基于UC3854的APFC仿真验证

基于UC3854的APFC仿真验证

一． 功率因数校正电路的工作原理

1. 高次谐波及其危害

以220v交流电网电压作为输入的开关稳压电源中，交流输入电压整流后接一

个打的滤波电容器，如图1.1所示。虽然输入电压是正弦波形，但由于电路是一种非线性元件和储能元件的组合，所以其交流输入电流不是正弦波，而是一脉冲波形，如图1.2所示。

图1.1 AC/DC变换电路 图1.2 输入电压、电流波形

脉冲状的输入电流含有大量的谐波，其无功分量基本上为高次谐波，如三次谐

波幅度约为基波幅度的95%。五次谐波约为70%，七次谐波为45%，九次谐波为25%等等。高次谐波产生大大降低了输入端的功率因素。

大量电流谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波污染。谐波电流流过线路阻

抗产生谢波电压降，使原来是正弦波形的电网输入电压的波形发生畸变，称之为“二次效应”。另外，谐波也可能使电路发生故障甚至损坏。例如，谐波造成其流经的导线过热、配电变压器过热、引起电网LC谐振、三相电路中的中线因三次谐波电流的叠加而过热，等等。

2. 功率因素的定义

非正弦输入电流的有效值I可表示为:

2I?I12?I2?I32?2?In 式中：I1,I2,I3,。 In输入电流的基波分量和各次谐波分量（有效值）

将各次谐波分量的有效值与基波分量的有效值的比值称之为总谐波畸变

（THD）:

2THD?(I2?I32?2?In)/I12 THD用来衡量谐波对电网的污染程度。

若基波电流之后输入电压U的相位差为?，那么，输入的有功功率Pac为

Pac?UI1cos?

而视在功率为：

2Pap?U?I?U?I12?I2?I32?2?In 功率因素（PF）为：

Pfp?ac?PapI122I12?I2?I32?2?Incos??I11cos??cos?

2I1?(THD)所以，抑制谐波分量可以达到减小THD和提高fp的目的。

3. 功率因素校正的原理

为了提高功率因素，减小电流畸变，从20世纪80年代开始，将开关变换器技

术应用到改善电流波形和提高功率因素上来，研发了功率因素校正（PFC）新技术。

PFC电路的作用是在电网和负载间插入校正环节，是输入电流波形逼近输入电

压波形，以提高功率因素并限制开关电源的谐波电流对电网的污染。

PFC的方法很多，可按高频/低频、有源/无源、谐振/非谐振等来分类。目前采

用较多的是高频有源PFC技术。在有源PFC中，Boost-PFC（升压式功率因素校正）是最为常见的一种。其原理图如图1.3：

图1.3 Boost-PFC原理图

它是由单向桥式整流电路和DC/DC Boost变换器组成。控制电路由电压误差放

大器VA、基准电压Ur、积分放大器CA、乘法器M、脉宽调制器（PWM）和驱动器等组成。主电路的输出电压为Uo和基准电压Ur在电压误差放大器VA中比较，其输出误差电压和输入电压共同加在乘法器M的输入端，它们的乘积作为电感电流和基准值。真正的电感电流IL与基准电流在积分放大器中平均和补偿，积分放大器的输出电压与锯齿波电压在PWM中比较，产生一个开关调制信号，经驱动器输出，驱动开关管Q。这样一来，开关管Q的驱动信号受控于输入电压Ui。在理想情况下，当输入电压按正弦规律变化时，输入平均电流也按正弦规律变化。这样，电流谐波大大减小，提高了功率因素。

4. APFC的控制方法

有源功率因素校正的控制方法有三种：电流峰值控制法、电流滞环控制法和平均电流控制法。下表给出了三种方法的比较： 控制方式 检测电流 开关频率 电流峰值 开关电流 固定 工作模式 CCM 对噪声 敏感 适用拓扑 Boost 偿 需逻辑控电流滞环 电感电流 变化 CCM 敏感 Boost 制 需电流误平均电流 电感电流 固定 任意 不敏感 任意 差放大 注 需斜率补二． PFC集成控制电路UC3854

1. UC3854特性

（1）升压式PWM功率因数达0.99; （2）交流电流失真小于5%; （3）通用的操作方式，无需开关; （4）前馈线性调整; （5）平均电流模式控制; （6）噪声灵敏度低; （7）启动电流低;

（8）固定频率PWM控制; （9）低偏值模拟乘法器/除法器; （10）1A图腾极驱动; （11）高精度基准电压。

2. UC3854引脚功能

图2为UC3854的方框图。此集成电路包括了控制功率因数的相关电路。UC3854

是利用平均电流控制方式，并在宽广的电力技术和控制方式上有很强的应用性。

图2.1 UC3854方框图

图2的左上角是低压锁定比较器和ENA比较器，这两个比较器的输出保证具

有驱动功能。电压误差放大器的反相输入（VSENSE）连接与PIN11。电压误差放大器周围的二极管是表示内部线路的功能，而不是实际的设备装置。方框图所示的二极管是理想二极管，表示在正常操作条件下电压误差放大器的同相输出连接于7.5V的参考电压，此电压也利用于缓开功能。该结构使得在输出电压到达操作点之前，主电压控制环开始工作，以消除是电源受到损坏的尖峰冲击。在PIN11和误差放大器的反相输入端之间接入的二极管也是理想二极管，对额外二极管上的电压降不会影响实际结果。

PIN7是电压误差放大器的输出端，它也是乘法器的输入端。乘法器的另外一

个输入在PIN6，它是来自于输入整流后的调节信号的斜率，并保持6V的电位和一个电流的输入。前馈输入电压在PIN8，它的值在进入乘法器输入端钱，被进行平方

运算。PIN12的设置电流是用来限制乘法器的最大输出电流。乘法器的最大输出电流从PIN5流出（PIN5连接于电流误差放大器的同相输入端）。

电流误差放大器的反相输入连到PIN4，电流误差放大器的输出连接到PWM发

生器，与PIN14的三角波进行比较。PWM发生器输出和振荡器连接到R-S触发器，从R-S触发器输出大电流到PIN16。在UC3854内部将输出电压钳位在15V，这样MOSFET不会有门极过压驱动风险。在PIN2提供紧急峰值电流极限，通过快速拉升来关闭输出脉冲。参考电压被连接PIN9。UC3854的电源被连接到PIN15。

在图2所示的框图中可以看到，UC3854有一个乘法器和一个除法器，其输出

为A?B/C，而C为前馈电压Us的平方。之所以要除C，是为了保证在高功率因素的条件下，是APFC的输入功率不随输入电压变化而变化。在应用中应注意：前馈电压中任何100Hz纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加，从而增加波形失真，也会影响功率因素的提高。另外，前馈电容Cf的取之大小也会影响功率因素。

3. 具体应用电路

图2.2 UC3854典型应用电路

图2.2 Boost电路采用UC3854芯片对其进行功率因数校正，Boost电路的输入

为200V，50Hz的交流电，采用平均电流控制方式。

4. 系统仿真验证

运用saber可建立起整个闭环控制系统的控制仿真模型。控制系统仿真中的模型的

特点无量纲、单向流动，所以在控制系统和模拟系统混合仿真的时候要进行信号转换，这就需要中间模块，saber元件库中的Interface Models可以实现这一职能。输入电压为220V，负载电阻为500?，输出电容为450?F时，得到变换器的动态过程如图2.3所示，从图2.3中可以清楚地看到变换器上电后的动态过程，其中输出电压略有超调，待动态过程结束后，电感电流的平均值呈现正弦半波，图2.3（c）这时输入电流与输入电压为频率和相位都相同的正弦波，功率因数接近为l，实现了电路的功率因数校正功能，同时输出电容电压也呈现周期波动，频率为输入正弦波频率的两倍。

（a）输出电容电压波形

（b）电感电流波形

（c） 电感电流波形与整流后输入电压波形比较

图2.3 saber仿真结果

三． 结论

本文强调了功率因数校正的重要性，针对常用的APFC的方法，引出了单

周期控制PFC控制策略，首先对其工作原理作了详细的分析，最后搭建实验模型在软件中进行了仿真，进行了实验结果分析，充分验证了单周期PFC控制策略的可行性和正确性，达到了学习和设计的要求。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s47f.html