基于ICE2PCS01的有源功率因素校正的电路设计

摘要：针对开关电源中的整流电路和其本身的非线性负载特性产生大量谐波污染公共电网问题，提出了一种高功率因素校正电路。采用英飞凌(Infineon)公司的CCM控制模式功率因素校正芯片ICE2PCS01控制驱动MOSFET开关管，并与升压电感、输出电容等组成Boost拓扑结构，输入电流与基准电流比较后的误差电流经过放大，再与PWM波比较，得到开关管驱动信号，快速而精确地使输入电流平均值与输入整流电压同相位，接近正弦波。结果表明，该电路方案能大大减小输入电流的谐波分量，在AC176V-264V的宽电压输入范围内得到稳定的DC380V输出，功率因素高达0．98。
关键词：功率因素；有源功率因素校正；平均电流控制；ICE2PCS01

随着国家经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，工业生产与家庭生活中的用电设备越来越多，电力需求不断地增长，因此，提高用电效率，减少电网污染，已经成为普遍关注的研究课题。高频开关电源具有效率高、成本低等特点，因而已在诸多领域得到广泛应用。然而开关电源中的整流器，电容滤波电路是一种非线性器件和储能元件的组合，虽然输入交流电压是正弦波，但是由于整流二极管的导通角很小，导致输入电流波形严重畸变，呈窄脉冲状，含有大量的谐波，并且滤波电容越大，电流畸变越严重，功率因素也就越低。
传统开关电源网侧的功率因素只有0．5～0．65，不仅使得供电线路的能量损耗增加，浪费了大量的电能，而且谐波分量在线路中传导、辐射，严重影响邻近用电设备的正常工作，缩短了电气设备的使用寿命。电流畸变还会使某些电力计量和保护装置不能正常工作，甚至可能造成电网谐振、危害电网及用电设备安全。因此，必须采取措施来提高功率因素，减少电网污染。

1 功率因素校正原理
功率因素PF(Power Factor)是指系统的有功功率P与视在功率S的比值：

表示基波电流有效值在总的输入电流有效值所占的比例，cosβ1表示输入基波电压与基波电流之间的相移因数。功率因素校正的目标就是要使用电设备的输入电流和电压保持波形和相位同步，以充分有效地利用电网提供的电能。

2 功率因素校正方法的选择
目前主要用来提高功率因素校正的方法有：多脉冲整流，这种方案在变压器具有平衡负载的情况下，对减少输入端的低次谐波是有效的；无源滤波法，这种方法对抑制高次谐波有效，但是滤波设备体积庞大，提高功率因素效果也不理想，在产品设计中应用越来越少。有源功率因素校正(APFC)法，它利用有源开关式AC／DC变换技术，直接使输入电流成为与电网电压同相位的正弦波。这种方法对技术要求较高，但功率因素校正效果好，在理论上可将功率因素校正到0．99以上，故在大容量的通信开关电源系统中使用较普遍。文中主要介绍用于LED路灯集中供电的大功率电源，故使用这种方法。

3 平均电流控制模式Boost APFC电路原理
本设计主回路采用Boost变换器拓扑的有源功率因素校正，Boost电路具有效率高、电路简单、成本低等优点，现将平均电流控制的Boos t AFPC电路的基本工作原理说明。BoostAPFC电路平均电流控制原理如图1所示，主电路由单相整流桥和DC—DC Boost变换器组成，虚线框内为控制电路。

平均电流控制原来是用来在开关电源中形成电流环调节输出电流的，现在将平均电流法应用于功率因数校正，以输入整流电压Udc和输出电压误差放大信号的乘积为电流基准。平均电流控制采用了电流控制环和电压控制环，其中电流控制环使输入电流跟接近正弦波，电压控制环使Boost电路输出的电压更稳定。基准电流由输入整流电压与输出电压误差放大信号的乘积组成，其中从输入整流电压取样的目的是是基准电流与整流后的电压波形同相。输入电流误差信号经过CA被平均化处理，CA的输出加到PWM比较器的同相输入端，锯齿波信号接到PWM比较器的反向输入端，这样电流误差放大器CA的输出可直接控制PWM比较器的占空比，给开关管提供驱动信号。由于电流环有着较高的增益一带宽(Cain—Bandwidth)，使跟踪误差产生的畸变小于1％，容易实现接近于1的功率因数。

4 APFC电路设计
4．1 芯片选型
本设计的有源功率因数校正电路中采用了两级PFC电路结构，分别实现对输入电流和输出电压的精准快速调节。要求功率因数大于98％谐波失真度(THD)小于5％。输入交流市电经过整流滤波，进行功率因素校正，经过Boost APFC电路，输出稳定的直流380 V电压，以供后级使用。选用英飞凌的APFC控制芯片ICE2PCS01，通过对电流内环、电压外环的精确控制，实现功率因素校正的目的。
ICE2PCS01是英飞凌(Infineon)公司推出的一款低成本的连续导通模式CCM PFC专用控制器，该芯片采用平均电流值控制，使得功率因素可以达到1，具有以下的应用特点：仅有8个管脚，所需外围器件少；支持宽范围内的电压输入；50～250 kHz可调频率范嗣，频率在125 kHz时，最大占空比为95％；芯片供电电压10．0～21．0 V(典型值)；增强的动态响应，单周期电流峰值限制，软启动功能；具有多项保护功能，如开环保护、输出过压保护、交流电源欠压保护、电源欠压保护、峰值电流限幅及软过流限幅保护等；其内部结构如图2所示。

下面为ICE2PCS01的引脚功能说明。GND(引脚1)：芯片接地端。ICOMP(引脚2)：电流环补偿器。该引脚外接一个补偿电容构成滤波环节，将输入ISENSE脚的带有波纹的、反应电感电流的电压波形滤波为一个反映电感平均电流的正向电压波形。ISENSE(引脚3)：电流采样输入端。为防止浪涌电流导致引脚3电压超出最大承受值，通常串联一个电阻来限制注入ICE1PCS01芯片电流。FREQ(引脚4)：频率设置端。该管脚可以通过对地外接一个电阻来设定系统的开关频率，可调频率范围为50～250 kHz。VCOMP(引脚5)：电压环补偿器。该管脚通过对地连接的一个补偿网络构成电压控制环的补偿器，而且可以提供系统的软启动功能从而控制启动时输入电流的缓慢上升。VSENSE(引脚6)：输出电压传感／反馈端。该管脚通过电阻分压网络采样输出电压，该管脚的参考电压为5 V，该脚大于0．8 V芯片才工作。VCC(引脚7)：芯片供电端。供电电压为10．2～21 V。GATE(引脚8)：驱动输出端。具有1．5 A的驱动能力。
4．2 主要参数的设计
1)开关频率的选择
采用高的开关频率有助于缩小电路体积，增加功率密度，降低波形失真度；但是采用过高的开关频率又会导致开关损耗增大，影响功率电路效率。在实际的电路应用中，开关频率一般选20～200 kHz，本设计选择的开关频率为67kHz，根据芯片设计手册可得R6电阻值为70kΩ。
2)升压电感的选择
Boost电路中的电感L1起存储传递能量和滤波等作用，电感量的选择对输入端的电流纹波大小有直接关系。当输入电压最低、输出功率最大时，电感电流值最大，这时电流波纹也将最大。在这种情况下，电感电流波纹也还要满足设计要求，经计算所需的升压电感值为0.15mH。
3)输出电容的选择
输出滤波电容起滤除开关管工作造成的波纹和平滑输出直流电压、滤除其中脉冲成分的作用。在实际电路应用中，使用的Boost输出电容为3 300μF／450 V的电解电容。
4)开关管的选择
本设计开关管采用MOSFET，功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的优点，因而非常适合用作开关电源的整流组件。导通时开关管中流过的电流就是电感电流，最大值为39．16 A。开关管两端承受的最大电压为UDS=UDC+△U=380+380x20％=456 V，考虑到开关管的过压尖刺，开关管需要的耐压值至少为600 V，这里选FCA47N60型的MOSFET，其额定指标为47 A／600 V。
结合上面的电路方案和具体参数设计，得出基于ICE2PCS01的有源功率因素校正电路，图中使用了驱动芯片FAN3224C来提高ICE2PCS01的驱动能力。Boost APFC电路原理图如图3所示。

5 实验结果
根据上述设计依据，通过电路连接、调试与测试，试验得到输入电压电流波形如图4所示，图中上面为输入电压波形，下面为输入电流波形，由图可见经过功率因素校正之后输入电流由窄脉冲变为正弦波，与输入电压相位相同，此时Boost升压电路的阻抗特性相当于于纯电阻电路，实现了提高功率因素的目的。

6 结束语
文中阐述了一种基于Boost电路拓扑原理，具有功率因素校正功能的AC—DC变换器，较好的完成了功率因素校正功能。研制出的PFC电路输入电压范围为AC176V-264 V，输出为DC380 V，在整个输入电压范围内功率因素大于0．92，满载输出额定功率为3．5 kW，现已成功运用在大功率集中供电LED路灯供电电源中。实验表明该电路满足设计要求，性能优越、原理简单、工作稳定可靠，应用前景广泛。