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UC3854ControlledPowerFactorCorrectionCircuitDesignApplicationNoteTI1UC3854控制之功率因數修正器電路設計PHILIPC.TODD摘要這個應用手冊說明功率因數修正的概念與它的升壓型前端調節器的設計。本手冊包含了功率因數修正的重要規格、升壓型轉換器的功率電路設計與控制此一轉換器的UC3854積體電路說明。本文將提供完整的設計過程，同時說明了設計過程中所必須進行的斟酌與考量。本文所提到的設計流程適用於UC3854A/B以及UC3854。您可以參考Unitrod公司所出品的設計手冊DN-39以了解某些本文未提到的主題。雖然本文沒有討論到這些部分，但是在進行設計時還是必須考量這些部分的。本篇應用手冊是用以作為取代應用手冊U-125使用UC3854的功率因數修正器之用。前言主動式功因修正器的主要功能就是使電源供應器的輸入功因修正為1.0，即使得電源供應器把功因修正器的輸入端視為一個電阻。而主動式功因修正器主要是利用電流的響應隨著電壓的變化而跟著增大與減小的方式來完成這個功能。當電壓與電流間的變動比為一個定值時，輸入端將呈現電阻性且此時的功率因數將達到1.0。若這個變動比不再是一個定值，則輸入的波形將會產生相位差或諧波失真，而這些變化將會降低功率因數。一般對功率因數的定義是實功率與視在功率間的比例，即P是輸入功率的實功率，Vrms與Irms是負載的電壓與電流均方根值，也就是文中所提到的功因修正器輸入電壓與電流均方根值。若負載是一個純電阻，則實功率與電壓電流均方根值的乘積將會是相同的，且此時的功率將會是1.0；若負載不是一個純電阻，則功因將會低於1.0。相移量的大小主要是反應了主動式功因修正器的輸入電抗大小，任何像是電感或電容的電抗皆會造成輸入電流相對於輸入電壓的相位改變。電壓電流間的相位差也是一種功率因數典型的定義，即功率因數等於電壓與電流相角差的餘弦函數電壓與電流間的相角差也反映出虛功率的大小。如果負載的電抗只佔負載阻抗的一小部份，則相位差將會很小。當輸入端因前饋信號或控制迴路造成相移時，主動式功因修正器可對輸入電流產生一個相位修正的效果。此外，交流側的線電流濾波器也可能會造成相位移。諧波失真率反映出主動式功因修正器輸入阻抗中的非線性成分。任何輸入阻抗的變動（以輸入電壓的函數呈現）將會造成輸入電流的諧波失真，而此諧波失真也是造成低功率因數的原因之一。諧波失真將會造成輸入電流均方根值的增加，但不會增加輸入的功率。也因此一個非線性的負載將會造成不好的功率因數，其原因是系統需要輸入較高的電流但總輸出功率卻很低。如果非線性的成分較小的話，則諧波失真也會相對的減小。主動式功因修正器的失真主要有幾個生成的原因：前饋信號、回授控制的閉迴路、輸出電容、系統電感及輸入的橋式整流器。UC3854ControlledPowerFactorCorrectionCircuitDesignApplicationNoteTI2表1ㄧ個主動式功因修正器可以輕易的達到一個很高的功率因數，一般而言皆遠高於0.9以上。但功率因數不會隨著諧波失真或電流波型的改變而有明顯的變化，所以比直接觀察功率因數的大小更方便的方法，是利用下列幾個數值來考量。例如：3%的諧波失真其功因為0.999；30%諧波失真的電流其功因仍有0.95；與電壓相差25度的電流其功因為0.90。以目前的趨勢來說，負責電力品質的全球性標準組織多以詳細列出輸入線電流上每一個頻段的最大容忍諧波量的方式來制訂標準。IEC555-2訂定了15次諧波之前的每一個諧波與15次之後的總諧波相對的電流諧波容許量。表一列出了在本文完成時，IEC555-2所列出的諧波需求。該標準包含了兩個部份的規範：相對的電流諧波量以及總諧波量的絕對最大值，這兩個限制都適用於所有的設備。這個表主要是拿來作線間諧波失真規範的例子，尚無法作為設計時的規格參考。這是因為IEC在目前尚也未提出IEC555的最後版本，因此此一標準仍可能會有大幅度的修改。主動式功因修正對於一個主動式功因修正器的功率級電路而言，升壓型調節器是一個極佳的選擇，其主要的原因是此架構的輸入電流是連續的，也因此它產生較低的傳導性干擾與最好的輸入電流波形。然而升壓型調節器的缺點就是它的輸出需要是一個高電壓，也就是輸出電壓需要高於輸入的預期峰值電壓。應用在主動式功因修正用途上的升壓型調節器其輸入電流波形必須與輸入電壓波形成正比。因此必須使用回授控制來達到此一目的，UC3854ControlledPowerFactorCorrectionCircuitDesignApplicationNoteTI3圖1高功率因數電路的基本組態可以採用的方法包括峰值電流模式控制法或者是平均電流模式控制法等。這兩種控制技術都可利用UC3854來實現。峰值電流模式控制法在電流回授響應上的低增益與高頻寬的特性使這種控制法不適用於高性能的主動式功因修正器，因為此方法的電流命令與實際電流間的誤差較大。此一現象也將會造成諧波失真與較差的功率因數。平均電流模式控制法主要是利用一個簡單的概念，就是在升壓型調節器功率電路上再外加一個由放大器電路構成的回授迴路，也因此輸入電流將會以微小的誤差量追隨著電流命令而變化。以上就是平均電流控制法的優點，也是為什麼能改善功率因數的原因。平均電流模式相對來講是比較容易實現的，這也是本文所要描述的方法。圖2調節器前端的波形UC3854ControlledPowerFactorCorrectionCircuitDesignApplicationNoteTI4圖3高功率因數圖1所示為升壓型功率因數修正器的電路方塊圖，升壓型功率因數修正器的功率電路部份是與直流/直流升壓型轉換器是相同的。在電感之前有一個橋式整流電路對交流輸入電壓進行整流，但交流轉直流用的大型輸入電容已被移到升壓型轉換器的輸出側。在某些電路中橋式整流電路後會接上一個電容值較小的電容，此電容主要是作為抑制雜訊用。升壓型調節器的輸出電壓為一定值，但它的輸入電流則呈現半個弦波的形式。流入輸出電容器的功率不是一個定值，它是以輸入電壓的兩倍頻率變化，其瞬間的功率為電容的瞬時電壓乘以流入電容的瞬時電流。如圖2所示，最上方的波形為輸入功率因數修正器的電壓與電流，第二個波形則為流入與流出輸出電容的能量。當輸入電壓高於輸出電容的電壓時，電容是處於儲能的狀態；當輸入電壓低於輸出電容的電壓時，電容是處於放能的狀態。第三個波形是電容的充電電流與放電電流，此電流波形與輸入電流波形有著不同的形狀，且其頻率它幾乎是在輸入電壓的二次諧波上。此一能量的流動將會造成二次諧波形式的電壓漣波，如圖2中之第四個波形所示。要注意的是，這個電壓漣波與電流波形相差為90度，所以這是虛功形式的儲能。在考慮輸出電容的額定值時必須將處理二次諧波漣波電流以及處理升壓型轉換器功率開關在調變時所造成的高頻漣波電流的能力考量進去。控制電路主動式功率因數修正器必須同時控制輸入電流與輸出電壓，而電流控制迴路的命令是由整流後的線電壓所決定，因此可以使轉換器的輸入阻抗呈現電阻性。而輸出電壓的控制是藉由改變電流命令的平均值大小來完成。類比的乘法器將整流後的線電壓乘以電壓誤差放大器的輸出後，產生一個電流控制命令。也因此電流的控制命令與輸入電壓的形狀相同，同時其平均值代表輸出電壓的控制命令大小。圖3所示為一個主動式功率因數修正器所需要的基本控制器電路方塊圖。輸出電流乘法器的輸出稱之為Imo，而這個乘法器的輸出即為輸入電流的控制命令。在圖3中，乘法器的輸入端（輸入電壓整流後的電壓）是以電流的方式表示的，因為這就是UC3854的動作原理。除了乘法器之外，在圖3中還包括了平方器與除法器，這些電路主要的功能是將電壓誤差放大器的輸出除以輸入電壓的平均值取平方後的數值，最後得到的值再乘以整流後的電壓信號。這個外加的電路將可使電壓回路的增益維持一個定值，沒有它的話電壓回路增益將會是平均輸入電壓的平方倍。輸入電壓的平均值稱之為前饋電壓信號或是Vff，而當它被前饋到電壓回路增益時，此一數值提供了一個開回路的修正量，且這個值是需要取平方後用來作為電壓誤差放大器輸出電壓信號Vvea的除數。UC3854ControlledPowerFactorCorrectionCircuitDesignApplicationNoteTI5電流的控制信號必須盡可能地接近整流後的線電壓信號以提升功率因數，如果電壓回路的頻寬太大，則此控制回路將會調節輸入電流以達成輸出電壓的恆定，但這樣會使得輸入電流的波形嚴重失真。因此電壓回路的頻寬必須小於輸入線電壓的頻率。但是電壓回路的暫態響應又必須要很快，所以電壓回路的頻寬又需要盡可能地大。平方器與除法器所構成的電路將可使回路的增益維持定值，所以控制器頻寬就可以盡可能地靠近輸入線電壓的頻率以降低輸出電壓的暫態變化。當電壓輸入變動範圍大時，這個問題更形重要。這個使回路增益維持定值的電路讓電壓誤差放大器的輸出變成一種功率的控制，電壓誤差放大器的輸出就可直接控制傳送到負載的功率大小，從以下的例子就可以輕易地看到這個現象。如果電壓誤差放大器的輸出是一個定值，而輸入的電壓變成兩倍，則控制命令將會變成兩倍，但這個命令值將會除以前饋電壓信號的平方，也就是除以四倍的輸入電壓信號，而其結果將會使輸入電流變成原先值的一半。輸入電壓變成兩倍時，輸入電流變為原值的一半則可維持與原輸入功率相同的功率。因此，電壓誤差放大器的輸出即可用來控制功率因數修正器的輸入功率等級，此種控制法可用來限制系統從電源得到的最大的功率。如果將電壓誤差放大器的輸出限制在某些值（即對應到某些最大輸入功率等級的值），則當輸入電壓在正常操作範圍內時主動式功率因數修正器將不會從電力線吸取超過這個最大值的功率。輸入的失真源控制電路會將諧波失真與相移導入輸入電流波形，產生這些誤差的原因包括輸入端的橋式整流器、乘法電路的輸出與以及輸出與前饋電壓中的漣波等。在主動式功率因數修正器中有兩個調變過程，首先是輸入端的橋式整流的影響，再則是乘法電路、除法電路與平方電路所造成的影響。每一個調變過程都會產生兩個輸入端間乘積、諧波或邊頻(sideband)的影響，且這些過程在數學上的表示式都相當地複雜。然而有趣的是，雖然這兩種調變會互相的影響，但卻可相互的解調，所以它的解是相當簡單的。就如同之前所描述，在主動式功率因數修正器中的漣波電壓皆是線電壓頻率的二次諧波。當這些電壓經過乘法轉換電路後，所得的信號將轉換成輸入電流的控制命令，輸入電流再經過輸入端整流二極體後，二次諧波電壓的大小值將會產生兩種不同頻率的成分。這兩項成分分別為輸入線電壓頻率的三次諧波成分以及基本波成分。且這兩個成分的電壓大小值為原來二次諧波電壓大小值的一半，其相位則與原先二次諧波的相位相同。如果這個漣波電壓大小值為輸入線電壓大小值的10%且相位位移90度的話，則輸入電流將會產生一個相移為90度，大小為基本波5%的三次諧波再加上一個相移也是90度，大小為基本波5%的一次諧波。前饋電壓是將交流的電壓整流後所得的電壓，而這個電壓有一個二次諧波的成分，且這個成分的大小值為平均輸入電壓大小值的66%。前饋電壓除法器的濾波電容大大地衰減了二次諧波，且有效地消除了較高頻的諧波，因此前饋的輸入端僅會存有少量的二次諧波。如圖3所示，這個前饋電壓將會被送到平方電路中。由於此一漣波具有相當高的直流成分，因此漣波的大小值會被變成兩倍。除法器對漣波的成分沒有影響，因此此一漣波會直接出現在乘法器的輸入端，最後變成輸入電流的三次諧波失真與相移。平方電路將信號轉換成兩倍的動作反應出輸入電流諧波失真量（以百分比表示）與前饋輸入端漣波電壓的量（以百分比表示）是相同的。很明顯地，前饋的漣波電壓必須相當小如此輸入電流的失真才會降低。漣波電壓可以利用一個具有單一極點且截止頻率非常低的濾波器來加以衰減。然而，由於系統也希望能對輸入電壓的變化有非常快的響應，因此濾波器的響應時間也不能太久。當然，這兩種需求是相違背的，所以必須想出一個折衷的方法。使用一個具有雙極點的濾波器可以在漣波衰減量