PFC电源设计

2万 · 2014-7-4 23:30

传统的开关电源电路，由于采用非线性元件和储能元件，导致电源输入电流的瞬时值很高，波形严重畸变且呈脉冲状，因此存在着丰富的谐波电流，尤其是三次谐波电流。这些谐波电流一方面增加了谐波噪声水平，降低了电源的可靠性，另一方面又会对电网造成极大的污染。为了减少开关型功率变换器输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污染，国内外有关部门对电器设备产生的谐波量做出了有关规定，如EN61000-3-2，MIL-STD-461D 以及GJB151A-97等标准[1]。因此，功率因数调整电源，即PFC(Power FactorCorrector) 电源的研制已成为当今国际电力电子技术领域的热点之一。PFC 电源通过主动调整输入电流波形，以及对输入电流与输入电压间的相位差进行补偿，从而抑制了谐波的产生，提高了电源的功率因数，减少了对电网的谐波污染。
Vicor HAM(Harmonic Attenuator Module)模块是美国Vicor公司推出的一款电源谐波衰减模块，该模块作为PFC 电源的前端模块，可将输入交流电压转换为直流高压，并根据PFC 电源的输出调整输入电流的波形以提高电源的功率因数减少谐波。本文首先介绍了Vicor HAM 模块的功能和基本原理;其次，以Vicor HAM 为核心，并配以电源滤波器、V375系列DCDC 变换器等器件设计一台600 W 的PFC 电源样机;最后，对PFC 电源样机输入电流谐波进行测量，测量结果证明该PFC 电源达到了GJB151A-97 中CE101 项目对电源谐波抑制的标准。

1 Vicor HAM 模块介绍

Vicor HAM 模块主要由一个全波整流器、一个高频零电流开关(Zero Current Switch)高压转换器、有源浪涌电流限制、短路保护、控制和内务管理电路等组成，如图1 所示。对输入交流电源整流，并输送到高压转换器。控制电路改变高压转换器的操作频率，保持HAM 的输出电压在输入电压的峰值以上，同时使输入电流跟随输入电压的波形和相位，从而使功率因数可校正至0.99。通过一个自适应输出电压控制系统，在任何输入电压下，均可优化高压转换器的操作效率。

图1 Vicor HAM 功能方块图

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Vicor HAM 模块工作时，通过全波整流器将输入线电压整流后输送到高压转换器，其电压波形如图2-A 所示。控制电路通过改变高压转换器的工作频率，使得Vicor HAM 模块的输出电压比输入线电压峰值高，如图2-B 所示。由于输入线电压的峰值小于输出电压，所以只有当输入线电压峰值和一个附加的电压(附升电压)之和超过输出电压时，才会有电流通过。由此，可通过控制电路去调节附升电压(图2-B-A)来保持正弦波式的输入电流。为了保持正弦式的输入电流，控制电路可采用输入电压波形作为参照物，通过测量输入电流并将其与输入线电压波形比较控制电路去调节附升电压，以便得到与输入电压一样波形的输入电流(图2-I)。与此同时，控制电路将监测Vicor HAM 模块输出电压并调节附升电压，去维持大体上调节过的Vicor HAM 模块输出电压(图2-B)。由于控制电路的主要功能是保持正弦波式的电流，所以可允许Vicor HAM 模块输出电压有微小变化。

图2 Vicor HAM 输入电压电流示意图

2万 · 2014-7-4 23:31

控制和内务管理电路还具有一个可以对外输出的辅助电源(A/S )、一个使能输出信号(E/O)和一个电源正常信号(P/OK)。

辅助电源(A/S)为HAM 模块提供的低压非隔离输出，可用于功率初级控制端和监控电路。在最大电流为3 mA 时，输出电压为19~23 VDC(以负输出端为参考电位)。辅助电源的典型应用为启动光耦合器。隔离电源正常信号(P/OK)。

在HAM 模块的输出端通常接有一个保持电容(HUB)，在保持电容(HUB)充满电之前，使能输出信号(E/O)用来抑制DCDC 转换器。必须将使能输出(E/O)引脚与V375 DCDC 转换器的PC 引脚连接，否则可导致转换器反复开启或关闭。

电源正常信号(P/OK)是一个显示交流电源状态和VicorHAM 模块直流输出电压的监控信号。该信号为V375 DCDC转换器提供了足够的时间启动并稳定其输出。

Vicor HAM 模块启动关机时序如图3 所示。交流电源正常输入后，Vicor HAM 模块开始工作，当其输出大于280 VDC时，使能信号(E/O)为高电平并启动DCDC 转换器。约10 ms后，DCDC 转换器输出正常。在使能信号(E/O)启动DCDC 转换器后约25 ms，电源正常信号(P/OK)变为低电平，表示输入交流电源正常。当输入交流电源断电或者电压降低导致Vicor HAM 模块输出电压低于270 VDC 时，电源正常信号(P/OK)变为为高电平，表示输入交流电源不正常，当VicorHAM 模块输出电压低于250 VDC 时，使能信号(E/O)变为低电平，并关闭DCDC 转换器，从而使DCDC 转换器没有直流输出。

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图3 Vicor HAM 模块启动/关机时序图

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2 PFC 电源设计

本文采用Vicor30205 滤波器、VI-HAM-EL 模块、辅助电路以及V375A48E600BL 模块构成一款PFC 电源。该电源交流输入电压为110~264 VAC。标称直流输出电压为48 V。输出可调节范围为-90%~+10%。最大输出功率为600 W。输出纹波小于50 mVpp。谐波衰减满足GJB151A-97 中CE101 项目的要求。

PFC 电源电路原理图如图4 所示，其中模块Z1、Z2、Z3 分别为Vicor30205 滤波器、VI-HAM-EL 模块和V375A48E600BLDCDC 转换器。

图4 PFC 电源原理图

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模块Z1 对交流输入电压进行滤波，由于Vicor30205 滤波器内置压敏电阻、差模滤波器和共模滤波器等器件，因此可以抑制输入交流电压的瞬变浪涌，减少输入差模噪声和共模噪声。模块Z2 将经模块Z1 滤波的输入交流电压转换为375 V 直流电压，并且调整输入电流波形使之与输入电压波形一致。模块Z2 的直流输出作为模块Z3 的输入，同时对储能电容C1进行充电。在储能电容C1未充满电之前，模块Z2 的使能输出端(E/O)为低电平，待储能电容C1充满电后，使能输出端(E/O)跳变为高电平。当直流电压正常输入后，模块Z3 便将375 V 直流电压转换为48 V 直流电压输出，同时模块Z3 的初级控制端(PC)可对外提供直流5.7 V的控制电压，其最大电流为3 mA。若将初级控制端(PC)电压拉低至小于2.3 V，模块Z3 便无法工作对外无电压输出。

模块Z2 的使能输出端(E/O)通过电阻R3和二极管D2 与模块Z3 的初级控制端(PC)相连，使得模块Z3 在储能电容C1未充满电之前不工作，从而无直流电压输出。R1 是上拉电阻，它通过模块Z2 的使能输出端(E/O)与辅助电源端(A/S)与相连，以保证使能输出端(E/O)输出正常。D1 为稳压二极管以稳定模块Z2 的使能输出端(E/O)的高电平。R2为储能电容C1的泄放电阻。D3 为肖特基二极管，用以防止瞬变浪涌保护后续模块。C2~C4为不同耐压的X 电容，用来抑制差模干扰。C5~C8为Y 电容，用来抑制共模干扰。F1 和F2 为保险丝。

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3 实验结果

在实验室中对PFC 电源样机进行输入电流谐波测量，其测量示意图如图5 所示，按照GJB 152A-97 标准中CE101 项目，即25 Hz~10 kHz 电源线传导发射的测试方法进行布置和测量。为了避免市电电网中的干扰影响测量精度，实验室测量采用信号源和功率放大器所产生频率为50 Hz，幅度为622 VPP 的输出信号模拟市电电网供电，模拟市电电网交流电经过LISN 电源网络作为PFC 电源样机的交流输入电压。

采用FLUCK 公司i200s 交流电流钳采集PFC 电源样机的交流输入电流，然后将i200s 交流电流钳输出信号(电压信号)通过数据采集器送入计算机。计算机程序通过不同中心频率的滤波器分析处理后，得到基波以及各次谐波的信号幅度。

由于偶次谐波的信号幅度远远小于奇次谐波的信号幅度，故计算机程序对偶次谐波信号不进行测量。以基波信号幅度作为基准，计算各奇次谐波信号幅度的衰减分贝数，即为谐波电流相对于基波电流的衰减分贝数。

根据GJB151A-97 中CE101-2 项目中极限值的规定，当输入电源功率小于1 kW 时以图6 中曲线abc 作为极限。

2万 · 2014-7-4 23:32

GJB151A-97 中以均已1 μA 为基准，为了方便对比谐波衰减幅度，取基波电流为0 dB。测量结果如图6 所示，其中粗实线为极限基准，细实线为负载为120 Ω 时的测量曲线，细虚线为负载为50 Ω 时的测量曲线。由于受到数据采集器的限制，频率在3 kHz 以上的谐波幅度无法准确测量，且此频率以上的谐波幅度远远小于3 次谐波和5 次谐波，故在图6中省略。从图6 中可知该PFC 电源在3 kHz 以下的频段上谐波衰减均在曲线abc 以下，从5 次谐波(250 Hz)开始均在曲线dbc(输入电功率大于1 kW 极限)以下。若增加图4 中C1的容量或者使PFC 电源样机满功率输出，有望使3 次谐波也在曲线dbc 以下。由此可验证所设计的PFC 电源样机完全可以达到GJB151A-97 中CE101-2 项目中极限值的要求。如果依靠多个600 W 的PFC 电源，就有可能研制出功率大于1 kW 并且满足GJB151A-97 中CE101 标准的PFC电源。

图5 测量示意图

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图6 谐波衰减测量结果

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4 结论

本文主要介绍了Vicor HAM 模块的工作原理，并以该模块为核心设计一款PFC 电源样机，通过实验证明该PFC 电源样机符合GJB151A-97 中CE101 的标准。Vicor HAM 模块具有体积小，输出功率高，可靠性高等特点，且外围电路简单，配合不同的DCDC 转换器可方便的设计出不同直流电压输出的PFC 电源，因此利用模块设计PFC 电源具有广泛的工程参考价值。