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VI_HAM谐波衰减与功率因数校正DC_DC电源模块
1.概述
在传统的电容滤波整流电路中，只有交流电源电压达到峰值时，电容器才产生波形非常窄的脉冲充电电流，如图1(a)所示该电流的峰值很大，谐波含量很高。电源电流波形发生畸变。传统整流电路的输入电流有效值很大。电源输入的视在功率为输入电流有效值与电源电压有效值的乘积，该功率远大于(通常为1.6倍)整流电路输出的直流功率。“额外的”有效值电流是由谐波电流产生的。谐波电流没有给负载输出功率，它只能产生输电损耗。只有电源电流中的基波分量才产生有功功率，有功功率与视在功率之比称为功率因数。它表示负载能够从交流电源得到有用功辛的多少。经过功率因数校正电路后，可使输入电压和输入电流内为同相位的正弦波，如图1(b)所示。
图1不带功率因数校正(a)和带有功率因数校正(b)时。输入电压和输入电流的波形
VI-HAM谐波衰减模块内部电路如图2所示，包括金波整流电路、智网的高频零电流开关(ZCS)升压变换器、输入浪涌电流限制和短路保护电路、控制和辅助电路等。输入交流电压经整流后，供给零电流开关(ZCS)升压变换器，控制电路控制零电流开关导通与关断升压变换器，使HAM模块的输出直流电压高于输入交流电压的峰值，迫使零电流开关变换器的输入电流跟随已整流的电源电压波形而变。这样，交流输入电流就跟随交流电压波形而变，因此，功率因数可高于0.99。当输入电源电压为任何数值时，通过适当的自适应输出电压控制电路，可使ZCS升压变换器的工作效率达到最大值。
HAM模块中，还包括限制通电时输入浪涌电流的有源电路，以及普通功率因数校正电路中都没有的有源短路保护电路。
图2 VI-HAM模块内部框图
控制监测电路还产生电源系统中所需的两种信号模块使能信号(Module Enable)和电源正常信号(Power OK)如图3所示，模块使能信号接到由HAM模块供电的Vicor DC-DC变换器模块的Gate in脚。输入交流电压为120V时，当HAM模块的输出电压超过240V时，模块使能信号变为高电平，该信号用来启动DC-DC变换器模块开始工作。经过10ms后，DC-DC变换器模块开始输出电压。HAM模块使能信号变为高电平后，经过25ms(典型值)后，电源正常信号变为低电平，DC-DC变换器开始给负载供电。电源中断或电源电压降低时，只要HAM模块的输出电压低于230V,功率正常信号将变为高电平，表明变换器模块即将失去电源。
HAM模块的直流输出电压低于195V,模块使能信号变为低电平，DC-DC变换器模块停止工作，并且HAM模块空载运行。输接入1000F输出电容器后，HAM模块的调节和保持时间可达到16ms以上，故障告警时间可达到5ms以上。
图3 功能波形图
有源功率因数校正电路由升压稳压器组成。在输入交流电源电压变化范围内，升压稳压器应输出稳定的电压。通常，升压稳压器的输出电压都设定在交流输入电源电压的峰值以上。因此，如果功率因数校正电路必须由最高电压为264Vrms的电源供电时，升压稳压器的输出电压都设定在373V以上，例如415V.这样绝对适合于我国的电源电压(220V)。如果用于交流电源电压为120V的国家里，该升压稳压器的工作性能变差。这是因为升压稳压器的效率都是根据升压值决定的。换言之输入及输出电压之差愈大，升压稳压器效率愈差。所以如果把设定输出电压为415V的升压稳压器用于120V输入电源时，效率将明显降低，因此，产生更大的损耗。
HAM模块的输出电压可随输入交流电压来改变，如图4所示。正常输入交流电压为120V时，HAM的输出电压是260V.该电压在Vicor模块输入工作范围内。当输入电压增加时，HAM的输出电压也随着增加交流输入电压为220V时，HAM模块的输出电压为350V.因此在HAM能接受的输入电压范围内，它的输出电压和输入电压峰值都有足够升压空间，可确保高质量的有源功率因数校正，而不需要牺牲工作效率及浪费能量。不设计高固定输出电压的好处是Vicor DC-DC变换器可在很宽的输入电压范围内工作。
图4 输入电压与输出电压的关系
2.对滤波器的要求
为了满足传导EMI/RFI辐射的国际标准，VI-HAM模块应外接滤波器，如图5所示。该滤波器接入VI-HAM后，可以满足国际标准EN55022、VDE0878和WG243的要求。如需达到IEC60801-5第三级国际标准，必须再加上MOV。
采用VI-HAM模块的各种电路中，在电源滤波器的输入端应当加入适当的快熔保险丝。单只VI-HAM模块接入电源时，该保险丝的容量应为10A。
图5 滤波器与VI-HAM-CM模块的连接
3.各类VI-HAM模块的组合
VI HAM-CM驱动器HAM模块具有功率因散校正输入端的全部电路，包括桥式整流电路和同步二极管。
VI-HAMD-CM驱动器HAM模块内部没有桥式整流电路和同步二极管。
VI-BAMD-CM倍增器HAM模块:与VI-HAMN-CM模块的结构类似，内部没有整流桥， 模块用于增大系统的输出功率。
应用VI-HAM-CM模块时，输入整流电路的最大输出功率为600W.负载功率超过600W时，可配用HAM的倍增器，这样即可以600W的倍数增加输出功率。但由于控制回路的工作不一致，两个HAM驱动器不能简单并联。驱动模块上的Gare Out脚与倍增器模块上的Gate In脚相连，可以使两个模块的输出电流相等。但是，这不能使流过整流桥下面两只二极管的电流相等，为了克服这个缺点，可以采用图6所示的电路。
图6 VI-HAMD与倍增器HAM模块(BAMD)并联(各模块内均无整流桥)
为了使流过整流器中各二极管的电流相等，我们将每个HAM模块中的桥式整流器去掉，外加整流桥，该整流桥输出电流应满足全部模块的输入电流。一个VI-HAM-CM模块与一个或多个Vl-BAMD-CM模块并联时，HAM模块发出的热量大约可降低25%。
4. VI-HAM模块的保护特性
(1)短路保护
HAM模块具有短路关断功能，当发生短路保护时，输入保险丝不熔断。短路故障消除后，模块还能恢复正常工作，但是，为了使模块内的正温度系数热敏电阻(PTC)的温度逐渐降低，短路故障消除后，经过一段时间，模块才能恢复正常作，过流保护功能由Vicor DC-DC变换器提供。当HAM模块不与Vicar DC-DC变换器一起工作时，HAM模块的输出功率。不能超过额定功率。
(2)输出过压保护
HAM模块还具有输出过压保护功能。输入交流电压的峰值接近415V时，升压变换器的升压值将降低，从而使输出电压保持在415V。当输入交流电压的峰值达到415V(电源电压有效值接近293V)时，升压变换器的升压值减小到零。输出电压超过415V时，过压保护电路工作，输出电压将降低。Vicor模块在1s内能够承受的瞬变输入电压可达425V,相当于交流输入电压有效值300V。
(3)输入浪涌电流限制
HAM模块中装有PTC(正温度系数热敏电阻)和分流元件，可以限制输入浪涌电流。此外，输出过流保护也使用相同的PTC。
(4)输入瞬变过电压保护
抑制器输入瞬变过电压的功能都包括在HAM的滤波器内。使用任何其他滤波器时必须外加瞬变电压抑制器。
(5)过热关断
HAM模块具有过热关断功能，当基板的温度超过90-100℃时，模块输出自动关断。这并不表示该模块可长时间安全地在最高工作温度85t下工作，温度传感器监测HAM模块内部的平均温度，如果HAM模块的温度上升得非常快，器件内部的温度变化率就很高，从而使HAM模块表面的温度超过安全工作温度后，过热关断电路不能切断HAM模块的输出，但HAM模块表面的温度仍超过安全工作温度。这种情况通常发生在散热片面积较小而风扇不正常运转的系统中。
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