功率因数校正在配电终端电源中的应用

王 凯，李莹莹

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310000）

功率因数（PF）指的是有效功率与总耗电量（视在功率）的比值，基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，功率因数值越大，代表其电力利用率越高。本设计采用英飞凌（Infineon）公司的CCM控制模式功率因数校正芯片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，属于有源功率因数校正。

1 控制方式介绍

图1为ICE2PCS01的内部逻辑图。

该芯片的基本原理如下所述。假设电压环正处于工作状态，输出电压保持恒定，则一个CCM升压型PFC控制系统的MOSFET关断占空比DOFF可以由DOFF=VIN／VOUT得到。可知，DOFF正比于VIN，它反映了输入电压波形。利用这个，ICE2PCS01的电压环模块产生一个斜率随DOFF变化的锯齿波与电流环的低频平均电流AVE（IIN）比较，来调整PWM。（电流环的目的在于调整电感电流的平均值，使得它正比于关断占空比DOFF，从而正比于输入电压VIN。）这个关系式可以通过前边沿调制方式实现，如图2右图中虚线是P1的波形。实线是P2的波形。

图1 ICE2PCS01的内部逻辑图

斜坡信号由内部的振荡器产生，斜坡信号的幅值一方面受内部的控制信号控制，但另一方面却可以影响线输入平均值电流的幅值。

图2 电流平均值控制

2 芯片介绍

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，使得功率因数可以达到1，具有以下的应用特点：仅有8个管脚，所需外围器件少；支持宽范围的电压输入；50～250kHz可调频率范围，频率在125kHz时，最大占空比为95%；芯片供电电压10.0～21.0V（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3所示。

图3 ICE2PCS01内部结构

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50～250kHz。

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5V，该脚大于0.8V芯片才工作。

VCC（引脚7）：芯片供电端。供电电压为10.2～21V。GATE（引脚8）：驱动输出端。具有1.5A的驱动能力。

3 主要参数设计

（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；但是由于是硬开关，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20～200kHz，综合考虑，本设计选择的开关频率为70kHz，根据芯片设计手册可得RFREQ电阻值为68kΩ。

（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，这时电流纹波也将最大。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0.5mH。

（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纹波和平滑输出直流电压、滤除其中脉冲成分的作用。选取电容时，额定纹波电流需留一定的裕量，考虑电容在高温下的使用寿命，同时需注意大负载冲击时，母线电压的瞬间跌落不能影响后级电路，在实际电路应用中存在机壳尺寸的限制，使用的Boost输出电容为270μF／450V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，最大平均值为6.36A。开关管两端承受的最大电压为UDS=UDC+△U=380+380x20%=456V，考虑到开关管的过压尖刺，开关管需要的耐压值至少为600V，这里选SPP20N60C3型的 MOSFET，其额定指标为20.7A／650V。

结合上面的电路方案和具体参数设计，得出基于ICE2PCS01的有源功率因数校正电路，Boost APFC电路原理图如图4所示。

图4 APFC电路原理图

4 测试结果

图5为测试所得全电压范围内不同负载情况下的功率因数曲线图。可以看出，在50W左右功率因数已超过0.9，在负载大于250W时超过0.99，在很大的负载范围内都可保持高功率因数。小负载时做了一个对比试验：输出带相同的负载20W，第一种情况正常开PFC，第二种关掉PFC，将输入电压调至280V，使整流后的输出电压与开PFC时一致，测试所得数据如表1所示。

图5 功率因数曲线图

表1 有PFC与无PFC数据对比情况

通过对比可以看出，加了有源PFC电路，使配电终端电源在小负载时PF值由0.435提高到0.819，几乎提高了一倍。有功功率的增加是由于PFC电路的损耗（单独测试损耗大概为2W）。视在功率得到大幅减小，电网的利用率得到提高，从而可以满足国网对配网终端功耗的指标要求。

5 结语

本文介绍了一种应用在配电终端电源上的功率因数校正电路。根据测试结果，在很大的负载范围内都可保持高功率因数，满载功率因数大于0.99。同时输入电流的谐波分量得到大幅减小，减少了对电网的污染。而相同负载下视在功率的大幅减小，使得电网的利用率得到提高，起到了节能降耗的作用，从而可以满足国网对配电终端电源的新要求。经试验验证，该电路启动电流小，外围元器件少，成本低廉，能同时满足电源系统重量轻，稳定性好，可靠性高等要求。

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