UC3854-控制之功率因数较正器电路设计-范

UC3854控制之功率因数校正器电路设计PHILIPC.TODD摘要这个应用手册说明功率因数校正的概念与它的升压型前端调节器的设计。本手册包含了功率因数校正的重要规格、升压型转换器的功率电路设计与控制此一转换器的UC3854集成电路说明。本文将提供完整的设计过程，同时说明了设计过程中所必须进行的斟酌与考虑。本文所提到的设计流程适用于UC3854A/B以及UC3854。您可以参考Unitrod公司所出品的设计手册DN-39以了解某些本文未提到的主题。虽然本文没有讨论到这些部分，但是在进行设计时还是必须考虑这些部分的。本篇应用手册是用以作为取代应用手册U-125使用UC3854的功率因数校正器之用。前言主动式功因较正器的主要功能就是使电源供应器的输入功因较正为1.0，即使得电源供应器把功因较正器的输入端视为一个电阻。而主动式功因较正器主要是利用电流的响应随着电压的变化而跟着增大与减小的方式来完成这个功能。当电压与电流间的变动比为一个定值时，输入端将呈现电阻性且此时的功率因数将达到1.0。若这个变动比不再是一个定值，则输入的波形将会产生相位差或谐波失真，而这些变化将会降低功率因数。一般对功率因数的定义是有功功率与视在功率间的比PWattsPF=PF=(VrmsIrms)V.A.orP是输入功率的有功功率，Vrms与Irms是负载的电压与电流均方根值，也就是文中所提到的功因较正器输入电压与电流均方根值。若负载是一个纯电阻，则有功功率与电压电流均方根值的乘积将会是相同的，且此时的功因将会是1.0；若负载不是一个纯电阻，则功因将会低于1.0。相移量的大小主要是反应了主动式功因较正器的输入电抗大小，任何像是电感或电容的电抗皆会造成输入电流相对于输入电压的相位改变。电压电流间的相位差也是一种功率因数典型的定义，即功率因数等于电压与电流相角差的余弦函数：PF=cos电压与电流间的相角差也反映出无功功率的大小。如果负载的电抗只占负载阻抗的一小部份，则相位差将会很小。当输入端因前馈信号或控制回路造成相移时，主动式功因较正器可对输入电流产生一个相位较正的效果。此外，交流侧的线电流滤波器也可能会造成相位移。谐波失真率反映出主动式功因较正器输入阻抗中的非线性成分。任何输入阻抗的变动（以输入电压的函数呈现）将会造成输入电流的谐波失真，而此谐波失真也是造成低功率因数的原因之一。谐波失真将会造成输入电流均方根值的增加，但不会增加输入的功率。也因此一个非线性的负载将会造成不好的功率因数，其原因是系统需要输入较高的电流但总输出功率却很低。如果非线性的成分较小的话，则谐波失真也会相对的减小。主动式功因较正器的失真主要有几个生成的原因：前馈信号、反馈控制的闭回路、输出电容、系统电感及输入的桥式整流器。10.9950.990.9850.98PowerFactorVersusDistortion02468101214161820TotalHarmonicDistortion,inPercentPowerFactorVersusDistortion10.980.960.920.900.8800.945101520253035404550TotalHamrmonicdistortion,inPercentHarmonicOrderPermissiblecurrentMaximumPermissiblecurrentnmA/WAOddharmonics33.42.3051.91.1471.00.7890.50.40110.350.33130.30.2115up3.85/nn1515.0Evenharmonics21.81.0840.70.4260.50.308n3n80.1表1一个主动式功因较正器可以轻易的达到一个很高的功率因数，一般而言皆远高于0.9以上。但功率因数不会随着谐波失真或电流波型的改变而有明显的变化，所以比直接观察功率因数的大小更方便的方法是利用下列几个数值来考虑。例如：3%的谐波失真其功因为0.999；30%谐波失真的电流其功因仍有0.95；与电压相差25度的电流其功因为0.90。以目前的趋势来说，负责电力质量的全球性标准组织多以详细列出输入线电流上每一个频段的最大容忍谐波量的方式来制订标准。IEC555-2订定了15次谐波之前的每一个谐波与15次之后的总谐波相对的电流谐波容许量。表1列出了在本文完成时，IEC555-2所列出的谐波需求。该标准包含了两个部份的规范：相对的电流谐波量以及总谐波量的绝对最大值，这两个限制都适用于所有的设备。这个表主要是拿来作线间谐波失真规范的例子，尚无法作为设计时的规格参考。这是因为IEC在目前尚也未提出IEC555的最后版本，因此此一标准仍可能会有大幅度的修改。主动式功因较正对于一个主动式功因较正器的功率级电路而言，升压型调节器是一个极佳的选择，其主要的原因是此架构的输入电流是连续的，也因此它产生较低的传导性干扰与最好的输入电流波形。然而升压型调节器的缺点就是它的输出需要是一个高电压，也就是输出电压需要高于输入的预期峰值电压。应用在主动式功因较正用途上的升压型调节器其输入电流波形必须与输入电压波形成正比。因此必须使用反馈控制来达到此一目的，MULTIPLIERLOADVOLTAGESENSERsCURRENTSENSEACLINEWAVEFORMINPUTLDCoQVo图1高功率因数电路的基本组态可以采用的方法包括峰值电流模式控制法或者是平均电流模式控制法等。这两种控制技术都可利用UC3854来实现。峰值电流模式控制法在电流反馈响应上的低增益与高频宽的特性使这种控制法不适用于高性能的主动式功因较正器，因为此方法的电流命令与实际电流间的误差较大。此一现象也将会造成谐波失真与较差的功率因数。平均电流模式控制法主要是利用一个简单的概念，就是在升压型调节器功率电路上再外加一个由放大器电路构成的反馈回路，也因此输入电流将会以微小的误差量追随着电流命令而变化。以上就是平均电流控制法的优点，也是为什么能改善功率因数的原因。平均电流模式相对来讲是比较容易实现的，这也是本文所要描述的方法。0VinPin0PinPchgichgiinIchg0375vdcVin*Iin=Pin=Pchg=Vdc*Ichg图2调节器前端的波形HIGHPOWERFACTORSWITCHINGPREREGULATORSQUAREKgMULTKmDIVKj－+LOADVinIinACLINECoIoImoRvacRff1Rff2Cff1Cff2VffIacHVveaVrefRvfCvfRvcRvdE/AVoIchgRff3图3高功率因数图1所示为升压型功率因数较正器的电路方块图，升压型功率因数较正器的功率电路部份是与直流/直流升压型转换器是相同的。在电感之前有一个桥式整流电路对交流输入电压进行整流，但交流转直流用的大型输入电容已被移到升压型转换器的输出侧。在某些电路中桥式整流电路后会接上一个电容值较小的电容，此电容主要是作为抑制噪声用。升压型调节器的输出电压为一定值，但它的输入电流则呈现半个弦波的形式。流入输出电容器的功率不是一个定值，它是以输入电压的两倍频率变化，其瞬间的功率为电容的瞬时电压乘以流入电容的瞬时电流。如图2所示，最上方的波形为输入功率因数较正器的电压与电流，第二个波形则为流入与流出输出电容的能量。当输入电压高于输出电容的电压时，电容是处于储能的状态；当输入电压低于输出电容的电压时，电容是处于放能的状态。第三个波形是电容的充电电流与放电电流，此电流波形与输入电流波形有着不同的形状，且其频率它几乎是在输入电压的二次谐波上。此一能量的流动将会造成二次谐波形式的电压涟波，如图2中之第四个波形所示。要注意的是，这个电压涟波与电流波形相差为90度，所以这是无功形式的储能。在考虑输出电容的额定值时必须将处理二次谐波涟波电流以及处理升压型转换器功率开关在调变时所造成的高频涟波电流的能力考虑进去。控制电路主动式功率因数较正器必须同时控制输入电流与输出电压，而电流控制回路的命令是由整流后的线电压所决定，因此可以使转换器的输入阻抗呈现电阻性。而输出电压的控制是藉由改变电流命令的平均值大小来完成。模拟的乘法器将整流后的线电压乘以电压误差放大器的输出后，产生一个电流控制命令。也因此电流的控制命令与输入电压的形状相同，同时其平均值代表输出电压的控制命令大小。图3所示为一个主动式功率因数较正器所需要的基本控制器电路方块图。输出电流乘法器的输出称之为Imo，而这个乘法器的输出即为输入电流的控制命令。在图3中，乘法器的输入端（输入电压整流后的电压）是以电流的方式表示的，因为这就是UC3854的动作原理。除了乘法器之外，在图3中还包括了平方器与除法器，这些电路主要的功能是将电压误差放大器的输出除以输入电压的平均值取平方后的数值，最后得到的值再乘以整流后的电压信号。这个外加的电路将可使电压回路的增益维持一个定值，没有它的话电压回路增益将会是平均输入电压的平方倍。输入电压的平均值称之为前馈电压信号或是Vff，而当它被前馈到电压回路增益时，此一数值提供了一个开回路的较正量，且这个值是需要取平方后用来作为电压误差放大器输出电压信号Vvea的除数。电流的控制信号必须尽可能地接近整流后的线电压信号以提升功率因数，如果电压回路的频宽太大，则此控制回路将会调节输入电流以达成输出电压的恒定，但这样会使得输入电流的波形严重失真。因此电压回路的频宽必须小于输入线电压的频率。但是电压回路的瞬时响应又必须要很快，所以电压回路的频宽又需要尽可能地大。平方器与除法器所构成的电路将可使回路的增益维持定值，所以控制器频宽就可以尽可能地靠近输入线电压的频率以降低输出电压的瞬时变化。当电压输入变动范围大时，这个问题更为重要。这个使回路增益维持定值的电路让电压误差放大器的输出变成一种功率的控制，电压误差放大器的输出就可直接控制传送到负载的功率大小，从以下的例子就可以轻易地看到这个现象。如果电压误差放大器的输出是一个定值，而输入的电压变成两倍，则控制命令将会变成两倍，但这个命令值将会除以前馈电压信号的平方，也就是除以四倍的输入电压信号，而其结果将会使输入电流变成原先值的一半。输入电压变成两倍时，输入电流变为原值的一半则可维持与原输入功率相同的功率。因此，电压误差放大器的输出即可用来控制功率因数较正器的输入功率等级，此种控制法可用来限制系统从电源得到的最大的功率。如果将电压误差放大器的输出限制在某些值（即对应到某些最大输入功率等级的值），则当输入电压在正常操作范围内时主动式功率因数较正器将不会从电力线吸取超过这个最大值的功率。输入的失真源控制电路会将谐波失真与相移导入输入电流波形，产生这些误差的原因包括输入端的桥式整流器、乘法电路的输出与以及输出与前馈电压中的涟波等。在主动式功率因数较正器中有两个调变过程，首先是输入端的桥式整流的影响，再则是乘法电路、除法电路与平方电路所造成的影响。每一个调变过程都会产生两个输入端间乘积、谐波或边频(sideband)的影响，且这些过程在数学上的表示式都相当地复杂。然而有趣的是，虽然这两种调变会互相的影响，但却可相互的解调，所以它的解是相当简单的。就如同之前所描述，在主动式功率因数较正器中的涟波电压皆是线电压频率的二次谐波。当这些电压经过乘法转换电路后，所得的信号将转换成输入电流的控制命令，输入电流再经过输入端整流二极管后，二次谐波电压的大小值将会产生两种不同频率的成分。这两项成分分别为输入线电压频率的三次谐波成分以及基本波成分。且这两个成分的电压大小值为原来二次谐波电压大小值的一半，其相位则与原先二次谐波的相位相同。如果这个涟波电压大小值为输入线电压大小值的10%且相位位移90度的话，则输入电流将会产生一个相移为90度，大小为基本波5%的三次谐波再加上一个相移也是90度，大小为基本波5%的一次谐波。前馈电压是将交流的电压整流后所得的电压，而这个电压有一个二次谐波的成分，且这个成分的大小值为平均输入电压大小值的66%。前馈电压除法器的滤波电容大大地衰减了二次谐波，且有效地消除了