基于ICE2PCS05高功率因数校正电路的设计

陈 响，唐 建，寇文军，武强强，沈 亮，李国剑

（1.西北民族大学 工程训练中心，甘肃 兰州 730030；2.甘南军分区，甘肃 兰州 730030）

基于ICE2PCS05高功率因数校正电路的设计

陈 响1，唐 建2，寇文军1，武强强1，沈 亮1，李国剑1

（1.西北民族大学 工程训练中心，甘肃 兰州 730030；2.甘南军分区，甘肃 兰州 730030）

以单相Boost有源功率因数校正电路为研究对象，分析有源功率因数校正技术的基本原理及其分类，并对每一类型电路的拓扑结构、工作特点及工作方式进行比较。逆变焊机输入整流电路中的滤波电容是导致输入电流波形畸变的原因所在，产生高次谐波，并降低电源的功率因数。基于新型功率因数校正芯片ICE2PCS05，设计一款功率为300W，输出为400V的高功率因数校正电路，详细分析该电路的工作原理、升压电感、电容、功率开关管、二极管、开关频率和ICE2PCS05外围电路等部分参数的设计方式，并给出其测试结果。实验结果表明，该设计电路合理可行、输入电流畸变小，输出电压恒定，可获得高功率因数。

ICE2PCS05；有源功率因数校正；Boost变换器

0 前言

将交流220 V电网电压整流再提供直流是实际单相电源应用中最为广泛的变流方案[1]，但系统中一些中小负载和电力电子装置等接入电网时，会对电网产生谐波电流而引起功率因数下降。有源功率因数校正技术是指采用可控开关器件构成有源电路让输入电流波形跟随输入电压波形，从而降低谐波，提高功率因数。在各种功率因数校正电路中，单相Boost电路因具有效率高、电路简单、成本低等优点而得到广泛应用[2]。

1 有源功率因数校正（APFC）原理

提高电子电源的功率因数，抑制其电流谐波畸变，目前有无源校正和有源校正两种方案。无源功率因数校正是在电路中接入无源LC谐振滤波器，使电路输入端的电流接近正弦波；有源功率因数校正是将开关电源等电子负载变换成等效的纯电阻来提高功率因数，实现低谐波[3]。无源功率因数简单、成本低，但尺寸和质量大，难以得到高功率因数。因此，在一些中小功率场合一般采用有源功率因数校正技术。

有源功率因数校正主要有升降压型、升压型（Boost）、降压性（Buck）和正激型几类。升降压型PFC电路既可对输入电压升压又可降压，在整个输入周期内可连续工作，但峰值电流较高，功率容量差；降压型PFC电路虽然开关管的电压应力较小，但输出电压难以控制，输入电流断续，功率因数不可能提高很多；正激型PFC电路简单，但需增加磁复位回路来释放电感中的储能；升压型PFC电路输入电压范围宽，输入电流连续，可获得高功率因数，在一般场合被广泛采用[4]。

升压型PFC技术主要是分割整流电路和大滤波电容，通过控制PFC开关管的导通使输入电流跟踪输入电压的变化，从而达到改善功率因数的目的。

Boost升压型APFC电路原理如图1所示。主电路由单相Boost变换器构成，控制电路采用ICE2PCS05控制芯片控制[5]。在工作过程中，输入电感中的电流随着开关管的导通和截止受到监控与调节，使之与电网电压同频率、同相位且波形相同。

图1 升压变换型有源功率因数校正（APFC）电路原理

2 ICE2PCS05的基本结构特点及引脚功能

ICE2PCS05是英飞凌公司推出的一种新型功率因数控制芯片。该芯片有以下特点：（1）输出功率最大可达1 000 W以上；（2）采用平均电流控制；（3）适合85～265 V的AC线路输入。该芯片有8个引脚，其引脚功能如表1所示[1，4]。

表1 ICE2PCS05的引脚功能

3 ICE2PCS05的实际应用

本研究应用ICE2PCS05设计的高功率因数电路如图2所示，主要由L2、Q1、C2、VD1和VD2等器件构成的功率主电路和以ICE2PCS05为核心的控制电路构成[6-7]。

在电路输入侧，熔丝FU1和元件RV1分别起过电流保护和过电压保护，L1及Cx2、Cx2和CY1、CY2用作射频抑制，为防止系统启动时的浪涌电流产生，加RT1用作限制。R1、R2和R3相并联，构成电流检测部分。电容C1和EMI防电磁干扰电源滤波器主要用于滤除电感L2中的高频电流纹波。IC管脚2上的电容C5用于电流回路补偿，管脚4的外部电阻R6被用来设置开关频率，R7、C3和C4并联构成电压回路补偿网络[1，4]。

单相Boost有源功率因数校正电路，技术指标为[4，8]：输入交流电压85～265 VAC；输入频率50 Hz；输出直流电压390 VDC；输出功率300 W；开关频率65 kHz；功率因数PF=0.9。

3.1 系统主电路中Boost变换器的设计

3.1.1 升压电感的设计

电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量，在电路中起储能、滤波、延迟和振荡等作用。在系统主电路中，升压电感决定着输入端高频纹波电流总量的变化。流过电感器的峰值电流等于输入电压最小情况下的峰值输入电流与高频纹波电流之和[9]，按照限制电流脉动最小的原则来确定电感值。按最不理想的情况考虑：输出功率最大，输入电压最低。此时，输入电流最大，纹波也最大，为了保证在这种情况下输入电流的纹波仍然满足要求，电感的设计应该在输入电压最低的点进行计算[4，8]。

图2 基于ICE2PCS05控制的有源功率因数校正电路

当开关管S导通时有式中 TS为开关周期；fS为开关频率。

（1）确定输入电流的最大峰值：当输入电压最小时，输入电流最大，有

（2）设定允许的电感电流的最大纹波ΔIL，通常选择为最大峰值线路电流的20%

（3）确定电感电流出现最大峰值时的占空比：当输入电流跟随输入电压达到峰值，此时电流纹波也达到最大值。因此，计算占空比时应取最小输入电压的峰值点[10]，有

（4）计算升压电感值为

综合上述计算，本设计中L实取值为1.5 mH。

3.1.2 功率开关管和二极管的选择

在高功率因数电路设计中，PFC开关管选用场效应管MOSFET，升压二极管采用碳化硅肖特基二极管。主要考虑最大整流电流和最高反向工作电压两个参数。最大整流电流即二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流，必须大于电感电流最大值；最高反向工作电压是二极管工作时允许外加的最大反向电压，其必须大于输出电压。电压考虑1.2倍的安全裕量，电流考虑1.5倍的安全裕量[11]，则

依上述计算，功率开关管选取额定电流为20A、额定电压为600 V的场效应管MOSFET，二极管选择快恢复二极管。

3.1.3 输出电容的设计

输出电容与电容的供电纹波电流、电容的供电时间、输出电压、开关频率等有关。若考虑电容的供电时间[7]，则本设计中选电容C=470 μF。，取Δt为36 ms

3.2 ICE2PCS05外围电路部分参数的设计

3.2.1 电流取样电阻的设计

电流取样电阻Rs上的压降Us作为输入电流取样信号，通过电流环的调节作用，使输入电流呈正弦波形。从IC数据手册查知，软过载电流控制阈值的最大值为-0.66 V。电流检测电阻可由以下方法计算[12]：

电感的峰值电流为

本设计中电流取样部分采用阻值均为0.33 Ω的3个电阻R1、R2、R3并联所得。

3.2.2 电压取样电阻的设计

在图2中，由R9、R10构成的电压分压器来设置输出电压。先确定电阻R10，然后根据R10计算电阻R9

式中 Uref为电压检测时的参考电压值，一般取Uref＝ 5V。选R10=10 kΩ，则

由于R9的电压应力较高，因此选用电阻串联来达到所要求的阻值[9]。设计中R9用两个阻值分别为470 kΩ和300 kΩ的电阻串联代替。

3.2.3 开关频率设置

IC的工作频率范围为50～250 kHz，当选择R6分别为82 kΩ、33 kΩ和18 kΩ时，相应的开关频率分别为56 kHz、133 kHz和250 kHz[4]。

4 实验波形

实验主要参数为：输入交流电压120 V，输入滤波电容470 μF，升压电感1.5 mH。图3a为不加PFC时系统网侧输入电压电流波形，图3b为加PFC后输入电压电流波形。

实验结果表明：在未加PFC控制电路时，输入电流发生严重畸变，为窄脉冲波形；加入PFC控制电路后，输入电流变成严格的正弦电流波形，且与输入电压同频率、同相位。

5 结论

随着电力电子技术的发展，一些电力电子装置被广泛应用，但当这些装置如传统的二极管或晶闸管整流器等接入电网时，会引起电网产生高次谐波，导致电流发生畸变，降低功率因数。因此，如何改善电力电子装置的输入电流波形和功率因数，已成为电力电子产品开发需要考虑的重要因素[13]。基于平均电流模式控制技术，以新型功率因数校正芯片ICE2PCS05为核心，设计了输出功率为300 W的功率因数校正电路。实验结果表明，该设计电路性能良好，纹波小，输出电压恒定，功率因数高。

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图3 输入电压电流波形

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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年国家民委高等教育教学改革研究项目（15023）；西北民族大学本科教学建设与改革项目（2016XJJG-21）

陈 响（1986—），女，实验师，硕士，主要从事金工实训教学工作以及材料加工的研究工作。E-mail：ganlanshu2004@163.com。

本文参考文献引用格式：陈响，唐建，寇文军，等.基于ICE2PCS05高功率因数校正电路的设计[J].电焊机，2017，47（08）：44-47.