基于ICE2PCS05高功率因数校正电路的设计-USB迷|专注于互联网分享

2024年9月10日发(作者：张修诚)

第４７卷第８期　

２０１７年８月　

雹晖墩　

Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　

Ｖｏ１．４７　Ｎｏ．８　

Ａｕ　２０ｌ７　

本文参考文献引用格式：陈响，庸建．寇文军．等基于ＩＣＥ２ＰＣＳ０５高功率因数校正电路的设汁【Ｊｊｌ电焊机，２０１７，４７（０８）：４４—４７　

基手　褥功率　数　

棱蓬Ｉ电路　谶　

陈　晌　，唐建　，寇文军　，武强强　，沈　亮　，李国剑。　

（１．西北民族大学＿７－程训练中心，甘肃兰州７３００３０；２．甘南军分区，甘肃兰州７３００３０）　

摘要：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。　

关键词：ＩＣＥ２ＰＣＳ０５；有源功率因数校正；Ｂｏｏｓｔ变换器　

中图分类号：ＴＧ４３４．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—２３０３（２０ｌ７）０８—００４４—０４　

ＤＯＩ：ｌ０．７５１２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—２３０３．２０１７．０８．０８　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩＣＥ２ＰＣＳ０５　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　

Ｃ　ＬｔＥＮ　Ｘｉａ，１ｇ　，　Ｉ＇ＡＮＧ　Ｊｉａｎ！，Ｋ（）ｕ　Ｗｅｎｊｕｎ　，ＷＵ　ＱｉａｎｇｑｉａＩｌｇ　，ＳＨＥＮ　１￣ｉａｎｇ　，ＩＡ　Ｇｕｏｊｉａ１１　

（１．　ｉｎｅｅ　ｒ’ｉ　ｒｌｇ　ｎａｉｎｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ．Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏ！’Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｌａｌ１ｚ｝１（１ｕ　７３００３０，Ｃｈｉｔｌａ；２．（　ＡＮＩ　ａｉ１　Ａ¨ｌ１　

Ｉ）ｉ、ｉｓｉ（）ｔ１．Ｉ　ａＩＩＺｈ（Ｉｌｌ　７３００３０．（：ｌ１　／ｄ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ｛）ｎ　ｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ　Ｂｏｏｓｔ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ．ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｔｎｉｍ’ｉｐｌＰ　ａｌｉａ　

ｃｌａｓｓｉｆｉｅａｔｉ（１ｎ　ｏｔ　ａｅｔｉｖｃ　ｐｏｗ（＂ｌ’ｆａｅｔｍ＂ｃ．ｏｒｌ’ｅｃｌｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｅａｅｈ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ．ＷＯＩｋ　ｃｈａｔａ　ｔｅｌ‘ｉｓｔｉｅｓ　ａｌｌｄ　ＷＯ１’ｋｉｎｇ　

ｍｅｔｈｏｄｓ．　。Ｆｈｅ　ｆｉｌｔｅ￣　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｉｎ　ｆＩｌｅ　ｉｎｐｕｔ　ｒｅｃｔｉｉｅｒｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｌｍ‘ｔｉｍ１　ｏｔ’ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ　ｅＨ　ｒｒｅｌｌ［　

ｗ　Ｐｆ　ｒＨｉ，ｌｅｓｕｈｉｎｇ　ｉｎ　ｈｉｇｈｅ￣ｈｍ’ｎｌ（ｍｉｅｓ　ａｌｌｄ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｉ）ｔ）ｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，．Ａ　ｈｉｇｌ１　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ（、‘）ｒｒｅｃｔｉｏＩ１　ｃｉｒ（’ｕｉｔ　ｗｉｔｈ　ａ　

［）ｏｗ（ｅｒ‘Ｊｆｌ　３００　Ｗ　ａｌｕｌ　ａｌ１　ｏｕｔｔｍｔ　ｏｆ　４００　Ｖ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　Ｏｉｌ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＩＣＥ２ＰＣＳ０５．Ａｎａｌｙｚｅ　ｔｉｌｅ　ｏｐｅｌａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｅｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

ａＩｎｌ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｔ　ｓｏｌｎｅ　ｐｍ’ａｌｎｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｐｏｗｅｒ　ｓｗｉｔｃｈ　ｔｕｂｅ，ｄｉｏｄｅ，ｓｗｉｔ（＇ｈｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｒｌ（、Ｙ　ａｌｉａ　

１ＣＥ２ＰＣＳ０５　ｐｅｒｉｐｈｅｌ’ａｌ（・ｉｒｅｕｉｔ，ａｌｌｄ　ｇｉｖｅ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｈｓ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｈｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ａｌ／（］　

ｆｅａｓｉｂｌｅ．ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ　ＣＨｌ‘ｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｍ‘ｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｍａｌｌ　ａｌｌｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｈａｇｅ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔａｎｔ．ＳＯ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ（＇ａｌｌ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＩＣＥ２ＰＣＳ０５；ａ（ｑｉｖｅ　１）ｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｎ＇ｅｅｔｉｏｎ：Ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｌｅｒ　

０前言　

将交流２２０　Ｖ电嘲电压整流再提供直流是实　

收稿日期：２０１６－０４—２２；收稿日期：２０１７－０７—２７　

基金项目：２０１５年闰家民委高等教育教学改革研究项Ｆ　

（１５０２３）；西北民族大学术科教学建设　改革巧　

Ｈ（２０１６ｘＪＪＧ一２１）　

际单相电源应用中最为广泛的变流方案Ｉ　Ｉ，但系统　

中一些中小负载和电力电子装置等接入电　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　波形，从而降低　

作者简介：陈响（１９８６一），女，实验师．硕上，主要从事金　

实训教学　。作以及材料加工的研究工作、Ｅ—ｍａｉｌ　

ｇａｌ１］ａｌｌｓｈｌｌ２００４＠１６３．㈤ｍ　

泔波，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　用　。　

焊接设备　『｛６＝　，等：琏　：ＩＣＥ２ＰＣＳ０５高功牢因数校ｌＦｉ—ｌｌ…ｔｌ没ｉ　第８　１ｊ【　＿

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力‘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；有源功牢因数校　

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　。无源功率因数简　

单、成本低，但尺寸和质量大，难以得列岛功率因　

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　、升　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义可降　，在整个输入周　

期内可连续　＿『：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ｔ乜压应力较小，但输ｆ｝Ｉ　

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　ＰＦＣ电路简单，但需增加磁复位回　

路来释放电感中的储能；升乐型ＰＦＣ电路输入电压　

范同宽，输入电流连续，吖获得高功率因数，在一般　

场合被广泛采用ｌ４１。　

升压　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　的变化，从而达到改善功率囚数的目的。　

Ｂｏｏｓｔ升乐　ＡＰＦＣ电路原理如图１所示。主电路　

巾单相Ｂ（）（】ｓｔ变换器构成，控制电路采用ＩＣＥ２ＰＣＳ０５　

控制芯片控制　Ｉ。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ｆＨ的一平叶，新型功　

率因数控制芯片。该芯片有以下特点：（１）输Ｈｊ功率　

最大町达ｌ　０００　Ｗ以上；（２）采用　均｝　流控制；　

（３）适合８５～２６５　Ｖ的ＡＣ线路输入　陔芯片有８个　

引脚，其引脚功能如表ｌ所　。　

表１　１ＣＥ２ＰＣＳ０５的引脚功能　

３　ＩＣＥ２ＰＣＳ０５的实际应用　

本研究心用１ＣＥ２ＰＣＳ０５设计的高功率因数电　

路如图２所爪，主要ｍ　Ｉ　（）．、Ｃ：、ＶＤ，和ＶＩ）！等器件　

构成的功率丰电路和以ＩＣＥ２ＰＣＳ０５为中复心的控制　

电路构成　１。　

在电路输入侧．熔丝¨。和元件Ｒ、．分别起过　

电流保护卡¨过电压保护，Ｉ　。及Ｃ山ｃ　和ｃ　Ｃ、！『ｆｊ　

作射频抑制，为防止系统　ｊ动时的浪｝ｌｉｊ电流产生，　

加Ｒ　。用作限制。Ｒ，、Ｒ　币¨Ｒ　相并联，构成电流榆测　

部分。电容Ｃ　和ＥＭ１防电磁干扰电源滤波器主婪　

用于滤除电感Ｌ　中的高频电流纹波　Ｉｃ管脚２卜的　

电容　用于电流同路补偿，管脚４的外部电阻Ｒ　被　

用来设置开炎频率，Ｒ　、Ｃ　和Ｃ　并联构成电　回路　

补偿网络　

单相Ｂ叭）ｓｌ有源功率　数校正电路，技术指怀　

为　：输入交流电压８５～２６５　ＶＡＣ；输入频　莩５０　Ｈｚ；　

输ｌ叶Ｊ直流电』　３９０　ＶＩ）Ｃ；输ｍ功术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升爪电感的设汁　

电感是衡量线圈产，｝！电磁感应能力的物坪　，　

在电路中起储能、滤波、延迟和振荡等作『｝ｊ　在系统　

主电路中，升压电感决定荇输入端高１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　最　

小情况下的峰值输入电流　ｊ高频纹波电流之和　，　

按照限制电流脉动最小的　则来确定电感值一按最　

不理想的情况考虑：输ｍ功率最大，输入｝乜压最低　

焊接设备　雹晖拽　第４７卷　

图２基于ＩＣＥ２ＰＣＳ０５控制的有源功率因数校正电路　

此时，输入电流最大，纹波也最大，为了保证在这种　

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；　

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【４，８１。　

当开关管Ｓ导通时有　

，Ｊ　＝Ｕｉ　＝　＝　（１）　

最高反向工作电压是二极管Ｔ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…１，则　

Ｕ＞Ｉ．２Ｕｏ＝１．２￣３９０　Ｖ＝４６８　Ｖ　（６）　

，＞１．５／ｐＫ＝１．５ｘ４．９９　Ａ＝７．４８５　Ａ　

式中　为开关周期；　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　

＝　

依上述计算，功率开关管选取额定电流为２０　Ａ、　

额定电压为６００　Ｖ的场效应管ＭＯＳＦＥＴ，二极管选　

＿４＿９９Ａ

０　Ｊ　Ｖ　

（２）

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　

ｕｍｆ　ｍｉｎ）

（２）设定允许的电感电流的最大纹波△，Ｉ　。通常　

选择为最大峰值线路电流的２０％　

△　＝０．２，ＰＫ＝０．２ｘ４．９９＝０．９９８　Ａ　（３）　

（３）确定电感电流　现最大峰值时的占空比：　

电时问　，则ｃ：　錾

Ｕ０一一Ｕ０ｆＭｎ１一　

，取　为３６　ｍ　

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【Ｉ（】Ｉ，有　

３９０　Ｖ－Ｘ，／

２ｘ８５　Ｖ

：—

Ｇ＝　Ｑ　：　鱼　

Ｖ　

＝４６５　Ｉ

　３９０　。Ｖｘ３９０　Ｖ－３２５　Ｖ￣３２５　。　

ｘＦ

（７）、Ｊ　　

本设计中选电容Ｃ＝４７０　ｔｘＦ。　

３９０　Ｖ　

—

：

０．’　６９（４）、。　　

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　

（４）计算升压电感值为　

Ｌ＝　＝　６５　Ｏ　００

ｘＯ　９９８　一　△，Ｉ　

．　

电流取样电阻Ｒ　上的压降　作为输入电流取　

…

２７　ｍＨ

……　

（５）　

…　

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　

综合上述计算，本设计中，Ｊ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　

大值为一０．６６　Ｖ。电流检测电阻可由以下方法计算［１２１：　

＝　＝　

１　１　ｎ　（８）　

电感的峰值电流为　

］ＰＫＩ，　１＝ｌ１．－ｗ￣＋１￣／２＝５．５４＋１．２／２＝６．１４　Ａ　（９）　

极管。主要考虑最大整流电流和最高反向工作电压　

・

４６‘　　．幺　

．　

焊接设备　陈ｌｉ　：骐Ｊ　ＩＣＥ２Ｐ（＇Ｓ０５离功率因数校Ｉｆ＂电路的设　第８期　

本设计中电流取样部分采用阻值均为０．３３　Ｑ　

的３个电阻Ｒ　、Ｒ！、Ｒ　并联所得．　．

３．２．２电压取样电阻的设汁　

在图２中，由Ｒ　、Ｒ，。构成的电　分Ｊ｛ｉ器来设置输　

电　。先确定电阻尺　，然后根据　汁　电阻尺　

Ｒ　）　

式中　为电，　榆测时的参考电Ｊ　ｆｆｆ，一般取　Ｆ　

５　ｖ进Ｒｍ＝ｌＯ　ｋＤ，测尺　３９Ｉ　×１０　ｋ　１：７７０　ｋ

．

Ｑ　

｝扫于Ｒ　的电压血力较高、因此选『『】电阻ｆ｝；联来　

达到所要求的阻值Ｉ　、、设计中Ｒ　川两个Ｉｆ：ｔｆｒｔ分别为　

４７０　ｋＤ．和３００　ｋＱ的电阻串联代替　

３．２．３开关频率设置　

ＩＣ的＿Ｔ作频率范　为５０～２５０　ｋＨｚ，　Ｊ，选择Ｒ　

分别为８２　ｋＱ、３３　ｋＱ和ｌ８　ｋＱ时，卡Ｈ　的外哭频率　

分别为５６　ｋＨｚ、１３３　ｋＨｚ和２５０　ｋＨｚＩ　．．　

４实验波形　

实验主要参数为：输入交流电¨ｉ　ｌ２０　Ｖ，输入滤　

波电容４７０　ＩｘＦ，升压电感１．５　ｍＨ。　３ａ为不ＪＪＩＩＰＦＣ　

时系统网侧输入电　电流波｝髟，　３１）为加ＰＦＣ后　

输入电乐电流波彤。　

实验结果表口』】：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　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Ｖ，Ｊ－－极管或品闸管　

整流器等接入电网时，会引起电　产牛高次喈波，导　

致电流发生畸变，降低功率因数。因此，　何改薄电力　

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Ｉ　ｌ。　于平－￣／Ｏ￣）ＪＬ　

模式控制技术，以新　功率因数校正芯片ＩＣＥ２ＰＣＳ０５　

为核心，设计了输ｍ功牢为３００　Ｗ的功率　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，功率凶数高　．　

参考文献：　

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嬉　¨１　０　０…　＾　ｆ　Ｉ　０＿１　

嚣　。　

ａ不加ＰＦＣ时输入电压电流波形　

ｂ加ＰＦＣ后输入电压电流波形　

图３输入电压电流波形　

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ｔ　

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