透析：Boost型功率因數校正器的電磁兼容
發布時間：2011-3-8 14:15
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摘要：介紹了一種采用無源功率因數校正方法降低電源諧波含量的方案。實驗結果表明，該方案成本低、性能好，容易達到各項EMC標準，適合于中小功率電源。
0、 引言 為了減少對交流電網的諧波污染，已經推出了一些限制電流諧波的標準，如IEC1000-3-2 ClassD標準，要求必須采取措施降低輸入電網的電流諧波含量，提高功率因數。 傳統的二極管和電容對輸入信號進行整流濾波時，只在輸入交流電壓的峰值部分才有輸入電流，導致產生了很大的電流諧波含量，嚴重干擾了電網，遠不能達到標準要求。為了使輸入電流諧波滿足要求，必須加功率因數校正（PFC）。比較成熟且應用廣泛的是兩級方案，它們有各自的功率器件和控制電路。PFC級使線電流跟隨線電壓，使線電流正弦化，很容易達到高功率因數，減少諧波含量。尤其是近年來，隨著電力電子技術的迅猛發展，大量電力電子裝置的應用對電網產生嚴重的諧波干擾，帶來嚴重的危害。所以各國都提出相應的EMC（電磁兼容）標準，嚴格規定接入電網的設備的諧波干擾的允許水平。我國推行的3C認證標準，要求所有電氣產品都必須通過該認證才可以出售，其中該標準很重要的部分就是EMC標準。 1 電源參數 大量接入電網的用電設備都是通過把市電整流成直流后供給負載的，而傳統常用的是電壓型不控整流，也就是二極管橋式整流接大電容平波的方法。這種整流電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，雖然輸入交流電壓是正弦的，但是二極管導通角非常小，輸入電流畸變嚴重，呈脈沖狀，如圖1所示。
圖1 不控整流輸入電流、電壓波形 PFC技術就是通過在不控整流電路中加入DC/DC開關變換器，應用電流反饋技術，使輸入端電流波形能跟蹤交流輸入電壓波形，從而使輸入端電流接近正弦。本文討論典型的Boost型PFC電路設計中的電磁兼容問題。 該PFC電路的技術參數為： 輸入 交流150～270V，50～60Hz； 輸出 直流380～400V，紋波<5％； 功率 600W； 開關頻率 100kHz； 校正后功率因數 >0.99。 電路基本原理圖如圖2所示。
圖2 基于UC3854的功率因數校正器原理圖 2 基于UC3854的PFC工作原理 設計是工作于電感電流連續模式（CCM）下的Boost電路，采用的是Unitrode公司的專用PFC芯片UC3854。該芯片的核心是一個模擬乘法器，其輸出電流Imo的幅值由電壓環輸出決定，而波形由輸入電壓的采樣Iac決定，在電路穩定時，有ImoRmo正比于IiRs。因為Imo是與輸入電壓同相的正弦波，所以Ii也是正弦波，這樣也就實現了PFC。 主電路基本參數為：輸入Boost電感L=1mH，C=470μF，最大輸入電流有效值為4A，開關管為IRF460，二極管為快恢復二極管RHRP1560。 3 Boost型PFC的電磁兼容問題 3.1 電磁干擾源[1] 本電路的主要電磁干擾源有多種，最主要的是開關功率器件和變流電路在開關過程中引起的電磁噪聲。電力電子裝置無論是主電路的功率半導體器件，還是控制電路的高速集成電路，在器件開關過程中，都存在著很高的di/dt，它們通過線路或元器件的引線電感引起瞬態電磁噪聲，頻率可高達幾十kHz甚至幾百kHz，是不可忽視的噪聲源。下面對干擾源一一分析。 IRF460為功率場效應管(MOSFET)，屬于多子器件，不存在反向恢復問題，但是他的開關速度很高，開關過程中產生的di/dt（dv/dt）可達很高的數值，作用在電路中的寄生電感（電容）上，會產生很高的瞬態電壓、電流和引起振蕩。如設開關時間為10ns，引線電感為500nH，開關過程中最大的電流可以達到6A，則引線上產生的電壓為 500×10－9× =300V 如此大的脈沖電壓（電流）會造成嚴重的電磁干擾。 二極管開關過程中也會產生噪聲。二極管開通時電流迅速增大，但是其管壓降不是立即下降，而是出現一個快速的上沖，則導致一個寬帶的電磁噪聲。而在關斷時，由于PN結長基區中大量過剩少數載流子需要復合，從而產生很大的反向恢復電流，此電流與關斷電流和關斷速度成正比。在高速、大電流情況下，該反向電流會相當大，而且在開通時疊加在開關電流上，嚴重時會把開關器件燒毀。所以必須選用有快恢復特性的二極管，盡量減少反向恢復電流。 3.2 電磁干擾的耦合途徑[1] 高頻開關電源造成的電磁噪聲耦合到被干擾對象有兩種方式：傳導方式和輻射方式。根據電磁噪聲耦合特點，傳導耦合可分為直接傳導耦合、公共阻抗耦合和轉移阻抗耦合三種。本電路中，直接傳導耦合、公共阻抗耦合和輻射耦合是應該重點考慮的。 直接傳導耦合是指噪聲通過導線或寄生元件等直接耦合到被干擾對象，如Ldi/dt可以通過導線耦合。所以，在實驗電路中，應該盡量縮短導線的長度。當然，最佳的方法是應用零電流開關（ZCS）軟開關技術。 公共阻抗傳導耦合是噪聲通過設備的公共接地線以及接地網絡中的公共阻抗產生公共地阻抗耦合。如果地線安排不當，地線會受到很大的干擾，通�？梢詸z測到幅值高達幾V的毛刺，電路也就不能正常工作了。所以，應該合理安排接地，盡量把地線安排較短，而且功率地和信號地分開。經過這樣處理之后，地線上的毛刺將明顯得到抑制。 輻射耦合是指電磁噪聲的能量，以電磁場能量的形式，通過空間輻射傳播，耦合到被干擾的設備（電路）。在本電路里，開關和二極管是最大的電磁噪聲源，電磁噪聲會輻射到電路的其他部分。被干擾電路接受電磁噪聲的能量與該電路回路的面積成正比，所以，必須在安排電路器件時盡可能地縮小電路回路的面積。 4 實驗結果 本實驗的電路是基于UC3854的Boost型功率因數校正器，工作模式為電流連續模式，輸出為380～400V直流電壓，輸出功率為600W。 在實驗中，要合理安排元器件布局和地線，盡量縮短引線長度和減小主電路回路的面積，主電路和控制電路分開安排。這樣，電磁兼容問題可以得到很大的改善。從圖3、圖4實驗波形看，基本實現PFC功能，而且波形所受干擾比較小。
圖3 開關驅動波形
圖4 輸入電流、電壓（衰減10倍）波形 5 結語 本文通過分析Boost型PFC電路的電磁兼容問題，如干擾源、耦合途徑等，提出在實際實驗中解決的方法，并通過實驗驗證。 |
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