基于Vicor HAM 模塊的PFC電源設計

傳統的開(kāi)關(guān)電源電路，由于采用非線(xiàn)性元件和儲能元件，導致電源輸入電流的瞬時(shí)值很高，波形嚴重畸變且呈脈沖狀，因此存在著(zhù)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(huì )對電網(wǎng)造成極大的污染。為了減少開(kāi)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，國內外有關(guān)部門(mén)對電器設備產(chǎn)生的諧波量做出了有關(guān)規定，如EN61000-3-2，MIL-STD-461D以及GJB151A-97等標準[1]。因此，功率因數調整電源，即PFC（PowerFactorCorrector）電源的研制已成為當今國際電力電子技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。PFC電源通過(guò)主動(dòng)調整輸入電流波形，以及對輸入電流與輸入電壓間的相位差進(jìn)行補償，從而抑制了諧波的產(chǎn)生，提高了電源的功率因數，減少了對電網(wǎng)的諧波污染。

VicorHAM（HarmonicAttenuatorModule）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換為直流高壓，并根據PFC電源的輸出調整輸入電流的波形以提高電源的功率因數減少諧波。本文首先介紹了VicorHAM模塊的功能和基本原理；其次，以VicorHAM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600W的PFC電源樣機；最后，對PFC電源樣機輸入電流諧波進(jìn)行測量，測量結果證明該PFC電源達到了GJB151A-97中CE101項目對電源諧波抑制的標準。

1VicorHAM模塊介紹

VicorHAM模塊主要由一個(gè)全波整流器、一個(gè)高頻零電流開(kāi)關(guān)（ZeroCurrentSwitch）高壓轉換器、有源浪涌電流限制、短路保護、控制和內務(wù)管理電路等組成，如圖1所示。對輸入交流電源整流，并輸送到高壓轉換器?？刂齐娐犯淖兏邏恨D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(shí)使輸入電流跟隨輸入電壓的波形和相位，從而使功率因數可校正至0.99。通過(guò)一個(gè)自適應輸出電壓控制系統，在任何輸入電壓下，均可優(yōu)化高壓轉換器的操作效率。

圖1VicorHAM功能方塊圖

VicorHAM模塊工作時(shí)，通過(guò)全波整流器將輸入線(xiàn)電壓整流后輸送到高壓轉換器，其電壓波形如圖2-A所示?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)改變高壓轉換器的工作頻率，使得VicorHAM模塊的輸出電壓比輸入線(xiàn)電壓峰值高，如圖2-B所示。由于輸入線(xiàn)電壓的峰值小于輸出電壓，所以只有當輸入線(xiàn)電壓峰值和一個(gè)附加的電壓（附升電壓）之和超過(guò)輸出電壓時(shí)，才會(huì )有電流通過(guò)。由此，可通過(guò)控制電路去調節附升電壓（圖2-B-A）來(lái)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(guò)測量輸入電流并將其與輸入線(xiàn)電壓波形比較控制電路去調節附升電壓，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(shí)，控制電路將監測VicorHAM模塊輸出電壓并調節附升電壓，去維持大體上調節過(guò)的VicorHAM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VicorHAM模塊輸出電壓有微小變化。

圖2VicorHAM輸入電壓電流示意圖

控制和內務(wù)管理電路還具有一個(gè)可以對外輸出的輔助電源（A/S）、一個(gè)使能輸出信號（E/O）和一個(gè)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控電路。在最大電流為3mA時(shí)，輸出電壓為19~23VDC（以負輸出端為參考電位）。輔助電源的典型應用為啟動(dòng)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(gè)保持電容（HUB），在保持電容（HUB）充滿(mǎn)電之前，使能輸出信號（E/O）用來(lái)抑制DCDC轉換器。必須將使能輸出（E/O）引腳與V375DCDC轉換器的PC引腳連接，否則可導致轉換器反復開(kāi)啟或關(guān)閉。

電源正常信號（P/OK）是一個(gè)顯示交流電源狀態(tài)和VicorHAM模塊直流輸出電壓的監控信號。該信號為V375DCDC轉換器提供了足夠的時(shí)間啟動(dòng)并穩定其輸出。

VicorHAM模塊啟動(dòng)關(guān)機時(shí)序如圖3所示。交流電源正常輸入后，VicorHAM模塊開(kāi)始工作，當其輸出大于280VDC時(shí)，使能信號（E/O）為高電平并啟動(dòng)DCDC轉換器。約10ms后，DCDC轉換器輸出正常。在使能信號（E/O）啟動(dòng)DCDC轉換器后約25ms，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VicorHAM模塊輸出電壓低于270VDC時(shí)，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250VDC時(shí)，使能信號（E/O）變?yōu)榈碗娖?，并關(guān)閉DCDC轉換器，從而使DCDC轉換器沒(méi)有直流輸出。

圖3VicorHAM模塊啟動(dòng)/關(guān)機時(shí)序圖

2PFC電源設計

本文采用Vicor30205濾波器、VI-HAM-EL模塊、輔助電路以及V375A48E600BL模塊構成一款PFC電源。該電源交流輸入電壓為110~264VAC。標稱(chēng)直流輸出電壓為48V。輸出可調節范圍為-90%~+10%。最大輸出功率為600W。輸出紋波小于50mVpp。諧波衰減滿(mǎn)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轉換器。

模塊Z1對交流輸入電壓進(jìn)行濾波，由于Vicor30205濾波器內置壓敏電阻、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換為375V直流電壓，并且調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(shí)對儲能電容C1進(jìn)行充電。在儲能電容C1未充滿(mǎn)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(mǎn)電后，使能輸出端（E/O）跳變?yōu)楦唠娖?。當直流電壓正常輸入后，模塊Z3便將375V直流電壓轉換為48V直流電壓輸出，同時(shí)模塊Z3的初級控制端（PC）可對外提供直流5.7V的控制電壓，其最大電流為3mA。若將初級控制端（PC）電壓拉低至小于2.3V，模塊Z3便無(wú)法工作對外無(wú)電壓輸出。

模塊Z2的使能輸出端（E/O）通過(guò)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(mǎn)電之前不工作，從而無(wú)直流電壓輸出。R1是上拉電阻，它通過(guò)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為穩壓二極管以穩定模塊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模塊。C2~C4為不同耐壓的X電容，用來(lái)抑制差模干擾。C5~C8為Y電容，用來(lái)抑制共模干擾。F1和F2為保險絲。

圖4PFC電源原理圖

3實(shí)驗結果

在實(shí)驗室中對PFC電源樣機進(jìn)行輸入電流諧波測量，其測量示意圖如圖5所示，按照GJB152A-97標準中CE101項目，即25Hz~10kHz電源線(xiàn)傳導發(fā)射的測試方法進(jìn)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(shí)驗室測量采用信號源和功率放大器所產(chǎn)生頻率為50Hz，幅度為622VPP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(guò)LISN電源網(wǎng)絡(luò )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(guò)數據采集器送入計算機。計算機程序通過(guò)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，故計算機程序對偶次諧波信號不進(jìn)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，即為諧波電流相對于基波電流的衰減分貝數。

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

GJB151A-97中以均已1μA為基準，為了方便對比諧波衰減幅度，取基波電流為0dB。測量結果如圖6所示，其中粗實(shí)線(xiàn)為極限基準，細實(shí)線(xiàn)為負載為120Ω時(shí)的測量曲線(xiàn)，細虛線(xiàn)為負載為50Ω時(shí)的測量曲線(xiàn)。由于受到數據采集器的限制，頻率在3kHz以上的諧波幅度無(wú)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3kHz以下的頻段上諧波衰減均在曲線(xiàn)abc以下，從5次諧波（250Hz）開(kāi)始均在曲線(xiàn)dbc（輸入電功率大于1kW極限）以下。若增加圖4中C1的容量或者使PFC電源樣機滿(mǎn)功率輸出，有望使3次諧波也在曲線(xiàn)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(gè)600W的PFC電源，就有可能研制出功率大于1kW并且滿(mǎn)足GJB151A-97中CE101標準的PFC電源。

圖5測量示意圖

圖6諧波衰減測量結果

4結論

本文主要介紹了VicorHAM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(guò)實(shí)驗證明該PFC電源樣機符合GJB151A-97中CE101的標準。VicorHAM模塊具有體積小，輸出功率高，可靠性高等特點(diǎn)，且外圍電路簡(jiǎn)單，配合不同的DCDC轉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(jià)值。