Boost型功率因數(shù)校正器的電磁兼容研究

摘要：介紹了一種采用無源功率因數(shù)校正方法降低電源諧波含量的方案。實驗結(jié)果表明，該方案成本低、性能好，容易達到各項EMC標(biāo)準(zhǔn)，適合于中小功率電源。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；電磁兼容；諧波抑制

0 引言

為了減少對交流電網(wǎng)的諧波污染，已經(jīng)推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC1000-3-2 ClassD標(biāo)準(zhǔn)，要求必須采取措施降低輸入電網(wǎng)的電流諧波含量，提高功率因數(shù)。

傳統(tǒng)的二極管和電容對輸入信號進行整流濾波時，只在輸入交流電壓的峰值部分才有輸入電流，導(dǎo)致產(chǎn)生了很大的電流諧波含量，嚴(yán)重干擾了電網(wǎng)，遠(yuǎn)不能達到標(biāo)準(zhǔn)要求。為了使輸入電流諧波滿足要求，必須加功率因數(shù)校正（PFC）。比較成熟且應(yīng)用廣泛的是兩級方案，它們有各自的功率器件和控制電路。PFC級使線電流跟隨線電壓，使線電流正弦化，很容易達到高功率因數(shù)，減少諧波含量。尤其是近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量電力電子裝置的應(yīng)用對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波干擾，帶來嚴(yán)重的危害。所以各國都提出相應(yīng)的EMC（電磁兼容）標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格規(guī)定接入電網(wǎng)的設(shè)備的諧波干擾的允許水平。我國推行的3C認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，要求所有電氣產(chǎn)品都必須通過該認(rèn)證才可以出售，其中該標(biāo)準(zhǔn)很重要的部分就是EMC標(biāo)準(zhǔn)。

1 電源參數(shù)

大量接入電網(wǎng)的用電設(shè)備都是通過把市電整流成直流后供給負(fù)載的，而傳統(tǒng)常用的是電壓型不控整流，也就是二極管橋式整流接大電容平波的方法。這種整流電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，雖然輸入交流電壓是正弦的，但是二極管導(dǎo)通角非常小，輸入電流畸變嚴(yán)重，呈脈沖狀，如圖1所示。

圖1 不控整流輸入電流、電壓波形

PFC技術(shù)就是通過在不控整流電路中加入DC/DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形能跟蹤交流輸入電壓波形，從而使輸入端電流接近正弦。本文討論典型的Boost型PFC電路設(shè)計中的電磁兼容問題。

該PFC電路的技術(shù)參數(shù)為：

輸入 交流150～270V，50～60Hz；

輸出 直流380～400V，紋波5％；

功率 600W；

開關(guān)頻率 100kHz；

校正后功率因數(shù) >0.99。

電路基本原理圖如圖2所示。

圖2 基于UC3854的功率因數(shù)校正器原理圖

2 基于UC3854的PFC工作原理

本設(shè)計是工作于電感電流連續(xù)模式（CCM）下的Boost電路，采用的是Unitrode公司的專用PFC芯片UC3854。該芯片的核心是一個模擬乘法器，其輸出電流Imo的幅值由電壓環(huán)輸出決定，而波形由輸入電壓的采樣Iac決定，在電路穩(wěn)定時，有ImoRmo正比于IiRs。因為Imo是與輸入電壓同相的正弦波，所以Ii也是正弦波，這樣也就實現(xiàn)了PFC。

主電路基本參數(shù)為：輸入Boost電感L=1mH，C=470μF，最大輸入電流有效值為4A，開關(guān)管為IRF460，二極管為快恢復(fù)二極管RHRP1560。

3 Boost型PFC的電磁兼容問題

3.1 電磁干擾源[1]

本電路的主要電磁干擾源有多種，最主要的是開關(guān)功率器件和變流電路在開關(guān)過程中引起的電磁噪聲。電力電子裝置無論是主電路的功率半導(dǎo)體器件，還是控制電路的高速集成電路，在器件開關(guān)過程中，都存在著很高的di/dt，它們通過線路或元器件的引線電感引起瞬態(tài)電磁噪聲，頻率可高達幾十kHz甚至幾百kHz，是不可忽視的噪聲源。下面對干擾源一一分析。

IRF460為功率場效應(yīng)管(MOSFET)，屬于多子器件，不存在反向恢復(fù)問題，但是他的開關(guān)速度很高，開關(guān)過程中產(chǎn)生的di/dt（dv/dt）可達很高的數(shù)值，作用在電路中的寄生電感（電容）上，會產(chǎn)生很高的瞬態(tài)電壓、電流和引起振蕩。如設(shè)開關(guān)時間為10ns，引線電感為500nH，開關(guān)過程中最大的電流可以達到6A，則引線上產(chǎn)生的電壓為

500×10－9×=300V

如此大的脈沖電壓（電流）會造成嚴(yán)重的電磁干擾。