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(zhǔn)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(biāo)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(zhǔn)。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?zhǔn)電流由輸入整流電壓與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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)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。