基于IR1150的功率因數(shù)校正電路的研究

摘要：闡述了功率因數(shù)校正原理，設(shè)計了以IR1150 為核心的系統(tǒng)主電路及控制電路，并對主電路的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和計算。實驗證明，系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)確有效，系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)(PF)達(dá)到0。99 以上，總諧波畸變(THD)在10 %以下。系統(tǒng)性能良好，輸出電壓在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)均能保持穩(wěn)定。

　　0 引 言

　　電子設(shè)備的整流部分通常采用二極管橋式整流和電解電容進(jìn)行輸入濾波。這種整流電路功率因數(shù)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(tǒng)產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，要求開關(guān)電源必須加裝PFC 級來滿足功率因數(shù)以及諧波含量的要求。

　　本文基于單周期控制芯片IR1150 ，設(shè)計了一種功率因數(shù)變換器，實現(xiàn)了電源裝置網(wǎng)側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)接近1 ，極大地減少了電流諧波，消除了對公共電力系統(tǒng)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(shù)校正原理

　　功率因數(shù)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系數(shù);cosφ 表示交流輸入的基波電壓和基波電流的相移因數(shù)。所以功率因數(shù)PF 可以定義為交流輸入電流的失真系數(shù)γ與相移因數(shù)cosφ 的乘積。同時，總諧波失真:

　　有:

　　即:

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　　所以要提高功率因數(shù)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(tǒng)電路設(shè)計

　　電源的主要設(shè)計指標(biāo)有:

　　輸入電壓范圍:150 ～260 VAC;輸出功率:500W;輸出電壓:400 VDC;輸入電壓頻率:50 Hz ;開關(guān)頻率:100 kHz ;效率為η=92 %。

　　主電路采用單相Boost 升壓電路，將PFC 級和DC/DC 變換級集成在一起，兩級共用一只功率器件。

　　主電路如圖1 所示。

圖1  PFC 變換器電路圖

　　CCM(電流連續(xù)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(yīng)的正弦峰值電壓;Dmax為Uin_peak對應(yīng)的最大占空比;ΔI 為紋波電流值，計算時設(shè)定為最大峰值輸入電流的30 %;fs為開關(guān)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(tǒng)掉電后的保持時間，選20 ms ，Uo_min為保持時間內(nèi)的最小值，選標(biāo)準(zhǔn)輸出的80 %，得到Cout為347 μF，實際選用470 μF。[!--empirenews.page--]

　　3  測試結(jié)果

　　經(jīng)過多次測試，所得實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表１　　實驗數(shù)據(jù)

　　圖2 為經(jīng)過校正以后的輸入電壓在220 V時的電壓、電流波形。

圖2  校正后輸入電壓和電流波形

　　根據(jù)測試結(jié)果，可以看出經(jīng)IR1150 校正以后，電壓和電流波形同相位，輸入電流為正弦波，不再是脈沖狀;輸入電流的總諧波畸變率降到了10 %以下;功率因數(shù)提升到了0.99 以上;同時輸出電壓在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)(150 ～260 V)均能保持恒定。