一种三相无源功率因数校正电路的防雷设计

一种三相无源功率因数校正电路的防雷设计
摘要：针对采用三相无源功率因数校正电路（PFC），本文详细分析了传统的浪涌保护电路的一些不足，并提出两种改进的适合三相无源PFC电路的防雷设计方案，并在实际工程中应用，实际应用结果验证了该防雷设计方案的有效性。

关键词：三相、无源PFC、防雷电路
A surge protection circuit forpassive PFC with three-phase input
Zhang HuaJian
Inventronics （Hangzhou），INC. China，310053
Abstract：This paper analyzes the issues existed in the conventional surge protection circuit for a three-phase passive power factor correction circuit. Based on the analysis，two improved surge protection circuit suitable for such passive PFC circuit are proposed，which was implemented in a real product. The test results verify the effectiveness of the proposed circuit.
Key words：Three phase；Passive PFC；Surge protection circuit
0引言
随着科技的发展，各行各业都大量用开关电源供电，在户外的应用中开关电源必须能够经受雷电和浪涌的干扰。

良好的防止雷击干扰设计是户外开关电源必须面对的一个问题。

本文基于工程实际中防雷击的需求，提出并设计了一种三相输入带无源功率因数校正户外电源的防雷击设计方案。

1无源功率因数校正[1-3]
三相输入无源功率因数校正（PFC）电路可以采用简单的LC滤波电路来实现，电路十分简单可靠，成本低，如图1所示。

通过适当的参数选取，容易满足PF大于0.92的要求，并且由于采用无源PFC，输入EMI相对容易满足要求。

无源PFC的主要缺点是输入电感体积大，笨重，同时三相输入电流的谐波成分很大，THD一般在30%以上；此外输出直流不能预稳压，输出滤波电容电压在400-700V之间，输出电压纹波大，后级DC-DC的设计比较难以优化。

但工程实践上，由于三相无源PFC电路的简单可靠性，采用单个电感的无源PFC电路仍然是一种继续被采用的实用的三相功率因数校正技术。

但在户外应用中，由于电感在整流桥后面，在输入雷击、浪涌的情况下，很难通过直流母线电容电压来箝位，因此其防雷电路设计成为电路可靠性的关键。

2防雷设计方案及改进方法
传统的防雷电路如图2，输入采用星型接法的压敏电阻和放电管形成，由于布局结构关系，放在两级共模之间。

在打雷击试验过程中，共模电压未造成损坏，而高差模电压非常容易损坏样机整流桥，并且可能严重损坏PCB。

2.1问题分析及改进
在实际分析该问题的过程中，可以采取逐步增加输入差模浪涌电压，同时监测整流桥输出两端电压，这样可以确保试验不会损坏电路。

测试中，我们发现在1000V差模电源输入时，整流桥的电压已经超过1600V。

因此可以肯定是现有防浪涌电路没能有效的把浪涌电压限制在整流桥的安全电压之内，造成整流桥的过压损坏。

进一步分析不难得出，由于压敏电阻的残压较高，未能有效吸收输入的雷击能量。

资料显示，S20K385启动电压VV=620V，此时吸收电流仅为1mA；而实际雷击产生电流为200A以上，按50% 的吸收电流计算，此时残压为1025V以上（手册100A保护电流时，电压为1025V）。

因此星型接法的压敏电阻对线电压的最大保护电压为2050V，此电压经过后级的X电容吸收后，到整流桥处还有1600V以上的电压。

由于选取了耐压1600V的整流桥，造成整流桥二极管的雪崩击穿，从而箝位在1600V左右。

一旦雷击电压抬高，雷击能量加大，超过整流桥的雪崩能量时，即造成整流桥的击穿损坏。

为此必须修改防雷电路。

防雷电路的本质是给雷击能量一个吸收或释放的通道，不然能量的聚集只能产生高压或，从而损坏元器件。

本电路整流桥后串连的工频电感，是一个大的阻抗，可以认为电感电流是一个恒流源，对雷击瞬间串入的能量不能及时释放到电解电容中。

与单相Boost PFC、三相有源PFC不同，电感前面不能加采用通常的二极管箝位到电解电容吸收方法，为此我们设计了两种方案：
1）整流桥输出电压箝位
在整流桥与PFC电感之间，并联箝位压敏电阻，以吸收浪涌能量。

2）PFC电感电压箝位
在PFC电感箝位电路如图4所示，在PFC电感上并联二极管和TVS管。

图中的二极管的作用时防止在二极管、TVS管和电感中形成很大的环流。

两种方案前者将能量吸收消耗掉，后者将能量释放到电解电容，其基本原理是一致的，但参数选取有所不同。

箝位的元器件为压敏电阻或瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管的速度比较快，但可靠性不如压敏电阻。

同时我们将压敏电阻移至端口，以免雷击时大电流引起X电容、共模电感的漏感（差模）等的谐振。

通过试验，两种方案均获得成功。

最终的方案采用整流桥电压箝位电路，在整流桥输出端增加压敏电阻S20K510和0.022uF/1000V电容（如图3所示）。

为了进一步提高可靠性，增强防雷能力，针对输入端（整流桥前）防雷电路压敏电阻和气体放电管移至三相电输入端口，即移到共模电感之前。

2.2 参数选取
在整流桥上的压敏电阻必须适当选择，选择残压高的器件，则有可能保护不住；残压低的的器件，整流桥保护电压低了，但雷击电流可能大了，可以引起过流损坏。

另外必须考虑压敏器件的直流应用范围。

通过试验，采用S20K625吸收，则残压还是比较高，可能超过1600V。

因此综合考虑，我们选择了S20K510，其直流应用电压为670V，耐交流应用电压为510Vac；就算输出直流电压达到820V 10V时，漏电流为1mA，损耗也才0.82W，设计可以满足工程应用需求。

输入的压敏电阻由S20K385改成S20K320。

这样压敏器件开始保护的电压由620V降至510V；100A的保护电流时的残压由1025V降至840V。

这样大部分的雷击能量希望从端口处吸收，降低整流桥的瞬态冲击电流。

增加整流桥的吸收电容是增加尖峰电压的吸收，减小寄生参数的震荡等。

3实验结果
3.1共模浪涌实验
共模浪涌测试采用IEC61000-4-5的Level 4标准，L1～PE、L2～PE、L3～PE分别在0°、90°、180°、270°下，”+4000V”和”-4000V”分别各打2个脉冲，每个脉冲相隔60s。

（共48个脉冲）。

实验在负载6kW下进行，共模浪涌实验测试波形如下，左图为在0°、180°下的测试波形，右图为在90°、270°下的测试波形。

从波形中可以看出，雷击试验时共模电流基本上从放电管合压敏电阻走掉，对整流桥影响较小。

3.2标准差模浪涌实验
差模浪涌测试采用IEC61000-4-5的Level 3标准，L1～L2、L1～L3、L2～L3分别在0°、90°、180°、270°下，”+2000V”和”-2000V”，分别各打2个脉冲，每个脉冲相隔60s（共48个脉冲）。

实验在负载6kW下进行，整个测试过程中电源模块均能正常工作。

图7为试验结果，在输入2000V的差模浪涌电压情况下，经过第一级防雷电路后的线电压为1.8kV，整流桥输出端的电压箝位在1.4kV。

图8为继续增加输入浪涌测试电压到3.5kV，整流桥输出端的电压继续箝位在安全范围之内。

采用电感箝位的方案测试结果如表1所示，整个测试过程中电源模块均正常
工作，该方案也取得成功。

综上可以看出，雷击差模实验时，通过输入端的防雷击电路把输入电压峰值限制在1.8kV左右；通过整流桥输出端的压敏电阻和电容，把整流桥输出端电压限制在1.4kV左右，防止了在雷击情况下整流桥的损坏，达到了设计目的。

4结论
本文分析了三相无源PFC电路的防雷击浪涌电路存在的问题，针对存在的问题提出了整流桥输出电压箝位的新设计策略，最终在实验和工程实践中证明新的防雷策略的可行性、可靠性。

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