基于ICE2PCS01的有源功率因素校正的电路设计

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小编: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

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:

基于ICE2PCS01的有源功率因素校正的电路设计


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。

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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。

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