基于Vicor HAM 模塊的PFC電源設計

摘要： 為了提高用電設備對電能的利用效率， 減少其對電網(wǎng)的諧波污染和電磁干擾， 同時滿足GJB151A-97 標準中CE101 項目對用電設備的電源諧波要求， 研制了一臺600 W 的功率因數(shù)調(diào)整電源， 即PFC 電源。該電源采用美國Vicor 公司的高增壓諧波衰減(HAM)模塊和V375 系列DCDC 模塊，其中HAM 模塊用于控制電源輸入電流，使其相位與輸入電壓相位保持一致， 以減少諧波的產(chǎn)生，DCDC 模塊將HAM 模塊輸出的直流高壓轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓輸。經(jīng)測試，該PFC 電源達到了GJB151A-97 中CE101 項目對電源諧波抑制的標準。與其他PFC 電源設計方案相比，利用HAM 模塊研制的PFC 電源具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可靠性高，開發(fā)周期短等優(yōu)點。

傳統(tǒng)的開關(guān)電源電路， 由于采用非線性元件和儲能元件，導致電源輸入電流的瞬時值很高，波形嚴重畸變且呈脈沖狀，因此存在著豐富的諧波電流，尤其是三次諧波電流。這些諧波電流一方面增加了諧波噪聲水平，降低了電源的可靠性，另一方面又會對電網(wǎng)造成極大的污染。為了減少開關(guān)型功率變換器輸入端諧波電流造成的噪聲和對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染，國內(nèi)外有關(guān)部門對電器設備產(chǎn)生的諧波量做出了有關(guān)規(guī)定，如EN61000-3-2，MIL-STD-461D 以及GJB151A-97等標準[1]。因此， 功率因數(shù)調(diào)整電源， 即PFC(Power FactorCorrector) 電源的研制已成為當今國際電力電子技術(shù)領域的熱點之一。PFC 電源通過主動調(diào)整輸入電流波形，以及對輸入電流與輸入電壓間的相位差進行補償，從而抑制了諧波的產(chǎn)生，提高了電源的功率因數(shù)，減少了對電網(wǎng)的諧波污染。

Vicor HAM(Harmonic Attenuator Module)模塊是美國Vicor公司推出的一款電源諧波衰減模塊， 該模塊作為PFC 電源的前端模塊，可將輸入交流電壓轉(zhuǎn)換為直流高壓，并根據(jù)PFC 電源的輸出調(diào)整輸入電流的波形以提高電源的功率因數(shù)減少諧波。本文首先介紹了Vicor HAM 模塊的功能和基本原理;其次，以Vicor HAM 為核心，并配以電源濾波器、V375系列DCDC 變換器等器件設計一臺600 W 的PFC 電源樣機;最后，對PFC 電源樣機輸入電流諧波進行測量，測量結(jié)果證明該PFC 電源達到了GJB151A-97 中CE101 項目對電源諧波抑制的標準。

1 Vicor HAM 模塊介紹

Vicor HAM 模塊主要由一個全波整流器、一個高頻零電流開關(guān)(Zero Current Switch)高壓轉(zhuǎn)換器、有源浪涌電流限制、短路保護、控制和內(nèi)務管理電路等組成，如圖1 所示。對輸入交流電源整流，并輸送到高壓轉(zhuǎn)換器?？刂齐娐犯淖兏邏恨D(zhuǎn)換器的操作頻率， 保持HAM 的輸出電壓在輸入電壓的峰值以上，同時使輸入電流跟隨輸入電壓的波形和相位，從而使功率因數(shù)可校正至0.99。通過一個自適應輸出電壓控制系統(tǒng)，在任何輸入電壓下，均可優(yōu)化高壓轉(zhuǎn)換器的操作效率。

圖1 Vicor HAM 功能方塊圖

Vicor HAM 模塊工作時，通過全波整流器將輸入線電壓整流后輸送到高壓轉(zhuǎn)換器，其電壓波形如圖2-A 所示?？刂齐娐吠ㄟ^改變高壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率，使得Vicor HAM 模塊的輸出電壓比輸入線電壓峰值高，如圖2-B 所示。由于輸入線電壓的峰值小于輸出電壓，所以只有當輸入線電壓峰值和一個附加的電壓(附升電壓)之和超過輸出電壓時，才會有電流通過。由此，可通過控制電路去調(diào)節(jié)附升電壓(圖2-B-A)來保持正弦波式的輸入電流。為了保持正弦式的輸入電流，控制電路可采用輸入電壓波形作為參照物，通過測量輸入電流并將其與輸入線電壓波形比較控制電路去調(diào)節(jié)附升電壓，以便得到與輸入電壓一樣波形的輸入電流(圖2-I)。與此同時，控制電路將監(jiān)測Vicor HAM 模塊輸出電壓并調(diào)節(jié)附升電壓，去維持大體上調(diào)節(jié)過的Vicor HAM 模塊輸出電壓(圖2-B)。由于控制電路的主要功能是保持正弦波式的電流，所以可允許Vicor HAM 模塊輸出電壓有微小變化。

圖2 Vicor HAM 輸入電壓電流示意圖

控制和內(nèi)務管理電路還具有一個可以對外輸出的輔助電源(A/S )、一個使能輸出信號(E/O)和一個電源正常信號(P/OK)。

輔助電源(A/S)為HAM 模塊提供的低壓非隔離輸出，可用于功率初級控制端和監(jiān)控電路。在最大電流為3 mA 時，輸出電壓為19~23 VDC(以負輸出端為參考電位)。輔助電源的典型應用為啟動光耦合器。隔離電源正常信號(P/OK)。

在HAM 模塊的輸出端通常接有一個保持電容(HUB)，在保持電容(HUB)充滿電之前，使能輸出信號(E/O)用來抑制DCDC 轉(zhuǎn)換器。必須將使能輸出(E/O)引腳與V375 DCDC 轉(zhuǎn)換器的PC 引腳連接，否則可導致轉(zhuǎn)換器反復開啟或關(guān)閉。

電源正常信號(P/OK)是一個顯示交流電源狀態(tài)和VicorHAM 模塊直流輸出電壓的監(jiān)控信號。該信號為V375 DCDC轉(zhuǎn)換器提供了足夠的時間啟動并穩(wěn)定其輸出。

Vicor HAM 模塊啟動關(guān)機時序如圖3 所示。交流電源正常輸入后，Vicor HAM 模塊開始工作，當其輸出大于280 VDC時，使能信號(E/O)為高電平并啟動DCDC 轉(zhuǎn)換器。約10 ms后，DCDC 轉(zhuǎn)換器輸出正常。在使能信號(E/O)啟動DCDC 轉(zhuǎn)換器后約25 ms，電源正常信號(P/OK)變?yōu)榈碗娖?，表示輸入交流電源正常。當輸入交流電源斷電或者電壓降低導致Vicor HAM 模塊輸出電壓低于270 VDC 時， 電源正常信號(P/OK)變?yōu)闉楦唠娖?，表示輸入交流電源不正常，當VicorHAM 模塊輸出電壓低于250 VDC 時，使能信號(E/O)變?yōu)榈碗娖剑㈥P(guān)閉DCDC 轉(zhuǎn)換器，從而使DCDC 轉(zhuǎn)換器沒有直流輸出。

圖3 Vicor HAM 模塊啟動/關(guān)機時序圖[!--empirenews.page--]

2 PFC 電源設計

本文采用Vicor30205 濾波器、VI-HAM-EL 模塊、輔助電路以及V375A48E600BL 模塊構(gòu)成一款PFC 電源。該電源交流輸入電壓為110~264 VAC。標稱直流輸出電壓為48 V。輸出可調(diào)節(jié)范圍為-90%~+10%。最大輸出功率為600 W。輸出紋波小于50 mVpp。諧波衰減滿足GJB151A-97 中CE101 項目的要求。

PFC 電源電路原理圖如圖4 所示，其中模塊Z1、Z2、Z3 分別為Vicor30205 濾波器、VI-HAM-EL 模塊和V375A48E600BLDCDC 轉(zhuǎn)換器。

模塊Z1 對交流輸入電壓進行濾波，由于Vicor30205 濾波器內(nèi)置壓敏電阻、差模濾波器和共模濾波器等器件，因此可以抑制輸入交流電壓的瞬變浪涌， 減少輸入差模噪聲和共模噪聲。模塊Z2 將經(jīng)模塊Z1 濾波的輸入交流電壓轉(zhuǎn)換為375 V 直流電壓， 并且調(diào)整輸入電流波形使之與輸入電壓波形一致。模塊Z2 的直流輸出作為模塊Z3 的輸入，同時對儲能電容C1進行充電。在儲能電容C1未充滿電之前，模塊Z2 的使能輸出端(E/O)為低電平，待儲能電容C1充滿電后，使能輸出端(E/O)跳變?yōu)楦唠娖健．斨绷麟妷赫］斎牒螅?模塊Z3 便將375 V 直流電壓轉(zhuǎn)換為48 V 直流電壓輸出，同時模塊Z3 的初級控制端(PC)可對外提供直流5.7 V的控制電壓，其最大電流為3 mA。若將初級控制端(PC)電壓拉低至小于2.3 V，模塊Z3 便無法工作對外無電壓輸出。

模塊Z2 的使能輸出端(E/O)通過電阻R3和二極管D2 與模塊Z3 的初級控制端(PC)相連，使得模塊Z3 在儲能電容C1未充滿電之前不工作，從而無直流電壓輸出。R1 是上拉電阻，它通過模塊Z2 的使能輸出端(E/O)與輔助電源端(A/S)與相連，以保證使能輸出端(E/O)輸出正常。D1 為穩(wěn)壓二極管以穩(wěn)定模塊Z2 的使能輸出端(E/O)的高電平。R2為儲能電容C1的泄放電阻。D3 為肖特基二極管，用以防止瞬變浪涌保護后續(xù)模塊。C2~C4為不同耐壓的X 電容，用來抑制差模干擾。C5~C8為Y 電容，用來抑制共模干擾。F1 和F2 為保險絲。

圖4 PFC 電源原理圖

3 實驗結(jié)果

在實驗室中對PFC 電源樣機進行輸入電流諧波測量，其測量示意圖如圖5 所示，按照GJB 152A-97 標準中CE101 項目， 即25 Hz~10 kHz 電源線傳導發(fā)射的測試方法進行布置和測量。為了避免市電電網(wǎng)中的干擾影響測量精度，實驗室測量采用信號源和功率放大器所產(chǎn)生頻率為50 Hz， 幅度為622 VPP 的輸出信號模擬市電電網(wǎng)供電， 模擬市電電網(wǎng)交流電經(jīng)過LISN 電源網(wǎng)絡作為PFC 電源樣機的交流輸入電壓。

采用FLUCK 公司i200s 交流電流鉗采集PFC 電源樣機的交流輸入電流，然后將i200s 交流電流鉗輸出信號(電壓信號)通過數(shù)據(jù)采集器送入計算機。計算機程序通過不同中心頻率的濾波器分析處理后， 得到基波以及各次諧波的信號幅度。

由于偶次諧波的信號幅度遠遠小于奇次諧波的信號幅度，故計算機程序?qū)ε即沃C波信號不進行測量。以基波信號幅度作為基準，計算各奇次諧波信號幅度的衰減分貝數(shù)，即為諧波電流相對于基波電流的衰減分貝數(shù)。

根據(jù)GJB151A-97 中CE101-2 項目中極限值的規(guī)定，當輸入電源功率小于1 kW 時以圖6 中曲線abc 作為極限。

GJB151A-97 中以均已1 μA 為基準， 為了方便對比諧波衰減幅度，取基波電流為0 dB。測量結(jié)果如圖6 所示，其中粗實線為極限基準，細實線為負載為120 Ω 時的測量曲線，細虛線為負載為50 Ω 時的測量曲線。由于受到數(shù)據(jù)采集器的限制，頻率在3 kHz 以上的諧波幅度無法準確測量，且此頻率以上的諧波幅度遠遠小于3 次諧波和5 次諧波，故在圖6中省略。從圖6 中可知該PFC 電源在3 kHz 以下的頻段上諧波衰減均在曲線abc 以下，從5 次諧波(250 Hz)開始均在曲線dbc(輸入電功率大于1 kW 極限)以下。若增加圖4 中C1的容量或者使PFC 電源樣機滿功率輸出， 有望使3 次諧波也在曲線dbc 以下。由此可驗證所設計的PFC 電源樣機完全可以達到GJB151A-97 中CE101-2 項目中極限值的要求。如果依靠多個600 W 的PFC 電源，就有可能研制出功率大于1 kW 并且滿足GJB151A-97 中CE101 標準的PFC電源。

圖5 測量示意圖

圖6 諧波衰減測量結(jié)果

4 結(jié)論

本文主要介紹了Vicor HAM 模塊的工作原理，并以該模塊為核心設計一款PFC 電源樣機， 通過實驗證明該PFC 電源樣機符合GJB151A-97 中CE101 的標準。Vicor HAM 模塊具有體積小，輸出功率高，可靠性高等特點，且外圍電路簡單，配合不同的DCDC 轉(zhuǎn)換器可方便的設計出不同直流電壓輸出的PFC 電源， 因此利用模塊設計PFC 電源具有廣泛的工程參考價值。