中心議題：

• 功率因數(shù)問題及校正的基本原理
• 大屏幕彩電開關(guān)電源的PF分析
• 大屏幕彩電開關(guān)電源的高頻有源PFC

解決方案：

• 大屏幕彩電開關(guān)電源的高頻有源PFC設(shè)計(jì)

1 前言

提高功率因數(shù)（ PF） 是用電設(shè)備節(jié)能的一個(gè)重要因數(shù)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 高頻有源功率因數(shù)校正（ PFC） 技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于各種電源。大屏幕彩電開關(guān)電源的功率在200~ 300W 之間， 原有彩電的開關(guān)電源均采用普通整流加濾波電路， 其諧波電流成分大， 功率因數(shù)值λ低， 一般為0. 65~ 0. 85。本文討論功率因數(shù)問題及其校正的基本原理，分析大屏幕彩電開關(guān)電源的功率因數(shù)，并給出校正電路的設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果。為了提高大屏幕彩電的節(jié)電性能， 在設(shè)計(jì)中我們采用了高頻有源PFC 技術(shù)， 提高了PF 特性。

2 PF 問題及其校正的基本原理

2. 1  PF 的概念
用電設(shè)備的λ指交流輸入有功功率P 和輸入視在功率S的比值， 即：

可見， λ還可定義為失真因數(shù)與移相因數(shù)的乘積。對開關(guān)電源來說， cos φ一般接近于1,即相移不大， 而諧波電流嚴(yán)重， 失真因數(shù)小。

2. 2  PF 低的危害性
用電設(shè)備的PF 低， 易造成以下危害：①諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng)， 而干擾其它用電設(shè)備；②輸入電流有效值大， 需增加電路和保護(hù)器件的規(guī)格；③供電容量增加， 加大了前級設(shè)備（ 如變壓器等） 的定額；④大大增加了中線負(fù)荷， 降低了安全性能。

2. 3 高頻有源PFC的基本原理
高頻有源PFC 是根據(jù)電網(wǎng)的電壓、電流及負(fù)載的變化產(chǎn)生PWM 信號(hào)， 控制高頻電子開關(guān)導(dǎo)通的， 可起調(diào)節(jié)電感L 的作用。改善電流波形， 利用乘法器控制PWM 信號(hào)， 可使電網(wǎng)的輸入電流基本為正弦波， 使λ接近于1（ 即大于0. 99） 。圖1 示出PFC 的原理框圖。

圖1  高頻有源PFC 電路框圖[page]

3  大屏幕彩電開關(guān)電源的PF分析

現(xiàn)有的大屏幕彩電內(nèi)用開關(guān)電源一般采用全橋不可控整流電路直接加電解電容濾波電路。圖2 示出該電路形式。

圖2大屏幕彩電開關(guān)電源原理框圖

圖中，V1 是單相整流橋；C1為吸收電容；R1 是保護(hù)壓敏電阻；R2是熱敏電阻；K為固態(tài)繼電器觸點(diǎn)。

R2 用以限制合閘電流， 當(dāng)輸入濾波電解電容充滿電后， K 閉合， R2 斷接， 電路的交流輸入電壓、電流波形見圖3。由圖3 可見， 只有當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓幅值高于電解電容電壓時(shí)， 電流才從電網(wǎng)中抽出， 因而電流諧波成分很大。計(jì)算出這種波形的λ很低， 一般在0. 65~ 0. 85 之間。

圖3 現(xiàn)有大屏幕彩電開關(guān)電源交流輸入電壓電流波形

圖中，uiac為電網(wǎng)電壓波形；uidc 為經(jīng)V1 整流出的波形；uci 為輸入濾波電解電容的電壓波形；i i 為輸入電流波形。

大屏幕彩電開關(guān)電源的輸入功率在300W 左右， 其中1/ 3 ~ 1/ 5 是無功功率， 若采用有源PFC 技術(shù)可使其λ≥0. 99, 即λ≈1, 這樣可節(jié)電60~ 100W, 是相當(dāng)可觀的。

4  大屏幕彩電開關(guān)電源的高頻有源PFC

4. 1  設(shè)計(jì)方案
我們采用升壓式電路來設(shè)計(jì)大屏幕彩電開關(guān)電源的有源PFC 電路， 其控制電路采用平均電流控制方式， 芯片采用UC3854， 具體電路見圖4。它的工作原理是： 根據(jù)輸出電壓、輸出電流和負(fù)載電流， 由UC3854 產(chǎn)生控制脈沖， 控制開關(guān)管導(dǎo)通， 連續(xù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)L 中的電流，使之跟隨整流后的單向輸入正弦電壓， 并與其成正比； 此外， 為實(shí)現(xiàn)對輸出直流電壓的調(diào)整，利用乘法器并通過輸入交流電壓和輸出直流來調(diào)控正弦基準(zhǔn)電流， 以完成正確的SPWM, 這也是實(shí)現(xiàn)PFC 的關(guān)鍵。

圖4  UC3854 構(gòu)成PFC 電路的大屏幕彩電開關(guān)電源原理圖[page]

我們設(shè)計(jì)開關(guān)管的工作頻率為50kHz, Rt= 11. 2kΩ , C t= 2. 2nF, 輸入電壓Ui 范圍為220V+ 20%- 30%, 直流電壓Ud = √2Ui, DC/ DC 的輸出功率為250W, 輸入功率為275W, 效率η=91%, 根據(jù)公式計(jì)算校正電感：

4. 2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們規(guī)定， 網(wǎng)側(cè)交流電壓為ui, 有效值為Ui; 交流電流為ii, 有效值為Ii; 濾波電解電容上的直流電壓平均值為Ud; DC/ DC 輸入電流的平均值為I d。在輸入線上串一小電阻，用示波器測得其電流波形見圖5。由圖5 可見， ui為正弦， ii 為基本正弦， 在50Hz 波形上有50kHz 的小紋波。i i 與u i 的相位差為100us左右， 所以φ= 1. 8°， cos φ≈0.9995。

圖5  實(shí)測波形

用單相調(diào)壓器調(diào)ui , 再用表測得當(dāng)Ui=220V 時(shí)， I i= 1. 25A, Ud = 310V, I d= 0. 85A,UdId/UiIi≈0.958.

因?yàn)殡娍蛊骱烷_關(guān)管也有功耗， 所以總的λ> 0.958, 如果校正電路的效率η= 0.97, 則λ≈0.988?！　?br />
5  結(jié)束語

大屏幕彩電開關(guān)電源采用全波整流直流電解電容濾波時(shí)的λ在0. 65~ 0. 85 之間， 比較低， 而采用PFC 后， 可使λ提高到0.98 以上，每臺(tái)彩電可節(jié)電60~ 100W。采用PFC 專用芯片， 可方便地實(shí)現(xiàn)校正電路， 且效果良好， 可靠性也高。