功率因數(shù)校正器的輔助電路設(shè)計(jì)

1 引言

近20年來電力電子技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用到電力、冶金、化工、煤炭、通訊、家電等領(lǐng)域。電力電子裝置多數(shù)通過整流器與電力網(wǎng)接口，經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個(gè)非線性電路，在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量電流諧波和無功污染了電網(wǎng)，成為電力公害。電力電子裝置已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一。抑制電力電子裝置產(chǎn)生諧波的方法主要有兩種，一是被動(dòng)方式，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或?yàn)V除諧波;另一種是主動(dòng)式的方法，即設(shè)計(jì)新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數(shù)高的特點(diǎn)，即具有功率因數(shù)校正功能。因此近年來功率因數(shù)校正(PFC)電路得到了很大的發(fā)展，成為電力電子學(xué)研究的重要方向之一。而在功率因數(shù)校正器中輔助電路對其安全正常工作至關(guān)重要，輔助電路能夠防止從電網(wǎng)傳入電磁噪聲，抑制裝置產(chǎn)生的電磁噪聲返回電網(wǎng)，抑制過大的起動(dòng)沖擊電流，消除浪涌噪聲干擾等。由此可見，功率因數(shù)校正器中輔助電路設(shè)計(jì)的好壞將直接影響功率因數(shù)校正器的效能，因此，對于輔助電路的設(shè)計(jì)不容忽視。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

該功率因數(shù)校正器的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1) 輸入：單相AC220V±20%，即176V~264V，頻率為50HZ±5%;

2) 輸出：DC400V，負(fù)載在10% ~100%間變化時(shí)，電壓調(diào)整率小于1%，輸出功率為3KW;

3) 滿載輸出時(shí)，功率因數(shù)大于0.99，效率大于80%。

3 輔助電路的設(shè)計(jì)

輔助電路的設(shè)計(jì)包括：

1.EMI濾波電路;

2.起動(dòng)電流抑制電路;

3.開關(guān)的浪涌吸收保護(hù)電路;

4.開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。

3.1 EMI濾波電路的選擇

輸入EMI濾波電路的作用有兩方面：第一，防止從電網(wǎng)傳入電磁噪聲，對裝置形成干擾;第二，抑制裝置產(chǎn)生的電磁噪聲返回電網(wǎng)，造成電網(wǎng)公害。

所謂的EMI(Electro-Magnetic Interference)是指電磁干擾，包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種形式。在本設(shè)計(jì)中，由于輻射干擾比傳導(dǎo)干擾小得多，而且容易抑制，所以主要考慮對傳導(dǎo)干擾的濾除。傳導(dǎo)干擾分為共模干擾和差模干擾兩種，共模干擾是相線與大地之間的干擾信號;差模干擾是在相線之間，與輸入功率通道相同的干擾信號。

目前市面上已有很多EMI濾波器成品，但基本上都是針對共模干擾信號設(shè)計(jì)的，差模干擾抑制效果很差。本設(shè)計(jì)中，由于高次諧波含量較大，需要差模干擾抑制效果較好，因此市面上的EMI濾波器均不能滿足其要求，需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)腅MI濾波器。

圖1　EMI濾波電路原理圖

本設(shè)計(jì)中的EMI濾波電路如圖1所示，L1、L2為差模干擾抑制電感，L3、L4為共模干擾抑制電感，C1、C4為差模干擾濾除電容，C2、C3、C5、C6為共模干擾信號濾除電容。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意使EMI電路的電容電感諧振頻率低于升壓斬波工作頻率。

電感L1、L2與電容 C1、C4構(gòu)成一個(gè)低通濾波器。由于電感對工頻信號阻抗很小，電容對工頻信號的阻抗很大，因此對工頻信號基本沒有影響;對于高頻信號電感的阻抗很大，電容的阻抗很小，所以高頻的干擾信號通過電容形成的回路而消除。電感值一般在幾十微亨至幾毫亨，在體積允許的前提下，應(yīng)盡量取得大一些。電容容量一般應(yīng)在幾千微微法至零點(diǎn)幾微法。

上述電路雖然對高頻差模干擾信號能起較好的濾波作用，但對流向?yàn)橥环较虻墓材８蓴_信號無法濾除。為了濾除共模干擾信號，利用L3、L4和 C2、C3、C5、C6形成共模干擾抑制電路。共模電感采用兩條輸入線在鐵芯上并繞，因此負(fù)載電流產(chǎn)生的磁通相互抵消，而共模干擾信號產(chǎn)生的磁通則相互疊加。所以該電感對負(fù)載電流不起作用，對共模干擾信號呈現(xiàn)高阻抗。通過電容將共模干擾信號引入大地。共模電感一般應(yīng)在幾十微亨到幾毫亨之間，在體積允許的前提下，應(yīng)盡量取得大一些，以提高抑制效果。電容容量一般應(yīng)在幾千微微法到零點(diǎn)幾微法。

差模電感L1、L2流過的電流為負(fù)載電流，為了防止鐵芯飽和，選用導(dǎo)磁率比較低的材料作為鐵芯，在本設(shè)計(jì)中選用鐵粉芯作為鐵芯。共模電感L3、L4只對共模干擾信號起作用，所以不存在鐵芯飽和問題，因此可以采用導(dǎo)磁率高的材料作為鐵芯，在本設(shè)計(jì)中采用鐵氧體作為鐵芯。電容C1、C4接在輸入線之間，所承受的最大電壓是最大輸入電壓，因此選用250V的交流電容。電容C2、C3、C5、C6接在輸入線與大地之間，為了防止高壓擊穿，這幾個(gè)電容的耐壓應(yīng)選擇的比較高，本設(shè)計(jì)中選用耐壓為4KV的高壓瓷片電容。

具體的參數(shù)分別為：L1、L2均為100uH，L3為2.8mH，L4為7.8mH，C1、C4均為2.2uF，C2、C3均為0.01uF，C5、C6均為0.0047uF。

3.2 起動(dòng)電流

抑制電路

開關(guān)電源一般采用電容輸入型回路，在起動(dòng)的瞬間，交流輸入電壓通過整流器對電容器進(jìn)行充電。由于電容器的等效串聯(lián)阻抗很小，并且通常采用多個(gè)電容器并聯(lián)使用，使得其阻抗更小;因此起動(dòng)沖擊電流很大。為了對輸入回路的斷路器、輸入熔斷器、整流器等進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)減小對其它電子設(shè)備的不良影響，需要在起動(dòng)時(shí)設(shè)置沖擊電流抑制電路。[!--empirenews.page--]

圖2　起動(dòng)電流抑制電路

在交流輸入為網(wǎng)高壓、相位為900時(shí)，沖擊電流出現(xiàn)最大值。應(yīng)把沖擊電流抑制在多大范圍內(nèi)，并無具體規(guī)定。因此主要應(yīng)視具體情況來選擇電路參數(shù)。沖擊電流抑制回路如圖2(a)所示，其中，R為接入的沖擊電流抑制電阻，Relay為繼電器的常開點(diǎn)。起動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)電阻串接在輸入回路中，可把沖擊電流限制到我們所希望的范圍內(nèi)。當(dāng)電容器充有足夠的電壓、認(rèn)為起動(dòng)過程可以結(jié)束時(shí)，通過繼電器Relay將電阻R旁路(短接)，電路正常工作。本設(shè)計(jì)中，最大輸入電壓為264伏。等效負(fù)載電阻為：

若接入的電阻，則可把起動(dòng)電流限制到負(fù)載電流的水平，則起動(dòng)過程是相當(dāng)安全的。但由于調(diào)節(jié)器的輸入電容較大(6000uF)，則輸入電容結(jié)束充電的時(shí)間長，一般為(3~5)RC，取4RC=1.3秒，加上繼電器控制電路的延時(shí);則起動(dòng)電阻的實(shí)際投入時(shí)間會超過2秒，若起動(dòng)過程的平均電流為4安，則 電阻的功耗峰值為848W，2秒的起動(dòng)過程會產(chǎn)生1600焦耳以上的熱量。因此要選擇功耗很大的電阻器，尺寸也會很大，這是令人難以接受的，也是不現(xiàn)實(shí)的。為此，應(yīng)選擇阻值更大的電阻器，而阻值加大，結(jié)束起動(dòng)過程隨之延長，仍難令人滿意。因止在抑制電阻回路中再串入一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻NTCR，見圖2(b)。一方面，在起動(dòng)過程剛開始時(shí)，電路有較強(qiáng)的抑流能力;另一方面，隨著起動(dòng)過程的進(jìn)行，負(fù)溫度系數(shù)電阻的阻值下降，使電容器的充電電流又不至于太小，起動(dòng)過程不至過長。

3.3 開關(guān)浪涌吸收保護(hù)電路

本應(yīng)用中的開關(guān)元件選擇為IGBT模塊。IGBT是一種電壓控制的大功率高速可自關(guān)斷的電力電子元件。它屬于復(fù)合型器件，由MOSFET和晶體管構(gòu)成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。IGBT與其它功率開關(guān)一樣，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于主回路電流的急劇下降，主回路存在的寄生電感將會引起很高的集源電壓，稱為開關(guān)浪涌電壓。開關(guān)浪涌電壓的峰值很高，可達(dá)常態(tài)電壓的兩倍。這樣高的浪涌電壓就可能使IGBT超過其安全工作區(qū)，導(dǎo)致 IGBT損壞，另外它也是產(chǎn)生噪聲的一個(gè)原因。

圖3　吸收電路原理圖

抑制浪涌電壓的有效措施是采用吸收電路，電路如圖3所示。吸收電路的原理是：當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，蓄積在寄生電感中的能量通過開關(guān)的寄生電容(圖中未畫出)充電，開關(guān)電壓上升;當(dāng)此電壓上升到吸收電容C的電壓與輸出電壓之和時(shí)，吸收二極管導(dǎo)通。由于電容器的電壓不能突變，因此開關(guān)的電壓上升率被限制。

3.4 開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是否合理，是IGBT實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要問題。IGBT驅(qū)動(dòng)電路形式一般有三種：直接驅(qū)動(dòng)型、隔離驅(qū)動(dòng)型和集成模塊驅(qū)動(dòng)型。

在電路設(shè)計(jì)中最好選用專用芯片，因?yàn)閷Ｓ眯酒紟в斜容^完善的保護(hù)功能，可靠性高，只需很少的外圍元件，使用方便。目前市場上已有很多專用芯片，如美國MOTOROLA公司的MPD系列、日本東芝公司的TK系列、日本富士公司的EXB系列等。在本設(shè)計(jì)中，選用富士公司的EXB840，它能驅(qū)動(dòng)75A、1200V的IGBT管，加直流20V作為集成塊的工作電源。開關(guān)管頻率在40KHZ以下，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作快，信號延時(shí)不超過1.5毫秒。內(nèi)部利用穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生的負(fù)5伏電壓，除供內(nèi)部使用外，還為外部提供負(fù)偏壓。集成塊采用高速光耦輸入隔離，并有過流檢測及過載慢速關(guān)柵等功能。

圖4　IGBT驅(qū)動(dòng)電路

圖4為具有過流檢測，軟管端的驅(qū)動(dòng)電路圖。該驅(qū)動(dòng)電路的工作原理是：輸入信號經(jīng)反相器進(jìn)入14腳，輸出驅(qū)動(dòng)信號從3腳輸出。當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流時(shí)，5腳出現(xiàn)低電平，光耦SOI有輸出，對PWM信號提供一個(gè)封鎖信號，該信號使驅(qū)動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)化為一系列窄脈沖，對EXB840實(shí)行軟關(guān)斷。

4 結(jié)語

輔助電路對于變換器的安全正常工作非常重要，因此，對于輔助電路的設(shè)計(jì)不容忽視。本文對功率因數(shù)校正器輔助電路中的濾波電路設(shè)計(jì)、起動(dòng)電流抑制電路的設(shè)計(jì)和開關(guān)的浪涌吸收保護(hù)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的主要技術(shù)指標(biāo)要求。