基於IR1150的功率因數校正電路的研究

07-12

　　電子設備的整流部分通常採用二極體橋式整流和電解電容進行輸入濾波。這種整流電路功率因數低，而且其無功分量基本上為高次諧波。諧波的存在，對公共電力系統產生污染，易造成電路故障。目前各國都實施了一些輸入電流諧波限制標準，要求開關電源必須加裝PFC 級來滿足功率因數以及諧波含量的要求。

　　本文基於單周期控制晶元IR1150 ，設計了一種功率因數變換器，實現了電源裝置網側電流正弦化，功率因數接近1 ，極大地減少了電流諧波，消除了對公共電力系統的污染，為電源PFC 級提供了簡便、靈活、高密度的解決方案。

　　1 功率因數校正原理

　　功率因數PF 是指交流輸入有功功率P 與輸入視在功率S 的比值，即:

　　式中，I1表示交流輸入基波電流有效值;Irms表示輸入電流的有效值;定義γ=I1/Irms為交流輸入電流的失真係數;cosφ 表示交流輸入的基波電壓和基波電流的相移因數。所以功率因數PF 可以定義為交流輸入電流的失真係數γ與相移因數cosφ 的乘積。同時，總諧波失真:

　　有:

　　即:

　　　所以要提高功率因數有兩個途徑:

　　(1)使輸入電壓、電流同相位即cosφ=1 ;

　　(2)使輸入電流正弦化，即Irms =I1 。

　　2 系統電路設計

　　電源的主要設計指標有:

　　輸入電壓範圍:150 ～260 VAC;輸出功率:500W;輸出電壓:400 VDC;輸入電壓頻率:50 Hz ;開關頻率:100 kHz ;效率為η=92 %。

　　主電路採用單相Boost 升壓電路，將PFC 級和DC/DC 變換級集成在一起，兩級共用一隻功率器件。

　　主電路如圖1 所示。

圖1 PFC 變換器電路圖

　　CCM(電流連續模式)模式下所需電感值的計算公式為:

　　式中，Uin_peak為最低輸入交流電壓對應的正弦峰值電壓;Dmax為Uin_peak對應的最大占空比;ΔI 為紋波電流值，計算時設定為最大峰值輸入電流的30 %;fs為開關頻率。

　　占空比的計算公式為:

　　式中，Uo為直流輸出電壓，則可計算得到Dmax =0.47 。

　　計算得到紋波電流為1 .54 A，從而求得電感值L=647 μH，實際電感值取為680 μH。

　　輸出電容

，Δt 為系統掉電後的保持時間，選20 ms ，Uo_min為保持時間內的最小值，選標準輸出的80 %，得到Cout為347 μF，實際選用470 μF。

　　3 測試結果

　　經過多次測試，所得實驗數據如表1 所示。

表１　　實驗數據

　　圖2 為經過校正以後的輸入電壓在220 V時的電壓、電流波形。

圖2 校正後輸入電壓和電流波形

　　根據測試結果，可以看出經IR1150 校正以後，電壓和電流波形同相位，輸入電流為正弦波，不再是脈衝狀;輸入電流的總諧波畸變率降到了10 %以下;功率因數提升到了0.99 以上;同時輸出電壓在較寬的輸入電壓範圍內(150 ～260 V)均能保持恆定。