功率因數(shù)校正在配電終端電源中的應(yīng)用

王 凱，李瑩瑩

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310000）

功率因數(shù)（PF）指的是有效功率與總耗電量（視在功率）的比值，基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。本設(shè)計(jì)采用英飛凌（Infineon）公司的CCM控制模式功率因數(shù)校正芯片ICE2PCS01控制驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管，并與升壓電感、輸出電容等組成Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入電流與基準(zhǔn)電流比較后的誤差電流經(jīng)過(guò)放大，再與PWM波比較，得到開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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，屬于有源功率因數(shù)校正。

1 控制方式介紹

圖1為ICE2PCS01的內(nèi)部邏輯圖。

該芯片的基本原理如下所述。假設(shè)電壓環(huán)正處于工作狀態(tài)，輸出電壓保持恒定，則一個(gè)CCM升壓型PFC控制系統(tǒng)的MOSFET關(guān)斷占空比DOFF可以由DOFF=VIN／VOUT得到?？芍珼OFF正比于VIN，它反映了輸入電壓波形。利用這個(gè)，ICE2PCS01的電壓環(huán)模塊產(chǎn)生一個(gè)斜率隨DOFF變化的鋸齒波與電流環(huán)的低頻平均電流AVE（IIN）比較，來(lái)調(diào)整PWM。（電流環(huán)的目的在于調(diào)整電感電流的平均值，使得它正比于關(guān)斷占空比DOFF，從而正比于輸入電壓VIN。）這個(gè)關(guān)系式可以通過(guò)前邊沿調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)，如圖2右圖中虛線是P1的波形。實(shí)線是P2的波形。

圖1 ICE2PCS01的內(nèi)部邏輯圖

斜坡信號(hào)由內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生，斜坡信號(hào)的幅值一方面受內(nèi)部的控制信號(hào)控制，但另一方面卻可以影響線輸入平均值電流的幅值。

圖2 電流平均值控制

2 芯片介紹

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(zhuān)用控制器，該芯片采用平均電流值控制，使得功率因數(shù)可以達(dá)到1，具有以下的應(yīng)用特點(diǎn)：僅有8個(gè)管腳，所需外圍器件少；支持寬范圍的電壓輸入；50～250kHz可調(diào)頻率范圍，頻率在125kHz時(shí)，最大占空比為95%；芯片供電電壓10.0～21.0V（典型值）；增強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，單周期電流峰值限制，軟啟動(dòng)功能；具有多項(xiàng)保護(hù)功能，如開(kāi)環(huán)保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、交流電源欠壓保護(hù)、電源欠壓保護(hù)、峰值電流限幅及軟過(guò)流限幅保護(hù)等；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ICE2PCS01內(nèi)部結(jié)構(gòu)

下面為ICE2PCS01的引腳功能說(shuō)明。

GND（引腳1）：芯片接地端。

ICOMP（引腳2）：電流環(huán)補(bǔ)償器。該引腳外接一個(gè)補(bǔ)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(gè)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(gè)電阻來(lái)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(guò)對(duì)地外接一個(gè)電阻來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，可調(diào)頻率范圍為50～250kHz。

VCOMP（引腳5）：電壓環(huán)補(bǔ)償器。該管腳通過(guò)對(duì)地連接的一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成電壓控制環(huán)的補(bǔ)償器，而且可以提供系統(tǒng)的軟啟動(dòng)功能從而控制啟動(dòng)時(shí)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(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓，該管腳的參考電壓為5V，該腳大于0.8V芯片才工作。

VCC（引腳7）：芯片供電端。供電電壓為10.2～21V。GATE（引腳8）：驅(qū)動(dòng)輸出端。具有1.5A的驅(qū)動(dòng)能力。

3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）開(kāi)關(guān)頻率的選擇

采用高的開(kāi)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；但是由于是硬開(kāi)關(guān)，采用過(guò)高的開(kāi)關(guān)頻率又會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增大，影響功率電路效率。在實(shí)際的電路應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)頻率一般選20～200kHz，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇的開(kāi)關(guān)頻率為70kHz，根據(jù)芯片設(shè)計(jì)手冊(cè)可得RFREQ電阻值為68kΩ。

（2）升壓電感的選擇

Boost電路中的電感L1起存儲(chǔ)傳遞能量和濾波等作用，電感量的選擇對(duì)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(shí)，電感電流值最大，這時(shí)電流紋波也將最大。在這種情況下，電感電流波紋也還要滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)計(jì)算所需的升壓電感值為0.5mH。

（3）輸出電容的選擇

輸出濾波電容起濾除開(kāi)關(guān)管工作造成的紋波和平滑輸出直流電壓、濾除其中脈沖成分的作用。選取電容時(shí)，額定紋波電流需留一定的裕量，考慮電容在高溫下的使用壽命，同時(shí)需注意大負(fù)載沖擊時(shí)，母線電壓的瞬間跌落不能影響后級(jí)電路，在實(shí)際電路應(yīng)用中存在機(jī)殼尺寸的限制，使用的Boost輸出電容為270μF／450V的電解電容。

（4）開(kāi)關(guān)管的選擇

本設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)管采用 MOSFET，功率 MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大的優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合用作開(kāi)關(guān)電源的整流組件。導(dǎo)通時(shí)開(kāi)關(guān)管中流過(guò)的電流就是電感電流，最大平均值為6.36A。開(kāi)關(guān)管兩端承受的最大電壓為UDS=UDC+△U=380+380x20%=456V，考慮到開(kāi)關(guān)管的過(guò)壓尖刺，開(kāi)關(guān)管需要的耐壓值至少為600V，這里選SPP20N60C3型的 MOSFET，其額定指標(biāo)為20.7A／650V。

結(jié)合上面的電路方案和具體參數(shù)設(shè)計(jì)，得出基于ICE2PCS01的有源功率因數(shù)校正電路，Boost APFC電路原理圖如圖4所示。

圖4 APFC電路原理圖

4 測(cè)試結(jié)果

圖5為測(cè)試所得全電壓范圍內(nèi)不同負(fù)載情況下的功率因數(shù)曲線圖。可以看出，在50W左右功率因數(shù)已超過(guò)0.9，在負(fù)載大于250W時(shí)超過(guò)0.99，在很大的負(fù)載范圍內(nèi)都可保持高功率因數(shù)。小負(fù)載時(shí)做了一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)：輸出帶相同的負(fù)載20W，第一種情況正常開(kāi)PFC，第二種關(guān)掉PFC，將輸入電壓調(diào)至280V，使整流后的輸出電壓與開(kāi)PFC時(shí)一致，測(cè)試所得數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 功率因數(shù)曲線圖

表1 有PFC與無(wú)PFC數(shù)據(jù)對(duì)比情況

通過(guò)對(duì)比可以看出，加了有源PFC電路，使配電終端電源在小負(fù)載時(shí)PF值由0.435提高到0.819，幾乎提高了一倍。有功功率的增加是由于PFC電路的損耗（單獨(dú)測(cè)試損耗大概為2W）。視在功率得到大幅減小，電網(wǎng)的利用率得到提高，從而可以滿足國(guó)網(wǎng)對(duì)配網(wǎng)終端功耗的指標(biāo)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種應(yīng)用在配電終端電源上的功率因數(shù)校正電路。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在很大的負(fù)載范圍內(nèi)都可保持高功率因數(shù)，滿載功率因數(shù)大于0.99。同時(shí)輸入電流的諧波分量得到大幅減小，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染。而相同負(fù)載下視在功率的大幅減小，使得電網(wǎng)的利用率得到提高，起到了節(jié)能降耗的作用，從而可以滿足國(guó)網(wǎng)對(duì)配電終端電源的新要求。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該電路啟動(dòng)電流小，外圍元器件少，成本低廉，能同時(shí)滿足電源系統(tǒng)重量輕，穩(wěn)定性好，可靠性高等要求。

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