【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2功率因數(shù)校正原理功率因數(shù)(PF)定義為有功功率(P)與視在功率(S)的比值，用公式表示為: (）式中:為輸入電流基波有效值；為電網(wǎng)電流有效值,其中,……為輸入電流各次諧波有效值；為輸入電壓基波有效值；為輸入電流的波形畸變因數(shù)；為基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。 可見(jiàn)，功率因數(shù)由輸入電流的波形畸變因數(shù)以及基波電壓和基波電流的位移因數(shù)決定。越小，則設(shè)備的無(wú)功功率越大，設(shè)備利用率越低，導(dǎo)線(xiàn)和變壓器繞組的損耗越大；越小，表示設(shè)備輸入電流諧波分量越大，將造成電流波形畸變，對(duì)電網(wǎng)造成污染，使功率因數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電子設(shè)備損壞。從上式可見(jiàn)，抑制諧波分量即可達(dá)到增大，提高功率因數(shù)的目的。電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，屬于既有電阻又有電感的電感性負(fù)載。電感性負(fù)載的電壓和電流的相量間存在著一個(gè)相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ來(lái)表示。功率因數(shù)是反映電力用戶(hù)用電設(shè)備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 功率因數(shù)分為自然功率因數(shù)、瞬時(shí)功率因數(shù)和加權(quán)平均功率因數(shù)?！　?1)自然功率因數(shù)：是指用電設(shè)備沒(méi)有安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)的功率因數(shù)，或者說(shuō)用電設(shè)備本身所具有的功率因數(shù)。自然功率因數(shù)的高低主要取決于用電設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)，電阻性負(fù)荷(白熾燈、電阻爐)的功率因數(shù)較高，等于1，而電感性負(fù)荷(電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī))的功率因數(shù)比較低，都小于1?！　?2)瞬時(shí)功率因數(shù)：是指在某一瞬間由功率因數(shù)表讀出的功率因數(shù)。瞬時(shí)功率因數(shù)是隨著用電設(shè)備的類(lèi)型、負(fù)荷的大小和電壓的高低而時(shí)刻在變化。(3)加權(quán)平均功率因數(shù)：是指在一定時(shí)間段內(nèi)功率因數(shù)的平均值。 一般APFC原理框圖，但它與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別在于：DC/DC變換之前沒(méi)有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動(dòng)電壓，這個(gè)正弦半波脈動(dòng)直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負(fù)載電壓都受到實(shí)時(shí)的檢測(cè)與監(jiān)控，其控制的結(jié)果是達(dá)到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為1。 由公式（）可知，要提高功率因數(shù)有兩個(gè)途徑，即使輸入電壓，輸入電流同相位；使輸入電流正弦化。利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時(shí)整流器的負(fù)載可等效為純電阻。 功率因數(shù)矯正電路分為有源和無(wú)源兩類(lèi)。無(wú)源校正電路通常由大容量的電感，電容組成。雖然無(wú)源功率因素校正電路得到的功率因數(shù)不如有源功率因素校正電路高，~，因而在小功率電源中被廣泛采用。所謂功率因數(shù)校正(PFC)，就是在整流電路與負(fù)載之間增加一個(gè)功率變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品椒ú粩嗾{(diào)節(jié)輸入電流，使其跟蹤輸入正弦波電壓波形，將輸入電流校正成與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，因而功率因數(shù)可提高到近似為1。由于該方案中應(yīng)用了有源器件，故稱(chēng)為有源功率因數(shù)校正（APFC）。即對(duì)電路采取措施，使輸入電流波形接近正弦波并與輸入電壓同相位，電流正弦化便使=1，同相位就是因數(shù)=1。 APFC技術(shù)的思路是，控制已整流后的電流， 使之在對(duì)濾波大電容充電之前能與整流后的電壓波形相同， 從而避免形成電流脈沖，減小輸入電流諧波,達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。 有源功率因數(shù)校正分類(lèi)按電路結(jié)構(gòu)分為：降壓式、升/降壓式、反激式、升壓式。其中升壓式為簡(jiǎn)單電流型控制，PF值高，總諧波失真小，效率高，適用于75W~2000W功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。按輸入電流的控制原理分為：平均電流型（工作頻率固定，輸入電流連續(xù)）、滯后電流型、峰值電流型、電壓控制型。下面就假設(shè)工作模式為CCM，來(lái)介紹一下三種方法的特點(diǎn)： ，采用恒定的開(kāi)關(guān)電源工作頻率，只有穩(wěn)定的工作頻率才能有效地、快速地檢測(cè)出峰值電流，并將這一電流“削尖”、均化來(lái)控制開(kāi)關(guān)管，對(duì)PWM進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸入電流波形與輸入電壓保持同步，從而提高功率因數(shù)。由于輸入電流被“削尖”，在電路上對(duì)輸入電流波形需要進(jìn)行斜率補(bǔ)償。，當(dāng)電感電流達(dá)到一定值時(shí)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)始導(dǎo)通；電感電流下降到一定值時(shí)，開(kāi)關(guān)管陡然截止，它的控制方式是利用工作頻率改變來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止。一般設(shè)計(jì)輸出濾波電路時(shí)，按最低工作頻率考慮，所以，開(kāi)關(guān)電源的體積和重量是最小的，工作損耗最小。 。THD值小，對(duì)噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，具有恒定的工作頻率，可以任意拓?fù)涓鞣N控制電路，輸入電壓可以隨便調(diào)節(jié)。這中方法的缺點(diǎn)是控制電路比較復(fù)雜，需要增添電流誤差放大器。 ，負(fù)載的無(wú)功功率將由它來(lái)緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱(chēng)電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合。工作頻率固定，電流不連續(xù)。 幾種控制方法的輸入電流波形圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1 充電系統(tǒng)功率部分總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 保護(hù)電路電壓，電流溫度檢測(cè)動(dòng)力電池整流濾波電路APFC電路半橋電路整流濾波電路EMI濾波交流輸入FAN7390驅(qū)動(dòng)ICE2PCS01光耦隔離SG3525雙路PWM波生成電壓電流反饋 充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程框圖, 首先是220V的交流市電經(jīng)EMI濾波、APFC校正電路變?yōu)?80V的直流, 然后經(jīng)DC/DC半橋變換及相應(yīng)的控制電路, 保證輸出電流電壓滿(mǎn)足充電電池的需求。其中PFC控制電路主要由MOSFET管、Boost升壓電感、控制芯片ICE2PCS01以及直流濾波電容組成。DC/DC變換采用半橋式拓?fù)? 主要由高頻變壓器、MOSFET管以及LC濾波電路組成?？刂撇糠滞ㄟ^(guò)對(duì)蓄電池端電壓、電流信號(hào)的采集反饋, 由SG3525產(chǎn)生雙路PWM波控制半橋拓?fù)渲蠱OSFET管的通斷時(shí)間來(lái)控制充電電流和電壓。 Boost有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì) BOOST變換器的工作原理和控制方式Boost PFC電路是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的有源功率因數(shù)校正電路，主電路由不控整流電路、電感、開(kāi)關(guān)管和濾波電容組成。其輸入側(cè)有儲(chǔ)能電感可以減小輸入電流紋波，防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊，對(duì)整流器呈現(xiàn)電流源負(fù)載特性；其輸出側(cè)有濾波電容可以減小輸出電壓紋波，對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)電壓源特性。PFC電路主要完成兩項(xiàng)任務(wù)：(1)控制電感電流，使輸入電流正弦化保證其失真因數(shù)接近于1，并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位；(2)控制輸出電壓，使輸出電壓保持恒定。在連續(xù)模式時(shí)采用兩個(gè)控制環(huán)，電壓環(huán)是外環(huán)，采樣輸出電壓，保持輸出電壓恒定；電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，采樣電感電流，迫使電感電流跟蹤電流給定，減小輸入電流諧波。Boost變換器的電感在輸入側(cè)，一般稱(chēng)之為升壓電感。開(kāi)關(guān)管Q仍為PWM控制方式，但它的最大占空比必須限制，不允許在情況下工作，Boost變換器有兩種基本的工作方式，一種是電感電流連續(xù)工作方式(CCM)，另一種是電感電流斷續(xù)工作方式(DCM)。本方案采用的是電感電流連續(xù)工作方式。 Boost變換器的電路圖當(dāng)電路中的電感電流工作在連續(xù)模式下，Boost變換器存在兩種開(kāi)關(guān)模式，(a)和(b)所示，(CCM)下工作的主要波形圖。 圖 不同開(kāi)關(guān)模式下的等效電路 電感電流連續(xù)工作方式下的主要波形有源功率因數(shù)校正(APFC)是在輸入整流和DCDC功率變換之間增加一級(jí)變換器，利用相應(yīng)的控制電路(現(xiàn)在主要采用專(zhuān)用集成控制芯片)及輔助電路，使輸入端電流波形接近正弦波形并保持與輸入電壓波形同相，從而使輸入端功率因數(shù)接近于1。APFC技術(shù)適應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用儲(chǔ)能電感L和高頻開(kāi)關(guān)Q組合，使輸入電流正弦化通常有以下幾種形式：升壓式(Boost)電路，降壓式(Buck)電路，反激式(Flyback)變換器電路，降/升壓(BuckBoost)混合電路等幾種形式。而根據(jù)電流控制方式的不同，有源PFC電路可以分為峰值電流型、電流滯環(huán)控制型和平均電流型。 平均電流控制模式的Boost PFC電路工作原理平均電流控制的Boost PFC電路具有總諧波失真（THD)值小，對(duì)噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小、可用于較大功率場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，成為我們?cè)O(shè)計(jì)的首選方案。 Boost型平均電流控制法PFC電路控制原理圖。在這種 APFC 控制方法中，采用了電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)，其中電流控制環(huán)使輸入電流更接近正弦波，電壓控制環(huán)使 Boost 電路輸出的電壓更穩(wěn)定。基準(zhǔn)電流由輸入整流電壓與輸出電壓誤差放大信號(hào)的乘積組成，其中從輸入整流電壓取樣的目的是使基準(zhǔn)電流與整流后的電壓波形同相，電流誤差放大器CA的輸出直接加到PWM比較器的同相輸入端，PWM 比較器的反相輸入端接到鋸齒波信號(hào)發(fā)生器的輸出端，這樣電流誤差放大器 CA 的輸出可直接控制 PWM 比較器的占空比。 Boost APFC 電路平均電流控制原理圖 。當(dāng)電感電流上升時(shí)，PWM 比較器的占空比下降，從而電感電流減小；反之，則加大電感電流。當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，電壓比較器VA 的輸出下降，導(dǎo)致乘法器M輸出的基準(zhǔn)電流減小，是電感電流減小，從而使輸出電壓下降，反之，則電感電流增大，使輸出電壓上升。 平均電流控制技術(shù)電感電流波形圖 基于ICE2PCS01 BOOST APFC電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo):（1) 輸入電壓：220VAC177。10%（2) 輸出電壓：380VAC177。10%（3) 額定輸出功率：（4)功率因數(shù)：≥傳統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器，因?yàn)閷?dǎo)致電源線(xiàn)的脈沖電流，干擾電網(wǎng)線(xiàn)電壓，產(chǎn)生向四周輻射和沿導(dǎo)線(xiàn)傳播的電磁干擾，導(dǎo)致電源的利用效率下降。近幾年來(lái)，為了符合國(guó)際電工委員會(huì)6100032的諧波準(zhǔn)則，有源PFC電路正越來(lái)越引起人們的注意。對(duì)于小于200瓦的小功率裝置，不連續(xù)調(diào)制模式(DCM)因其低廉的價(jià)格受到普遍歡迎。另外，它的控制電路塊中只有一個(gè)電壓控制環(huán)，因而采用DCM的PFC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行。然而，由于它固有的電流紋波較大，DCM很少應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。在大功率場(chǎng)合，CCM的PFC更具有吸引力。在CCM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，它的傳輸函數(shù)存在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個(gè)控制環(huán)路。因而CCM的控制電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，CCM PFC控制器的管腳數(shù)目也較多。 ICE2PCS01這種新的PFC控制器，是為了降低設(shè)計(jì)費(fèi)用和難度而開(kāi)發(fā)的。它僅有8個(gè)管腳。此外，根據(jù)故障模式影響分析(FMEA)，很多的保護(hù)電路被集成在這塊芯片中。本文將對(duì)此IC的功能進(jìn)行詳細(xì)地介紹，并通過(guò)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了它的性能。 在ICE2PCS01中，引腳 4用來(lái)設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率；但是在ICE1PCS02中，引腳 4用于AC欠壓檢測(cè)。ICE2PCS01專(zhuān)為升壓型轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)，只需要很少的外部元件。所有電流和電壓環(huán)路補(bǔ)償都是在外部實(shí)現(xiàn)的，從而允許用戶(hù)進(jìn)行完全控制。：由于采用全新的BiCMOS技術(shù)，ICE2PCS01的電源電壓的工作范圍從10V～21V 擴(kuò)展到11V～26V，開(kāi)啟的閾值電壓從11V提高到12V。：輸出門(mén)驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)快速的推挽式輸出門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。它具有內(nèi)置的交叉導(dǎo)通電流保護(hù)功能。GATE引腳所能承受的最大電壓通常箝位在15V（上拉）。由于采用了最新的BiCMOS技術(shù)，GATE下拉電壓從最大2V （ICE1PCS01）降低到最大1V（ICE2PCS01）。因?yàn)榫哂休^低的GATE下拉電壓，外部MOSFET能夠快速地開(kāi)關(guān)，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了效率。：由于采用先進(jìn)的BiCMOS技術(shù)，可以在沒(méi)有噪聲干擾的情況下對(duì)內(nèi)部振蕩器進(jìn)行準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)。對(duì)于ICE2PCS01來(lái)講，可以通過(guò)FREQ引腳上的外部電阻對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。：通過(guò)Vsense引腳上的電阻分壓器對(duì)大電容兩端的電壓進(jìn)行檢測(cè)。Vsense電壓發(fā)送至誤差放大器，并且與內(nèi)部參考源（用于電壓環(huán)路調(diào)節(jié)）進(jìn)行比較。ICE1PCS01的內(nèi)部參考電壓為5V，ICE2PCS01的內(nèi)部參考電壓為3V。由于具有不同的內(nèi)部參考電壓，因此需要在ICE1PCS01 和 ICE2PCS01的解決方案中分別采用不同的電阻分壓器。 Vsense電壓還可以應(yīng)用到增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模塊。ICE2PCS01 在Vout超過(guò)額定值+5%的情況下，增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模塊能夠?qū)⒄伎毡妊杆僬{(diào)整到零?？梢园言摴δ芸醋鱒out過(guò)壓保護(hù)。除了增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模塊以外，ICE2PCS01還提供了額外的過(guò)壓（OVP）保護(hù)，這通過(guò)直接關(guān)閉門(mén)輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)（當(dāng)Vout超過(guò)額定值+8%時(shí)）。除增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模塊之外，直接OVP關(guān)閉功能進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。：ICE2PCS01的基本工作原理與ICE1PCS01相同。ICE2PCS01采用級(jí)聯(lián)控制（即內(nèi)部電流環(huán)路和外部電壓環(huán)路）工作模式。IC的內(nèi)部電流環(huán)路控制平均輸入電流的正弦波形狀。外部電壓環(huán)路控制Vout并且調(diào)節(jié)平均輸入電流的幅度。芯片結(jié)構(gòu)如圖 ICE2PCS01芯片結(jié)構(gòu)圖 ICE2PCS01引腳功能表引腳引腳符號(hào)引腳功能 1 GND 接地 2 ICOMP 電流循環(huán)補(bǔ)償 3