20春《電源技術(shù)》大作業(yè)參考答案

大連理工大學(xué)電源技術(shù)大作業(yè)姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)習(xí)中心：]

功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)的研究隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計(jì)結(jié)合了功率因數(shù)校正(PFC)功能。設(shè)計(jì)人員面對(duì)著實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腜FC段，并同時(shí)滿(mǎn)足其它高效能標(biāo)準(zhǔn)的要求及客戶(hù)預(yù)期成本的艱巨任務(wù)。許多新型PFC拓?fù)浜驮x擇的涌現(xiàn)，有助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其特定應(yīng)用要求的設(shè)計(jì)。。1ICUC3854的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理功率因數(shù)是衡量電器設(shè)備性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。功率因數(shù)低的電器設(shè)備，不僅不利于電網(wǎng)傳輸功率的充分利用，而且往往這些電器設(shè)備的輸入電流諧波含量較高，實(shí)踐證明，較高的諧波會(huì)沿輸電線(xiàn)路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，影響其它用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如對(duì)發(fā)電機(jī)和變壓器產(chǎn)生附加功率損耗，對(duì)繼電器、自動(dòng)保護(hù)裝置、電子計(jì)算機(jī)及通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾而造成誤動(dòng)作或計(jì)算誤差。因此。防止和減小電流諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，抑制電磁干擾，已成為全球性普遍關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)際電工委與之相關(guān)的電磁兼容法規(guī)對(duì)電器設(shè)備的各次諧波都做出了限制性的要求，世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始實(shí)施這一標(biāo)準(zhǔn)。?1.1功率因數(shù)校正基本原理?功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，?當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。開(kāi)關(guān)電源供應(yīng)器上的功率因數(shù)校正器的運(yùn)作原理是去控制調(diào)整交流電電流輸入的時(shí)間與波型，使其與直流電電壓波型盡可能一致，讓功率因數(shù)趨近于。?這對(duì)于電力需求量大到某一個(gè)水準(zhǔn)的電子設(shè)備而言是很重要的,?否則電力設(shè)備系統(tǒng)消耗的電力可能超出其規(guī)格，極可能干擾銅系統(tǒng)的其它電子設(shè)備。?PFC的英文全稱(chēng)為“Power?Factor?Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，此時(shí)便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動(dòng)式PFC（也稱(chēng)無(wú)源PFC）和主動(dòng)式PFC（也稱(chēng)有源式PFC）。。表1列出了ICUC3854各主要功能模塊的關(guān)鍵特性參數(shù)測(cè)試條件典型值單位電壓誤差放大器Vsense偏置電流－25nA開(kāi)環(huán)增益100dB輸出電壓擺幅0.8～5.8V短路電流VAOut=0－20mA電流誤差放大器Isense偏置－120nA開(kāi)環(huán)增益110dB輸出電壓擺幅0.5～16V短路電流－20mA增益帶寬積800kHz乘法器最大輸出電流－200μA增益因子－1.0振蕩器振蕩頻率RSET=8.2k102kHz斜坡幅度5.5V輸出驅(qū)動(dòng)輸出高電壓200mAloadonGTDrv,VCC=15V12.8V輸出低電壓200mAloadonGTDrv1.0V圖2電壓誤差放大器原理示意圖圖3電壓誤差放大器宏模型示意圖表2UC3854管腳說(shuō)明管腳序號(hào)管腳符號(hào)管腳說(shuō)明1Gnd接地端，器件內(nèi)部電壓均以此電壓為基準(zhǔn)2PK1MT峰值限定端，其閾值電壓為零伏與芯片外電流傳感電阻負(fù)端相連，有可與芯片內(nèi)接基準(zhǔn)電壓的電阻相連，使峰值電流比較器反向端電位補(bǔ)償至零3CAOut電流誤差放大器的輸出端，對(duì)輸入總線(xiàn)電流進(jìn)行傳感，并向脈寬調(diào)制器發(fā)送電流校正信號(hào)的寬帶運(yùn)放輸出4Isense電流傳感信號(hào)接至電流放大器反向輸入端，4腳電壓應(yīng)高于－0.5伏（因采用二極管對(duì)地保護(hù)）5MultOut乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的正向輸入端6IAC乘法器前饋交流輸入端，與B端相連，6腳的設(shè)定電壓為6伏，通過(guò)外接電阻與整流橋輸出工頻總線(xiàn)相連，并用電阻與芯片內(nèi)基準(zhǔn)相連7VAOut誤差電壓放大器的輸出電壓，這個(gè)信號(hào)又與乘法器A端相連，但若低于1伏乘法器便無(wú)輸出8VRMS前饋總線(xiàn)電壓有效值端，與跟輸入線(xiàn)電壓有效值正比的電阻相連時(shí)，可對(duì)線(xiàn)電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償9VREF基準(zhǔn)電壓輸出端，可對(duì)周邊電路提供10mA的驅(qū)動(dòng)電流10ENA允許比較器輸入端，不用時(shí)與＋5伏電壓相連11VSENSE電壓誤差放大器反向輸入端，在芯片外與反饋網(wǎng)絡(luò)相連，或通過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)與功率因子較正器輸出相連12RSET12腳信號(hào)與地接入不同的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出13SS軟起動(dòng)端，與誤差電壓放大器同相端相連14CT接對(duì)地電容器CT，作為振蕩器定時(shí)電容15VCC正電源閾值為10V～16V16GTDrvPWM信號(hào)的圖騰輸出端，外接MOSFET管的柵極，該端電壓箝位在15V

它們的基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似，其差別在于電流誤差放大器對(duì)電流控制電路有特殊要求，其增益和帶寬要大于電壓誤差放大器。因此我們這里只給出電壓誤差放大器的宏模型示意圖，圖2為電壓誤差放大器的原理圖，圖3為其相應(yīng)的宏模型示意圖。在圖2中，運(yùn)放的正向輸入端連接傳感電壓，反向輸入端連接到基準(zhǔn)電壓，運(yùn)放的輸出經(jīng)過(guò)三極管與6.2k的電阻構(gòu)成射極跟隨引出。在圖3中，RI和CI決定了電壓誤差放大器的輸入阻抗，電壓控制電流源G1以及電容CI決定了電壓誤差放大器的增益帶寬積，通過(guò)二極管VD2和VD3以有源功率因數(shù)校正圖4乘法器宏模型示意圖圖5振蕩器宏模型示意圖圖6輸出驅(qū)動(dòng)模塊宏模型示意圖圖7包含UC3854的功率因數(shù)校正電路圖乘法器的模型構(gòu)建在整個(gè)集成電路的建模中非常重要，圖4給出了其宏模型的具體實(shí)現(xiàn)。該乘法器有三個(gè)輸入：電壓誤差放大器的輸出（EAOUT），輸入AC電流（IAC），URMS輸入。其中，IAC端輸入的是電流信號(hào)，而它的采樣是功率級(jí)的輸入電壓，這可以用一個(gè)6V的電壓源UIAC來(lái)進(jìn)行電壓信號(hào)/電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換。1.2???功率因數(shù)的限制因數(shù)為什么在一般的電路中功率因數(shù)較低呢？有很多因數(shù)的影響。其中影響功率因數(shù)的主要原因是這些電器的整流電源普遍采用的電容濾波型橋式整流電路（圖1）。?這種電路的基本工作過(guò)程是：在交流輸入電壓的正半周，D1、D3導(dǎo)通，交流電壓通過(guò)Dl、D3對(duì)濾波電容C充電，若Dl、D3的正向電阻用r表示，交流電源內(nèi)阻用R表示.?2有源功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)下面以常見(jiàn)的美國(guó)TI公司生產(chǎn)的APFC用集成電路UC3854介紹其性能特點(diǎn)、工作原理與典型應(yīng)用電路。2.1UC3854控制集成電路

UC3854引腳功能說(shuō)明（參見(jiàn)圖3、圖4）。UC3854引腳功能如表1所示。表1UC3854的引腳（端）功能引腳號(hào)引腳符號(hào)引腳功能(1)GND接地端，器件內(nèi)部電壓均以此端電壓為基準(zhǔn)(2)PKLMT峰值限定端，其閾值電壓為零伏與芯片外檢測(cè)電阻負(fù)端相連，可與芯片內(nèi)接基準(zhǔn)電壓的電阻相連，使峰值電流比較器反向端電位補(bǔ)償至零(3)CAout電流誤差放大器輸出端，對(duì)輸入總線(xiàn)電流進(jìn)行檢測(cè)，并向脈沖寬度調(diào)制器發(fā)出電流校正信號(hào)的寬帶運(yùn)放輸出(4)Isense電流檢測(cè)信號(hào)接至電流放大器反向輸入端，(4)引腳電壓應(yīng)高于-0.5V（因采用二極管對(duì)地保護(hù)）(5)Multout乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的同相輸入端(6)IAC乘法器的前饋交流輸入端，與B端相連，(6)引腳的設(shè)定電壓為6V，通過(guò)外接電阻與整(7)VAout誤差電壓大器的輸出電壓，這個(gè)信號(hào)又與乘法器A端相連，但若低于1V乘法器便無(wú)輸出(8)VRMS前饋總線(xiàn)有效值電壓端，與跟輸入線(xiàn)電壓有效值成正比的電阻相連時(shí)，可對(duì)線(xiàn)電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償(9)VREF基準(zhǔn)電壓輸出端，可對(duì)外圍電路供10mA的驅(qū)動(dòng)電流(10)ENA允許比較器輸入端，不用時(shí)與+5V電壓相連(11)V檢測(cè)大器反相輸入端，在芯片外與反饋絡(luò)相連，或通過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)與功率因數(shù)校正器輸出端相連(12)Rset(12)端信號(hào)與地接入不同的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出(13)SS軟啟動(dòng)端，與誤差放大器同相端相連(14)CT接對(duì)地電容器CT，作為振蕩器的定時(shí)電容(15)Vcc正電源閾值為10V～16V(16)GTDRVPWM信號(hào)的圖騰輸出端，外接MOSFET管的柵極，該電壓被鉗位在15V2．2UC3854中的前饋?zhàn)饔?/p>

UC3854的電路框圖和內(nèi)部工作框圖如圖2、圖3所示。

在APFC電路中，整流橋后面的濾波電容器移到了整個(gè)電路的輸出端（見(jiàn)圖2、圖4中的電解電容C），這是因?yàn)閂in應(yīng)保持半正弦的波形，而Vout需要保持穩(wěn)定。從圖3所示的UC3854工作框圖中可以看到，它有一個(gè)乘法器和除法器，它的輸出為，而C為前饋電壓VS的平方，之所以要除C是為了保證在高功率因數(shù)的條件下，使APFC的輸入功率Pi不隨輸入電壓Vin的變化而變化。工作原理分析、推導(dǎo)如下：乘法器的輸出為式中：Km表示乘法器的增益因子。Kin表示輸入脈動(dòng)電壓縮小的比例因子。電流控制環(huán)按照Vin和電流檢測(cè)電阻Ro（參見(jiàn)圖2）建立了Iin。i表示Vin的衰減倍數(shù)將式（3）代入式（4）后有如果PF=1效率η=1有

由（6）可知：當(dāng)Ve固定時(shí)，Pi、Po將隨V2in的變化而變化。而如果利用除法器，將Vin除以一個(gè)

可見(jiàn)在保證提高功率因數(shù)的前提下，Ve恒定情況下，Pi、Po不隨Vin的變化而變化。即通過(guò)輸入電壓前饋技術(shù)和乘法器、除法器后，可以使控制電路的環(huán)路增益不受輸入電壓Vin變化的影響，容易實(shí)現(xiàn)全輸入電壓范圍內(nèi)的正常工作，并可使整個(gè)電路具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整特性。在實(shí)際應(yīng)用中需要加以注意：前饋電壓中任何100Hz紋波進(jìn)入乘法器都會(huì)和電壓誤差放大器中的紋波疊加在一起，不但會(huì)增加波形失真，而且還會(huì)影響功率因數(shù)的提高。前饋電壓中前饋電容Cf（圖2、圖4中的Cf）的取值大小