VI-HAM諧波衰減模塊的工作原理和保護(hù)特性

1.概述

在傳統(tǒng)的電容濾波整流電路中，只有交流電源電壓達(dá)到峰值時(shí)，電容器才產(chǎn)生波形非常窄的脈沖充電電流，如圖1(a)所示該電流的峰值很大，諧波含量很高。電源電流波形發(fā)生畸變。傳統(tǒng)整流電路的輸入電流有效值很大。電源輸入的視在功率為輸入電流有效值與電源電壓有效值的乘積，該功率遠(yuǎn)大于(通常為1.6倍)整流電路輸出的直流功率。“額外的”有效值電流是由諧波電流產(chǎn)生的。諧波電流沒有給負(fù)載輸出功率，它只能產(chǎn)生輸電損耗。只有電源電流中的基波分量才產(chǎn)生有功功率，有功功率與視在功率之比稱為功率因數(shù)。它表示負(fù)載能夠從交流電源得到有用功辛的多少。經(jīng)過功率因數(shù)校正電路后，可使輸入電壓和輸入電流內(nèi)為同相位的正弦波，如圖1(b)所示。

圖1不帶功率因數(shù)校正(a)和帶有功率因數(shù)校正(b)時(shí)。輸入電壓和輸入電流的波形

VI-HAM諧波衰減模塊內(nèi)部電路如圖2所示，包括金波整流電路、智網(wǎng)的高頻零電流開關(guān)(ZCS)升壓變換器、輸入浪涌電流限制和短路保護(hù)電路、控制和輔助電路等。輸入交流電壓經(jīng)整流后，供給零電流開關(guān)(ZCS)升壓變換器，控制電路控制零電流開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷升壓變換器，使HAM模塊的輸出直流電壓高于輸入交流電壓的峰值，迫使零電流開關(guān)變換器的輸入電流跟隨已整流的電源電壓波形而變。這樣，交流輸入電流就跟隨交流電壓波形而變，因此，功率因數(shù)可高于0.99。當(dāng)輸入電源電壓為任何數(shù)值時(shí)，通過適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)輸出電壓控制電路，可使ZCS升壓變換器的工作效率達(dá)到最大值。

HAM模塊中，還包括限制通電時(shí)輸入浪涌電流的有源電路，以及普通功率因數(shù)校正電路中都沒有的有源短路保護(hù)電路。

圖2 VI-HAM模塊內(nèi)部框圖

控制監(jiān)測電路還產(chǎn)生電源系統(tǒng)中所需的兩種信號模塊使能信號(Module Enable)和電源正常信號(Power OK)如圖3所示，模塊使能信號接到由HAM模塊供電的Vicor DC-DC變換器模塊的Gate in腳。輸入交流電壓為120V時(shí)，當(dāng)HAM模塊的輸出電壓超過240V時(shí)，模塊使能信號變?yōu)楦唠娖?，該信號用來啟動DC-DC變換器模塊開始工作。經(jīng)過10ms后，DC-DC變換器模塊開始輸出電壓。HAM模塊使能信號變?yōu)楦唠娖胶?，?jīng)過25ms(典型值)后，電源正常信號變?yōu)榈碗娖剑珼C-DC變換器開始給負(fù)載供電。電源中斷或電源電壓降低時(shí)，只要HAM模塊的輸出電壓低于230V,功率正常信號將變?yōu)楦唠娖?，表明變換器模塊即將失去電源。

HAM模塊的直流輸出電壓低于195V,模塊使能信號變?yōu)榈碗娖?，DC-DC變換器模塊停止工作，并且HAM模塊空載運(yùn)行。輸接入1000F輸出電容器后，HAM模塊的調(diào)節(jié)和保持時(shí)間可達(dá)到16ms以上，故障告警時(shí)間可達(dá)到5ms以上。

圖3 功能波形圖

有源功率因數(shù)校正電路由升壓穩(wěn)壓器組成。在輸入交流電源電壓變化范圍內(nèi)，升壓穩(wěn)壓器應(yīng)輸出穩(wěn)定的電壓。通常，升壓穩(wěn)壓器的輸出電壓都設(shè)定在交流輸入電源電壓的峰值以上。因此，如果功率因數(shù)校正電路必須由最高電壓為264Vrms的電源供電時(shí)，升壓穩(wěn)壓器的輸出電壓都設(shè)定在373V以上，例如415V.這樣絕對適合于我國的電源電壓(220V)。如果用于交流電源電壓為120V的國家里，該升壓穩(wěn)壓器的工作性能變差。這是因?yàn)樯龎悍€(wěn)壓器的效率都是根據(jù)升壓值決定的。換言之輸入及輸出電壓之差愈大，升壓穩(wěn)壓器效率愈差。所以如果把設(shè)定輸出電壓為415V的升壓穩(wěn)壓器用于120V輸入電源時(shí)，效率將明顯降低，因此，產(chǎn)生更大的損耗。

HAM模塊的輸出電壓可隨輸入交流電壓來改變，如圖4所示。正常輸入交流電壓為120V時(shí)，HAM的輸出電壓是260V.該電壓在Vicor模塊輸入工作范圍內(nèi)。當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，HAM的輸出電壓也隨著增加交流輸入電壓為220V時(shí)，HAM模塊的輸出電壓為350V.因此在HAM能接受的輸入電壓范圍內(nèi)，它的輸出電壓和輸入電壓峰值都有足夠升壓空間，可確保高質(zhì)量的有源功率因數(shù)校正，而不需要犧牲工作效率及浪費(fèi)能量。不設(shè)計(jì)高固定輸出電壓的好處是Vicor DC-DC變換器可在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。

圖4 輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系

2.對濾波器的要求

為了滿足傳導(dǎo)EMI/RFI輻射的國際標(biāo)準(zhǔn)，VI-HAM模塊應(yīng)外接濾波器，如圖5所示。該濾波器接入VI-HAM后，可以滿足國際標(biāo)準(zhǔn)EN55022、VDE0878和WG243的要求。如需達(dá)到IEC60801-5第三級國際標(biāo)準(zhǔn)，必須再加上MOV。

采用VI-HAM模塊的各種電路中，在電源濾波器的輸入端應(yīng)當(dāng)加入適當(dāng)?shù)目烊?a target="_blank">保險(xiǎn)絲。單只VI-HAM模塊接入電源時(shí)，該保險(xiǎn)絲的容量應(yīng)為10A。

圖5 濾波器與VI-HAM-CM模塊的連接

3.各類VI-HAM模塊的組合

VI HAM-CM驅(qū)動器HAM模塊具有功率因散校正輸入端的全部電路，包括橋式整流電路和同步二極管。

VI-HAMD-CM驅(qū)動器HAM模塊內(nèi)部沒有橋式整流電路和同步二極管。

VI-BAMD-CM倍增器HAM模塊:與VI-HAMN-CM模塊的結(jié)構(gòu)類似，內(nèi)部沒有整流橋， 模塊用于增大系統(tǒng)的輸出功率。

應(yīng)用VI-HAM-CM模塊時(shí)，輸入整流電路的最大輸出功率為600W.負(fù)載功率超過600W時(shí)，可配用HAM的倍增器，這樣即可以600W的倍數(shù)增加輸出功率。但由于控制回路的工作不一致，兩個HAM驅(qū)動器不能簡單并聯(lián)。驅(qū)動模塊上的Gare Out腳與倍增器模塊上的Gate In腳相連，可以使兩個模塊的輸出電流相等。但是，這不能使流過整流橋下面兩只二極管的電流相等，為了克服這個缺點(diǎn)，可以采用圖6所示的電路。

圖6 VI-HAMD與倍增器HAM模塊(BAMD)并聯(lián)(各模塊內(nèi)均無整流橋)

為了使流過整流器中各二極管的電流相等，我們將每個HAM模塊中的橋式整流器去掉，外加整流橋，該整流橋輸出電流應(yīng)滿足全部模塊的輸入電流。一個VI-HAM-CM模塊與一個或多個Vl-BAMD-CM模塊并聯(lián)時(shí)，HAM模塊發(fā)出的熱量大約可降低25%。

4. VI-HAM模塊的保護(hù)特性

(1)短路保護(hù)

HAM模塊具有短路關(guān)斷功能，當(dāng)發(fā)生短路保護(hù)時(shí)，輸入保險(xiǎn)絲不熔斷。短路故障消除后，模塊還能恢復(fù)正常工作，但是，為了使模塊內(nèi)的正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)的溫度逐漸降低，短路故障消除后，經(jīng)過一段時(shí)間，模塊才能恢復(fù)正常作，過流保護(hù)功能由Vicor DC-DC變換器提供。當(dāng)HAM模塊不與Vicar DC-DC變換器一起工作時(shí)，HAM模塊的輸出功率。不能超過額定功率。

(2)輸出過壓保護(hù)

HAM模塊還具有輸出過壓保護(hù)功能。輸入交流電壓的峰值接近415V時(shí)，升壓變換器的升壓值將降低，從而使輸出電壓保持在415V。當(dāng)輸入交流電壓的峰值達(dá)到415V(電源電壓有效值接近293V)時(shí)，升壓變換器的升壓值減小到零。輸出電壓超過415V時(shí)，過壓保護(hù)電路工作，輸出電壓將降低。Vicor模塊在1s內(nèi)能夠承受的瞬變輸入電壓可達(dá)425V,相當(dāng)于交流輸入電壓有效值300V。

(3)輸入浪涌電流限制

HAM模塊中裝有PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)和分流元件，可以限制輸入浪涌電流。此外，輸出過流保護(hù)也使用相同的PTC。

(4)輸入瞬變過電壓保護(hù)

抑制器輸入瞬變過電壓的功能都包括在HAM的濾波器內(nèi)。使用任何其他濾波器時(shí)必須外加瞬變電壓抑制器。

(5)過熱關(guān)斷

HAM模塊具有過熱關(guān)斷功能，當(dāng)基板的溫度超過90-100℃時(shí)，模塊輸出自動關(guān)斷。這并不表示該模塊可長時(shí)間安全地在最高工作溫度85t下工作，溫度傳感器監(jiān)測HAM模塊內(nèi)部的平均溫度，如果HAM模塊的溫度上升得非?？?，器件內(nèi)部的溫度變化率就很高，從而使HAM模塊表面的溫度超過安全工作溫度后，過熱關(guān)斷電路不能切斷HAM模塊的輸出，但HAM模塊表面的溫度仍超過安全工作溫度。這種情況通常發(fā)生在散熱片面積較小而風(fēng)扇不正常運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中。