基于Vicor HAM模塊的PFC電源設計

張萬峰，畢彥，宣志芬

（1.中國科學院聲學研究所東海研究站，上海200032；2.海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室上海201108）

傳統的開關電源電路，由于采用非線性元件和儲能元件，導致電源輸入電流的瞬時值很高，波形嚴重畸變且呈脈沖狀，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，另一方面又會對電網造成極大的污染。為了減少開關型功率變換器輸入端諧波電流造成的噪聲和對電網產生的諧波污染，國內外有關部門對電器設備產生的諧波量做出了有關規定，如EN61000-3-2，MIL-STD-461D以及GJB151A-97等標準[1]。因此，功率因數調整電源，即PFC（Power Factor Corrector）電源的研制已成為當今國際電力電子技術領域的熱點之一。PFC電源通過主動調整輸入電流波形，以及對輸入電流與輸入電壓間的相位差進行補償，從而抑制了諧波的產生，提高了電源的功率因數，減少了對電網的諧波污染。

Vicor HAM（Harmonic Attenuator Module）模塊是美國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換為直流高壓，并根據PFC電源的輸出調整輸入電流的波形以提高電源的功率因數減少諧波。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變換器等器件設計一臺600 W的PFC電源樣機；最后，對PFC電源樣機輸入電流諧波進行測量，測量結果證明該PFC電源達到了GJB151A-97中CE101項目對電源諧波抑制的標準。

1 Vicor HAM模塊介紹

Vicor HAM模塊主要由一個全波整流器、一個高頻零電流開關（Zero Current Switch）高壓轉換器、有源浪涌電流限制、短路保護、控制和內務管理電路等組成，如圖1所示。對輸入交流電源整流，并輸送到高壓轉換器。控制電路改變高壓轉換器的操作頻率，保持HAM的輸出電壓在輸入電壓的峰值以上，同時使輸入電流跟隨輸入電壓的波形和相位，從而使功率因數可校正至0.99。通過一個自適應輸出電壓控制系統，在任何輸入電壓下，均可優化高壓轉換器的操作效率[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，通過全波整流器將輸入線電壓整流后輸送到高壓轉換器，其電壓波形如圖2-A所示。控制電路通過改變高壓轉換器的工作頻率，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，所以只有當輸入線電壓峰值和一個附加的電壓（附升電壓）之和超過輸出電壓時，才會有電流通過。由此，可通過控制電路去調節附升電壓（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，通過測量輸入電流并將其與輸入線電壓波形比較控制電路去調節附升電壓，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，控制電路將監測Vicor HAM模塊輸出電壓并調節附升電壓，去維持大體上調節過的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

控制和內務管理電路還具有一個可以對外輸出的輔助電源（A/S）、一個使能輸出信號（E/O）和一個電源正常信號（P/OK）。

輔助電源（A/S）為HAM模塊提供的低壓非隔離輸出，可用于功率初級控制端和監控電路。在最大電流為3 mA時，輸出電壓為19～23 VDC（以負輸出端為參考電位）。輔助電源的典型應用為啟動光耦合器。隔離電源正常信號（P/OK）。

在HAM模塊的輸出端通常接有一個保持電容（HUB），在保持電容（HUB）充滿電之前，使能輸出信號（E/O）用來抑制DCDC轉換器。必須將使能輸出（E/O）引腳與V375 DCDC轉換器的PC引腳連接，否則可導致轉換器反復開啟或關閉。

電源正常信號（P/OK）是一個顯示交流電源狀態和Vicor HAM模塊直流輸出電壓的監控信號。該信號為V375 DCDC轉換器提供了足夠的時間啟動并穩定其輸出。

Vicor HAM模塊啟動關機時序如圖3所示。交流電源正常輸入后，Vicor HAM模塊開始工作，當其輸出大于280 VDC時，使能信號（E/O）為高電平并啟動DCDC轉換器。約10 ms后，DCDC轉換器輸出正常。在使能信號（E/O）啟動DCDC轉換器后約25 ms，電源正常信號（P/OK）變為低電平，表示輸入交流電源正常。當輸入交流電源斷電或者電壓降低導致Vicor HAM模塊輸出電壓低于270 VDC時，電源正常信號（P/OK）變為為高電平，表示輸入交流電源不正常，當Vicor HAM模塊輸出電壓低于250 VDC時，使能信號（E/O）變為低電平，并關閉DCDC轉換器，從而使DCDC轉換器沒有直流輸出。

圖3 Vicor HAM模塊啟動/關機時序圖Fig.3 Timing diagram of Vicor HAM module start/shutdown

2 PFC電源設計

本文采用Vicor30205濾波器、VI-HAM-EL模塊、輔助電路以及V375A48E600BL模塊構成一款PFC電源。該電源交流輸入電壓為110～264 VAC。標稱直流輸出電壓為48 V。輸出可調節范圍為-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轉換器。

模塊Z1對交流輸入電壓進行濾波，由于Vicor30205濾波器內置壓敏電阻、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將經模塊Z1濾波的輸入交流電壓轉換為375 V直流電壓，并且調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，同時對儲能電容C1進行充電。在儲能電容C1未充滿電之前，模塊Z2的使能輸出端（E/O）為低電平，待儲能電容C1充滿電后，使能輸出端（E/O）跳變為高電平。當直流電壓正常輸入后，模塊Z3便將375 V直流電壓轉換為48 V直流電壓輸出，同時模塊Z3的初級控制端（PC）可對外提供直流5.7 V的控制電壓，其最大電流為3 mA。若將初級控制端（PC）電壓拉低至小于2.3 V，模塊Z3便無法工作對外無電壓輸出。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的初級控制端（PC）相連，使得模塊Z3在儲能電容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為穩壓二極管以穩定模塊Z2的使能輸出端（E/O）的高電平。R2為儲能電容C1的洩放電阻。D3為肖特基二極管，用以防止瞬變浪涌保護后續模塊。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為保險絲。

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

3 實驗結果

在實驗室中對PFC電源樣機進行輸入電流諧波測量，其測量示意圖如圖5所示，按照GJB 152A-97標準中CE101項目，即25 Hz～10 kHz電源線傳導發射的測試方法進行布置和測量。為了避免市電電網中的干擾影響測量精度，實驗室測量采用信號源和功率放大器所產生頻率為50 Hz，幅度為622 VPP的輸出信號模擬市電電網供電，模擬市電電網交流電經過LISN電源網絡作為PFC電源樣機的交流輸入電壓。采用FLUCK公司i200s交流電流鉗采集PFC電源樣機的交流輸入電流，然后將i200s交流電流鉗輸出信號（電壓信號）通過數據采集器送入計算機。計算機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幅度。由于偶次諧波的信號幅度遠遠小于奇次諧波的信號幅度，故計算機程序對偶次諧波信號不進行測量。以基波信號幅度作為基準，計算各奇次諧波信號幅度的衰減分貝數，即為諧波電流相對于基波電流的衰減分貝數。

根據GJB151A-97中CE101-2項目中極限值的規定，當輸入電源功率小于1 kW時以圖6中曲線abc作為極限。GJB151A-97中以均已1 μA為基準，為了方便對比諧波衰減幅度，取基波電流為0 dB。測量結果如圖6所示，其中粗實線為極限基準，細實線為負載為120 Ω時的測量曲線，細虛線為負載為50 Ω時的測量曲線。由于受到數據采集器的限制，頻率在3 kHz以上的諧波幅度無法準確測量，且此頻率以上的諧波幅度遠遠小于3次諧波和5次諧波，故在圖6中省略。從圖6中可知該PFC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電源樣機滿功率輸出，有望使3次諧波也在曲線dbc以下。由此可驗證所設計的PFC電源樣機完全可以達到GJB151A-97中CE101-2項目中極限值的要求。如果依靠多個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標準的PFC電源。

圖5 測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of measurment

圖6 諧波衰減測量結果Fig.6 The result of measuring harmonic attenuation

4 結論

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計一款PFC電源樣機，通過實驗證明該PFC電源樣機符合GJB151A-97中CE101的標準。Vicor HAM模塊具有體積小，輸出功率高，可靠性高等特點，且外圍電路簡單，配合不同的DCDC轉換器可方便的設計出不同直流電壓輸出的PFC電源，因此利用模塊設計PFC電源具有廣泛的工程參考價值。

[1]穆新華，孟小利，劉闖.Boost功率因數校正器中輸入電流波形失真分析與抑制[J].數據采集與處理，2001，16（4）：435-439.

MU Xin-hua，MENG Xiao-li，LIU Chuang.Input current harmonic distortion of boost power factor correction（PFC）and its attenuation[J].Journal of Data Acquisition&Processing，2001，16（4）：435-439.

[2]懷格香港有限公司.設計指南和應用手冊——全型、小型和微型系列DC-DC轉換器及配件模塊[EB/OL].[2011-05-17].http://www.vicorkorea.com/documents/applications_manual/10high_boost_sc.pdf.

[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.

[4]中國電子技術標準化研究所，中船總公司701所.GJB152A-97.軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量[S].北京：國防科學工業技術委員會，1997.

[5]中國電子技術標準化研究所，中船總公司701所.GJB151A-97.軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求[S].北京：國防科學工業技術委員會，1997.

[6]張銀海.AC/DC開關電源諧波畸變的計算和測量[J].電源技術應用，2008，11（7）：47-50.ZHANG Yin-hai.Calculation and measure of harmonic distortion in AC/DC switch mode power supply[J].Power Supply Technologies and Applications，2008，11（7）：47-50.

[7]孫傳濤，吳杰長，張祚良.基于VICOR二代模塊的集控系統電源模塊設計[J].電力電子技術，2010，44（4）：69-71.

SUN Chuan-tao，WU Jie-chang,ZHANG Zuo-liang.Design of power supply unit for marine central control computer based on the second-generation VICOR Modules[J].Power Electronics，2010，44（4）：69-71.