1引言
前級(jí)從220V交流電網(wǎng)整流提供直流是在電力電子技術(shù)及電子儀表中應(yīng)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(xiàn)性器件和儲(chǔ)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(yán)重畸變，呈脈沖狀,，含有大量的諧波,，使輸入電路的功率因數(shù)不到0.7。
用電設(shè)備的輸入功率因數(shù)低主要會(huì)造成以下危害：諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng),，干擾其他用電設(shè)備,；容易造成線(xiàn)路故障如線(xiàn)路、配電器件過(guò)熱,，電網(wǎng)諧振,；增加線(xiàn)路、變壓器和保護(hù)器件的容量,；中線(xiàn)流過(guò)疊加的三相三次諧波電流,，使中線(xiàn)過(guò)流而易損壞。
因此,，我們必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減小輸入電流波形的畸變,，提高輸入功率因數(shù)，以減小電網(wǎng)污染,。如信息產(chǎn)業(yè)部在通信電源的入網(wǎng)檢測(cè)中就要求1500W以上的電源設(shè)備,，其功率因數(shù)必須高于0.92；1500W以下的電源設(shè)備,，其功率因數(shù)必須高于0.85,。
目前，主要用來(lái)提高功率因數(shù)的方法有：電感無(wú)源濾波,，這種方法對(duì)抑制高次諧波有效,，但體積大，重量大,，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中其應(yīng)用將越來(lái)越少,；逆變器有源濾波，對(duì)各次諧波響應(yīng)快,，但設(shè)備造價(jià)昂貴,；三相高功率因數(shù)整流器,，效率高、性能好,，近年來(lái)其控制策略和拓樸結(jié)構(gòu)處于不斷發(fā)展中,。單相有源功率因數(shù)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(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(diǎn)及實(shí)驗(yàn)波形分析，并作了對(duì)比性研究,。
2 UC3854構(gòu)成的硬開(kāi)關(guān)有源功率因數(shù)校正電路
2.1工作原理
UC3854是一種高功率因數(shù)校正集成控制電路芯片,，其主要特點(diǎn)是：PWM升壓電路，功率因數(shù)達(dá)到0.99,，THD<5％ ,， 適用于任何的開(kāi)關(guān)器件，平均電流控制模式,，恒頻控制,，精確的參考電壓。其結(jié)構(gòu)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(diào)制器,，功率MOS管的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器,，過(guò)流保護(hù)的比較器，7.5V基準(zhǔn)電壓,，以及軟起動(dòng),，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(shù)校正芯片的核心,，它的輸出IMO反映了線(xiàn)電流，因此被作為基準(zhǔn)電流,，IMO與乘法器的輸入電流IAC（IAC與輸入電壓瞬時(shí)值成比例）的關(guān)系為：
IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms
?。▽?duì)應(yīng)圖1中IM=AB/C）
式中IMO、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號(hào),，從芯片中減去1.5V是芯片設(shè)計(jì)的需要,；K在乘法器中是個(gè)常數(shù)，等于1,；Ums是前饋電壓,，約為1.5～4.77V,，由APFC的輸入電壓經(jīng)分壓后提供。
圖1UC3854的電路結(jié)構(gòu)圖
模擬乘法/除法器除以U2ms起了前饋?zhàn)饔?，一方面芯片?nèi)部箝位Ums,，消除了輸入電壓對(duì)電壓環(huán)放大倍數(shù)的影響，使電壓環(huán)放大倍數(shù)和輸入電壓無(wú)關(guān),；另一方面電壓誤差放大器的輸出還可使輸入功率穩(wěn)定,，不隨線(xiàn)電壓的變化而變化。如當(dāng)輸入電壓變?yōu)閮杀?，則反映輸入電壓變化的IAC,、Ums均變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍。由上式可知IMO將減半,，通過(guò)調(diào)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(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的快速響應(yīng)。
電壓誤差放大器的輸出電壓范圍為1～5.8V,，當(dāng)輸出電壓低于1V時(shí),，將會(huì)抑制乘法器的輸出。電壓誤差放大器最大輸出內(nèi)部限定為5.8V是為了防止輸出過(guò)沖,；為了減小輸入電壓過(guò)低時(shí)產(chǎn)生的交越死區(qū),，交流輸入端的標(biāo)稱(chēng)電壓是6V，同時(shí)還應(yīng)用電阻將該端口與內(nèi)基準(zhǔn)連起來(lái),，這樣線(xiàn)電流的交越失真將最小,。
UC3854的開(kāi)關(guān)管和二極管都工作在硬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，主要帶來(lái)以下問(wèn)題：
?。?）開(kāi)通時(shí)開(kāi)關(guān)管的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行,，關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)管的電流下降和電壓上升同時(shí)進(jìn)行，使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷損耗大,；
?。?）當(dāng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，感性元件感應(yīng)出較大的尖峰電壓,，有可能造成開(kāi)關(guān)管電壓擊穿,；
（3）當(dāng)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí),，開(kāi)關(guān)器件結(jié)電容中儲(chǔ)存的能量有可能引起開(kāi)關(guān)器件過(guò)熱損壞,；
?。?）二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)問(wèn)題，容易造成直流電源瞬間短路,。
2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用UC3854制造的APFC裝置,，其參數(shù)如下：
輸入電壓范圍：AC80～270V；
輸出電壓：410V
開(kāi)關(guān)工作頻率：72kHz,；
輸入電感：1.6mH,；
輸出電容：2160μF
功率：1200W
用數(shù)字示波器測(cè)試并打印出開(kāi)關(guān)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,。
圖2開(kāi)關(guān)管兩端波形
圖3輸入電感兩端波形
從以上波形可以看出,，開(kāi)關(guān)管上有電壓尖峰；并且當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān),、二極管開(kāi)及開(kāi)關(guān)管開(kāi),、二極管關(guān)時(shí)在輸入電感上感應(yīng)出較大的電壓尖峰。為了克服硬開(kāi)關(guān)APFC的缺點(diǎn),，并進(jìn)一步改善性能,，UC公司推出了UC3855。
3 UC3855構(gòu)成的軟開(kāi)關(guān)有源功率因數(shù)校正電路
3.1UC3855工作原理
UC3855是一種能實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的高功率因數(shù)校正器集成控制芯片,，采用零電壓轉(zhuǎn)換電路,、平均電流模式產(chǎn)生穩(wěn)定的、低畸變的交流輸入電流,，無(wú)需斜坡補(bǔ)償,，最高工作頻率可達(dá)500kHz，其內(nèi)部有ZVS檢測(cè),、一個(gè)主輸出驅(qū)動(dòng)和一個(gè)ZVT輸出驅(qū)動(dòng),。由于采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以極大地減小二極管反向恢復(fù)時(shí)和MOSFET開(kāi)通時(shí)的損耗,，從而具有低電磁輻射和高效率的特點(diǎn),。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
UC3855也主要由乘法,、除法,、平方電路構(gòu)成，為電流環(huán)提供編程的電流信號(hào)（IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms）,。芯片內(nèi)部有一個(gè)高性能,、帶寬為5MHz的電流放大器，并具有過(guò)壓,、過(guò)流和回差式欠壓保護(hù)功能,，輸入線(xiàn)電壓箝位功能，低電流起動(dòng)功能,。內(nèi)部乘法器電流限制功能在低線(xiàn)電壓時(shí)能抑制功率輸出,。和UC3854相比,，UC3855增加的電路功能主要有：過(guò)電壓保護(hù)；工作達(dá)500kHz的零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）控制電路,；具有電流合成器,，只需檢測(cè)主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的電感電流，而主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)流經(jīng)電感和二極管的電流可通過(guò)芯片內(nèi)的電流合成器構(gòu)造出來(lái),，因此可比UC3854少用一個(gè)電流互感器,。這樣既提高了信噪比，又減小了電流檢測(cè)的損耗,。
總體而言UC3855具有更高的的功率因數(shù)（接近1）,，更高的效率，和更低的電磁干擾（EMI）,。
1引言
前級(jí)從220V交流電網(wǎng)整流提供直流是在電力電子技術(shù)及電子儀表中應(yīng)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(xiàn)性器件和儲(chǔ)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(yán)重畸變,，呈脈沖狀，含有大量的諧波,，使輸入電路的功率因數(shù)不到0.7,。
用電設(shè)備的輸入功率因數(shù)低主要會(huì)造成以下危害：諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng)，干擾其他用電設(shè)備,；容易造成線(xiàn)路故障如線(xiàn)路、配電器件過(guò)熱,，電網(wǎng)諧振,；增加線(xiàn)路、變壓器和保護(hù)器件的容量,；中線(xiàn)流過(guò)疊加的三相三次諧波電流,，使中線(xiàn)過(guò)流而易損壞。
因此,，我們必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減小輸入電流波形的畸變,，提高輸入功率因數(shù)，以減小電網(wǎng)污染,。如信息產(chǎn)業(yè)部在通信電源的入網(wǎng)檢測(cè)中就要求1500W以上的電源設(shè)備,，其功率因數(shù)必須高于0.92；1500W以下的電源設(shè)備,，其功率因數(shù)必須高于0.85,。
目前，主要用來(lái)提高功率因數(shù)的方法有：電感無(wú)源濾波,，這種方法對(duì)抑制高次諧波有效,，但體積大,，重量大，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中其應(yīng)用將越來(lái)越少,；逆變器有源濾波,，對(duì)各次諧波響應(yīng)快，但設(shè)備造價(jià)昂貴,；三相高功率因數(shù)整流器,，效率高、性能好,，近年來(lái)其控制策略和拓樸結(jié)構(gòu)處于不斷發(fā)展中,。單相有源功率因數(shù)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(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(diǎn)及實(shí)驗(yàn)波形分析，并作了對(duì)比性研究,。
2 UC3854構(gòu)成的硬開(kāi)關(guān)有源功率因數(shù)校正電路
2.1工作原理
UC3854是一種高功率因數(shù)校正集成控制電路芯片,，其主要特點(diǎn)是：PWM升壓電路，功率因數(shù)達(dá)到0.99,，THD<5％ ,， 適用于任何的開(kāi)關(guān)器件，平均電流控制模式,，恒頻控制,，精確的參考電壓。其結(jié)構(gòu)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(diào)制器,，功率MOS管的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器,，過(guò)流保護(hù)的比較器，7.5V基準(zhǔn)電壓,，以及軟起動(dòng),，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(shù)校正芯片的核心,，它的輸出IMO反映了線(xiàn)電流，因此被作為基準(zhǔn)電流，IMO與乘法器的輸入電流IAC（IAC與輸入電壓瞬時(shí)值成比例）的關(guān)系為：
IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms
?。▽?duì)應(yīng)圖1中IM=AB/C）
式中IMO,、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號(hào)，從芯片中減去1.5V是芯片設(shè)計(jì)的需要,；K在乘法器中是個(gè)常數(shù),，等于1；Ums是前饋電壓,，約為1.5～4.77V,，由APFC的輸入電壓經(jīng)分壓后提供。
圖1UC3854的電路結(jié)構(gòu)圖
模擬乘法/除法器除以U2ms起了前饋?zhàn)饔?，一方面芯片?nèi)部箝位Ums,，消除了輸入電壓對(duì)電壓環(huán)放大倍數(shù)的影響，使電壓環(huán)放大倍數(shù)和輸入電壓無(wú)關(guān),；另一方面電壓誤差放大器的輸出還可使輸入功率穩(wěn)定,，不隨線(xiàn)電壓的變化而變化。如當(dāng)輸入電壓變?yōu)閮杀?，則反映輸入電壓變化的IAC,、Ums均變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍。由上式可知IMO將減半,，通過(guò)調(diào)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(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的快速響應(yīng),。
電壓誤差放大器的輸出電壓范圍為1～5.8V，當(dāng)輸出電壓低于1V時(shí),，將會(huì)抑制乘法器的輸出。電壓誤差放大器最大輸出內(nèi)部限定為5.8V是為了防止輸出過(guò)沖,；為了減小輸入電壓過(guò)低時(shí)產(chǎn)生的交越死區(qū),，交流輸入端的標(biāo)稱(chēng)電壓是6V，同時(shí)還應(yīng)用電阻將該端口與內(nèi)基準(zhǔn)連起來(lái),，這樣線(xiàn)電流的交越失真將最小,。
UC3854的開(kāi)關(guān)管和二極管都工作在硬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，主要帶來(lái)以下問(wèn)題：
?。?）開(kāi)通時(shí)開(kāi)關(guān)管的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行,，關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)管的電流下降和電壓上升同時(shí)進(jìn)行，使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷損耗大,；
?。?）當(dāng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí),，感性元件感應(yīng)出較大的尖峰電壓，有可能造成開(kāi)關(guān)管電壓擊穿,；
?。?）當(dāng)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)器件結(jié)電容中儲(chǔ)存的能量有可能引起開(kāi)關(guān)器件過(guò)熱損壞,；
?。?）二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)問(wèn)題，容易造成直流電源瞬間短路,。
2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用UC3854制造的APFC裝置,，其參數(shù)如下：
輸入電壓范圍：AC80～270V；
輸出電壓：410V
開(kāi)關(guān)工作頻率：72kHz,；
輸入電感：1.6mH,；
輸出電容：2160μF
功率：1200W
用數(shù)字示波器測(cè)試并打印出開(kāi)關(guān)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,。
圖2開(kāi)關(guān)管兩端波形
圖3輸入電感兩端波形
從以上波形可以看出,，開(kāi)關(guān)管上有電壓尖峰；并且當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān),、二極管開(kāi)及開(kāi)關(guān)管開(kāi),、二極管關(guān)時(shí)在輸入電感上感應(yīng)出較大的電壓尖峰。為了克服硬開(kāi)關(guān)APFC的缺點(diǎn),，并進(jìn)一步改善性能,，UC公司推出了UC3855。
3 UC3855構(gòu)成的軟開(kāi)關(guān)有源功率因數(shù)校正電路
3.1UC3855工作原理
UC3855是一種能實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的高功率因數(shù)校正器集成控制芯片,，采用零電壓轉(zhuǎn)換電路,、平均電流模式產(chǎn)生穩(wěn)定的、低畸變的交流輸入電流,，無(wú)需斜坡補(bǔ)償,，最高工作頻率可達(dá)500kHz，其內(nèi)部有ZVS檢測(cè),、一個(gè)主輸出驅(qū)動(dòng)和一個(gè)ZVT輸出驅(qū)動(dòng),。由于采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以極大地減小二極管反向恢復(fù)時(shí)和MOSFET開(kāi)通時(shí)的損耗,，從而具有低電磁輻射和高效率的特點(diǎn),。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
UC3855也主要由乘法,、除法,、平方電路構(gòu)成，為電流環(huán)提供編程的電流信號(hào)（IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms）。芯片內(nèi)部有一個(gè)高性能,、帶寬為5MHz的電流放大器,，并具有過(guò)壓、過(guò)流和回差式欠壓保護(hù)功能,，輸入線(xiàn)電壓箝位功能,，低電流起動(dòng)功能。內(nèi)部乘法器電流限制功能在低線(xiàn)電壓時(shí)能抑制功率輸出,。和UC3854相比,，UC3855增加的電路功能主要有：過(guò)電壓保護(hù)；工作達(dá)500kHz的零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）控制電路,；具有電流合成器,，只需檢測(cè)主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的電感電流，而主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)流經(jīng)電感和二極管的電流可通過(guò)芯片內(nèi)的電流合成器構(gòu)造出來(lái),，因此可比UC3854少用一個(gè)電流互感器,。這樣既提高了信噪比，又減小了電流檢測(cè)的損耗,。
總體而言UC3855具有更高的的功率因數(shù)（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(kāi)關(guān)管，S1,、Lr,、Cr、VD1構(gòu)成的諧振支路和主開(kāi)關(guān)管并聯(lián),。輔助開(kāi)關(guān)S1先于主開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通,，使諧振網(wǎng)絡(luò)工作，電容電壓（即主開(kāi)關(guān)電壓）諧振下降到零,，創(chuàng)造了主開(kāi)關(guān)零電壓導(dǎo)通的條件,。在輔助開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管電流線(xiàn)性下降到零,，二極管VD實(shí)現(xiàn)零電流截止（軟關(guān)斷）,。ZVT－PFC的主要優(yōu)點(diǎn)是：主開(kāi)關(guān)管零電壓導(dǎo)通并且保持恒頻運(yùn)行；二極管VD零電流截止,；電流、電壓應(yīng)力??；工作范圍寬；ZVT－PFC的不足之處是：輔助開(kāi)關(guān)S1在硬開(kāi)關(guān)條件下工作，但和主開(kāi)關(guān)相比流經(jīng)的電流很小,，所以其損耗可忽略不計(jì),。
圖4UC3855的電路結(jié)構(gòu)圖
圖5ZVT－PFC電路原理圖
圖6電流合成器的波形
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(shí)際波形,。從圖6我們可以看出這兩種波形吻合得很好。測(cè)量結(jié)果還得出重構(gòu)波形和實(shí)際波形在線(xiàn)電壓較高時(shí)誤差較大,，并且在電流合成電路中微小的偏差就可導(dǎo)致誤差,。
表1、表2所示為UC3855的畸變因數(shù),、功率因數(shù)和交流線(xiàn)電壓的關(guān)系
表1畸變因數(shù),、功率因數(shù)和交流線(xiàn)電壓的關(guān)系表（一階誤差放大箝位電路）
表2畸變因數(shù)、功率因數(shù)和交流線(xiàn)電壓的關(guān)系表（二階誤差放大箝位電路）
4對(duì)比結(jié)論
圖7是通過(guò)測(cè)量ZVT－PFC電路和硬開(kāi)關(guān)的PFC電路（取消零轉(zhuǎn)換部分）所得效率數(shù)據(jù)圖,。硬開(kāi)關(guān)的PFC電路還需要一個(gè)風(fēng)扇來(lái)保持功率器件的正常工作溫度,。從以上數(shù)據(jù)圖可以看出具有ZVT的PFC電路（對(duì)應(yīng)芯片UC3855）效率明顯優(yōu)于硬開(kāi)關(guān)的PFC電路（對(duì)應(yīng)芯片UC3854）。從圖上還可看出特別在低輸入電壓時(shí)具有ZVT的PFC電路明顯優(yōu)于硬開(kāi)關(guān)的PFC電路,，因?yàn)榈洼斎腚妷簳r(shí)具有高輸入電流,，從而在硬開(kāi)關(guān)電路中引入高輸入損耗。
圖7效率數(shù)據(jù)圖