Boost型功率因數(shù)校正器的電磁兼容研究

    摘要：介紹了一種采用無(wú)源功率因數(shù)校正方法降低電源諧波含量的方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案成本低、性能好，容易達(dá)到各項(xiàng)EMC標(biāo)準(zhǔn)，適合于中小功率電源。

    關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；電磁兼容；諧波抑制

引言

為了減少對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，已經(jīng)推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC1000?3?2ClassD標(biāo)準(zhǔn)，要求必須采取措施降低輸入電網(wǎng)的電流諧波含量，提高功率因數(shù)。

傳統(tǒng)的二極管和電容對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整流濾波時(shí)，只在輸入交流電壓的峰值部分才有輸入電流，導(dǎo)致產(chǎn)生了很大的電流諧波含量，嚴(yán)重干擾了電網(wǎng)，遠(yuǎn)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。為了使輸入電流諧波滿足要求，必須加功率因數(shù)校正（PFC）。比較成熟且應(yīng)用廣泛的是兩級(jí)方案，它們有各自的功率器件和控制電路。PFC級(jí)使線電流跟隨線電壓，使線電流正弦化，很容易達(dá)到高功率因數(shù)，減少諧波含量。尤其是近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量電力電子裝置的應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波干擾，帶來(lái)嚴(yán)重的危害。所以各國(guó)都提出相應(yīng)的EMC（電磁兼容）標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格規(guī)定接入電網(wǎng)的設(shè)備的諧波干擾的允許水平。我國(guó)推行的3C認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，要求所有電氣產(chǎn)品都必須通過(guò)該認(rèn)證才可以出售，其中該標(biāo)準(zhǔn)很重要的部分就是EMC標(biāo)準(zhǔn)。

圖1

1 電源參數(shù)

大量接入電網(wǎng)的用電設(shè)備都是通過(guò)把市電整流成直流后供給負(fù)載的，而傳統(tǒng)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(chǔ)能元件的組合，雖然輸入交流電壓是正弦的，但是二極管導(dǎo)通角非常小，輸入電流畸變嚴(yán)重，呈脈沖狀，如圖1所示。

PFC技術(shù)就是通過(guò)在不控整流電路中加入DC/DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，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(shè)計(jì)中的電磁兼容問(wèn)題。

該P(yáng)FC電路的技術(shù)參數(shù)為：

輸入交流150～270V，50～60Hz；

輸出直流380～400V，紋波<5％；功率600W；

開關(guān)頻率100kHz；

校正后功率因數(shù)>0.99。

電路基本原理圖如圖2所示。

圖2

2 基于UC3854的PFC工作原理

本設(shè)計(jì)是工作于電感電流連續(xù)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(gè)模擬乘法器，其輸出電流Imo的幅值由電壓環(huán)輸出決定，而波形由輸入電壓的采樣Iac決定，在電路穩(wěn)定時(shí)，有ImoRmo正比于IiRs。因?yàn)镮mo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(shí)現(xiàn)了PFC。

主電路基本參數(shù)為：輸入Boost電感L=1mH，C=470μF，最大輸入電流有效值為4A，開關(guān)管為IRF460，二極管為快恢復(fù)二極管RHRP1560。

3 Boost型PFC的電磁兼容問(wèn)題

3.1 電磁干擾源

本電路的主要電磁干擾源有多種，最主要的是開關(guān)功率器件和變流電路在開關(guān)過(guò)程中引起的電磁噪聲。電力電子裝置無(wú)論是主電路的功率半導(dǎo)體器件，還是控制電路的高速集成電路，在器件開關(guān)過(guò)程中，都存在著很高的di/dt，它們通過(guò)線路或元器件的引線電感引起瞬態(tài)電磁噪聲，頻率可高達(dá)幾十kHz甚至幾百kHz，是不可忽視的噪聲源。下面對(duì)干擾源一一分析。

IRF460為功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，屬于多子器件，不存在反向恢復(fù)問(wèn)題，但是他的開關(guān)速度很高，開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的di/dt（dv/dt）可達(dá)很高的數(shù)值，作用在電路中的寄生電感（電容）上，會(huì)產(chǎn)生很高的瞬態(tài)電壓、電流和引起振蕩。如設(shè)開關(guān)時(shí)間為10ns，引線電感為500nH，開關(guān)過(guò)程中最大的電流可以達(dá)到6A，則引線上產(chǎn)生的電壓為

500×10－9×（6/10×10-9）=300V

如此大的脈沖電壓（電流）會(huì)造成嚴(yán)重的電磁干擾。

二極管開關(guān)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生噪聲。二極管開通時(shí)電流迅速增大，但是其管壓降不是立即下降，而是出現(xiàn)一個(gè)快速的上沖，則導(dǎo)致一個(gè)寬帶的電磁噪聲。而在關(guān)斷時(shí)，由于PN結(jié)長(zhǎng)基區(qū)中大量過(guò)剩少數(shù)載流子需要復(fù)合，從而產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)電流，此電流與關(guān)斷電流和關(guān)斷速度成正比。在高速、大電流情況下，該反向電流會(huì)相當(dāng)大，而且在開通時(shí)疊加在開關(guān)電流上，嚴(yán)重時(shí)會(huì)把開關(guān)器件燒毀。所以必須選用有快恢復(fù)特性的二極管，盡量減少反向恢復(fù)電流。

圖3

    3.2 電磁干擾的耦合途徑

高頻開關(guān)電源造成的電磁噪聲耦合到被干擾對(duì)象有兩種方式：傳導(dǎo)方式和輻射方式。根據(jù)電磁噪聲耦合特點(diǎn)，傳導(dǎo)耦合可分為直接傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合和轉(zhuǎn)移阻抗耦合三種。本電路中，直接傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合和輻射耦合是應(yīng)該重點(diǎn)考慮的。

直接傳導(dǎo)耦合是指噪聲通過(guò)導(dǎo)線或寄生元件等直接耦合到被干擾對(duì)象，如Ldi/dt可以通過(guò)導(dǎo)線耦合。所以，在實(shí)驗(yàn)電路中，應(yīng)該盡量縮短導(dǎo)線的長(zhǎng)度。當(dāng)然，最佳的方法是應(yīng)用零電流開關(guān)（ZCS）軟開關(guān)技術(shù)。

公共阻抗傳導(dǎo)耦合是噪聲通過(guò)設(shè)備的公共接地線以及接地網(wǎng)絡(luò)中的公共阻抗產(chǎn)生公共地阻抗耦合。如果地線安排不當(dāng)，地線會(huì)受到很大的干擾，通?？梢詸z測(cè)到幅值高達(dá)幾V的毛刺，電路也就不能正常工作了。所以，應(yīng)該合理安排接地，盡量把地線安排較短，而且功率地和信號(hào)地分開。經(jīng)過(guò)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(chǎng)能量的形式，通過(guò)空間輻射傳播，耦合到被干擾的設(shè)備（電路）。在本電路里，開關(guān)和二極管是最大的電磁噪聲源，電磁噪聲會(huì)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(shí)盡可能地縮小電路回路的面積。

圖4

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)的電路是基于UC3854的Boost型功率因數(shù)校正器，工作模式為電流連續(xù)模式，輸出為380～400V直流電壓，輸出功率為600W。

在實(shí)驗(yàn)中，要合理安排元器件布局和地線，盡量縮短引線長(zhǎng)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(wèn)題可以得到很大的改善。從圖3、圖4實(shí)驗(yàn)波形看，基本實(shí)現(xiàn)PFC功能，而且波形所受干擾比較小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析Boost型PFC電路的電磁兼容問(wèn)題，如干擾源、耦合途徑等，提出在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中解決的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。