基於ICE2PCS01的有源功率因素校正的電路設計

摘要：針對開關電源中的整流電路和其本身的非線性負載特性產生大量諧波汙染公共電網問題，提出了一種高功率因素校正電路。採用英飛凌(Infineon)公司的CCM控制模式功率因素校正晶片ICE2PCS01控制驅動MOSFET開關管，並與升壓電感、輸出電容等組成Boost拓撲結構，輸入電流與基準電流比較後的誤差電流經過放大，再與PWM波比較，得到開關管驅動信號，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的寬電壓輸入範圍內得到穩定的DC380V輸出，功率因素高達0．98。
關鍵詞：功率因素；有源功率因素校正；平均電流控制；ICE2PCS01

隨著國家經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高，工業生產與家庭生活中的用電設備越來越多，電力需求不斷地增長，因此，提高用電效率，減少電網汙染，已經成為普遍關注的研究課題。高頻開關電源具有效率高、成本低等特點，因而已在諸多領域得到廣泛應用。然而開關電源中的整流器，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，但是由於整流二極體的導通角很小，導致輸入電流波形嚴重畸變，呈窄脈衝狀，含有大量的諧波，並且濾波電容越大，電流畸變越嚴重，功率因素也就越低。
傳統開關電源網側的功率因素只有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、輻射，嚴重影響鄰近用電設備的正常工作，縮短了電氣設備的使用壽命。電流畸變還會使某些電力計量和保護裝置不能正常工作，甚至可能造成電網諧振、危害電網及用電設備安全。因此，必須採取措施來提高功率因素，減少電網汙染。

1 功率因素校正原理
功率因素PF(Power Factor)是指系統的有功功率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佔的比例，cosβ1表示輸入基波電壓與基波電流之間的相移因數。功率因素校正的目標就是要使用電設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：多脈衝整流，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，但是濾波設備體積龐大，提高功率因素效果也不理想，在產品設計中應用越來越少。有源功率因素校正(APFC)法，它利用有源開關式AC／DC變換技術，直接使輸入電流成為與電網電壓同相位的正弦波。這種方法對技術要求較高，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電源系統中使用較普遍。文中主要介紹用於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
本設計主迴路採用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、成本低等優點，現將平均電流控制的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，虛線框內為控制電路。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201809/388570.htm

平均電流控制原來是用來在開關電源中形成電流環調節輸出電流的，現在將平均電流法應用於功率因數校正，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。平均電流控制採用了電流控制環和電壓控制環，其中電流控制環使輸入電流跟接近正弦波，電壓控制環使Boost電路輸出的電壓更穩定。基準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電流與整流後的電壓波形同相。輸入電流誤差信號經過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比較器的佔空比，給開關管提供驅動信號。由於電流環有著較高的增益一帶寬(Cain—Bandwidth)，使跟蹤誤差產生的畸變小於1％，容易實現接近於1的功率因數。

4 APFC電路設計
4．1 晶片選型
本設計的有源功率因數校正電路中採用了兩級PFC電路結構，分別實現對輸入電流和輸出電壓的精準快速調節。要求功率因數大於98％諧波失真度(THD)小於5％。輸入交流市電經過整流濾波，進行功率因素校正，經過Boost APFC電路，輸出穩定的直流380 V電壓，以供後級使用。選用英飛凌的APFC控制晶片ICE2PCS01，通過對電流內環、電壓外環的精確控制，實現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導通模式CCM PFC專用控制器，該晶片採用平均電流值控制，使得功率因素可以達到1，具有以下的應用特點：僅有8個管腳，所需外圍器件少；支持寬範圍內的電壓輸入；50～250 kHz可調頻率範嗣，頻率在125 kHz時，最大佔空比為95％；晶片供電電壓10．0～21．0 V(典型值)；增強的動態響應，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；其內部結構如圖2所示。

下面為ICE2PCS01的引腳功能說明。GND(引腳1)：晶片接地端。ICOMP(引腳2)：電流環補償器。該引腳外接一個補償電容構成濾波環節，將輸入ISENSE腳的帶有波紋的、反應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)：電流採樣輸入端。為防止浪湧電流導致引腳3電壓超出最大承受值，通常串聯一個電阻來限制注入ICE1PCS01晶片電流。FREQ(引腳4)：頻率設置端。該管腳可以通過對地外接一個電阻來設定系統的開關頻率，可調頻率範圍為50～250 kHz。VCOMP(引腳5)：電壓環補償器。該管腳通過對地連接的一個補償網絡構成電壓控制環的補償器，而且可以提供系統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絡採樣輸出電壓，該管腳的參考電壓為5 V，該腳大於0．8 V晶片才工作。VCC(引腳7)：晶片供電端。供電電壓為10．2～21 V。GATE(引腳8)：驅動輸出端。具有1．5 A的驅動能力。
4．2 主要參數的設計
1)開關頻率的選擇
採用高的開關頻率有助於縮小電路體積，增加功率密度，降低波形失真度；但是採用過高的開關頻率又會導致開關損耗增大，影響功率電路效率。在實際的電路應用中，開關頻率一般選20～200 kHz，本設計選擇的開關頻率為67kHz，根據晶片設計手冊可得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係。當輸入電壓最低、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計要求，經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管工作造成的波紋和平滑輸出直流電壓、濾除其中脈衝成分的作用。在實際電路應用中，使用的Boost輸出電容為3 300μF／450 V的電解電容。
4)開關管的選擇
本設計開關管採用MOSFET，功率MOSFET具有導通電阻低、負載電流大的優點，因而非常適合用作開關電源的整流組件。導通時開關管中流過的電流就是電感電流，最大值為39．16 A。開關管兩端承受的最大電壓為UDS=UDC+△U=380+380x20％=456 V，考慮到開關管的過壓尖刺，開關管需要的耐壓值至少為600 V，這裡選FCA47N60型的MOSFET，其額定指標為47 A／600 V。
結合上面的電路方案和具體參數設計，得出基於ICE2PCS01的有源功率因素校正電路，圖中使用了驅動晶片FAN3224C來提高ICE2PCS01的驅動能力。Boost APFC電路原理圖如圖3所示。

5 實驗結果
根據上述設計依據，通過電路連接、調試與測試，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，由圖可見經過功率因素校正之後輸入電流由窄脈衝變為正弦波，與輸入電壓相位相同，此時Boost升壓電路的阻抗特性相當于于純電阻電路，實現了提高功率因素的目的。

6 結束語
文中闡述了一種基於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。研製出的PFC電路輸入電壓範圍為AC176V-264 V，輸出為DC380 V，在整個輸入電壓範圍內功率因素大於0．92，滿載輸出額定功率為3．5 kW，現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計要求，性能優越、原理簡單、工作穩定可靠，應用前景廣泛。