有源功率因数校正研究：实验9整流电路

一、实验目的

（1）熟悉整流电路功率因数的定义，提高功率因数的意义以及功率因数校正的基本原理。

（2）掌握BOOST功率因数校正器（PFC）的组成、工作原理、特点及调试方法。

（3）熟悉功率因数校正集成控制电路UC3854的组成、功能、工作原理与使用方法。

二、实验内容

（1）PFC集成控制电路芯片UC3854性能测试。

① 芯片的开启电压与关断电压。

② 振荡频率。

③ 限流保护功能。

④ 软起动性能。

⑤ 输出PWM波形。

⑥ 8脚、9脚与11脚的电压。

（2）有与无PFC电路时的交流输入电压与电流波形测试。

（3）交流输入电路的位移因数测试。

（4）不同振荡频率时的交流输入电流的高频谐波测试。

（5）输入电压调整率（抗电压波动能力）测试。

（6）负载调整率（抗负载波动能力）测试。

三、实验系统组成及工作原理

目前使用的绝大部分整流电路均采用二极管整流与滤波大电容相结合的电路结构形式，这种AC/DC变换电路的输入电压虽为正弦波，但输入电流却发生了畸变，如实验图9-1所示，输入电流的非正弦化，导致电流的总谐波失真（THD）高和功率因数（PF）低。

实验图9-1 输入电压电流波形

有源功率因数校正技术的基本思路是在整流电路的滤波电容与负载之间增加一个功率变换电路，将整流电路的输入电流校正成与电网电压同相的正弦波，从而消除了谐波和无功电流，因而可使电网功率因数提高到近似为1。

实验系统原理框图如实验图9-2所示。

实验图9-2 系统原理框图

系统主电路采用BOOST升压电路，控制电路采用功率因数校正专用集成芯片UC3854，为图中虚线部分所示，该芯片内部主要包含电压误差放大器VA及基准电压Vref，电流误差放大器CA，乘法器M，脉宽调制器和驱动器，等。

由上述系统原理框图可见，该BOOST功率因数校正电路是一个双闭环控制系统。内环是控制iL的电流环，外环则是控制输出电压VO的电压环，即检测直流输出电压VO并和指令电压Vref相比较，偏差通过电压调节器VA进行放大，其输出为反映负载大小的电流信号iL。通过乘法器把id与正弦函数|sinwt|相乘，该|sinwt|信号实际上是用单相全波整流后的Uae信号代替的，乘法器的输出iL＝idsinwt加到内环电流调节器的输入端作为电流指令信号与检测到的电感电流iL相比较，通过电流调节器CA调节后，再通过脉宽调制器控制器控制开关器件Tr，即使iL（即充流输入电流）跟踪指令电流I，显然，通过上述控制不仅可使整流id的形状与充流输入电压（正弦波）基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，而且当输出电压VO由于某种原因发生变化时，通过电压外环的控制可使输出电压VO且有较高的电压稳定性。

四、实验设备和仪器

（1）电力电子及电气传动教学实验台主控制屏；

（2）MCL-15整流电路的有源功率因数校正（APFC）实验挂箱；

（3）双踪示波器；

（4）万用表。

五、实验方法

（1）认真阅读实验指导书，掌握APFC电路的工作原理、实验内容与要求。

（2）电路连线。

将“2”与“4”端、“20”与“21”端、“23”与“24”端、“27”与“28”端相连，开启电源开关，测量输出端“13”与“15”间的电压。

（3）PFC芯片UC3854性能测试。

① 开启电压。

关闭电源，断开“23”与“24”的连线，将（“16”与“17”端）、（“18”与“24”端）相连，将电位器RP逆时针旋转到底。

开启电源，将RP顺时针慢旋转，观察“30”与“31”端间波形，直到锯齿波形刚出现为止，用万用表测“24”与“31”端间的电压，该电压即为芯片的开启阈值电压。

② 振荡频率。(www.xing528.com)

a.接线同上，使芯片工作在开启状态，测量“30”端与“31端”之间锯齿波的频率，峰值与谷点电压。

b.将“29”与“30”端相连，测量上述锯齿波的频率，峰值与谷点电压。

③ 峰值电流（限流保护功能）。

连接“2”与“4”端、“16”与“17”端、“23”与“24”端、“21”与“18”端、“27”与“28”端，其他地方不连线，将RP顺时针慢慢旋转到底，合上电源，用示波器观察“10”与“12”端的PWM波形慢慢逆时针旋转RP，直到PWM波形，消失为止，测出此时的“18”与“31”端电压，该电压即为峰值电流限制电压u1也可称为芯片的限流保护电压；而电路正常工作时的“21”与“31”端电压为u2，当已知“11”与“12”端间的取样电阻值Rs后则峰值电流IT＝(u2－u1)/RS，即可求出，系统允许的最大峰值电流。

④ 软起动（起动延时）性能。

连接“2”与“4”端、“20”与“21”端、“23”与“24”端、“27”与“28”端，其他地方不连线，用双踪示波器同时观察“8”与“12”端和“10”与“12”端的波形快速开启电源，读出上述两个波形起始点的时间差，该时间即为软起动时间（或称起动延时时间，由于软起动速度非常快应当用光线示波器或记忆示波器才能看到），断开“27”与“28”端连线，比较没有软起动电路时的延时时间。

⑤ 测试下列各端电压与波形。

a.“22”与“31”端的比较电压。

b.“25”与“31”端的输出反馈电压。

c.“26”与“31”端的输入电源电压。

d.“10”与“31”端的输出PWM波形，记录其周期与占空比。

（4）有PFC电路时的交流输入电压与电流波形测试。

将“2”与“4”端、“20”与“21”端、“23”与“24”端、“27”与“28”端相连，其他地方不连线，用示波器观察并记录“2”与“5”端及“6”与“5”端的波形。

（5）无PFC电路时的交流输入电压与电流波形测试。

将“2”与“4”端、“7”与“13”端相连，其他地方不连线，观察并记录“2”与“5”端及“6”与“5”端的波形（注意示波器探头共地问题）。

（6）输入电路的位移因数测试。

实验步骤同上述（4），将示波器时间轴拉开，测出电压与电流过零点的时间差（μs），换算成电位与电流的相位角中，即可求得输入电路的位移因数cosφ。

（7）振荡频率高低对交流输入电流丝波的影响测试。

“29”与“30”端相连使振荡频率降低一半，观察并描绘“6”与“5”端的交流输入电流波形。

（8）储能电感大小对电路工作影响的测试。

将主回路中“9”与“8”端、“2”与“4”端、“20”与“21”端、“23”与“24”端、“27”与“28”端相连，其他地方不连线，使储能电感量减小一半，观察并描绘“6”与“5”端的交流输入电流波形和“11”与“12”端的整流波形。

（9）输入电压调整率（抗电网电压波动能力）测试。

将“9”与“8”端及“29”与“30”端断开，测出“13”与“15”端电压UO1，然后将“2”与“4”端断开，并将“1”与“4”端相连使交流输入电压增加20%，测出“13”与“15”端电压UO2，再将“1”与“4”端断开，将“3”与“4”端相连使交流输入电压降低20%，测出“13”与“15”端电压UO3，即可计算出：

输入电压调整率＝

（10）负载调整率（抗负载波功能力）测试。

断开“3”与“4”端连线，将“2”与“4”端相连，将“14”与“15”端相连使负载增大一倍，测出“13”电压VO4，即可计算出负载调整率＝（注意：测试负载调整率的时间不要过长，超过30 min则会烧毁FR307）。

六、实验报告

（1）测出芯片的开启电压值与峰值限流电压值，计算出限流保护动作电流值。

（2）测出实测的两种振荡频率值，画出对应的锯齿波，并注明峰值与谷点电压。

（3）画出MOS管的栅极驱动波形。

（4）写出软起动的延时时间值。

（5）列出所测的“22”“25”与“26”端电压值。

（6）画出有与没有PFC电路时的交流输入电压与电流波形。

（7）计算出PFC电路的位移因数值。

（8）画出不同振荡频率、不同储能电感时的交流输入电流波形。

（9）根据实际测量值计算出电压调整率与负载调整率。

（10）实验的收获、体会与改进意见。

七、思考题

（1）试简述谐波和功率因数低时对电网的不利影响以及消除谐波和提高功率因数的方法和思路。

（2）根据你所观察到的输入电流高频纹波波形，试分析该电路的控制方式是采用峰值电流控制法、电流滞环控制法还是平均电流控制法。

（3）试简述Boost功率因数校正电路的主要优缺点。