基于ICE2PCS05高功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)

陳 響，唐 建，寇文軍，武強(qiáng)強(qiáng)，沈 亮，李國劍

（1.西北民族大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，甘肅 蘭州 730030；2.甘南軍分區(qū)，甘肅 蘭州 730030）

基于ICE2PCS05高功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)

陳 響1，唐 建2，寇文軍1，武強(qiáng)強(qiáng)1，沈 亮1，李國劍1

（1.西北民族大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，甘肅 蘭州 730030；2.甘南軍分區(qū)，甘肅 蘭州 730030）

以單相Boost有源功率因數(shù)校正電路為研究對象，分析有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基本原理及其分類，并對每一類型電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作特點(diǎn)及工作方式進(jìn)行比較。逆變焊機(jī)輸入整流電路中的濾波電容是導(dǎo)致輸入電流波形畸變的原因所在，產(chǎn)生高次諧波，并降低電源的功率因數(shù)。基于新型功率因數(shù)校正芯片ICE2PCS05，設(shè)計(jì)一款功率為300W，輸出為400V的高功率因數(shù)校正電路，詳細(xì)分析該電路的工作原理、升壓電感、電容、功率開關(guān)管、二極管、開關(guān)頻率和ICE2PCS05外圍電路等部分參數(shù)的設(shè)計(jì)方式，并給出其測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)電路合理可行、輸入電流畸變小，輸出電壓恒定，可獲得高功率因數(shù)。

ICE2PCS05；有源功率因數(shù)校正；Boost變換器

0 前言

將交流220 V電網(wǎng)電壓整流再提供直流是實(shí)際單相電源應(yīng)用中最為廣泛的變流方案[1]，但系統(tǒng)中一些中小負(fù)載和電力電子裝置等接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波電流而引起功率因數(shù)下降。有源功率因數(shù)校正技術(shù)是指采用可控開關(guān)器件構(gòu)成有源電路讓輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，從而降低諧波，提高功率因數(shù)。在各種功率因數(shù)校正電路中，單相Boost電路因具有效率高、電路簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[2]。

1 有源功率因數(shù)校正（APFC）原理

提高電子電源的功率因數(shù)，抑制其電流諧波畸變，目前有無源校正和有源校正兩種方案。無源功率因數(shù)校正是在電路中接入無源LC諧振濾波器，使電路輸入端的電流接近正弦波；有源功率因數(shù)校正是將開關(guān)電源等電子負(fù)載變換成等效的純電阻來提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)低諧波[3]。無源功率因數(shù)簡單、成本低，但尺寸和質(zhì)量大，難以得到高功率因數(shù)。因此，在一些中小功率場合一般采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。

有源功率因數(shù)校正主要有升降壓型、升壓型（Boost）、降壓性（Buck）和正激型幾類。升降壓型PFC電路既可對輸入電壓升壓又可降壓，在整個(gè)輸入周期內(nèi)可連續(xù)工作，但峰值電流較高，功率容量差；降壓型PFC電路雖然開關(guān)管的電壓應(yīng)力較小，但輸出電壓難以控制，輸入電流斷續(xù)，功率因數(shù)不可能提高很多；正激型PFC電路簡單，但需增加磁復(fù)位回路來釋放電感中的儲(chǔ)能；升壓型PFC電路輸入電壓范圍寬，輸入電流連續(xù)，可獲得高功率因數(shù)，在一般場合被廣泛采用[4]。

升壓型PFC技術(shù)主要是分割整流電路和大濾波電容，通過控制PFC開關(guān)管的導(dǎo)通使輸入電流跟蹤輸入電壓的變化，從而達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。

Boost升壓型APFC電路原理如圖1所示。主電路由單相Boost變換器構(gòu)成，控制電路采用ICE2PCS05控制芯片控制[5]。在工作過程中，輸入電感中的電流隨著開關(guān)管的導(dǎo)通和截止受到監(jiān)控與調(diào)節(jié)，使之與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位且波形相同。

圖1 升壓變換型有源功率因數(shù)校正（APFC）電路原理

2 ICE2PCS05的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及引腳功能

ICE2PCS05是英飛凌公司推出的一種新型功率因數(shù)控制芯片。該芯片有以下特點(diǎn)：（1）輸出功率最大可達(dá)1 000 W以上；（2）采用平均電流控制；（3）適合85～265 V的AC線路輸入。該芯片有8個(gè)引腳，其引腳功能如表1所示[1，4]。

表1 ICE2PCS05的引腳功能

3 ICE2PCS05的實(shí)際應(yīng)用

本研究應(yīng)用ICE2PCS05設(shè)計(jì)的高功率因數(shù)電路如圖2所示，主要由L2、Q1、C2、VD1和VD2等器件構(gòu)成的功率主電路和以ICE2PCS05為核心的控制電路構(gòu)成[6-7]。

在電路輸入側(cè)，熔絲FU1和元件RV1分別起過電流保護(hù)和過電壓保護(hù)，L1及Cx2、Cx2和CY1、CY2用作射頻抑制，為防止系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流產(chǎn)生，加RT1用作限制。R1、R2和R3相并聯(lián)，構(gòu)成電流檢測部分。電容C1和EMI防電磁干擾電源濾波器主要用于濾除電感L2中的高頻電流紋波。IC管腳2上的電容C5用于電流回路補(bǔ)償，管腳4的外部電阻R6被用來設(shè)置開關(guān)頻率，R7、C3和C4并聯(lián)構(gòu)成電壓回路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[1，4]。

單相Boost有源功率因數(shù)校正電路，技術(shù)指標(biāo)為[4，8]：輸入交流電壓85～265 VAC；輸入頻率50 Hz；輸出直流電壓390 VDC；輸出功率300 W；開關(guān)頻率65 kHz；功率因數(shù)PF=0.9。

3.1 系統(tǒng)主電路中Boost變換器的設(shè)計(jì)

3.1.1 升壓電感的設(shè)計(jì)

電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)能力的物理量，在電路中起儲(chǔ)能、濾波、延遲和振蕩等作用。在系統(tǒng)主電路中，升壓電感決定著輸入端高頻紋波電流總量的變化。流過電感器的峰值電流等于輸入電壓最小情況下的峰值輸入電流與高頻紋波電流之和[9]，按照限制電流脈動(dòng)最小的原則來確定電感值。按最不理想的情況考慮：輸出功率最大，輸入電壓最低。此時(shí)，輸入電流最大，紋波也最大，為了保證在這種情況下輸入電流的紋波仍然滿足要求，電感的設(shè)計(jì)應(yīng)該在輸入電壓最低的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算[4，8]。

圖2 基于ICE2PCS05控制的有源功率因數(shù)校正電路

當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)有式中 TS為開關(guān)周期；fS為開關(guān)頻率。

（1）確定輸入電流的最大峰值：當(dāng)輸入電壓最小時(shí)，輸入電流最大，有

（2）設(shè)定允許的電感電流的最大紋波ΔIL，通常選擇為最大峰值線路電流的20%

（3）確定電感電流出現(xiàn)最大峰值時(shí)的占空比：當(dāng)輸入電流跟隨輸入電壓達(dá)到峰值，此時(shí)電流紋波也達(dá)到最大值。因此，計(jì)算占空比時(shí)應(yīng)取最小輸入電壓的峰值點(diǎn)[10]，有

（4）計(jì)算升壓電感值為

綜合上述計(jì)算，本設(shè)計(jì)中L實(shí)取值為1.5 mH。

3.1.2 功率開關(guān)管和二極管的選擇

在高功率因數(shù)電路設(shè)計(jì)中，PFC開關(guān)管選用場效應(yīng)管MOSFET，升壓二極管采用碳化硅肖特基二極管。主要考慮最大整流電流和最高反向工作電壓兩個(gè)參數(shù)。最大整流電流即二極管長期工作允許通過的最大正向平均電流，必須大于電感電流最大值；最高反向工作電壓是二極管工作時(shí)允許外加的最大反向電壓，其必須大于輸出電壓。電壓考慮1.2倍的安全裕量，電流考慮1.5倍的安全裕量[11]，則

依上述計(jì)算，功率開關(guān)管選取額定電流為20A、額定電壓為600 V的場效應(yīng)管MOSFET，二極管選擇快恢復(fù)二極管。

3.1.3 輸出電容的設(shè)計(jì)

輸出電容與電容的供電紋波電流、電容的供電時(shí)間、輸出電壓、開關(guān)頻率等有關(guān)。若考慮電容的供電時(shí)間[7]，則本設(shè)計(jì)中選電容C=470 μF。，取Δt為36 ms

3.2 ICE2PCS05外圍電路部分參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.2.1 電流取樣電阻的設(shè)計(jì)

電流取樣電阻Rs上的壓降Us作為輸入電流取樣信號(hào)，通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，使輸入電流呈正弦波形。從IC數(shù)據(jù)手冊查知，軟過載電流控制閾值的最大值為-0.66 V。電流檢測電阻可由以下方法計(jì)算[12]：

電感的峰值電流為

本設(shè)計(jì)中電流取樣部分采用阻值均為0.33 Ω的3個(gè)電阻R1、R2、R3并聯(lián)所得。

3.2.2 電壓取樣電阻的設(shè)計(jì)

在圖2中，由R9、R10構(gòu)成的電壓分壓器來設(shè)置輸出電壓。先確定電阻R10，然后根據(jù)R10計(jì)算電阻R9

式中 Uref為電壓檢測時(shí)的參考電壓值，一般取Uref＝ 5V。選R10=10 kΩ，則

由于R9的電壓應(yīng)力較高，因此選用電阻串聯(lián)來達(dá)到所要求的阻值[9]。設(shè)計(jì)中R9用兩個(gè)阻值分別為470 kΩ和300 kΩ的電阻串聯(lián)代替。

3.2.3 開關(guān)頻率設(shè)置

IC的工作頻率范圍為50～250 kHz，當(dāng)選擇R6分別為82 kΩ、33 kΩ和18 kΩ時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)頻率分別為56 kHz、133 kHz和250 kHz[4]。

4 實(shí)驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)為：輸入交流電壓120 V，輸入濾波電容470 μF，升壓電感1.5 mH。圖3a為不加PFC時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)輸入電壓電流波形，圖3b為加PFC后輸入電壓電流波形。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在未加PFC控制電路時(shí)，輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，為窄脈沖波形；加入PFC控制電路后，輸入電流變成嚴(yán)格的正弦電流波形，且與輸入電壓同頻率、同相位。

5 結(jié)論

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一些電力電子裝置被廣泛應(yīng)用，但當(dāng)這些裝置如傳統(tǒng)的二極管或晶閘管整流器等接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)引起電網(wǎng)產(chǎn)生高次諧波，導(dǎo)致電流發(fā)生畸變，降低功率因數(shù)。因此，如何改善電力電子裝置的輸入電流波形和功率因數(shù)，已成為電力電子產(chǎn)品開發(fā)需要考慮的重要因素[13]。基于平均電流模式控制技術(shù)，以新型功率因數(shù)校正芯片ICE2PCS05為核心，設(shè)計(jì)了輸出功率為300 W的功率因數(shù)校正電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)電路性能良好，紋波小，輸出電壓恒定，功率因數(shù)高。

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圖3 輸入電壓電流波形

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Design of active power factor correction circuit based on ICE2PCS05 controller

CHEN Xiang1，TANG Jian2，KOU Wenjun1，WU Qiangqiang1，SHEN Liang1，LI Guojian1
（1.Engineering Training Center，Northwest University for Nationalities，Lanzhou 730030，China；2.GANLan Army Division，Lanzhou 730030，China）

Based on the single-phase Boost active power factor correction circuit as the research object，analyze the basic principle and classification of active power factor correction technology，and compare each type of circuit topology，work characteristics and working methods.The filter capacitor in the input rectifier circuit of the inverter welding machine is the cause of the distortion of the input current waveform，resulting in higher harmonics and reducing the power factor of the power supply.A high power factor correction circuit with a power of 300 W and an output of 400 V is designed based on the new Controller ICE2PCS05.Analyze the operating principle of the circuit and the design methods of some parameters in detail，such as inductance，capacitance，power switch tube，diode，switching frequency and ICE2PCS05 peripheral circuit，and give out the test results.The experimental results show that the designed circuit is reasonable and feasible，the input current distortion is small and the output voltage is constant，so the high power factor can be obtained.

ICE2PCS05；active power factor correction；Boost converter

TG434.1

A

1001－2303（2017）08－0044-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.08

2016-04-22；

2017-07-27

2015年國家民委高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（15023）；西北民族大學(xué)本科教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目（2016XJJG-21）

陳 響（1986—），女，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事金工實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作以及材料加工的研究工作。E-mail：ganlanshu2004@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：陳響，唐建，寇文軍，等.基于ICE2PCS05高功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：44-47.