pfc共模干扰测试实验研究

pfc共模干扰测试实验研究

信号分析和对比pfc的共模传导输出校正通常用于解决由于各种输出变换电路而导致的声波和低污染电网的问题。然而PFC本身亦是一种功率变换电路，其在解决设备谐波发射的同时也产生了相应传导等干扰。对于PFC方面的EMI研究，参考文献中进行了相应的探讨。文献研究了各种吸收电路对PFC差模与共模干扰的改善。文献对传统Boost型变换器进行了改进提出了平衡式Boost拓扑，以期降低甚至抵消共模干扰，具有一定新颖性。但实际功率变换系统中很难实现。文献对无桥PFC性能进行了研究。文献则研究了交错式PFC性能。这些工作为Boost型PFC共模干扰研究提供了前提。本文就各种通用的PFC拓扑对其共模传导发射特性进行了分析与对比。在此基础上对这些通用PFC拓扑在相同的条件下进行了共模电流测试。实验结果表明普通无桥PFC共模干扰最大，交错式PFC的共模干扰在占空比不为50%时共模干扰要比传统PFC大。1平衡式pfc拓扑传统Boost型PFC如图1(a)所示，此拓扑的共模干扰源主要来源于功率开关管MOS管的漏极（或IGBT的集电极）。其耦合途径主要是功率管与散热器之间的寄生电容Cd。可知理论上传统Boost型PFC共模传导电流为：式中,为功率管漏极电压变化率。要减少共模传导电流,一种方式是减少功率管与散热器寄生电容dC,另一种方式是降低功率管漏极电压变化率。然而除非散热器采用悬浮的方式,寄生电容dC的降低将导致热阻的增大,散热效果变差。功率管漏极电压变化率的降低亦会导致损耗的增加,功率变换效率的降低。因此此种拓扑要从干扰源上抑制共模传导干扰,措施有限。为了降低甚至消除普通Boost型PFC的共模传导干扰，文献提出了如图1(b)所示Boost型PFC拓扑。此种平衡式PFC拓扑把储能电感由一个更改为两个差模耦合式电感。在此拓扑中PFC的共模传导干扰源由普通拓扑的功率管漏极一个干扰源变为功率管的漏极与源极两个干扰源。此种情况下，漏极电压的变化情况刚好和源极电压的变化情况相反。此时功率管漏极干扰源与源极干扰源导致的共模干扰电流分别为：这两个共模干扰相位相反可以进行抵消。最终净共模干扰电流为：由式5可知,要消除此PFC的共模干扰电流只要使功率管的漏极端对地寄生电容dC等于源极端对地寄生电容sC。这为共模传导干扰的消除提供了有益的思路。然而在实际应用中很难做到共模干扰电流的真正消除。因为源极电位的变化会相应的导致负载地电位变化。从而导致共模电流。此种情况在热地的情况下更明显，甚至导致其共模干扰电流比普通PFC电路的还大。2共模传导干扰无桥式PFC的提出主要是针对效率的提升，但从抑制共模传导干扰的角度亦符合上文提到的平衡式PFC的机理。如图2(a)所示，此普通无桥式PFC干扰源主要有两个：功率管Q1源极电压变化率以及功率管Q2源极电压变化率。净共模电流表达与平衡式PFC拓扑类似：只要功率管Q1漏极对地寄生电容Cd1和Q2漏极对地寄生电容Cd2相等，就可以使得共模传导电流的消除。且只从电路拓扑上看，电路本身是对称的。两个功率管的漏极对地寄生电容应该是相同的。似乎此拓扑可以很好的解决共模传导干扰问题。然而实际情况恰恰相反。此种普通无桥PFC共模传导干扰特别严重。普通无桥PFC功率管是根据输入电压按半周交替工作的。在一个半周期工作机理和平衡式PFC类似。理论上只要功率管漏极电位和源极电位对地的寄生电容相等就可以抵消共模干扰电流。然而，此种情况下源极电位与直流母线及负载地相连导致源极电位的对地寄生电容Cs远远大于漏极电位对地寄生电容Cd1。因而存在较大的源极电位干扰源产生的共模干扰电流。为解决普通无桥PFC的共模干扰问题，相关文献提出了改进型的无桥PFC拓扑，如图2(b)所示。此拓扑将回流二极管联结于电源的输入端。从而使得电源任一半周等效于传统Boost型PFC机理。此种情况下只有处于工作状态功率管漏极一个干扰源。因而其共模传导干扰特性和传统Boost型PFC拓扑是一样的。3共模电流大小对比交错式PFC通常采用两组传统Boost型PFC电路构成。两组驱动信号在相位上相隔180度交替导通，如图3所示。其干扰源亦有两个，即两组传统PFC的功率管漏极端电位的变化。由于干扰电流都是产生在功率管开通和关断期间，因此两组Boost，开关次数加倍。因而共模电流大小也加倍。但是此交错式PFC存在一种两个共模传导电流相互抵消的情况，即PFC占空比为50%时，此时一组PFC功率管开通，同时另一组PFC功率管关断。因此两组PFC的共模干扰电流在开通和关断的瞬间相位刚好相差180度。由于两组PFC拓扑对称，其干扰源对地寄生电容可以做到几乎相等。因此此时两个干扰电流可以相互抵消。4种清水pfc的共模电流在一1500W的系统上进行实验验证。为确保实验的一致性所有实验都是在相同的负载测试。测试方法上采用高频电流探头同时夹着电源线的零线和火线，此时电流探头测得的即为共模电流，如图4所示。测得的共模电流信号再送入EMI接收机。实验分别按照本文所述5种BOOST型PFC拓扑进行了共模电流测试。测得的具体频谱如图5、图6及图7所示。由图5、6、7可知平衡式BOOST型PFC共模干扰并没有想象的好，有的频率点比传统PFC还差。普通无桥式PFC共模干扰较大，改进型无桥PFC器共模干扰和普通PFC差不多。交错式PFC在占空比不为50%时共模干扰比普通BOOST型PFC差。5