图腾柱PFC的传导电磁干扰对策指南

跟着开关电源的普遍利用，开关电源的整流跟滤波进程会发生大批的高次谐波，招致电流波形重大畸变，进而惹起电磁烦扰跟电磁兼容成绩。因而，功率要素校订技巧应运而生。本文援用地点：PFC技巧旨在校订电流波形，使其与电压波形坚持同相，从而进步功率因子跟增加谐波烦扰。另一方面，电源供给器平日须要经由过程CISPR32或是EN55032的尺度。这些尺度的重要目标是确保信息技巧装备在运转进程中不会对其余装备形成无害烦扰，同时也能抵御外界的电磁烦扰。CISPR32/EN55032测试名目分红两类，传导烦扰以及辐射烦扰。别的，依据产物应用情况的范例将尺度分为两类，重要用于室庐情况的任何装备都必需合乎B类限度；全部其余装备必需合乎A类限度。图1为传导烦扰限值曲线。图1.CISPR32/EB55032传导烦扰限值曲线晚期PFC技巧重要应用桥式整流器加回升压型PFC转换器(Boost PFC Converter)。因为桥式整流器的存在，在转换器任务时一直有两个二极管同时导通。在高功率利用中，这个牢固消耗因为电流晋升而增添，影响了效力的近一步晋升。现今电源供给器市场为因应寰球减碳运动，曾经将效力目的设定为更高效力、增加丧失、节俭动力、下降本钱、进步体系容量为主。图腾柱PFC因为其构造简略且元器件数目少，能够在较小的体积内供给更高的功率密度。同时，宽能隙半导体资料如氮化镓（GaN）跟碳化硅（SiC）开端导入计划，这些资料存在更低的导通电阻跟更快的开关速率，进一步进步了效力跟功率密度。因而，图腾柱PFC被普遍利用于种种高效力跟高功率密度的电源体系中，如效劳器电源、5G通讯电源、电动车充电器以及产业电源。图腾柱PFC由两个半桥开关形成，此中一个半桥作为整流桥，担任电容负端至输入端地回流门路，应用一般低RDS(ON)的MOSFET即可。另一组半桥担任Boost converter 的充放电切换，能够由SiC/GaN FET 等反向规复时光短的功率晶体构成。如图2所示，电路的任务道理重要分为正半周跟负半周两个局部。正半周（VAC > 0）：当Q1导通时，电感电流回升，电感停止储能。接着Q1断开，电感开端开释能量，电感电流降落。此时，Q2的体二极管在逝世区时光内顺导游通，接着，Q2导通，增加体二极管形成的功率消耗。正半周时，SD2为常开状况，SD1为常闭状况。负半周（VAC < 0）：当Q2导通时，电感电流回升，电感停止储能。接着Q2断开，电感开端开释能量，电感电流降落。此时，Q1的体二极管在逝世区时光内顺导游通，接着，Q1导通，增加体二极管形成的功率消耗。正半周时，SD1为常开状况，SD2为常闭状况。图2.图腾柱PFC任务道理但是，图腾柱PFC在进步效力跟功率密度的同时，也面对着电磁烦扰成绩。此中，共模噪声是该拓朴的重要烦扰源。平日是由功率组件的高速切换发生的高频噪声，这种噪声能够透过寄生电容耦合到框架接地(frame ground, FG)，从而发生共模噪声。如图3所示，Q1的高频开明跟关断举措发生高压变更dv/dt，成为噪声源。噪声电流流经寄生电容Cp，而后流过LISN。为了下降噪声电流流过LISN， 可在FG与PFC输出电容的接地端(GND)参加电容器Cfg，该电容可视为Y电容器，为开关噪声供给低阻抗。图3.高频开关心换形成的噪声源及其传导门路另一方面，如文献所述[1]， 在图腾柱PFC电路中，一个典范的把持成绩是AC电压过零点切换。当AC电压处在正半周期时，且濒临AC过零点时，Q1为主开关，因为输入电压很小，以是其占空比会到达濒临100%（Q2占空比濒临0），而SD1在此半周期始终导通。当AC电压过渡到负半周期时，Q2为主开关，因为输入电压很小，以是其占空比濒临为100%（Q1占空比濒临0），此阶段SD2会由关断变为导通，则当Q2一导通时，SD1的寄生输出电容Coss会很快放电，除了发生反向电感电流尖峰，因为激烈的高压变更dv/dt而发生了共模噪声。图4(a)展现了过零点的共模噪声的传导门路。SD1两头电压作为噪声源，是一个方波且幅度为输出电压同时与AC输入电压频率雷同。图4.零交越点发生的噪声源及其传导门路为懂得决传统MOSFET开关的反向规复机能较慢，平日在图腾柱PFC的计划上，会选用宽能隙功率晶体。安森美（onsemi）在宽能隙功率晶体(iGaN)上，将多种电力电子器件整合到一个氮化镓芯片上，以实现集成650V氮化镓FET跟氮化镓驱动器于单芯片中。集成化的要害是能减小耽误跟打消寄生电感，年夜幅下降与开关频率相干的消耗。如前所述，为了下降图腾柱PFC的共模噪声，起首能够针对高频切换的所发生的噪声做调剂。安森美的iGaN能够针对导通时的dv/dt斜率做调剂。图6(a)为NCP58922周边线路，透过调剂串联于VDR的Ron电阻，能够转变NCP58922导通时的dv/dt斜率，同时下降共模噪声。图5. iGaN可透过Ron来调剂导通时dv/dt的斜率另一方面，为了改良零交越点所发生的共模噪声，在慢速臂的晶体并联电容器C3跟C4（如图7），能够下降电压变更dv/dt从而克制共模噪声[2]。增加电容器后过零点邻近的噪声源，不只经由过程电容Cfg，也经由过程电容C3、4。因为Cfg的容值远低于C3, C4，因而流经Cfg的噪声电流较小。图6.在慢速臂的晶体并联电容器C3跟C4除此之外，另一种下降慢速臂在AC零交越点时dv/dt斜率，是透过缓启动的方法，缓缓增添疾速臂的占空比。图8为安森美的图腾柱PFC把持器(NCP1680, NCP1681)针对零交越点的把持机制(open loop pulses)[3]。当AC经由过程零交越点后，从较小的占空比开端转换SD1上Vds跨压。接着，逐步增添占空比的时光，使Vds从400V降至0V，同时实现慢速臂的换相把持。NCP1680以及NCP1681供给计划者4种open loop pulses的抉择，可依据慢速臂的输出电容(Coss)参数或是PFC电感量来抉择合适的open loop pulses。图7.NCP1680/1的零交越点的把持机制(open loop pulses)安森美供给了一个500W高效力跟高功率密的适配器计划(EVBUM2875)。如图8所示，该计划应用 图腾柱PFC把持器(NCP1681)跟LLC把持器(NCP13994)实现游戏条记本电脑适配器计划，同时搭配iGaN (NCP58921)将适配器的团体尺寸缩小到183mm*93mm*30mm，功率密度晋升至16W/inch^3。图8.500W游戏适配器计划别的，该计划应用后面所供给EMI的对策，(1)在FG到PFC bulk 接地端之间参加Y电容(Cfg), (2) 调剂iGaN的导通电阻(3) 并联电容于慢速臂(C3, C4), (4) 抉择适合的open loop pulses来下降零交越点的电压斜率。图9为Conducted EMI的测试成果，可满意CLASS B的规格。图9. Conducted EMI测试成果参考数据[1] Baihua Zhang, Qiang Lin, Jun Imaoka, Masahito Shoyama, Satoshi Tomioka, and Eiji Takegami, “EMI Prediction and Reduction of Zero-Crossing Noise in Totem-Pole Bridgeless PFC Converters,” Journal of Power Electronics, vol. 19, no. 1, pp. 278-287, Jan 2019.[2] Baihua Zhang, Kewei Shi, Qiang Lin, Gamal M. Dousoky, Masahito Shoyama, and Satoshi Tomioka, “Conducted Noise Reduction of Totem-pole Bridgeless PFC Converter Using GaN HEMTs,” 2015 IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), pp. 1-5, 2015.[3] ON Semi, “NCP1681 Datasheet”. 　　申明：新浪网独家稿件，未经受权制止转载。 -->