依據(jù)無源功率因數(shù)校正技術(shù)的軍工設(shè)備應(yīng)用研究*

謝國善

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室 武漢 430205)

依據(jù)無源功率因數(shù)校正技術(shù)的軍工設(shè)備應(yīng)用研究*

謝國善

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室 武漢 430205)

論文主要撰寫無源功率因數(shù)校正技術(shù)的工作機理,總結(jié)了該技術(shù)在提高開關(guān)電源電磁兼容性能上的應(yīng)用研究,并設(shè)計了兩種無源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)用方案,分析了方案預(yù)期工作效果,最后給出了試驗對比結(jié)果。

無源功率因數(shù)校正; 開關(guān)電源; 電路; 電磁兼容

Class Number TM46

1 引言

電磁兼容性是艦船上電氣、電子設(shè)備或系統(tǒng)能相互兼容工作而不導(dǎo)致其功能和指標的降低,并且電子設(shè)備輻射產(chǎn)生的電磁場對人員、武備、燃油、電子器件的危害不超過規(guī)定的界限值的最優(yōu)狀況[1]。隨著軍工產(chǎn)品越來越多地采用低功耗、高速度、高集成度的電路,而使得這些裝置比以往任何時候更容易受到電磁干擾的威脅[2]。與此同時,開關(guān)電源由于體積小、重量輕,越來越廣泛地應(yīng)用于軍工設(shè)備。開關(guān)電源從交流電網(wǎng)中提取電能,經(jīng)整流后變成直流電供系統(tǒng)設(shè)備使用。AC電源經(jīng)橋式整流后,常接一個濾波平整電容。由于該電容的存在,使整流臂的導(dǎo)通時間小于半個周期,因而做成輸入電源電壓是正弦形,而輸入電流卻是正負交替的脈沖形。后者導(dǎo)致大量電流諧波特別是一、三、五、七等奇次諧波的產(chǎn)生。這既構(gòu)成對電網(wǎng)效能的干擾和損害,同時導(dǎo)致設(shè)備低頻傳導(dǎo)輻射發(fā)射CE101超標。而由于干擾諧波頻率接近電網(wǎng)工頻,電源EMI濾波器不能起到濾波作用。只有通過功率因數(shù)校正提高設(shè)備電源功率因數(shù)才能解決軍工設(shè)備的低頻諧波干擾。功率因數(shù)校正有無源功率因數(shù)校正PPFC和有源功率因數(shù)校正APFC兩種實現(xiàn)方法。PPFC電路的功率因數(shù)值比APFC電路功率因數(shù)低,但PPFC電路結(jié)構(gòu)簡單,不額外產(chǎn)生高頻干擾[3]。本文主要討論無源功率因數(shù)校正方法。

2 無源功率因數(shù)校正PFC電路工作原理

如圖1示出一個不含PFC的標準型電源電路的輸入電壓Vm和輸入電流Im波形,Im只在Vm為正最大和負最大的一小段時間內(nèi)流通,在這些時間以外,Im為零。Im波形近似于50Hz周期脈沖波,通過傅立葉轉(zhuǎn)換計算可知,其低頻諧波分量幅度接近基波。這是因為此時的正弦電壓輸入值小于濾波電容上的電壓,導(dǎo)致整流二極管不導(dǎo)通的緣故。這種電路的功率因數(shù)值在0.5～0.6左右。功率因數(shù)校正電路的引入目的就是為獲得形似圖1中Imp的電流,從而降低電路低頻諧波,滿足電磁兼容低頻傳導(dǎo)輻射發(fā)射要求[4]。

圖1 PFC電流電壓波形對比示意圖

3 兩種無源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)用方案之一:典型中小功率無源功率因數(shù)校正電路應(yīng)用方案

該無源功率因數(shù)校正電路的工作過程是：在輸入整流的每個半周期間,濾波電容C1和C2以串聯(lián)的形式經(jīng)由D2和R1進行充電,C1和C2分別被充電至交流電壓峰值的一半。加入電阻R1的目的是為了減少電容充電時的尖峰電流[5]。由于每個電容被充電至交流峰值電壓的一半,所以僅在母線電壓跌落到正弦波形的峰值電壓一半之下時,電容才有輸出電流,此時電容實際上以并聯(lián)方式給負載供電,直到下個半周期交流輸入整流電壓再次超過逢值電的一半為止。電容放電占空比大約是30%[6],除此以外,負載直接由交流整流輸入供電。在交輸入電壓的峰值同時還給電容充電至峰值電壓,充電電流的幅度和持續(xù)時間是電容放電深和充電電路中串聯(lián)電阻值的函數(shù)。電路中電流波形由近似脈沖波Im校正為連續(xù)波Imp,從而達到提高功率因數(shù),減少低頻諧波干擾的作用[7]。

圖2 典型中小功率PPFC電路

該電路結(jié)構(gòu)簡單,功率因數(shù)實測值為0.7左右,適用于中小功率電路。

4 兩種無源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)用方案之二:改進型PPFC電路解決方案

歐美公司提供一種無源功率因數(shù)校正器件MINIHAM,接入整流橋和濾波電容之間,該電路實質(zhì)上為橋后LC諧波抑制。電路中接入MINIHAM后,滿足歐盟EN6100-3-2,Amend.14電流諧波衰減和EN55022,Level B電磁干擾要求,而且最大可以達到輸入真正功率600W的功率處理能力[8]。典型中小功率PPFC電路在100W的功率以內(nèi)才能較好地起到功率因數(shù)校正作用。應(yīng)用MINIHAM設(shè)計了一種加固型AC/DC電源。該電源輸出電壓為直流24V,輸出電流為4A,實測該電源的功率因數(shù)為0.8左右。電路結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 MINHAM無源PFC電路

5 低頻諧波實測結(jié)果與對比分析

對無功率因數(shù)校正、電路典型中小功率PPFC電路和依據(jù)MINIHAM的PPFC電路進行了對比測試。測試設(shè)備為Agilent E4440A,試驗環(huán)境為電磁兼容實驗室。三種電路均接入24V4A的DC/DC功率轉(zhuǎn)換模塊,分別測試其低頻傳導(dǎo)輻射發(fā)射CE101干擾。為直觀起見,選擇了10Hz到1KHz頻段為關(guān)注點,采用動態(tài)記錄數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果見圖4。圖4(a)為無功率因數(shù)校正的傳統(tǒng)電路結(jié)果,圖4(b)為典型中小功率PPFC電路結(jié)果,圖4(c)為依據(jù)MINIHAM的改進型PPFC電路結(jié)果。由圖4結(jié)果對比,在一次諧波、三次諧波即50Hz、150Hz頻點PPFC電路效果不太明顯,而在5次、7次、9次諧波即250Hz、350Hz、

450Hz頻點,兩種PPFC電路都有3～6dB左右的衰減。特別是依據(jù)MINIHAM的PPFC電路在5次、7次、9次諧波頻點以及更高的頻點上都有10dB以上的衰減,功率因數(shù)校正對低頻諧波的抑制作用明顯。考慮到實驗是在同等實驗環(huán)境下進行的對比,兩種無源功率因數(shù)校正電路的諧波抑制作用是可信的。事實上,在我們的實際試驗過程中,低頻傳導(dǎo)輻射發(fā)射CE101電磁兼容試驗結(jié)果往往只是高于限制線3～6dB,兩種無源功率因數(shù)校正電路特別是依據(jù)MINIHAM的改進型無源功率因數(shù)校正電路能較好的滿足GJB151A-97及GJB152A-97關(guān)于設(shè)備低頻傳導(dǎo)輻射發(fā)射CE101的要求[9]。

(a)

(b)

(c)圖4 三種電路低頻諧波測試結(jié)果

6 結(jié)語

依據(jù)功率因數(shù)校正工作原理,分別設(shè)計了典型中小功率PPFC電路和依據(jù)MINIHAM的改進型無源功率因數(shù)校正電路。通過對比實驗,驗證了無源功率因數(shù)校正技術(shù)在抑制低頻諧波干擾方面作用,從而在電子設(shè)備設(shè)計源頭開始找到電磁兼容低頻傳導(dǎo)輻射發(fā)射CE101的解決方案。依據(jù)MINIHAM的改進型無源功率因數(shù)校正電路諧波衰減顯著。目前,依此設(shè)計的一種開關(guān)電源已逐步應(yīng)用于多種軍工設(shè)備,工作穩(wěn)定,滿足艦船總體、系統(tǒng)和設(shè)備電磁兼容性能考核要求[10]。

[1] 尤子平,孔憲倫,史傳訓(xùn),等.艦船通用規(guī)范[S].北京:北京標準出版社,2000:408.

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[3] 王英劍,常敏慧,何希才.新型開關(guān)電源實用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,1999:121-122.

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[10] 郭銀景,呂文紅,等.電磁兼容原理及應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:78.

Application of Military Industry Products Based on Passive Power Factor Correction Technique

XIE Guoshan

(Military Representative Office in 719 Research Institute, Wuhan 430205)

This paper elaborates the operation theory of the passive power factor correction technology and summarizes the application research of the improvements for the switching power supply electro-magnetic performance. It also designs two kinds of application scenarios for the passive power factor correction technology and analyzes the expected effects of the scenarios. Finally, the experimental comparison results are provided.

passive power factor correction, switching power, circuit, EMC

2014年5月3日,

2014年6月17日 作者簡介:謝國善,男,工程師,研究方向:艦船電子設(shè)備設(shè)計與監(jiān)造。

TM46

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.041