基于Vicor HAM模塊的PFC電源設(shè)計(jì)

張萬峰，畢彥，宣志芬

（1.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海200032；2.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室上海201108）

傳統(tǒng)的開關(guān)電源電路，由于采用非線性元件和儲(chǔ)能元件，導(dǎo)致電源輸入電流的瞬時(shí)值很高，波形嚴(yán)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(huì)對(duì)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(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染，國(guó)內(nèi)外有關(guān)部門對(duì)電器設(shè)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(biāo)準(zhǔn)[1]。因此，功率因數(shù)調(diào)整電源，即PFC（Power Factor Corrector）電源的研制已成為當(dāng)今國(guó)際電力電子技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。PFC電源通過主動(dòng)調(diào)整輸入電流波形，以及對(duì)輸入電流與輸入電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)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(duì)電網(wǎng)的諧波污染。

Vicor HAM（Harmonic Attenuator Module）模塊是美國(guó)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(shè)計(jì)一臺(tái)600 W的PFC電源樣機(jī)；最后，對(duì)PFC電源樣機(jī)輸入電流諧波進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果證明該P(yáng)FC電源達(dá)到了GJB151A-97中CE101項(xiàng)目對(duì)電源諧波抑制的標(biāo)準(zhǔn)。

1 Vicor HAM模塊介紹

Vicor HAM模塊主要由一個(gè)全波整流器、一個(gè)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(hù)、控制和內(nèi)務(wù)管理電路等組成，如圖1所示。對(duì)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(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(shù)可校正至0.99。通過一個(gè)自適應(yīng)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[2]。

圖1 Vicor HAM功能方塊圖Fig.1 Block diagram of Vicor HAM function

Vicor HAM模塊工作時(shí)，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(dāng)輸入線電壓峰值和一個(gè)附加的電壓（附升電壓）之和超過輸出電壓時(shí)，才會(huì)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(cè)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(shí)，控制電路將監(jiān)測(cè)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[3]。

圖2 Vicor HAM輸入電壓電流示意圖Fig.2 Vicor HAM input voltage current diagram

控制和內(nèi)務(wù)管理電路還具有一個(gè)可以對(duì)外輸出的輔助電源（A/S）、一個(gè)使能輸出信號(hào)（E/O）和一個(gè)電源正常信號(hào)（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(jí)控制端和監(jiān)控電路。在最大電流為3 mA時(shí)，輸出電壓為19～23 VDC（以負(fù)輸出端為參考電位）。輔助電源的典型應(yīng)用為啟動(dòng)光耦合器。隔離電源正常信號(hào)（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）充滿電之前，使能輸出信號(hào)（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(dǎo)致轉(zhuǎn)換器反復(fù)開啟或關(guān)閉。

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

Vicor HAM模塊啟動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)序如圖3所示。交流電源正常輸入后，Vicor HAM模塊開始工作，當(dāng)其輸出大于280 VDC時(shí)，使能信號(hào)（E/O）為高電平并啟動(dòng)DCDC轉(zhuǎn)換器。約10 ms后，DCDC轉(zhuǎn)換器輸出正常。在使能信號(hào)（E/O）啟動(dòng)DCDC轉(zhuǎn)換器后約25 ms，電源正常信號(hào)（P/OK）變?yōu)榈碗娖?，表示輸入交流電源正常。?dāng)輸入交流電源斷電或者電壓降低導(dǎo)致Vicor HAM模塊輸出電壓低于270 VDC時(shí)，電源正常信號(hào)（P/OK）變?yōu)闉楦唠娖?，表示輸入交流電源不正常，?dāng)Vicor HAM模塊輸出電壓低于250 VDC時(shí)，使能信號(hào)（E/O）變?yōu)榈碗娖?，并關(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(dòng)/關(guān)機(jī)時(shí)序圖Fig.3 Timing diagram of Vicor HAM module start/shutdown

2 PFC電源設(shè)計(jì)

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(biāo)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(xiàng)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V375A48E600BL DCDC轉(zhuǎn)換器。

模塊Z1對(duì)交流輸入電壓進(jìn)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(shí)對(duì)儲(chǔ)能電容C1進(jìn)行充電。在儲(chǔ)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(chǔ)能電容C1充滿電后，使能輸出端（E/O）跳變?yōu)楦唠娖?。?dāng)直流電壓正常輸入后，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(shí)模塊Z3的初級(jí)控制端（PC）可對(duì)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(jí)控制端（PC）電壓拉低至小于2.3 V，模塊Z3便無法工作對(duì)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(jí)控制端（PC）相連，使得模塊Z3在儲(chǔ)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(chǔ)能電容C1的洩放電阻。D3為肖特基二極管，用以防止瞬變浪涌保護(hù)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(xiǎn)絲。

圖4 PFC電源原理圖Fig.4 Schematic diagram of PFC power supply

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)PFC電源樣機(jī)進(jìn)行輸入電流諧波測(cè)量，其測(cè)量示意圖如圖5所示，按照GJB 152A-97標(biāo)準(zhǔn)中CE101項(xiàng)目，即25 Hz～10 kHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射的測(cè)試方法進(jìn)行布置和測(cè)量。為了避免市電電網(wǎng)中的干擾影響測(cè)量精度，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量采用信號(hào)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(hào)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(luò)作為PFC電源樣機(jī)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(jī)的交流輸入電流，然后將i200s交流電流鉗輸出信號(hào)（電壓信號(hào)）通過數(shù)據(jù)采集器送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)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(hào)幅度。由于偶次諧波的信號(hào)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于奇次諧波的信號(hào)幅度，故計(jì)算機(jī)程序?qū)ε即沃C波信號(hào)不進(jìn)行測(cè)量。以基波信號(hào)幅度作為基準(zhǔn)，計(jì)算各奇次諧波信號(hào)幅度的衰減分貝數(shù)，即為諧波電流相對(duì)于基波電流的衰減分貝數(shù)。

根據(jù)GJB151A-97中CE101-2項(xiàng)目中極限值的規(guī)定，當(dāng)輸入電源功率小于1 kW時(shí)以圖6中曲線abc作為極限。GJB151A-97中以均已1 μA為基準(zhǔn)，為了方便對(duì)比諧波衰減幅度，取基波電流為0 dB。測(cè)量結(jié)果如圖6所示，其中粗實(shí)線為極限基準(zhǔn)，細(xì)實(shí)線為負(fù)載為120 Ω時(shí)的測(cè)量曲線，細(xì)虛線為負(fù)載為50 Ω時(shí)的測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量，且此頻率以上的諧波幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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P(yáng)FC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(jī)滿功率輸出，有望使3次諧波也在曲線dbc以下。由此可驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PFC電源樣機(jī)完全可以達(dá)到GJB151A-97中CE101-2項(xiàng)目中極限值的要求。如果依靠多個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的PFC電源。

圖5 測(cè)量示意圖Fig.5 Schematic diagram of measurment

圖6 諧波衰減測(cè)量結(jié)果Fig.6 The result of measuring harmonic attenuation

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(shè)計(jì)一款PFC電源樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)證明該P(yáng)FC電源樣機(jī)符合GJB151A-97中CE101的標(biāo)準(zhǔn)。Vicor HAM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(zhuǎn)換器可方便的設(shè)計(jì)出不同直流電壓輸出的PFC電源，因此利用模塊設(shè)計(jì)PFC電源具有廣泛的工程參考價(jià)值。

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[3]懷格香港有限公司.電子供電中的有源功率因素校正[EB/OL].[2011-05-17].http://www.vicor-china.com/documents/application_notes/an1_active-pfc.pdf.

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[5]中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，中船總公司701所.GJB151A-97.軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].北京：國(guó)防科學(xué)工業(yè)技術(shù)委員會(huì)，1997.

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