电。二极管D1反偏不导通。 因为电源桥式整流器BR1的输出电压超过供电电压，所以桥路二极管被反向配置而输入电流将为零，如图4.1.8中波形的起始部分所示。 当输入电压大于输出电压时，BR1将导通以增大输出电压。此时二极管D2和D3将关断，电容器C1和C2将停止向负载供电。因此负载电路现在直接从电源通过桥式整流器提供，因供电电压小于C1和C2上的电压之和，这时D1将不导通。 直到供电电压达到C1和C2上的电压之和时，加到整流桥输出的负载才是线性的负载，输入电流将和输入电压一样为正弦波形。 当供电电压达到峰值时，它将超过C1和C2上的电压之和，D1通过C2、D1、R2和C1导通并再对串联电容器充电。供电电压峰值附近的短暂电流被电阻器R2限流。 当供电电压开始下降时，所有的二极管都将关断，负载电流又重新直接通过整流桥BR1供电。 当供电电压刚下降到原来峰值的50％时，二极管D3和D2将重新导通，通过并联的C1和C2 NCP1650型功率因数校正器的工作原理 NCP1650是美国Onsemi公司于2002年3月新推出的功率因数校正集成电路专利产品，可对85～265V、50Hz或60Hz交流电源系统的功率因数进行自动校正，大大提高电能利用率，达到节能目的。NCP1650采用固定频率、平均电流式脉宽调制器，可广泛用于服务器等设备的交流电源系统中，并可作为分布式电源系统的前端校正器，构成1kW以下的功率因数校正器，功率因数可达 0.95～0.99。 1 功率因数校正器概述 目前，在液晶电视机电源电路、开关电源、电子镇流器、交流变频调速器等装置中的AC／DC变换器，都是由桥式整流器与电容滤波器构成的。由于大容量滤波电容器的存在，使得整流二极管的导通角变得很窄，仅在交流电压的峰值附近才能导通，致使交流电流产生严重的失真，变成了尖峰脉冲。这种电流波形中包含了大量的谐波分量，经滤波后输出的有功功率就会显著降低。因此，普通AC／DC变换器的功率因数很低，只能达到0.6左右。交流供电设备的功率因数是在电流波形无失真情况下定义的。造成功率因数降低的原因有两个：一是电流波形的相位漂移，二是电流波形存在失真。相位漂移通常是由电源的负载性质（感性或容性）而引起的，在这种情况下对功率因数的分析相对简单，一般可用公式cosα=P／UI来计算。但是当电流波形存在失真时，分析起来就比较复杂，通常需要用计算机来仿真或者用交流分析仪来测量功率因数（λ）值。 对功率因数校正前、后的波形比较如图1所示。图1（a）为未进行功率因数校正的普通隔离式电源变换器的电压与电流波形图，其电流波形已严重失真。图1（b）为进行功率因数校正后的u、i波形图，其电流波形无失真且与电压波形的相位保持一致。导致电流波形失真的主要原因是交流电经过整流后的电流不能跟随电压波形的变化。而功率因数校正器的作用就是强迫线电流能跟随线电压波形的变化，它不仅能提高交流电源变换器的功率因数，还可以抑制谐波，减小峰值电流和有效值电流，消除基波的相位漂移。 传统的功率因数概念是基于线性负载条件得到的，它要求交流设备中的电压与电流为相同频率的正弦波，因此可通过在感性负载两端并联移相电容来校准功率因数，这种方法被称作无源功率因数校正。但无源功率因数校正器存在着局限性，它不仅体积庞大、笨重、价格高，而且只对基波的相移加以补偿。它仅对某些特定的谐波具有抑制作用。 目前在电力电子设备及开关电源中，存在着大量的非线性负载（AC／DC变换器中的桥式整流滤波器即是最典型的例子），这时传统的无源功率因数校正已难于胜任。为了适应电力电子技术的发展，自20世纪90年代以来，有源功率因数校正功率因数校正实现方法
功率因数校正电路设计
功率因数校正浅析
功率因数校正原理及相关IC.
基于UC3854的功率因数校正电路设计
功率因数校正原理及相关IC
功率因数校正器
“填谷式”功率因数校正电路原理
NCP1650型功率因数校正器