功率因数校正器的辅助电路设计

2012-05-14

1 引言

　　电力电子装置已成为电网最主要的谐波源之一。抑制电力电子装置产生谐波的方法主要有两种，一是被动方式，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波;另一种是主动式的方法，即设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低、功率因数高的特点，即具有功率因数校正功能。在功率因数校正器中辅助电路对其安全正常工作至关重要，辅助电路能够防止从电网传入电磁噪声，抑制装置产生的电磁噪声返回电网，抑制过大的起动冲击电流，消除浪涌噪声干扰等。

　　2 主要技术指标

　　该功率因数校正器的主要技术指标为：

　　1) 输入：单相AC220V±20%，即176V~264V，频率为50HZ±5%;

　　2) 输出：DC400V，负载在10% ~100%间变化时，电压调整率小于1%，输出功率为3KW;

　　3) 满载输出时，功率因数大于0.99，效率大于80%。

　　3 辅助电路的设计

　　辅助电路的设计包括：

　　1.EMI滤波电路;

　　2.起动电流抑制电路;

　　3.开关的浪涌吸收保护电路;

　　4.开关管的驱动保护电路。

　　3.1 EMI滤波电路的选择

　　输入EMI滤波电路的作用有两方面：第一，防止从电网传入电磁噪声，对装置形成干扰;第二，抑制装置产生的电磁噪声返回电网，造成电网公害。

　　所谓的EMI(Electro-Magnetic Interference)是指电磁干扰，包括传导干扰和辐射干扰两种形式。在本设计中，由于辐射干扰比传导干扰小得多，而且容易抑制，所以主要考虑对传导干扰的滤除。传导干扰分为共模干扰和差模干扰两种，共模干扰是相线与大地之间的干扰信号;差模干扰是在相线之间，与输入功率通道相同的干扰信号。

　　目前市面上已有很多EMI滤波器成品，但基本上都是针对共模干扰信号设计的，差模干扰抑制效果很差。本设计中，由于高次谐波含量较大，需要差模干扰抑制效果较好，因此市面上的EMI滤波器均不能满足其要求，需要设计适当的EMI滤波器。

　　图1　EMI滤波电路原理图

　　本设计中的EMI滤波电路如图1所示，L1、L2为差模干扰抑制电感，L3、L4为共模干扰抑制电感，C1、C4为差模干扰滤除电容，C2、C3、C5、C6为共模干扰信号滤除电容。在设计中应注意使EMI电路的电容电感谐振频率低于升压斩波工作频率。

　　电感L1、L2与电容 C1、C4构成一个低通滤波器。由于电感对工频信号阻抗很小，电容对工频信号的阻抗很大，因此对工频信号基本没有影响;对于高频信号电感的阻抗很大，电容的阻抗很小，所以高频的干扰信号通过电容形成的回路而消除。电感值一般在几十微亨至几毫亨，在体积允许的前提下，应尽量取得大一些。电容容量一般应在几千微微法至零点几微法。

　　上述电路虽然对高频差模干扰信号能起较好的滤波作用，但对流向为同一方向的共模干扰信号无法滤除。为了滤除共模干扰信号，利用L3、L4和 C2、C3、C5、C6形成共模干扰抑制电路。共模电感采用两条输入线在铁芯上并绕，因此负载电流产生的磁通相互抵消，而共模干扰信号产生的磁通则相互叠加。所以该电感对负载电流不起作用，对共模干扰信号呈现高阻抗。通过电容将共模干扰信号引入大地。共模电感一般应在几十微亨到几毫亨之间，在体积允许的前提下，应尽量取得大一些，以提高抑制效果。电容容量一般应在几千微微法到零点几微法。

　　差模电感L1、L2流过的电流为负载电流，为了防止铁芯饱和，选用导磁率比较低的材料作为铁芯，在本设计中选用铁粉芯作为铁芯。共模电感L3、L4只对共模干扰信号起作用，所以不存在铁芯饱和问题，因此可以采用导磁率高的材料作为铁芯，在本设计中采用铁氧体作为铁芯。电容C1、C4接在输入线之间，所承受的最大电压是最大输入电压，因此选用250V的交流电容。电容C2、C3、C5、C6接在输入线与大地之间，为了防止高压击穿，这几个电容的耐压应选择的比较高，本设计中选用耐压为4KV的高压瓷片电容。

　　具体的参数分别为：L1、L2均为100uH，L3为2.8mH，L4为7.8mH，C1、C4均为2.2uF，C2、C3均为0.01uF，C5、C6均为0.0047uF。

3.2 起动电流

　　抑制电路

　　开关电源一般采用电容输入型回路，在起动的瞬间，交流输入电压通过整流器对电容器进行充电。由于电容器的等效串联阻抗很小，并且通常采用多个电容器并联使用，使得其阻抗更小;因此起动冲击电流很大。为了对输入回路的断路器、输入熔断器、整流器等进行保护，同时减小对其它电子设备的不良影响，需要在起动时设置冲击电流抑制电路。

　　图2　起动电流抑制电路

　　在交流输入为网高压、相位为900时，冲击电流出现最大值。应把冲击电流抑制在多大范围内，并无具体规定。因此主要应视具体情况来选择电路参数。冲击电流抑制回路如图2(a)所示，其中，R为接入的冲击电流抑制电阻，Relay为继电器的常开点。起动时，由于起动电阻串接在输入回路中，可把冲击电流限制到我们所希望的范围内。当电容器充有足够的电压、认为起动过程可以结束时，通过继电器Relay将电阻R旁路(短接)，电路正常工作。本设计中，最大输入电压为264伏。等效负载电阻为：

　　若接入的电阻，则可把起动电流限制到负载电流的水平，则起动过程是相当安全的。但由于调节器的输入电容较大(6000uF)，则输入电容结束充电的时间长，一般为(3~5)RC，取4RC=1.3秒，加上继电器控制电路的延时;则起动电阻的实际投入时间会超过2秒，若起动过程的平均电流为4安，则电阻的功耗峰值为848W，2秒的起动过程会产生1600焦耳以上的热量。因此要选择功耗很大的电阻器，尺寸也会很大，这是令人难以接受的，也是不现实的。为此，应选择阻值更大的电阻器，而阻值加大，结束起动过程随之延长，仍难令人满意。因止在抑制电阻回路中再串入一个负温度系数的热敏电阻NTCR，见图2(b)。一方面，在起动过程刚开始时，电路有较强的抑流能力;另一方面，随着起动过程的进行，负温度系数电阻的阻值下降，使电容器的充电电流又不至于太小，起动过程不至过长。

　　3.3 开关浪涌吸收保护电路

　　本应用中的开关元件选择为IGBT模块。IGBT是一种电压控制的大功率高速可自关断的电力电子元件。它属于复合型器件，由MOSFET和晶体管构成达林顿结构。IGBT与其它功率开关一样，在开关管关断时，由于主回路电流的急剧下降，主回路存在的寄生电感将会引起很高的集源电压，称为开关浪涌电压。开关浪涌电压的峰值很高，可达常态电压的两倍。这样高的浪涌电压就可能使IGBT超过其安全工作区，导致 IGBT损坏，另外它也是产生噪声的一个原因。