逆變系統高效前級直流電源PFC電路分析和設計

侯澤治

摘要：文章基于對逆變系統高效前級直流電源PFC電路的分析和設計，分析了正弦電壓信號數字化放大功率逆變系統中的控制功率因素的電路，這一控制器為逆變系統供應了功率因數較高的高效前級直流電源，它能對正弦波以及輸入的電流進行有效的控制，且其功率因數的輸入也能達到較高值。

關鍵詞：逆變系統；直流電源PFC電路；功率因素；電力系統；電壓信號 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM761 文章編號：1009-2374（2017）04-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.008

在電力系統中，電壓信號測量且功率放大的系統，其實質上指的是一個數字電源逆變系統。在該系統中，利用芯片模擬進行控制，且有源單級校正功率因數的AC/DC，能夠為其提供高效前級直流電源。它功率因數的輸入值非常高，還能對恒定的支流電壓進行控制，且不會由于輸入的變化而產生任何的改變，同時下級逆變系統獲得的直流電源也非常的穩定。因此本文主要對逆變系統高效前級直流電源PFC電路進行了研究和分析，闡述了功率因數控制裝置操作的原理，并結合控制芯片UC385的應用，對設計PFC電路的原理以及實現的過程做了簡單的介紹。

1 Boost型PFC電路簡介

1.1 工作原理

在逆變系統中，一般情況下，校正功率因數設備儀器，其功能有兩個：一是對功率因數進行控制，同時獲得較高的功率因數；二是確保后一級電路中獲得的直流電壓達到良好的平滑穩定性。

在前提條件DSP下，控制PFC電路的技術正逐漸朝著數字化的方向發展，且獲得了較好的成果。其中，校正前級功率因數所涉及到的方法還相對過于傳統，通常情況下使用專用的3854芯片來完成PFC電路。然后將運放電路加在其外圍上，從而實現模擬PI調節器的作用。采用控制芯片UC3854設計實現的PFC電路的技術已經相當成熟，且線路也具備較高的可靠性。在Boost型PFC電路中，有一個乘法器，即Multi，它的功能等同于一個控制電壓的電流源。Boost型PFC電路的結構示意圖如圖1所示：

1.2 PFC主電路分析及設計

Boost型功率因數校正電路的原理如圖2所示：

圖2 Boost型功率因數校正電路的基本原理

1.2.1 在理想模型中，電壓或者電流的輸出。在進行電路的研究和分析之前，先要提出一些假設：（1）輸入的電流以及電壓等，均為同相同頻，且沒有發生畸變的正弦波；（2）具有恒定的電壓輸出；（3）在頻率恒定的情況下，功率管S的運行其頻率為fs，且比電壓輸入的頻率fl要大得多；（4）具有線性的電感L，且在飽和狀態下不會工作；（5）不用計算功率的損耗。

通過分析可以得出，功率平均輸出的值為恒定值，且電壓輸出的組成主要分為三個部分：一是直流分量；二是比開關頻率低的交流分量；三是與開關頻率相等或者更大的交流分量。

1.2.2 瞬態占空比的表達式。作為該系統的控制芯片UC3854，其中，電壓的輸入值Uin等于110V，而200V為電壓輸出，而P0=500W為功率輸出，經過測量之后，可以得到電流誤差放大器輸出電壓的波形，即調制波。

1.2.3 確保CCM模式。在該系統中，在CCM的工作模式下PFC工作。系統在CCM模式下能夠進行工作，主要由輸出的功率、電感大小、開關頻率等決定。其中電感值需要符合特定的計算公式，即L≥。同時，選擇的電感值必須達到限制電流過零畸變以及脈動率的相關要求。而本文的討論只考慮前兩項。

1.2.4 選擇主電路的參數。通過對主電路進行分析，能夠合適地選擇合適的電容以及電感的大小。在本系統中，指標輸入為P0=500W，Uin=110V，U0=200V，控制芯片采用UC3854，就能得出L=500H。而二次電壓輸出的紋波與所選擇的電壓具有一定的聯系，通常可以根據1～2倍的功率進行相應的選擇，而這里所選擇的電容為C=1000F。

1.3 軟啟動PFC電路

1.3.1 軟啟動功率系統。如果直接連接電源，系統中的電流就會產生較大的沖擊，因此必須增設一個電阻軟啟動。在初次通電時，需要繼電器斷開其常開觸點，運用該電阻，市電則能對電容補充一定的電量，其電阻值為30，因此補充電流的過程中，最大限度為10A。將電源控制為15V時，還需要補充一定的電量給小電容，當補充到12V時，就能有效地將NPN管導通。同時繼電器就會閉合，且軟啟動對應的電阻短路，這樣一來，在正常工作狀態下，可以防止電阻消耗電能，從而實現系統硬件軟啟動的目的。

1.3.2 控制軟啟動系統。主要采用3854芯片的13腳作為軟啟動端，當工作正常的情況下，13腳的電壓值7.5V則看作電壓誤差放大器的參考電壓值，當向控制系統開始通電時，系統內部則會提供為14uA左右的電流恒流源，并將13腳對地電容進行線性充電，電壓范圍為0～7.5V，這樣就能促使系統達到軟啟動的目的。

2 設計控制系統分析

在逆變系統中，一般采用的經典控制芯片為UC3854，這一芯片的設計思路主要可以從圖1中加以體現。其中最主要的設計就是電流環CA以及電壓環VA。

2.1 設計電壓環

設計電壓環是指設計電壓的誤差放大器，而設計的電壓的補償誤差放大器網絡，以二次諧波脈動抑制為主電壓。若變換器中輸出的為P0功率，輸出C0的濾波電容，電壓輸出為U0，其中U0指的是C0上的平均電壓。在如圖2所示的補償網絡中，100Hz的情況下，放大器的增益可以用如下公式進行表示：

2.2 設計電流環

設計電流環主要是指設計電流的誤差放大器，如圖2所示。按照圖2中所表示的電路，可以將放大CA的倍數Af的公式寫出來，即：

通過對兩邊進行求解對數，就能得出如下公式：

根據上述的表達公式，就能將波特圖繪制出來。為了確保功率因數滿足1，電流誤差放大器，即幅頻特性CA應該設計為波特圖。最后ii的分量低頻與imo，跟蹤效果非常好，且ii與ui的正弦波其整流全波波形為同相。

3 實踐結果分析

采用仿真模擬試驗分析，校正功率因數之后，如圖3所示。其中，上圖為電壓輸入，下圖為電流輸入。在系統中，功率因數的輸入很接近1，因此，PFC電路為放大整個系統提供了高功率因數、隔離、簡單的高效前級直流電源。

4 結語

綜上所述，本文通過對逆變系統高效前級直流電源PFC電路的分析和設計探究，分析了Boost型PFC電路工作的基本原理以及其電路的設計思路，同時對控制系統中的電壓環設計以及電流環設計做了詳細的闡述，以便為逆變系統高效前級直流電源PFC電路今后的設計和研究提供一些參考的依據。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）