依据无源功率因数校正技术的军工设备应用研究*

谢国善

(海军驻武汉七一九所军事代表室 武汉 430205)

依据无源功率因数校正技术的军工设备应用研究*

谢国善

(海军驻武汉七一九所军事代表室 武汉 430205)

论文主要撰写无源功率因数校正技术的工作机理,总结了该技术在提高开关电源电磁兼容性能上的应用研究,并设计了两种无源功率因数校正技术应用方案,分析了方案预期工作效果,最后给出了试验对比结果。

无源功率因数校正; 开关电源; 电路; 电磁兼容

Class Number TM46

1 引言

电磁兼容性是舰船上电气、电子设备或系统能相互兼容工作而不导致其功能和指标的降低,并且电子设备辐射产生的电磁场对人员、武备、燃油、电子器件的危害不超过规定的界限值的最优状况[1]。随着军工产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的电路,而使得这些装置比以往任何时候更容易受到电磁干扰的威胁[2]。与此同时,开关电源由于体积小、重量轻,越来越广泛地应用于军工设备。开关电源从交流电网中提取电能,经整流后变成直流电供系统设备使用。AC电源经桥式整流后,常接一个滤波平整电容。由于该电容的存在,使整流臂的导通时间小于半个周期,因而做成输入电源电压是正弦形,而输入电流却是正负交替的脉冲形。后者导致大量电流谐波特别是一、三、五、七等奇次谐波的产生。这既构成对电网效能的干扰和损害,同时导致设备低频传导辐射发射CE101超标。而由于干扰谐波频率接近电网工频,电源EMI滤波器不能起到滤波作用。只有通过功率因数校正提高设备电源功率因数才能解决军工设备的低频谐波干扰。功率因数校正有无源功率因数校正PPFC和有源功率因数校正APFC两种实现方法。PPFC电路的功率因数值比APFC电路功率因数低,但PPFC电路结构简单,不额外产生高频干扰[3]。本文主要讨论无源功率因数校正方法。

2 无源功率因数校正PFC电路工作原理

如图1示出一个不含PFC的标准型电源电路的输入电压Vm和输入电流Im波形,Im只在Vm为正最大和负最大的一小段时间内流通,在这些时间以外,Im为零。Im波形近似于50Hz周期脉冲波,通过傅立叶转换计算可知,其低频谐波分量幅度接近基波。这是因为此时的正弦电压输入值小于滤波电容上的电压,导致整流二极管不导通的缘故。这种电路的功率因数值在0.5～0.6左右。功率因数校正电路的引入目的就是为获得形似图1中Imp的电流,从而降低电路低频谐波,满足电磁兼容低频传导辐射发射要求[4]。

图1 PFC电流电压波形对比示意图

3 两种无源功率因数校正技术应用方案之一:典型中小功率无源功率因数校正电路应用方案

该无源功率因数校正电路的工作过程是：在输入整流的每个半周期间,滤波电容C1和C2以串联的形式经由D2和R1进行充电,C1和C2分别被充电至交流电压峰值的一半。加入电阻R1的目的是为了减少电容充电时的尖峰电流[5]。由于每个电容被充电至交流峰值电压的一半,所以仅在母线电压跌落到正弦波形的峰值电压一半之下时,电容才有输出电流,此时电容实际上以并联方式给负载供电,直到下个半周期交流输入整流电压再次超过逢值电的一半为止。电容放电占空比大约是30%[6],除此以外,负载直接由交流整流输入供电。在交输入电压的峰值同时还给电容充电至峰值电压,充电电流的幅度和持续时间是电容放电深和充电电路中串联电阻值的函数。电路中电流波形由近似脉冲波Im校正为连续波Imp,从而达到提高功率因数,减少低频谐波干扰的作用[7]。

图2 典型中小功率PPFC电路

该电路结构简单,功率因数实测值为0.7左右,适用于中小功率电路。

4 两种无源功率因数校正技术应用方案之二:改进型PPFC电路解决方案

欧美公司提供一种无源功率因数校正器件MINIHAM,接入整流桥和滤波电容之间,该电路实质上为桥后LC谐波抑制。电路中接入MINIHAM后,满足欧盟EN6100-3-2,Amend.14电流谐波衰减和EN55022,Level B电磁干扰要求,而且最大可以达到输入真正功率600W的功率处理能力[8]。典型中小功率PPFC电路在100W的功率以内才能较好地起到功率因数校正作用。应用MINIHAM设计了一种加固型AC/DC电源。该电源输出电压为直流24V,输出电流为4A,实测该电源的功率因数为0.8左右。电路结构见图3。

图3 MINHAM无源PFC电路

5 低频谐波实测结果与对比分析

对无功率因数校正、电路典型中小功率PPFC电路和依据MINIHAM的PPFC电路进行了对比测试。测试设备为Agilent E4440A,试验环境为电磁兼容实验室。三种电路均接入24V4A的DC/DC功率转换模块,分别测试其低频传导辐射发射CE101干扰。为直观起见,选择了10Hz到1KHz频段为关注点,采用动态记录数据。试验结果见图4。图4(a)为无功率因数校正的传统电路结果,图4(b)为典型中小功率PPFC电路结果,图4(c)为依据MINIHAM的改进型PPFC电路结果。由图4结果对比,在一次谐波、三次谐波即50Hz、150Hz频点PPFC电路效果不太明显,而在5次、7次、9次谐波即250Hz、350Hz、

450Hz频点,两种PPFC电路都有3～6dB左右的衰减。特别是依据MINIHAM的PPFC电路在5次、7次、9次谐波频点以及更高的频点上都有10dB以上的衰减,功率因数校正对低频谐波的抑制作用明显。考虑到实验是在同等实验环境下进行的对比,两种无源功率因数校正电路的谐波抑制作用是可信的。事实上,在我们的实际试验过程中,低频传导辐射发射CE101电磁兼容试验结果往往只是高于限制线3～6dB,两种无源功率因数校正电路特别是依据MINIHAM的改进型无源功率因数校正电路能较好的满足GJB151A-97及GJB152A-97关于设备低频传导辐射发射CE101的要求[9]。

(a)

(b)

(c)图4 三种电路低频谐波测试结果

6 结语

依据功率因数校正工作原理,分别设计了典型中小功率PPFC电路和依据MINIHAM的改进型无源功率因数校正电路。通过对比实验,验证了无源功率因数校正技术在抑制低频谐波干扰方面作用,从而在电子设备设计源头开始找到电磁兼容低频传导辐射发射CE101的解决方案。依据MINIHAM的改进型无源功率因数校正电路谐波衰减显著。目前,依此设计的一种开关电源已逐步应用于多种军工设备,工作稳定,满足舰船总体、系统和设备电磁兼容性能考核要求[10]。

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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 作者简介:谢国善,男,工程师,研究方向:舰船电子设备设计与监造。

TM46

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.041