基于Vicor HAM模块的PFC电源设计

张万峰，毕彦，宣志芬

（1.中国科学院声学研究所东海研究站，上海200032；2.海军驻上海地区水声导航系统军事代表室上海201108）

传统的开关电源电路，由于采用非线性元件和储能元件，导致电源输入电流的瞬时值很高，波形严重畸变且呈脉冲状，因此存在着丰富的谐波电流，尤其是三次谐波电流。这些谐波电流一方面增加了谐波噪声水平，降低了电源的可靠性，另一方面又会对电网造成极大的污染。为了减少开关型功率变换器输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污染，国内外有关部门对电器设备产生的谐波量做出了有关规定，如EN61000-3-2，MIL-STD-461D以及GJB151A-97等标准[1]。因此，功率因数调整电源，即PFC（Power Factor Corrector）电源的研制已成为当今国际电力电子技术领域的热点之一。PFC电源通过主动调整输入电流波形，以及对输入电流与输入电压间的相位差进行补偿，从而抑制了谐波的产生，提高了电源的功率因数，减少了对电网的谐波污染。

Vicor HAM（Harmonic Attenuator Module）模块是美国Vicor公司推出的一款电源谐波衰减模块，该模块作为PFC电源的前端模块，可将输入交流电压转换为直流高压，并根据PFC电源的输出调整输入电流的波形以提高电源的功率因数减少谐波。本文首先介绍了Vicor HAM模块的功能和基本原理；其次，以Vicor HAM为核心，并配以电源滤波器、V375系列DCDC变换器等器件设计一台600 W的PFC电源样机；最后，对PFC电源样机输入电流谐波进行测量，测量结果证明该PFC电源达到了GJB151A-97中CE101项目对电源谐波抑制的标准。

1 Vicor HAM模块介绍

Vicor HAM模块主要由一个全波整流器、一个高频零电流开关（Zero Current Switch）高压转换器、有源浪涌电流限制、短路保护、控制和内务管理电路等组成，如图1所示。对输入交流电源整流，并输送到高压转换器。控制电路改变高压转换器的操作频率，保持HAM的输出电压在输入电压的峰值以上，同时使输入电流跟随输入电压的波形和相位，从而使功率因数可校正至0.99。通过一个自适应输出电压控制系统，在任何输入电压下，均可优化高压转换器的操作效率[2]。

图1 Vicor HAM功能方块图Fig.1 Block diagram of Vicor HAM function

Vicor HAM模块工作时，通过全波整流器将输入线电压整流后输送到高压转换器，其电压波形如图2-A所示。控制电路通过改变高压转换器的工作频率，使得Vicor HAM模块的输出电压比输入线电压峰值高，如图2-B所示。由于输入线电压的峰值小于输出电压，所以只有当输入线电压峰值和一个附加的电压（附升电压）之和超过输出电压时，才会有电流通过。由此，可通过控制电路去调节附升电压（图2-B-A）来保持正弦波式的输入电流。为了保持正弦式的输入电流，控制电路可采用输入电压波形作为参照物，通过测量输入电流并将其与输入线电压波形比较控制电路去调节附升电压，以便得到与输入电压一样波形的输入电流（图2-I）。与此同时，控制电路将监测Vicor HAM模块输出电压并调节附升电压，去维持大体上调节过的Vicor HAM模块输出电压（图2-B）。由于控制电路的主要功能是保持正弦波式的电流，所以可允许Vicor HAM模块输出电压有微小变化[3]。

图2 Vicor HAM输入电压电流示意图Fig.2 Vicor HAM input voltage current diagram

控制和内务管理电路还具有一个可以对外输出的辅助电源（A/S）、一个使能输出信号（E/O）和一个电源正常信号（P/OK）。

辅助电源（A/S）为HAM模块提供的低压非隔离输出，可用于功率初级控制端和监控电路。在最大电流为3 mA时，输出电压为19～23 VDC（以负输出端为参考电位）。辅助电源的典型应用为启动光耦合器。隔离电源正常信号（P/OK）。

在HAM模块的输出端通常接有一个保持电容（HUB），在保持电容（HUB）充满电之前，使能输出信号（E/O）用来抑制DCDC转换器。必须将使能输出（E/O）引脚与V375 DCDC转换器的PC引脚连接，否则可导致转换器反复开启或关闭。

电源正常信号（P/OK）是一个显示交流电源状态和Vicor HAM模块直流输出电压的监控信号。该信号为V375 DCDC转换器提供了足够的时间启动并稳定其输出。

Vicor HAM模块启动关机时序如图3所示。交流电源正常输入后，Vicor HAM模块开始工作，当其输出大于280 VDC时，使能信号（E/O）为高电平并启动DCDC转换器。约10 ms后，DCDC转换器输出正常。在使能信号（E/O）启动DCDC转换器后约25 ms，电源正常信号（P/OK）变为低电平，表示输入交流电源正常。当输入交流电源断电或者电压降低导致Vicor HAM模块输出电压低于270 VDC时，电源正常信号（P/OK）变为为高电平，表示输入交流电源不正常，当Vicor HAM模块输出电压低于250 VDC时，使能信号（E/O）变为低电平，并关闭DCDC转换器，从而使DCDC转换器没有直流输出。

图3 Vicor HAM模块启动/关机时序图Fig.3 Timing diagram of Vicor HAM module start/shutdown

2 PFC电源设计

本文采用Vicor30205滤波器、VI-HAM-EL模块、辅助电路以及V375A48E600BL模块构成一款PFC电源。该电源交流输入电压为110～264 VAC。标称直流输出电压为48 V。输出可调节范围为-90%～+10%。最大输出功率为600 W。输出纹波小于50 mVpp。谐波衰减满足GJB151A-97中CE101项目的要求。

PFC电源电路原理图如图4所示，其中模块Z1、Z2、Z3分别为Vicor30205滤波器、VI-HAM-EL模块和V375A48E600BL DCDC转换器。

模块Z1对交流输入电压进行滤波，由于Vicor30205滤波器内置压敏电阻、差模滤波器和共模滤波器等器件，因此可以抑制输入交流电压的瞬变浪涌，减少输入差模噪声和共模噪声。模块Z2将经模块Z1滤波的输入交流电压转换为375 V直流电压，并且调整输入电流波形使之与输入电压波形一致。模块Z2的直流输出作为模块Z3的输入，同时对储能电容C1进行充电。在储能电容C1未充满电之前，模块Z2的使能输出端（E/O）为低电平，待储能电容C1充满电后，使能输出端（E/O）跳变为高电平。当直流电压正常输入后，模块Z3便将375 V直流电压转换为48 V直流电压输出，同时模块Z3的初级控制端（PC）可对外提供直流5.7 V的控制电压，其最大电流为3 mA。若将初级控制端（PC）电压拉低至小于2.3 V，模块Z3便无法工作对外无电压输出。模块Z2的使能输出端（E/O）通过电阻R3和二极管D2与模块Z3的初级控制端（PC）相连，使得模块Z3在储能电容C1未充满电之前不工作，从而无直流电压输出。R1是上拉电阻，它通过模块Z2的使能输出端（E/O）与辅助电源端（A/S）与相连，以保证使能输出端（E/O）输出正常。D1为稳压二极管以稳定模块Z2的使能输出端（E/O）的高电平。R2为储能电容C1的洩放电阻。D3为肖特基二极管，用以防止瞬变浪涌保护后续模块。C2～C4为不同耐压的X电容，用来抑制差模干扰。C5～C8为Y电容，用来抑制共模干扰。F1和F2为保险丝。

图4 PFC电源原理图Fig.4 Schematic diagram of PFC power supply

3 实验结果

在实验室中对PFC电源样机进行输入电流谐波测量，其测量示意图如图5所示，按照GJB 152A-97标准中CE101项目，即25 Hz～10 kHz电源线传导发射的测试方法进行布置和测量。为了避免市电电网中的干扰影响测量精度，实验室测量采用信号源和功率放大器所产生频率为50 Hz，幅度为622 VPP的输出信号模拟市电电网供电，模拟市电电网交流电经过LISN电源网络作为PFC电源样机的交流输入电压。采用FLUCK公司i200s交流电流钳采集PFC电源样机的交流输入电流，然后将i200s交流电流钳输出信号（电压信号）通过数据采集器送入计算机。计算机程序通过不同中心频率的滤波器分析处理后，得到基波以及各次谐波的信号幅度。由于偶次谐波的信号幅度远远小于奇次谐波的信号幅度，故计算机程序对偶次谐波信号不进行测量。以基波信号幅度作为基准，计算各奇次谐波信号幅度的衰减分贝数，即为谐波电流相对于基波电流的衰减分贝数。

根据GJB151A-97中CE101-2项目中极限值的规定，当输入电源功率小于1 kW时以图6中曲线abc作为极限。GJB151A-97中以均已1 μA为基准，为了方便对比谐波衰减幅度，取基波电流为0 dB。测量结果如图6所示，其中粗实线为极限基准，细实线为负载为120 Ω时的测量曲线，细虚线为负载为50 Ω时的测量曲线。由于受到数据采集器的限制，频率在3 kHz以上的谐波幅度无法准确测量，且此频率以上的谐波幅度远远小于3次谐波和5次谐波，故在图6中省略。从图6中可知该PFC电源在3 kHz以下的频段上谐波衰减均在曲线abc以下，从5次谐波（250 Hz）开始均在曲线dbc（输入电功率大于1 kW极限）以下。若增加图4中C1的容量或者使PFC电源样机满功率输出，有望使3次谐波也在曲线dbc以下。由此可验证所设计的PFC电源样机完全可以达到GJB151A-97中CE101-2项目中极限值的要求。如果依靠多个600 W的PFC电源，就有可能研制出功率大于1 kW并且满足GJB151A-97中CE101标准的PFC电源。

图5 测量示意图Fig.5 Schematic diagram of measurment

图6 谐波衰减测量结果Fig.6 The result of measuring harmonic attenuation

4 结论

本文主要介绍了Vicor HAM模块的工作原理，并以该模块为核心设计一款PFC电源样机，通过实验证明该PFC电源样机符合GJB151A-97中CE101的标准。Vicor HAM模块具有体积小，输出功率高，可靠性高等特点，且外围电路简单，配合不同的DCDC转换器可方便的设计出不同直流电压输出的PFC电源，因此利用模块设计PFC电源具有广泛的工程参考价值。

[1]穆新华，孟小利，刘闯.Boost功率因数校正器中输入电流波形失真分析与抑制[J].数据采集与处理，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]怀格香港有限公司.设计指南和应用手册——全型、小型和微型系列DC-DC转换器及配件模块[EB/OL].[2011-05-17].http://www.vicorkorea.com/documents/applications_manual/10high_boost_sc.pdf.

[3]怀格香港有限公司.电子供电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]中国电子技术标准化研究所，中船总公司701所.GJB152A-97.军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量[S].北京：国防科学工业技术委员会，1997.

[5]中国电子技术标准化研究所，中船总公司701所.GJB151A-97.军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京：国防科学工业技术委员会，1997.

[6]张银海.AC/DC开关电源谐波畸变的计算和测量[J].电源技术应用，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]孙传涛，吴杰长，张祚良.基于VICOR二代模块的集控系统电源模块设计[J].电力电子技术，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.