逆变系统高效前级直流电源PFC电路分析和设计

侯泽治

摘要：文章基于对逆变系统高效前级直流电源PFC电路的分析和设计，分析了正弦电压信号数字化放大功率逆变系统中的控制功率因素的电路，这一控制器为逆变系统供应了功率因数较高的高效前级直流电源，它能对正弦波以及输入的电流进行有效的控制，且其功率因数的输入也能达到较高值。

关键词：逆变系统；直流电源PFC电路；功率因素；电力系统；电压信号 文献标识码：A

中图分类号：TM761 文章编号：1009-2374（2017）04-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.008

在电力系统中，电压信号测量且功率放大的系统，其实质上指的是一个数字电源逆变系统。在该系统中，利用芯片模拟进行控制，且有源单级校正功率因数的AC/DC，能够为其提供高效前级直流电源。它功率因数的输入值非常高，还能对恒定的支流电压进行控制，且不会由于输入的变化而产生任何的改变，同时下级逆变系统获得的直流电源也非常的稳定。因此本文主要对逆变系统高效前级直流电源PFC电路进行了研究和分析，阐述了功率因数控制装置操作的原理，并结合控制芯片UC385的应用，对设计PFC电路的原理以及实现的过程做了简单的介绍。

1 Boost型PFC电路简介

1.1 工作原理

在逆变系统中，一般情况下，校正功率因数设备仪器，其功能有两个：一是对功率因数进行控制，同时获得较高的功率因数；二是确保后一级电路中获得的直流电压达到良好的平滑稳定性。

在前提条件DSP下，控制PFC电路的技术正逐渐朝着数字化的方向发展，且获得了较好的成果。其中，校正前级功率因数所涉及到的方法还相对过于传统，通常情况下使用专用的3854芯片来完成PFC电路。然后将运放电路加在其外围上，从而实现模拟PI调节器的作用。采用控制芯片UC3854设计实现的PFC电路的技术已经相当成熟，且线路也具备较高的可靠性。在Boost型PFC电路中，有一个乘法器，即Multi，它的功能等同于一个控制电压的电流源。Boost型PFC电路的结构示意图如图1所示：

1.2 PFC主电路分析及设计

Boost型功率因数校正电路的原理如图2所示：

图2 Boost型功率因数校正电路的基本原理

1.2.1 在理想模型中，电压或者电流的输出。在进行电路的研究和分析之前，先要提出一些假设：（1）输入的电流以及电压等，均为同相同频，且没有发生畸变的正弦波；（2）具有恒定的电压输出；（3）在频率恒定的情况下，功率管S的运行其频率为fs，且比电压输入的频率fl要大得多；（4）具有线性的电感L，且在饱和状态下不会工作；（5）不用计算功率的损耗。

通过分析可以得出，功率平均输出的值为恒定值，且电压输出的组成主要分为三个部分：一是直流分量；二是比开关频率低的交流分量；三是與开关频率相等或者更大的交流分量。

1.2.2 瞬态占空比的表达式。作为该系统的控制芯片UC3854，其中，电压的输入值Uin等于110V，而200V为电压输出，而P0=500W为功率输出，经过测量之后，可以得到电流误差放大器输出电压的波形，即调制波。

1.2.3 确保CCM模式。在该系统中，在CCM的工作模式下PFC工作。系统在CCM模式下能够进行工作，主要由输出的功率、电感大小、开关频率等决定。其中电感值需要符合特定的计算公式，即L≥。同时，选择的电感值必须达到限制电流过零畸变以及脉动率的相关要求。而本文的讨论只考虑前两项。

1.2.4 选择主电路的参数。通过对主电路进行分析，能够合适地选择合适的电容以及电感的大小。在本系统中，指标输入为P0=500W，Uin=110V，U0=200V，控制芯片采用UC3854，就能得出L=500H。而二次电压输出的纹波与所选择的电压具有一定的联系，通常可以根据1～2倍的功率进行相应的选择，而这里所选择的电容为C=1000F。

1.3 软启动PFC电路

1.3.1 软启动功率系统。如果直接连接电源，系统中的电流就会产生较大的冲击，因此必须增设一个电阻软启动。在初次通电时，需要继电器断开其常开触点，运用该电阻，市电则能对电容补充一定的电量，其电阻值为30，因此补充电流的过程中，最大限度为10A。将电源控制为15V时，还需要补充一定的电量给小电容，当补充到12V时，就能有效地将NPN管导通。同时继电器就会闭合，且软启动对应的电阻短路，这样一来，在正常工作状态下，可以防止电阻消耗电能，从而实现系统硬件软启动的目的。

1.3.2 控制软启动系统。主要采用3854芯片的13脚作为软启动端，当工作正常的情况下，13脚的电压值7.5V则看作电压误差放大器的参考电压值，当向控制系统开始通电时，系统内部则会提供为14uA左右的电流恒流源，并将13脚对地电容进行线性充电，电压范围为0～7.5V，这样就能促使系统达到软启动的目的。

2 设计控制系统分析

在逆变系统中，一般采用的经典控制芯片为UC3854，这一芯片的设计思路主要可以从图1中加以体现。其中最主要的设计就是电流环CA以及电压环VA。

2.1 设计电压环

设计电压环是指设计电压的误差放大器，而设计的电压的补偿误差放大器网络，以二次谐波脉动抑制为主电压。若变换器中输出的为P0功率，输出C0的滤波电容，电压输出为U0，其中U0指的是C0上的平均电压。在如图2所示的补偿网络中，100Hz的情况下，放大器的增益可以用如下公式进行表示：

2.2 设计电流环

设计电流环主要是指设计电流的误差放大器，如图2所示。按照图2中所表示的电路，可以将放大CA的倍数Af的公式写出来，即：

通过对两边进行求解对数，就能得出如下公式：

根据上述的表达公式，就能将波特图绘制出来。为了确保功率因数满足1，电流误差放大器，即幅频特性CA应该设计为波特图。最后ii的分量低频与imo，跟踪效果非常好，且ii与ui的正弦波其整流全波波形为同相。

3 实践结果分析

采用仿真模拟试验分析，校正功率因数之后，如图3所示。其中，上图为电压输入，下图为电流输入。在系统中，功率因数的输入很接近1，因此，PFC电路为放大整个系统提供了高功率因数、隔离、简单的高效前级直流电源。

4 结语

综上所述，本文通过对逆变系统高效前级直流电源PFC电路的分析和设计探究，分析了Boost型PFC电路工作的基本原理以及其电路的设计思路，同时对控制系统中的电压环设计以及电流环设计做了详细的阐述，以便为逆变系统高效前级直流电源PFC电路今后的设计和研究提供一些参考的依据。

参考文献

[1] 王建华.分布式电源系统中非线性子系统相互作用研究[D].南京航空航天大学，2010.

[2] 张正茂.大功率软开关X光机高压直流电源[D].重庆大学，2012.

[3] 宋卫平.高压直流通信电源中高频开关整流模块的研究[D].南京航空航天大学，2012.

[4] 王侃.高压直流UPS电源系统的研究与应用[D].浙江大学，2016.

[5] 张书浩.高频逆变式电动汽车车载充电电源研究[D].华南理工大学，2011.

[6] 强金星.基于400Hz逆变器的单相电力电子负载系统研究[D].华中科技大学，2012.

（责任编辑：黄银芳）