功率因數校正在配電終端電源中的應用

王 凱，李瑩瑩

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310000）

功率因數（PF）指的是有效功率與總耗電量（視在功率）的比值，基本上功率因數可以衡量電力被有效利用的程度，功率因數值越大，代表其電力利用率越高。本設計采用英飛凌（Infineon）公司的CCM控制模式功率因數校正芯片ICE2PCS01控制驅動MOSFET開關管，并與升壓電感、輸出電容等組成Boost拓撲結構，輸入電流與基準電流比較后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，屬于有源功率因數校正。

1 控制方式介紹

圖1為ICE2PCS01的內部邏輯圖。

該芯片的基本原理如下所述。假設電壓環正處于工作狀態，輸出電壓保持恒定，則一個CCM升壓型PFC控制系統的MOSFET關斷占空比DOFF可以由DOFF=VIN／VOUT得到。可知，DOFF正比于VIN，它反映了輸入電壓波形。利用這個，ICE2PCS01的電壓環模塊產生一個斜率隨DOFF變化的鋸齒波與電流環的低頻平均電流AVE（IIN）比較，來調整PWM。（電流環的目的在于調整電感電流的平均值，使得它正比于關斷占空比DOFF，從而正比于輸入電壓VIN。）這個關系式可以通過前邊沿調制方式實現，如圖2右圖中虛線是P1的波形。實線是P2的波形。

圖1 ICE2PCS01的內部邏輯圖

斜坡信號由內部的振蕩器產生，斜坡信號的幅值一方面受內部的控制信號控制，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導通模式（CCM）PFC專用控制器，該芯片采用平均電流值控制，使得功率因數可以達到1，具有以下的應用特點：僅有8個管腳，所需外圍器件少；支持寬范圍的電壓輸入；50～250kHz可調頻率范圍，頻率在125kHz時，最大占空比為95%；芯片供電電壓10.0～21.0V（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3所示。

圖3 ICE2PCS01內部結構

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）：電流采樣輸入端。為防止浪涌電流導致引腳3電壓超出最大承受值，通常串聯一個電阻來限制注入ICE1PCS01芯片電流。

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，可調頻率范圍為50～250kHz。

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）：驅動輸出端。具有1.5A的驅動能力。

3 主要參數設計

（1）開關頻率的選擇

采用高的開關頻率有助于縮小電路體積，增加功率密度，降低波形失真度；但是由于是硬開關，采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20～200kHz，綜合考慮，本設計選擇的開關頻率為70kHz，根據芯片設計手冊可得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系。當輸入電壓最低、輸出功率最大時，電感電流值最大，這時電流紋波也將最大。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0.5mH。

（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，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，同時需注意大負載沖擊時，母線電壓的瞬間跌落不能影響后級電路，在實際電路應用中存在機殼尺寸的限制，使用的Boost輸出電容為270μF／450V的電解電容。

（4）開關管的選擇

本設計開關管采用 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，最大平均值為6.36A。開關管兩端承受的最大電壓為UDS=UDC+△U=380+380x20%=456V，考慮到開關管的過壓尖刺，開關管需要的耐壓值至少為600V，這里選SPP20N60C3型的 MOSFET，其額定指標為20.7A／650V。

結合上面的電路方案和具體參數設計，得出基于ICE2PCS01的有源功率因數校正電路，Boost APFC電路原理圖如圖4所示。

圖4 APFC電路原理圖

4 測試結果

圖5為測試所得全電壓范圍內不同負載情況下的功率因數曲線圖。可以看出，在50W左右功率因數已超過0.9，在負載大于250W時超過0.99，在很大的負載范圍內都可保持高功率因數。小負載時做了一個對比試驗：輸出帶相同的負載20W，第一種情況正常開PFC，第二種關掉PFC，將輸入電壓調至280V，使整流后的輸出電壓與開PFC時一致，測試所得數據如表1所示。

圖5 功率因數曲線圖

表1 有PFC與無PFC數據對比情況

通過對比可以看出，加了有源PFC電路，使配電終端電源在小負載時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（單獨測試損耗大概為2W）。視在功率得到大幅減小，電網的利用率得到提高，從而可以滿足國網對配網終端功耗的指標要求。

5 結語

本文介紹了一種應用在配電終端電源上的功率因數校正電路。根據測試結果，在很大的負載范圍內都可保持高功率因數，滿載功率因數大于0.99。同時輸入電流的諧波分量得到大幅減小，減少了對電網的污染。而相同負載下視在功率的大幅減小，使得電網的利用率得到提高，起到了節能降耗的作用，從而可以滿足國網對配電終端電源的新要求。經試驗驗證，該電路啟動電流小，外圍元器件少，成本低廉，能同時滿足電源系統重量輕，穩定性好，可靠性高等要求。

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