1引言
前級從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性器件和儲能元件的組合,，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)低主要會造成以下危害：諧波電流嚴重污染電網(wǎng),，干擾其他用電設(shè)備；容易造成線路故障如線路,、配電器件過熱,，電網(wǎng)諧振；增加線路,、變壓器和保護器件的容量,；中線流過疊加的三相三次諧波電流，使中線過流而易損壞,。
因此,，我們必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p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,，主要用來提高功率因數(shù)的方法有：電感無源濾波,，這種方法對抑制高次諧波有效，但體積大,，重量大,，在產(chǎn)品設(shè)計中其應(yīng)用將越來越少；逆變器有源濾波,，對各次諧波響應(yīng)快,，但設(shè)備造價昂貴；三相高功率因數(shù)整流器,，效率高,、性能好，近年來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)計中得到越來越廣泛的應(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,、功能特點及實驗波形分析,，并作了對比性研究。
2 UC3854構(gòu)成的硬開關(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,，其主要特點是：PWM升壓電路,，功率因數(shù)達到0.99，THD<5％ ,， 適用于任何的開關(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管的門級驅(qū)動器,，過流保護的比較器,，7.5V基準電壓，以及軟起動,，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反映了線電流,，因此被作為基準電流，IMO與乘法器的輸入電流IAC（IAC與輸入電壓瞬時值成比例）的關(guān)系為：
IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms
?。▽?yīng)圖1中IM=AB/C）
式中IMO,、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號，從芯片中減去1.5V是芯片設(shè)計的需要,；K在乘法器中是個常數(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起了前饋作用,，一方面芯片內(nèi)部箝位Ums,，消除了輸入電壓對電壓環(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,，不隨線電壓的變化而變化,。如當(dāng)輸入電壓變?yōu)閮杀叮瑒t反映輸入電壓變化的IAC,、Ums均變?yōu)樵瓉淼膬杀?。由上式可知IMO將減半，通過調(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電網(wǎng)波動的快速響應(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，將會抑制乘法器的輸出,。電壓誤差放大器最大輸出內(nèi)部限定為5.8V是為了防止輸出過沖,；為了減小輸入電壓過低時產(chǎn)生的交越死區(qū)，交流輸入端的標稱電壓是6V,，同時還應(yīng)用電阻將該端口與內(nèi)基準連起來,，這樣線電流的交越失真將最小。
UC3854的開關(guān)管和二極管都工作在硬開關(guān)的狀態(tài),，主要帶來以下問題：
?。?）開通時開關(guān)管的電流上升和電壓下降同時進行，關(guān)斷時開關(guān)管的電流下降和電壓上升同時進行,，使開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗大,；
（2）當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時,，感性元件感應(yīng)出較大的尖峰電壓,，有可能造成開關(guān)管電壓擊穿；
?。?）當(dāng)開關(guān)器件開通時,，開關(guān)器件結(jié)電容中儲存的能量有可能引起開關(guān)器件過熱損壞；
?。?）二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在反向恢復(fù)問題,，容易造成直流電源瞬間短路。
2.2實驗結(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)字示波器測試并打印出開關(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，開關(guān)管上有電壓尖峰,；并且當(dāng)開關(guān)管關(guān),、二極管開及開關(guān)管開,、二極管關(guān)時在輸入電感上感應(yīng)出較大的電壓尖峰,。為了克服硬開關(guān)APFC的缺點，并進一步改善性能,，UC公司推出了UC3855,。
3 UC3855構(gòu)成的軟開關(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，無需斜坡補償,，最高工作頻率可達500kHz,，其內(nèi)部有ZVS檢測、一個主輸出驅(qū)動和一個ZVT輸出驅(qū)動,。由于采用軟開關(guān)技術(shù),，可以極大地減小二極管反向恢復(fù)時和MOSFET開通時的損耗，從而具有低電磁輻射和高效率的特點,。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（IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms）。芯片內(nèi)部有一個高性能,、帶寬為5MHz的電流放大器,，并具有過壓、過流和回差式欠壓保護功能,，輸入線電壓箝位功能,，低電流起動功能。內(nèi)部乘法器電流限制功能在低線電壓時能抑制功率輸出,。和UC3854相比,，UC3855增加的電路功能主要有：過電壓保護；工作達500kHz的零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）控制電路,；具有電流合成器,，只需檢測主開關(guān)管開通時的電感電流,，而主開關(guān)管關(guān)斷時流經(jīng)電感和二極管的電流可通過芯片內(nèi)的電流合成器構(gòu)造出來，因此可比UC3854少用一個電流互感器,。這樣既提高了信噪比,，又減小了電流檢測的損耗。
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性器件和儲能元件的組合,，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)低主要會造成以下危害：諧波電流嚴重污染電網(wǎng),，干擾其他用電設(shè)備；容易造成線路故障如線路,、配電器件過熱,，電網(wǎng)諧振；增加線路,、變壓器和保護器件的容量,；中線流過疊加的三相三次諧波電流，使中線過流而易損壞,。
因此,，我們必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p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,，主要用來提高功率因數(shù)的方法有：電感無源濾波,，這種方法對抑制高次諧波有效，但體積大,，重量大,，在產(chǎn)品設(shè)計中其應(yīng)用將越來越少；逆變器有源濾波,，對各次諧波響應(yīng)快,，但設(shè)備造價昂貴,；三相高功率因數(shù)整流器，效率高,、性能好,，近年來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)計中得到越來越廣泛的應(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、功能特點及實驗波形分析,，并作了對比性研究,。
2 UC3854構(gòu)成的硬開關(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,，其主要特點是：PWM升壓電路,，功率因數(shù)達到0.99，THD<5％ ,， 適用于任何的開關(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管的門級驅(qū)動器,，過流保護的比較器,，7.5V基準電壓，以及軟起動,，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反映了線電流,，因此被作為基準電流，IMO與乘法器的輸入電流IAC（IAC與輸入電壓瞬時值成比例）的關(guān)系為：
IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms
?。▽?yīng)圖1中IM=AB/C）
式中IMO,、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號，從芯片中減去1.5V是芯片設(shè)計的需要,；K在乘法器中是個常數(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起了前饋作用，一方面芯片內(nèi)部箝位Ums,，消除了輸入電壓對電壓環(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,，不隨線電壓的變化而變化,。如當(dāng)輸入電壓變?yōu)閮杀叮瑒t反映輸入電壓變化的IAC,、Ums均變?yōu)樵瓉淼膬杀?。由上式可知IMO將減半，通過調(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電網(wǎng)波動的快速響應(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，將會抑制乘法器的輸出,。電壓誤差放大器最大輸出內(nèi)部限定為5.8V是為了防止輸出過沖,；為了減小輸入電壓過低時產(chǎn)生的交越死區(qū)，交流輸入端的標稱電壓是6V,，同時還應(yīng)用電阻將該端口與內(nèi)基準連起來,，這樣線電流的交越失真將最小。
UC3854的開關(guān)管和二極管都工作在硬開關(guān)的狀態(tài),，主要帶來以下問題：
?。?）開通時開關(guān)管的電流上升和電壓下降同時進行，關(guān)斷時開關(guān)管的電流下降和電壓上升同時進行,，使開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗大,；
（2）當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時,，感性元件感應(yīng)出較大的尖峰電壓,，有可能造成開關(guān)管電壓擊穿；
?。?）當(dāng)開關(guān)器件開通時,，開關(guān)器件結(jié)電容中儲存的能量有可能引起開關(guān)器件過熱損壞,；
（4）二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在反向恢復(fù)問題,，容易造成直流電源瞬間短路,。
2.2實驗結(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)字示波器測試并打印出開關(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，開關(guān)管上有電壓尖峰,；并且當(dāng)開關(guān)管關(guān),、二極管開及開關(guān)管開、二極管關(guān)時在輸入電感上感應(yīng)出較大的電壓尖峰,。為了克服硬開關(guān)APFC的缺點,，并進一步改善性能，UC公司推出了UC3855,。
3 UC3855構(gòu)成的軟開關(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，無需斜坡補償,，最高工作頻率可達500kHz,，其內(nèi)部有ZVS檢測、一個主輸出驅(qū)動和一個ZVT輸出驅(qū)動,。由于采用軟開關(guān)技術(shù),，可以極大地減小二極管反向恢復(fù)時和MOSFET開通時的損耗，從而具有低電磁輻射和高效率的特點,。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（IMO=IAC（UAO－1.5）/KU2ms）。芯片內(nèi)部有一個高性能,、帶寬為5MHz的電流放大器,，并具有過壓、過流和回差式欠壓保護功能,，輸入線電壓箝位功能,，低電流起動功能,。內(nèi)部乘法器電流限制功能在低線電壓時能抑制功率輸出。和UC3854相比,，UC3855增加的電路功能主要有：過電壓保護,；工作達500kHz的零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）控制電路；具有電流合成器,，只需檢測主開關(guān)管開通時的電感電流,，而主開關(guān)管關(guān)斷時流經(jīng)電感和二極管的電流可通過芯片內(nèi)的電流合成器構(gòu)造出來，因此可比UC3854少用一個電流互感器,。這樣既提高了信噪比,，又減小了電流檢測的損耗。
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為主開關(guān)管,，S1、Lr,、Cr,、VD1構(gòu)成的諧振支路和主開關(guān)管并聯(lián)。輔助開關(guān)S1先于主開關(guān)S導(dǎo)通,，使諧振網(wǎng)絡(luò)工作,，電容電壓（即主開關(guān)電壓）諧振下降到零，創(chuàng)造了主開關(guān)零電壓導(dǎo)通的條件,。在輔助開關(guān)管導(dǎo)通時,，二極管電流線性下降到零，二極管VD實現(xiàn)零電流截止（軟關(guān)斷）,。ZVT－PFC的主要優(yōu)點是：主開關(guān)管零電壓導(dǎo)通并且保持恒頻運行,；二極管VD零電流截止；電流,、電壓應(yīng)力?。还ぷ鞣秶鷮?；ZVT－PFC的不足之處是：輔助開關(guān)S1在硬開關(guān)條件下工作,，但和主開關(guān)相比流經(jīng)的電流很小，所以其損耗可忽略不計,。
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際波形。從圖6我們可以看出這兩種波形吻合得很好,。測量結(jié)果還得出重構(gòu)波形和實際波形在線電壓較高時誤差較大,，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)和交流線電壓的關(guān)系
表1畸變因數(shù)、功率因數(shù)和交流線電壓的關(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)和交流線電壓的關(guān)系表（二階誤差放大箝位電路）
4對比結(jié)論
圖7是通過測量ZVT－PFC電路和硬開關(guān)的PFC電路（取消零轉(zhuǎn)換部分）所得效率數(shù)據(jù)圖,。硬開關(guān)的PFC電路還需要一個風(fēng)扇來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（對應(yīng)芯片UC3855）效率明顯優(yōu)于硬開關(guān)的PFC電路（對應(yīng)芯片UC3854）,。從圖上還可看出特別在低輸入電壓時具有ZVT的PFC電路明顯優(yōu)于硬開關(guān)的PFC電路,，因為低輸入電壓時具有高輸入電流，從而在硬開關(guān)電路中引入高輸入損耗,。
圖7效率數(shù)據(jù)圖