功率因数校正器的辅助电路设计

2012-05-14 12:15:17来源: 互联网

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。

  

EMI滤波电路原理图

 

  图1 EMI滤波电路原理

  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。

  

起动电流抑制电路

 

  

起动电流抑制电路

 

  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:

  

等效负载电阻

 

  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。

  

吸收电路原理图

 

  图3 吸收电路原理图

  抑制浪涌电压的有效措施是采用吸收电路,电路如图3所示。吸收电路的原理是:当开关管关断时,蓄积在寄生电感中的能量通过开关的寄生电容(图中未画出)充电,开关电压上升;当此电压上升到吸收电容C的电压与输出电压之和时,吸收二极管导通。由于电容器的电压不能突变,因此开关的电压上升率被限制。

关键字:功率因数  校正器  辅助电路

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0514/article_15985.html
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