電源線路濾波器中的漏電流 標(biāo)準(zhǔn)中的要求保護(hù)接地器在電氣設(shè)備出現(xiàn)故障或發(fā)生短路時，保護(hù)用戶不會受到危險接觸電壓的傷害。為確保此基本功能，保護(hù)接地線上的電流必須加以限制，這是為什么大多數(shù)產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中包含測量和限制條款的原因。辦公室設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)EN 60950-1進(jìn)行了相關(guān)說明。盡管都使用漏電流這個術(shù)語進(jìn)行描述，但是標(biāo)準(zhǔn)在實際上對接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流進(jìn)行了區(qū)分。接觸電流是人在接觸電氣裝置或設(shè)備時，流過人體的所有電流。另一方面，保護(hù)導(dǎo)體電流是在設(shè)備或裝置正常運行時，流過保護(hù)接地導(dǎo)體的電流。此電流也稱為漏電流。所有電氣設(shè)備的設(shè)計都必須避免產(chǎn)生危及用戶的接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流。一般來說，接觸電流不得超過3.5mA，采用下文所述的測量方法進(jìn)行測量。3.5mA的極限值并不適用于所有設(shè)備，因此，在標(biāo)準(zhǔn)中，還對配備工業(yè)型開關(guān)電源接線器（B型可插拔設(shè)備）和保護(hù)接地器的設(shè)備進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定。如果保護(hù)接地電流不超過輸入電流的5％，那么接觸電流可以超過3.5mA。另外，等電位聯(lián)結(jié)導(dǎo)體的zui小截面積必須符合EN 60950-1的規(guī)定。zui后，但不是zui不重要的，制造商必須在電氣設(shè)備上附“警告！強(qiáng)接觸電流。先接地。”“警告！強(qiáng)漏電流。先接地。”除了普通的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)之外，還有關(guān)于無源EMI的安全標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，新頒布了EN 60939，自2006年1月1日起代替了當(dāng)時現(xiàn)行的EN 133200。然而，此標(biāo)準(zhǔn)沒有關(guān)于濾波器漏電流的附加要求。美國的EMI濾波器標(biāo)準(zhǔn)，UL 1283，與此不同。不僅需要進(jìn)行所有常規(guī)安全試驗，還需要確認(rèn)濾波器的漏電流。在默認(rèn)情況下，此漏電流不允許超過0.5mA。否則，濾波器必須附帶一個安全警告，說明濾波器不適用于住宅區(qū)。必須提供接地連接器以防觸電，另外濾波器必須連接到接地電源引出線或接頭上。
漏電流的計算 本節(jié)將說明計算漏電流的方法。因為元件存在誤差，并且電網(wǎng)（對于3相供電網(wǎng)）的不平衡只能估計，所以實際結(jié)果不一定等于測量結(jié)果。另一方面，對順序生產(chǎn)的每一個濾波器都進(jìn)行漏電流測量是不合理的，所以一般來說，制造商提供的漏電流都是根據(jù)計算值。對于所有的計算，磁性元件的寄生元件及保護(hù)接地器的阻抗均忽略不計。計算時只考慮濾波器電容的誤差。EMI濾波器電容一般用來抑制差模和共模干擾。對于前者，在相位之間，以及相位和中性導(dǎo)體之間，連接有所謂的X電容。對于共模抑制，相位和接地之間采用Y電容。電容器對于頻率和電壓的依存關(guān)系也沒有考慮。這對于陶瓷電容器是非常重要的，因為這種電容器會受到電壓和頻率的明顯影響。因此，采用陶瓷電容器的濾波器的漏電流也比計算結(jié)果更大。
3相供電網(wǎng)中的漏電流 要計算3相供電網(wǎng)中的漏電流，需要確定電源中性點MQ和負(fù)載中性點ML之間的電壓。在電源端，是3個相電壓UL1、UL2和UL3，與中性點MQ相連接。在負(fù)載端，是3個阻抗Z1、Z2和Z3，也與一個星型相連接。兩個中性點MQ和ML通過阻抗ZQL相連，此阻抗上的壓降為UQL。
圖1：電源和負(fù)載和星型連接
阻抗ZQL的實際電壓UQL可以使用下述公式計算：
無源3相濾波器的一種常見配置是3個X電容器的中性點連接，并通過Y電容器與地電位或者濾波器的外殼相連接。對于平衡電容電網(wǎng)，漏電流可以忽略。另一方面，當(dāng)相位之間達(dá)到zui高的不平衡時，電網(wǎng)達(dá)到zui高的漏電流值。不平衡的原因包括電容器值的公差，以及供電網(wǎng)的電壓不平衡。
圖2：3相濾波器的典型電容器配置
因此，漏電流的關(guān)鍵要素是電容器CX1、CX2和CX3的不平衡產(chǎn)生的電壓UQL。對于大多數(shù)濾波器，額定值是相同的，但是也存在制造公差的影響。電容器CY處的壓降UQL產(chǎn)生的漏電流Ileak, max可以根據(jù)下式確定： 
當(dāng)
時 大多數(shù)制造商在確定無源濾波器中的電容器的額定值時，公差為±20%。CY的zui高壓降發(fā)生在兩個X電容器具有zui小的公差，而一個電容器具有zui大公差的時候。另外，假設(shè)CY的公差值zui大。將這些假設(shè)代入方程（1）和（2），則漏電流為：
為更好地了解此理論，可以提供一個480V 3相濾波器的計算實例。電容器值為CX=4.4F、CY=1.8F；所有電容器的公差均為制造商規(guī)定的±20%。不考慮電源電壓的不平衡，計算出的漏電流大約為23mA。
實踐經(jīng)驗表明電容器的公差差距不會如此之大。比較真實的公差范圍從-20％至0％。根據(jù)此假設(shè)，上述計算得出大約為10 mA。應(yīng)該指出：不同制造商采用漏電流計算方法并不統(tǒng)一。因此，即使兩個濾波器和元件值相同，但是漏電流可能不同?！ 〉侥壳盀橹?，在計算中并沒有考慮供電網(wǎng)的電壓不平衡。在實際應(yīng)用中，供電網(wǎng)確實存在不平衡。為在計算中考慮進(jìn)此因素，采用了供電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)EN 50160，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公共供電網(wǎng)的狀態(tài)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，地區(qū)供電網(wǎng)的電壓不平衡應(yīng)該不超過3％。將此條件代入前述計算，當(dāng)電容器公差為±20%時，漏電流上升到26mA，當(dāng)公差為+0/-20%時，漏電流為13mA。單相供電網(wǎng)中的漏電流與3相供電網(wǎng)相比，單相供電網(wǎng)中的漏電流計算要容易的多。在電壓和頻率給定之后，漏電流只取決于總電容。圖3所示是單相濾波器的典型電容器回路。
圖3：單相濾波器的典型電容器配置
在正常工作時，漏電流由電容器CYL和CYN決定?？傠娏髦涤上率浇o出：
當(dāng)CX=100nF、CY=2.2nF，并且給定的公差為±20%時，漏電流為190A。zui壞的情形發(fā)生在中性導(dǎo)體斷開的時候。此時，總電容由兩個平行電容器組成：一邊是CYL，另一邊是串聯(lián)的CX和CYN。圖4是等效電路圖。
圖4：中性導(dǎo)體斷開時的總電容
總電容根據(jù)下述公式計算：
在發(fā)生故障時，zui大漏電流可以高達(dá)377。
漏電流的測量計算漏電流是一件事情，進(jìn)行測量又是另外一件事情。各種產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了必要的測量方法。盡管不同標(biāo)準(zhǔn)之間存在差異，基本方法是類似的。下文將詳細(xì)敘述根據(jù)EN 60950進(jìn)行計算。根據(jù)EN 60950進(jìn)行測量我們在“標(biāo)準(zhǔn)中的要求”中提到：EN 60950使用術(shù)語“接觸電流”和“保護(hù)接地電流”而不是“漏電流”。測得的電流總是接觸電流。因為單相和3相供電網(wǎng)所用的方法非常類似，所以只敘述單相設(shè)備所用的方法。基本測量設(shè)置如圖5所示。測量設(shè)備的輸出B與系統(tǒng)的接地中性導(dǎo)體相連接。輸出A通過開關(guān)STEST與設(shè)備的接地端子相連接。開關(guān)SPE打開。
圖5：接觸電流的測量設(shè)置另外，測量必須采用反極性。為此，電路使用了開關(guān)SPOL。許可漏電流取決于設(shè)備的類型，并在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了規(guī)定。另外，設(shè)備可操作件的接觸電流的測量與設(shè)備類型無關(guān)。然而，并沒有詳細(xì)描述該測量，因為與漏電流自身無關(guān)。圖5所示的測量設(shè)備可以有2種版本。*種可能性采用下圖所示的電壓測量回路。
圖6：電壓測量設(shè)備
W RS 1500
W RB 500
W R1 10
CS 0.22 m
m C1 0.022
，輸入電容必須小于200pF。頻率范圍需要在15Hz至1MHz之間。U2到Ileak的轉(zhuǎn)換公式為：W測量電壓U2所需的輸入阻抗必須大于1M
除了根據(jù)圖6測量電壓之外，還可以根據(jù)圖7所示的電路測量電流。
圖7：電流測量設(shè)備
M 動圈式儀表
R1+ RV1+ Rm 在C=150 nF±1%時，1500±1%，或者
在C=112 nF±1%且0.5 mA DC時，2000±1%
D 測量整流器
RS 無感應(yīng)電阻器，量程X 10
S 量程選擇器對于非正弦波形，并且頻率超過100Hz，則圖6所示電壓測量可以獲得更為的結(jié)果。在“漏電流的測量”中，已經(jīng)提到當(dāng)供電網(wǎng)和電容網(wǎng)絡(luò)取得平衡時，漏電流zui低。任何不平衡都將增大漏電流。考慮到這一點，很明顯供電網(wǎng)拓補(bǔ)對于設(shè)備漏電流具有明顯的影響。對于某些供電網(wǎng)，甚至需要設(shè)計開關(guān)電源來降低漏電流。特別是在日本供電網(wǎng)中使用歐洲生產(chǎn)的濾波器。日本供電網(wǎng)的特殊性是一個事實，一個相直接接地。如圖8所示。
圖8：日本供電網(wǎng)的原理這種設(shè)置類型的并聯(lián)連接是一個分支為LL2，另一個分支為CL2和C0。等效電路如圖9所示。
圖9：圖8的等效電路 對于這種布局，接地阻抗*不同，從而產(chǎn)生不同的壓降和漏電流。因此，歐洲濾波器的漏電流額定值不能自動用在日本供電網(wǎng)中。一種可能的解決方案是更改濾波器接地相的阻抗，從而產(chǎn)生不平衡的濾波器。另外一種備選方案是增加所有相位的阻抗，從而降低濾波器的總接地電容（Y電容），這樣保持了濾波器的對稱設(shè)置并且沒有顯著增大漏電流。
總結(jié) 出于安全考慮，在使用無源EMI濾波器時，需要考慮漏電流的影響。一般來說，大多數(shù)制造商定義了正常運行時每個相位的漏電流。一般來說，漏電流的額定值不是測量的結(jié)果，而是計算值。計算前提并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是由制造商規(guī)定。這些前提包括元件的公差、電源電壓的不平衡和操作模式（正常運行、故障狀態(tài)）。因此，即使兩個濾波器的電路圖和元件的額定值相同，但是漏電流可能明顯不同。各種產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了漏電流的測量，因此易于復(fù)制。然而，不能100％地進(jìn)行生產(chǎn)測試。只在驗證過程中，才進(jìn)行類型測試。zui后，但不是zui不重要的，漏電流還在很大程度上取決于供電網(wǎng)。在歐洲供電網(wǎng)中漏電流很低的濾波器在日本供電網(wǎng)中就表現(xiàn)出很大的漏電流。因此，很容易使現(xiàn)有的漏電流斷路器跳閘。盡責(zé)的制造商在其規(guī)范中總是標(biāo)注可能發(fā)生的zui大漏電流。zui終用戶很難可靠地計算設(shè)備或裝置的總漏電流。
大功率開關(guān)電源中EMI干擾的抑制
1 引言 隨著開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其電磁干擾已成為一個很嚴(yán)重的問題，為了使電源產(chǎn)品滿足EMC的要求，設(shè)計人員就應(yīng)在設(shè)計階段考慮這一問題，同時也要做好在現(xiàn)場處理這一問題的準(zhǔn)備。2 開關(guān)電源EMI的特點與危害 開關(guān)電源的功率管工作在非線性條件下，采用脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)控制方式，加之開關(guān)頻率的不斷提高，使得電磁干擾越來越突出，對電網(wǎng)造成污染。因干擾的存在，輸入電源的電網(wǎng)受到了干擾，影響到其它設(shè)備，使其不能正常的工作，也影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量。所以尋找干擾抑制的方法是很必要的。 3 大功率開關(guān)電源中EMI抑制實驗 在中科院近代物理研究所新建的大型物理實驗裝置CSR冷卻存儲環(huán)中，有大量開關(guān)電源為磁鐵提供電能，以滿足試驗所需的磁場能量。其中19/370V開關(guān)電源就是運用在其冷卻段。由于在設(shè)計和生產(chǎn)階段，廠家未考慮電磁兼容問題，以至于在安裝調(diào)試階段，造成對其他設(shè)備的影響，也是輸入電網(wǎng)受到污染，為此我們按照圖1（a）所示得方案，對其進(jìn)行EMI干擾測試，其結(jié)果見圖1（b）。測試儀器是德國SCHWARZBECK公司生產(chǎn)的FCKL1528接機(jī)一臺，NNLK 8129線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）一臺，計算機(jī)一臺。
圖1（a）測試方案
圖1（b）測試數(shù)據(jù)
根據(jù)圖1的方案和結(jié)果可以看出，在該臺設(shè)備未做任何改造以前，其EMI干擾是存在的，而且很嚴(yán)重超越國家標(biāo)準(zhǔn)GB4824-2001關(guān)于1組A類傳導(dǎo)騷擾的標(biāo)準(zhǔn)（150KHz～0.5MHz 是79dB，0.5MHz～30MH是73 dB），尤其是在150KHz～2MHz之間。為此，我們采用了截斷干擾源的方法，即利用EMI濾波器（濾波器的接地要可靠）和一變壓器（△/Y-11接發(fā)），該變壓器其隔離作用，其中EMI濾波器的原理圖如圖2所示，共按照三種方案測試，通過測試，找出適合我們需要的方案。
圖2 EMI濾波器的原理圖
1、方案一及測試數(shù)據(jù)
圖3（a）方案一
圖3（b）由方案一測得得數(shù)據(jù)
2、試驗方案二及測試數(shù)據(jù)
圖4（a）方案二
圖4（b）由方案二測得得數(shù)據(jù)
3、試驗方案三及測試數(shù)據(jù)
圖5（a）方案三
圖5（b）由方案三測得得數(shù)據(jù)
經(jīng)過一系列的實驗，我們可以看出，按照方案一（圖3a）進(jìn)行改造，可以使設(shè)備的EMI傳導(dǎo)干擾在150KHz～1.5MHz平均衰減15dB（由圖1b和圖3b比較所得）;按照方案二（圖4a）進(jìn)行改造，可以使設(shè)備的EMI傳導(dǎo)干擾在150KHz～1.5MHz平均衰減30dB（由圖1b和圖4b比較所得）; 按照方案三（圖）進(jìn)行改造，可以使設(shè)備的EMI傳導(dǎo)干擾在150KHz～1.5MHz平均衰減35dB（由圖1b和圖5b比較所得）。
對于不同的方案，為什么會有不同的結(jié)果？因為我們的目的是降低EMI干擾。為了達(dá)到這一目的，我們采用的是在電網(wǎng)與電源之間插入EMI濾波器，這樣就可以達(dá)到干擾信號的衰減。但由于不同的方案所插入濾波器的阻抗值不同，插入損耗也不同，插入損耗的計算可由下式求
式中：V1- 沒有濾波器時負(fù)載上的噪聲電壓：V2- 插入濾波器時負(fù)載上的噪聲電壓。 從數(shù)據(jù)的分析，我們可以看出，我們所采用的方案都對EMI傳導(dǎo)干擾起到了抑制作用，但從噪音衰減的數(shù)值分析，方案二是*的。zui終我們采用方案二做為本次改造的*方案。
功率因數(shù)校正器的輔助電路設(shè)計
引言 近20年來電力電子技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用到電力、冶金、化工、煤炭、通訊、家電等領(lǐng)域。電力電子裝置多數(shù)通過整流器與電力網(wǎng)接口，經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個非線性電路，在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量電流諧波和無功污染了電網(wǎng)，成為電力公害。電力電子裝置已成為電網(wǎng)zui主要的諧波源之一。抑制電力電子裝置產(chǎn)生諧波的方法主要有兩種，一是被動方式，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或濾除諧波；另一種是主動式的方法，即設(shè)計新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數(shù)高的特點，即具有功率因數(shù)校正功能。因此近年來功率因數(shù)校正（PFC）電路得到了很大的發(fā)展，成為電力電子學(xué)研究的重要方向之一。而在功率因數(shù)校正器中輔助電路對其安全正常工作至關(guān)重要，輔助電路能夠防止從電網(wǎng)傳入電磁噪聲，抑制裝置產(chǎn)生的電磁噪聲返回電網(wǎng)，抑制過大的起動沖擊電流，消除浪涌噪聲干擾等。由此可見，功率因數(shù)校正器中輔助電路設(shè)計的好壞將直接影響功率因數(shù)校正器的效能，因此，對于輔助電路的設(shè)計不容忽視。
2 主要技術(shù)指標(biāo) 該功率因數(shù)校正器的主要技術(shù)指標(biāo)為：1） 輸入：單相AC220V±20%，即176V~264V，頻率為50HZ±5%；
2） 輸出：DC400V，負(fù)載在10% ~100%間變化時，電壓調(diào)整率小于1%，輸出功率為3KW；
3） 滿載輸出時，功率因數(shù)大于0.99，效率大于80%。3 輔助電路的設(shè)計 輔助電路的設(shè)計包括：
1.EMI濾波電路；
2.起動電流抑制電路；
3.開關(guān)的浪涌吸保護(hù)電路；
4.開關(guān)管的驅(qū)動保護(hù)電路。3.1 EMI濾波電路的選擇輸入EMI濾波電路的作用有兩方面：*，防止從電網(wǎng)傳入電磁噪聲，對裝置形成干擾；第二，抑制裝置產(chǎn)生的電磁噪聲返回電網(wǎng)，造成電網(wǎng)公害。
所謂的EMI（Electro-Magnetic Interference）是指電磁干擾，包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種形式。在本設(shè)計中，由于輻射干擾比傳導(dǎo)干擾小得多，而且容易抑制，所以主要考慮對傳導(dǎo)干擾的濾除。傳導(dǎo)干擾分為共模干擾和差模干擾兩種，共模干擾是相線與大地之間的干擾信號；差模干擾是在相線之間，與輸入功率通道相同的干擾信號。目前市面上已有很多EMI濾波器成品，但基本上都是針對共模干擾信號設(shè)計的，差模干擾抑制效果很差。本設(shè)計中，由于高次諧波含量較大，需要差模干擾抑制效果較好，因此市面上的EMI濾波器均不能滿足其要求，需要設(shè)計適當(dāng)?shù)腅MI濾波器。
圖1 EMI濾波電路原理圖
本設(shè)計中的EMI濾波電路如圖1所示，L1、L2為差模干擾抑制電感，L3、L4為共模干擾抑制電感，C1、C4為差模干擾濾除電容，C2、C3、C5、C6為共模干擾信號濾除電容。在設(shè)計中應(yīng)注意使EMI電路的電容電感諧振頻率低于升壓斬波工作頻率?！ ?nbsp; 電感L1、L2與電容C1、C4構(gòu)成一個低通濾波器。由于電感對工頻信號阻抗很小，電容對工頻信號的阻抗很大，因此對工頻信號基本沒有影響；對于高頻信號電感的阻抗很大，電容的阻抗很小，所以高頻的干擾信號通過電容形成的回路而消除。電感值一般在幾十微亨至幾毫亨，在體積允許的前提下，應(yīng)盡量取得大一些。電容容量一般應(yīng)在幾千微微法至零點幾微法。 上述電路雖然對高頻差模干擾信號能起較好的濾波作用，但對流向為同一方向的共模干擾信號無法濾除。為了濾除共模干擾信號，利用L3、L4和C2、C3、C5、C6形成共模干擾抑制電路。共模電感采用兩條輸入線在鐵芯上并繞，因此負(fù)載電流產(chǎn)生的磁通相互抵消，而共模干擾信號產(chǎn)生的磁通則相互疊加。所以該電感對負(fù)載電流不起作用，對共模干擾信號呈現(xiàn)高阻抗。通過電容將共模干擾信號引入大地。共模電感一般應(yīng)在幾十微亨到幾毫亨之間，在體積允許的前提下，應(yīng)盡量取得大一些，以提高抑制效果。電容容量一般應(yīng)在幾千微微法到零點幾微法。
差模電感L1、L2流過的電流為負(fù)載電流，為了防止鐵芯飽和，選用導(dǎo)磁率比較低的材料作為鐵芯，在本設(shè)計中選用鐵粉芯作為鐵芯。共模電感L3、L4只對共模干擾信號起作用，所以不存在鐵芯飽和問題，因此可以采用導(dǎo)磁率高的材料作為鐵芯，在本設(shè)計中采用鐵氧體作為鐵芯。電容C1、C4接在輸入線之間，所承受的zui大電壓是zui大輸入電壓，因此選用250V的交流電容。電容C2、C3、C5、C6接在輸入線與大地之間，為了防止高壓擊穿，這幾個電容的耐壓應(yīng)選擇的比較高，本設(shè)計中選用耐壓為4KV的高壓瓷片電容。具體的參數(shù)分別為：L1、L2均為100uH，L3為2.8mH，L4為7.8mH，C1、C4均為2.2uF，C2、C3均為0.01uF，C5、C6均為0.0047uF。
3.2 起動電流抑制電路 開關(guān)電源一般采用電容輸入型回路，在起動的瞬間，交流輸入電壓通過整流器對電容器進(jìn)行充電。由于電容器的等效串聯(lián)阻抗很小，并且通常采用多個電容器并聯(lián)使用，使得其阻抗更??；因此起動沖擊電流很大。為了對輸入回路的斷路器、輸入熔斷器、整流器等進(jìn)行保護(hù)，同時減小對其它電子設(shè)備的不良影響，需要在起動時設(shè)置沖擊電流抑制電路。
圖2 起動電流抑制電路
在交流輸入為網(wǎng)高壓、相位為900時，沖擊電流出現(xiàn)zui大值。應(yīng)把沖擊電流抑制在多大范圍內(nèi)，并無具體規(guī)定。因此主要應(yīng)視具體情況來選擇電路參數(shù)。沖擊電流抑制回路如圖2（a）所示，其中，R為接入的沖擊電流抑制電阻，Relay為繼電器的常開點。起動時，由于起動電阻串接在輸入回路中，可把沖擊電流限制到我們所希望的范圍內(nèi)。當(dāng)電容器充有足夠的電壓、認(rèn)為起動過程可以結(jié)束時，通過繼電器Relay將電阻R旁路（短接），電路正常工作。本設(shè)計中，zui大輸入電壓為264伏。等效負(fù)載電阻為：
若接入的電阻，則可把起動電流限制到負(fù)載電流的水平，則起動過程是相當(dāng)安全的。但由于調(diào)節(jié)器的輸入電容較大（6000uF），則輸入電容結(jié)束充電的時間長，一般為（3~5）RC，取4RC=1.3秒，加上繼電器控制電路的延時；則起動電阻的實際投入時間會超過2秒，若起動過程的平均電流為4安，則電阻的功耗峰值為848W，2秒的起動過程會產(chǎn)生1600焦耳以上的熱量。因此要選擇功耗很大的電阻器，尺寸也會很大，這是令人難以接受的，也是不現(xiàn)實的。為此，應(yīng)選擇阻值更大的電阻器，而阻值加大，結(jié)束起動過程隨之延長，仍難令人滿意。因止在抑制電阻回路中再串入一個負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻NTCR，見圖2（b）。一方面，在起動過程剛開始時，電路有較強(qiáng)的抑流能力；另一方面，隨著起動過程的進(jìn)行，負(fù)溫度系數(shù)電阻的阻值下降，使電容器的充電電流又不至于太小，起動過程不至過長。 3.3 開關(guān)浪涌吸保護(hù)電路 本應(yīng)用中的開關(guān)元件選擇為IGBT模塊。IGBT是一種電壓控制的大功率高速可自關(guān)斷的電力電子元件。它屬于復(fù)合型器件，由MOSFET和晶體管構(gòu)成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。IGBT與其它功率開關(guān)一樣，在開關(guān)管關(guān)斷時，由于主回路電流的急劇下降，主回路存在的寄生電感將會引起很高的集源電壓，稱為開關(guān)浪涌電壓。開關(guān)浪涌電壓的峰值很高，可達(dá)常的兩倍。這樣高的浪涌電壓就可能使IGBT超過其安全工作區(qū)，導(dǎo)致IGBT損壞，另外它也是產(chǎn)生噪聲的一個原因。
圖3 吸電路原理圖 抑制浪涌電壓的有效措施是采用吸電路，電路如圖3所示。吸電路的原理是：當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，蓄積在寄生電感中的能量通過開關(guān)的寄生電容（圖中未畫出）充電，開關(guān)電壓上升；當(dāng)此電壓上升到吸電容C的電壓與輸出電壓之和時，吸二極管導(dǎo)通。由于電容器的電壓不能突變，因此開關(guān)的電壓上升率被限制。
3.4 開關(guān)管的驅(qū)動保護(hù)電路
柵極驅(qū)動電路的設(shè)計是否合理，是IGBT實際應(yīng)用中的一個重要問題。IGBT驅(qū)動電路形式一般有三種：直接驅(qū)動型、隔離驅(qū)動型和集成模塊驅(qū)動型。
在電路設(shè)計中選用芯片，因為芯片都帶有比較完善的保護(hù)功能，可靠性高，只需很少的外圍元件，使用方便。目前市場上已有很多芯片，如美國MOTOROLA公司的MPD系列、日本東芝公司的TK系列、日本富士公司的EXB系列等。在本設(shè)計中，選用富士公司的EXB840，它能驅(qū)動7、1200V的IGBT管，加直流20V作為集成塊的工作電源。開關(guān)管頻率在40KHZ以下，整個驅(qū)動電路動作快，信號延時不超過1.5毫秒。內(nèi)部利用穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生的負(fù)5伏電壓，除供內(nèi)部使用外，還為外部提供負(fù)偏壓。集成塊采用高速光耦輸入隔離，并有過流檢測及過載慢速關(guān)柵等功能。
圖4 IGBT驅(qū)動電路 圖4為具有過流檢測，軟管端的驅(qū)動電路圖。該驅(qū)動電路的工作原理是：輸入信號經(jīng)反相器進(jìn)入14腳，輸出驅(qū)動信號從3腳輸出。當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流時，5腳出現(xiàn)低電平，光耦SOI有輸出，對PWM信號提供一個封鎖信號，該信號使驅(qū)動脈沖轉(zhuǎn)化為一系列窄脈沖，對EXB840實行軟關(guān)斷。
4 結(jié)語 輔助電路對于變換器的安全正常工作非常重要，因此，對于輔助電路的設(shè)計不容忽視。本文對功率因數(shù)校正器輔助電路中的濾波電路設(shè)計、起動電流抑制電路的設(shè)計和開關(guān)的浪涌吸保護(hù)電路的設(shè)計進(jìn)行了分析，實驗結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的主要技術(shù)指標(biāo)要求。
功率因數(shù)校正技術(shù)的新型控制策略綜述 PFC電路在提高電力電子裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)諧波污染方面起著很重要的作用。隨著PFC技術(shù)應(yīng)用的普及，PFC電路拓?fù)淙諠u成熟。關(guān)于PFC控制系統(tǒng)與控制策略的研究目前仍然十分活躍，這從側(cè)面反映出該領(lǐng)域還有許多問題尚待解決[1]。PFC技術(shù)的每一種控制策略都有其優(yōu)缺點，本節(jié)簡單總結(jié)了PFC技術(shù)的經(jīng)典控制策略，對比分析了幾種新型控制策略的優(yōu)缺點，指出了PFC控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。
2.PFC整流器的經(jīng)典控制策略 電力電子電路的六種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Buck、Boost、Buck-boost、Flyback、Sepic、Cuk）原則上都可以構(gòu)成PFC，但因Boost電路的*優(yōu)點，在實際中應(yīng)用zui多。PFC的控制策略按照輸入電感電流是否連續(xù)，PFC分為不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。DCM的控制可以采用恒頻、變頻、等面積等多種方式。CCM模式根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋和被控制量，有直接電流控制和間接電流控制之分。直接電流控制有峰值電流控制（PCMC）、滯環(huán)電流控制（HCC）、平均電流控制（ACMC）、預(yù)測瞬態(tài)電流控（PICC）、線性峰值電流控制（LPCM）、非線性載波控制（NLC）等方式。電流的控制也可以通過控制整流橋輸入端電壓的方式間接實現(xiàn)，稱為間接電流控制或電壓控制[2]。
2.2.1 DCM控制模式 DCM控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC中簡單而實用的一種控制方式，應(yīng)用較為廣泛。DCM控制模式的特點：（1）、輸入電流自動跟蹤電壓并保持較小的電流畸變率；（2）、功率管實現(xiàn)零電流開通（ZCS）且不承受二極管的反向恢復(fù)電流；（3）、輸入輸出電流紋波較大，對濾波電路要求較高；（4）、峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，器件承受較大的應(yīng)力；（5）、單相PFC功率一般小于200W，三相PFC功率一般小于10kW。2.2.2 CCM控制模式CCM相對DCM其優(yōu)點為：（1）、輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易；（2）、RMS電流小、器件導(dǎo)通損耗小；（3）、適用于大功率應(yīng)用場合。CCM模式下有直接電流控制與間接電流控制兩種方式。直接電流控制的優(yōu)點是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過流保護(hù)能力，但需要檢測瞬態(tài)電流，控制電路復(fù)雜。間接電流控制的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)機(jī)理清晰。
3.PFC整流器的新型控制策略3.1 單周控制技術(shù)單周期控制技術(shù)（One-Cycle Control）[3]是九十年代初由美國加州大學(xué)的Keyue M Smedley提出的，它是一種不需要乘法器的新穎控制方法，將這種控制方法應(yīng)用于功率因數(shù)校正是近年來一種新的嘗試。單周控制是一種非線性控制技術(shù)，它同時具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號的目的。它的基本思想是在每一個開關(guān)周期內(nèi)使受控量的平均值恰好等于或者正比于控制參考量，單周期控制術(shù)在控制回路中不需要誤差綜合，它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，前一周期的誤差不會帶到下一周期，同時單周期控制技術(shù)還具有優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、開關(guān)頻率恒定、減小畸變、抑制電源干擾和易于實現(xiàn)等優(yōu)點。這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，現(xiàn)已在DC-DC變換器、開關(guān)功率放大器、有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器以及單相、三相功率因數(shù)校正等方面得到大量應(yīng)用?！ 沃芸刂浦频幕驹響?yīng)用于各種電流控制上，就可以得到電荷控制（Charge Control），準(zhǔn)電荷控制（Quasi-ChargeControl），非線性載波控制（Nonlinear carrier Control） 和輸入電流整形技術(shù)（Input Current Control）等功率因數(shù)校正的新型控制技術(shù)。從形式上看電荷控制是電流型的單周期控制，其控制思想是控制開關(guān)的電流量，使之在一個周期內(nèi)達(dá)到期望值。準(zhǔn)電荷控制也是一種電流型的單周控制。準(zhǔn)電荷控制是在電荷控制的基礎(chǔ)上,用RC網(wǎng)絡(luò)代替電荷控制中電路中的C網(wǎng)絡(luò)。非線性載波控制的控制電流可為開關(guān)電流、二極管電流或電感電流，從電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上講非線性載波控制技術(shù)是在電荷控制的基礎(chǔ)上增加了一個外加的非線性補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在非線性載波控制中當(dāng)電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，而電路工作在斷續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)是小信號穩(wěn)定的。另外非線性載波控制工作在斷續(xù)條件下會產(chǎn)生輸入電流的畸變。輸入電流整形技術(shù)檢測二極管上的電流，從形式上說是一種類似于非線性載波控制的控制方案，從控制的實質(zhì)上講它是平均電流控制的一種反用。3.2 空間矢量調(diào)制 空間矢量調(diào)制（Space Vector Modulation）[4]是80年代中后期發(fā)展起來的，zui初的應(yīng)用是使電機(jī)獲得圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，稱為“磁鏈跟蹤”。目前，空間矢量調(diào)制的概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電機(jī)調(diào)速的范疇，成為與SPWM相并行的一種PWM調(diào)制技術(shù)?？臻g矢量調(diào)制也是矩陣式變換器的*調(diào)制方式，三相功率因數(shù)校正電路的數(shù)字化實現(xiàn)也可用此方式。在模擬控制中，用abc三相對稱坐標(biāo)系，控制量是分段正弦的；在數(shù)字化實現(xiàn)時，用同步旋轉(zhuǎn)的d-q正交坐標(biāo)系，此時，控制量在穩(wěn)態(tài)時為常量，容易保證好的穩(wěn)態(tài)特性。模擬控制時，控制變量是時變的，在電壓、電流過零時，可能出現(xiàn)不連續(xù)，并且由于模擬控制器的工頻增益有限，電流畸變通常比數(shù)字控制大。數(shù)字控制的帶寬主要受運算速度和采樣延遲的限制。隨著微控制器的性能價格比不斷提高，基于SVM的數(shù)字化實現(xiàn)會越來越具吸引力?？臻g矢量在理論分析上也有優(yōu)點，用其描述三相電路的狀態(tài)軌跡，非常直觀。3.3 無差拍控制無差拍控制（Deadbeat control）[5]是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全數(shù)字化的控制技術(shù)。它的基本思想是將輸出參數(shù)等間隔的劃分為若干個取樣周期。根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，預(yù)測在關(guān)于取樣周期對稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時的值。適當(dāng)控制方波脈沖的極性與寬度，就能使輸出波形與要求的參數(shù)波形重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)方波脈沖的極性與寬度，就能獲得波形失真小的輸出。無差拍控制的zui顯著的優(yōu)點就是數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密、跟蹤無過沖、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、易于計算機(jī)執(zhí)行等，缺點是它要求建立的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)理想模型與實際對象有差異時，劇烈的控制動作會引起輸出電壓的振蕩，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。隨著數(shù)字信號處理單片機(jī)（DSP）應(yīng)用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法基于空間電壓矢量PWM的電流無差拍控制方法，開關(guān)頻率恒定，調(diào)節(jié)性能良好，代表了目前上PFC技術(shù)的較高水平。3.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制[6]適應(yīng)了電力電子變換器的開關(guān)非線性特性，能夠根據(jù)變換器運行狀態(tài)，有效的控制變換器工作狀態(tài)的切換，實現(xiàn)變換器的控制目標(biāo)，動態(tài)性能好且魯棒性強(qiáng)，這樣，滑模變結(jié)構(gòu)控制就能很容易地應(yīng)用于整流器、逆變器等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，從而zui有望成為電力電子變換器實用的控制技術(shù)。變流器的時變參數(shù)問題是人們一直努力解決的問題?？紤]到開關(guān)變換器的開關(guān)切換動作與變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運動點沿切換面高頻切換有動作上的對應(yīng)關(guān)系。因而可以考慮用滑模變結(jié)構(gòu)這種方法來控制變流器。在整流器的功率因數(shù)校正系統(tǒng)中，輸入電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間存在著矛盾的關(guān)系，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，可以在輸入電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，使輸入電流滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前題下，盡可能地提高輸出電壓動態(tài)響應(yīng)。3.5 基于Lyapunov非線性大信號方法控制傳統(tǒng)控制方法的數(shù)學(xué)建模一般是基于系統(tǒng)的小信號線性化處理，這種方法的缺點是對系統(tǒng)的大信號擾動不能保證其穩(wěn)定性?；谶@種考慮，文獻(xiàn)[7]提出了用大信號方法直接分析這種非線性系統(tǒng)。仿真和實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)對大信號擾動具有很強(qiáng)的魯棒性。 3.6 dqo變換控制 dqo變換控制[8]是根據(jù)瞬時無功功率理論，將電源電流分解到dqo坐標(biāo)系下，得到兩個直流量Id 、Iq。指令電流Id*、Iq*由電壓控制環(huán)給出，由于參考值和反饋值在穩(wěn)態(tài)時都是直流信號，所以可以做到無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，這種方法的控制精度高，但控制中涉及的計算復(fù)雜，隨著高性能的單片機(jī)及的矢量轉(zhuǎn)換芯片的出現(xiàn)，其實現(xiàn)也是可行的?！ ? 控制策略的總結(jié)與展望DCM控制盡管簡單，但由于器件承受較大的開關(guān)應(yīng)力。限制了其功率應(yīng)用范圍。CCM控制中，直接電流控制應(yīng)是發(fā)展的主流，它適用于對系統(tǒng)性能指標(biāo)和快速性要求較高的大功率場合。CCM模式下的電流控制需要乘法器和對輸入電壓、輸入電流進(jìn)行檢測，控制電路復(fù)雜且成本高，乘法器的非線性失真也增加了輸入電流的諧波含量。因此，不帶乘法器的簡化控制成為PFC研究的一個熱點。尋求更加簡化的控制策略、降低PFC成本、減小THD和EMI、降低器件開關(guān)應(yīng)力、提高整機(jī)效率仍然是今后PFC控制策略的發(fā)展趨勢。中大功率的電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中占有很大比重，因此三相PFC應(yīng)是PFC研究的重心。隨著三相PFC整機(jī)成本的提高和開關(guān)頻率的降低，依托高速的數(shù)字處理器，數(shù)字控制成為發(fā)展的主流。由于各種控制策略都有優(yōu)缺點，將各種控制策略合理搭配，取長補(bǔ)短，可以到理想的控制效果，這也是控制技術(shù)發(fā)展的一個方向。與現(xiàn)代控制理論相關(guān)的控制方法如狀態(tài)反饋控制（極點配置）、二次型*控制、非線性狀態(tài)反饋、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，都可以用在PFC電路中。但這些方法還不成熟，處于積極的探索之中?；诖蠊β孰娮釉O(shè)備的要求，目前多電平變換器和各種簡單拓?fù)涞拇?lián)、并聯(lián)等拓?fù)湎嗬^提出，對于這些電路的控制，除采用現(xiàn)有的控制策略外，還嘗試發(fā)展更有針對性的控制技術(shù)。
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