基于ICE2PCS01的有源功率因素校正的電路設(shè)計

摘要：針對開關(guān)電源中的整流電路和其本身的非線性負載特性產(chǎn)生大量諧波污染公共電網(wǎng)問題，提出了一種高功率因素校正電路。采用英飛凌(Infineon)公司的CCM控制模式功率因素校正芯片ICE2PCS01控制驅(qū)動MOSFET開關(guān)管，并與升壓電感、輸出電容等組成Boost拓撲結(jié)構(gòu)，輸入電流與基準電流比較后的誤差電流經(jīng)過放大，再與PWM波比較，得到開關(guān)管驅(qū)動信號，快速而精確地使輸入電流平均值與輸入整流電壓同相位，接近正弦波。結(jié)果表明，該電路方案能大大減小輸入電流的諧波分量，在AC176V-264V的寬電壓輸入范圍內(nèi)得到穩(wěn)定的DC380V輸出，功率因素高達0．98。
關(guān)鍵詞：功率因素；有源功率因素校正；平均電流控制；ICE2PCS01

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)與家庭生活中的用電設(shè)備越來越多，電力需求不斷地增長，因此，提高用電效率，減少電網(wǎng)污染，已經(jīng)成為普遍關(guān)注的研究課題。高頻開關(guān)電源具有效率高、成本低等特點，因而已在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而開關(guān)電源中的整流器，電容濾波電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，雖然輸入交流電壓是正弦波，但是由于整流二極管的導(dǎo)通角很小，導(dǎo)致輸入電流波形嚴重畸變，呈窄脈沖狀，含有大量的諧波，并且濾波電容越大，電流畸變越嚴重，功率因素也就越低。
傳統(tǒng)開關(guān)電源網(wǎng)側(cè)的功率因素只有0．5～0．65，不僅使得供電線路的能量損耗增加，浪費了大量的電能，而且諧波分量在線路中傳導(dǎo)、輻射，嚴重影響鄰近用電設(shè)備的正常工作，縮短了電氣設(shè)備的使用壽命。電流畸變還會使某些電力計量和保護裝置不能正常工作，甚至可能造成電網(wǎng)諧振、危害電網(wǎng)及用電設(shè)備安全。因此，必須采取措施來提高功率因素，減少電網(wǎng)污染。

1 功率因素校正原理
功率因素PF(Power Factor)是指系統(tǒng)的有功功率P與視在功率S的比值：

表示基波電流有效值在總的輸入電流有效值所占的比例，cosβ1表示輸入基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)。功率因素校正的目標就是要使用電設(shè)備的輸入電流和電壓保持波形和相位同步，以充分有效地利用電網(wǎng)提供的電能。

2 功率因素校正方法的選擇
目前主要用來提高功率因素校正的方法有：多脈沖整流，這種方案在變壓器具有平衡負載的情況下，對減少輸入端的低次諧波是有效的；無源濾波法，這種方法對抑制高次諧波有效，但是濾波設(shè)備體積龐大，提高功率因素效果也不理想，在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用越來越少。有源功率因素校正(APFC)法，它利用有源開關(guān)式AC／DC變換技術(shù)，直接使輸入電流成為與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波。這種方法對技術(shù)要求較高，但功率因素校正效果好，在理論上可將功率因素校正到0．99以上，故在大容量的通信開關(guān)電源系統(tǒng)中使用較普遍。文中主要介紹用于LED路燈集中供電的大功率電源，故使用這種方法。

3 平均電流控制模式Boost APFC電路原理
本設(shè)計主回路采用Boost變換器拓撲的有源功率因素校正，Boost電路具有效率高、電路簡單、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)將平均電流控制的Boos t AFPC電路的基本工作原理說明。BoostAPFC電路平均電流控制原理如圖1所示，主電路由單相整流橋和DC—DC Boost變換器組成，虛線框內(nèi)為控制電路。

平均電流控制原來是用來在開關(guān)電源中形成電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出電流的，現(xiàn)在將平均電流法應(yīng)用于功率因數(shù)校正，以輸入整流電壓Udc和輸出電壓誤差放大信號的乘積為電流基準。平均電流控制采用了電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)，其中電流控制環(huán)使輸入電流跟接近正弦波，電壓控制環(huán)使Boost電路輸出的電壓更穩(wěn)定?；鶞孰娏饔奢斎胝麟妷号c輸出電壓誤差放大信號的乘積組成，其中從輸入整流電壓取樣的目的是是基準電流與整流后的電壓波形同相。輸入電流誤差信號經(jīng)過CA被平均化處理，CA的輸出加到PWM比較器的同相輸入端，鋸齒波信號接到PWM比較器的反向輸入端，這樣電流誤差放大器CA的輸出可直接控制PWM比較器的占空比，給開關(guān)管提供驅(qū)動信號。由于電流環(huán)有著較高的增益一帶寬(Cain—Bandwidth)，使跟蹤誤差產(chǎn)生的畸變小于1％，容易實現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)。

4 APFC電路設(shè)計
4．1 芯片選型
本設(shè)計的有源功率因數(shù)校正電路中采用了兩級PFC電路結(jié)構(gòu)，分別實現(xiàn)對輸入電流和輸出電壓的精準快速調(diào)節(jié)。要求功率因數(shù)大于98％諧波失真度(THD)小于5％。輸入交流市電經(jīng)過整流濾波，進行功率因素校正，經(jīng)過Boost APFC電路，輸出穩(wěn)定的直流380 V電壓，以供后級使用。選用英飛凌的APFC控制芯片ICE2PCS01，通過對電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的精確控制，實現(xiàn)功率因素校正的目的。
ICE2PCS01是英飛凌(Infineon)公司推出的一款低成本的連續(xù)導(dǎo)通模式CCM PFC專用控制器，該芯片采用平均電流值控制，使得功率因素可以達到1，具有以下的應(yīng)用特點：僅有8個管腳，所需外圍器件少；支持寬范圍內(nèi)的電壓輸入；50～250 kHz可調(diào)頻率范嗣，頻率在125 kHz時，最大占空比為95％；芯片供電電壓10．0～21．0 V(典型值)；增強的動態(tài)響應(yīng)，單周期電流峰值限制，軟啟動功能；具有多項保護功能，如開環(huán)保護、輸出過壓保護、交流電源欠壓保護、電源欠壓保護、峰值電流限幅及軟過流限幅保護等；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

下面為ICE2PCS01的引腳功能說明。GND(引腳1)：芯片接地端。ICOMP(引腳2)：電流環(huán)補償器。該引腳外接一個補償電容構(gòu)成濾波環(huán)節(jié)，將輸入ISENSE腳的帶有波紋的、反應(yīng)電感電流的電壓波形濾波為一個反映電感平均電流的正向電壓波形。ISENSE(引腳3)：電流采樣輸入端。為防止浪涌電流導(dǎo)致引腳3電壓超出最大承受值，通常串聯(lián)一個電阻來限制注入ICE1PCS01芯片電流。FREQ(引腳4)：頻率設(shè)置端。該管腳可以通過對地外接一個電阻來設(shè)定系統(tǒng)的開關(guān)頻率，可調(diào)頻率范圍為50～250 kHz。VCOMP(引腳5)：電壓環(huán)補償器。該管腳通過對地連接的一個補償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成電壓控制環(huán)的補償器，而且可以提供系統(tǒng)的軟啟動功能從而控制啟動時輸入電流的緩慢上升。VSENSE(引腳6)：輸出電壓傳感／反饋端。該管腳通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓，該管腳的參考電壓為5 V，該腳大于0．8 V芯片才工作。VCC(引腳7)：芯片供電端。供電電壓為10．2～21 V。GATE(引腳8)：驅(qū)動輸出端。具有1．5 A的驅(qū)動能力。
4．2 主要參數(shù)的設(shè)計
1)開關(guān)頻率的選擇
采用高的開關(guān)頻率有助于縮小電路體積，增加功率密度，降低波形失真度；但是采用過高的開關(guān)頻率又會導(dǎo)致開關(guān)損耗增大，影響功率電路效率。在實際的電路應(yīng)用中，開關(guān)頻率一般選20～200 kHz，本設(shè)計選擇的開關(guān)頻率為67kHz，根據(jù)芯片設(shè)計手冊可得R6電阻值為70kΩ。
2)升壓電感的選擇
Boost電路中的電感L1起存儲傳遞能量和濾波等作用，電感量的選擇對輸入端的電流紋波大小有直接關(guān)系。當(dāng)輸入電壓最低、輸出功率最大時，電感電流值最大，這時電流波紋也將最大。在這種情況下，電感電流波紋也還要滿足設(shè)計要求，經(jīng)計算所需的升壓電感值為0.15mH。
3)輸出電容的選擇
輸出濾波電容起濾除開關(guān)管工作造成的波紋和平滑輸出直流電壓、濾除其中脈沖成分的作用。在實際電路應(yīng)用中，使用的Boost輸出電容為3 300μF／450 V的電解電容。
4)開關(guān)管的選擇
本設(shè)計開關(guān)管采用MOSFET，功率MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負載電流大的優(yōu)點，因而非常適合用作開關(guān)電源的整流組件。導(dǎo)通時開關(guān)管中流過的電流就是電感電流，最大值為39．16 A。開關(guān)管兩端承受的最大電壓為UDS=UDC+△U=380+380x20％=456 V，考慮到開關(guān)管的過壓尖刺，開關(guān)管需要的耐壓值至少為600 V，這里選FCA47N60型的MOSFET，其額定指標為47 A／600 V。
結(jié)合上面的電路方案和具體參數(shù)設(shè)計，得出基于ICE2PCS01的有源功率因素校正電路，圖中使用了驅(qū)動芯片F(xiàn)AN3224C來提高ICE2PCS01的驅(qū)動能力。Boost APFC電路原理圖如圖3所示。

5 實驗結(jié)果
根據(jù)上述設(shè)計依據(jù)，通過電路連接、調(diào)試與測試，試驗得到輸入電壓電流波形如圖4所示，圖中上面為輸入電壓波形，下面為輸入電流波形，由圖可見經(jīng)過功率因素校正之后輸入電流由窄脈沖變?yōu)檎也?，與輸入電壓相位相同，此時Boost升壓電路的阻抗特性相當(dāng)于于純電阻電路，實現(xiàn)了提高功率因素的目的。

6 結(jié)束語
文中闡述了一種基于Boost電路拓撲原理，具有功率因素校正功能的AC—DC變換器，較好的完成了功率因素校正功能。研制出的PFC電路輸入電壓范圍為AC176V-264 V，輸出為DC380 V，在整個輸入電壓范圍內(nèi)功率因素大于0．92，滿載輸出額定功率為3．5 kW，現(xiàn)已成功運用在大功率集中供電LED路燈供電電源中。實驗表明該電路滿足設(shè)計要求，性能優(yōu)越、原理簡單、工作穩(wěn)定可靠，應(yīng)用前景廣泛。