1.3 AC-DC整流器的傳導EMI

AC-DC整流器是將交流電轉換為直流電的變換器。為減小AC-DC整流器的輸入電流諧波，提高功率因數（Power Factor，PF），通常采用功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）變換器。PFC變換器一方面控制輸入電流使其呈正弦且與輸入電壓保持同相位，另一方面調節其輸出電壓使其保持穩定。由于PFC變換器直接與交流電網相連，它引起的傳導EMI問題尤為突出。

在PFC變換器中，Boost變換器是最常用的電路拓撲之一，如圖1.8所示，這是因為它具有以下主要優點：①升壓電感L_b串聯在輸入端，因此輸入電流高頻脈動小；②全輸入電壓范圍內均可實現高的PF；③電路結構簡單，可靠性高。

1.Boost PFC變換器的工作模式和控制方式

圖1.9給出了Boost PFC變換器的三種工作模式，即電感電流連續模式（Continuous Current Mode，CCM）、電感電流臨界連續模式（Critical Conduction Mode，CRM）和電感電流斷續模式（Discontinuous Current Mode，DCM）。

工作在CCM時，Boost PFC變換器的電感電流脈動小，PF高，開關管的電流有效值小，一般應用在中大功率場合。圖1.10給出了采用平均電流控制的CCM Boost PFC變換器的控制框圖[18]。該變換器采用脈寬調制方法，開關頻率固定。輸出電壓的采樣值與電壓基準V_{o_ref}進行比較，其誤差送入電壓調節器G_v（s）。電壓調節器的輸出信號與整流后的輸入電壓檢測信號（波形輸入）相乘，作為電流環的基準信號i_{Lb_ref}。升壓電感電流檢測信號與電流基準進行比較，得到的電流誤差信號送入電流調節器G_i（s），其輸出信號與鋸齒波進行比較，產生開關管的驅動信號。整流后的輸入電壓在半個工頻周期內變化，因此開關管的占空比也在半個工頻周期內變化。

工作在CRM時，Boost PFC變換器可以實現開關管的零電流開通，且二極管無反向恢復，變換器的PF高，廣泛應用于中小功率場合[19-21]。圖1.11給出了CRM Boost PFC變換器的控制框圖。電壓調節器G_v（s）的輸出信號與整流后輸入電壓的檢測信號相乘，作為電感電流峰值基準。當電感電流i_Lb下降到零時，通過電流過零檢測（Zero Crossing Detector，ZCD）電路使Q_b開通。當i_Lb上升至電流峰值基準時，關斷Q_b。由于電感電流臨界連續，一個開關周期內電感電流波形為三角波，而三角波的平均值為峰值的一半。由于電感電流峰值的基準在半個工頻周期內為正弦形式，因此電感電流的開關周期平均值也為正弦形式，即實現功率因數校正。CRM Boost PFC變換器的開關頻率在半個工頻周期內是變化的，其變化范圍與輸入電壓和負載有關。因此，CRM Boost PFC變換器的傳導EMI特性較為復雜，EMI濾波器的設計比較困難。

DCM Boost PFC變換器的開關管可以實現零電流開通，且二極管無反向恢復，它可以通過定占空比控制[22]、變占空比控制[23]或平均電流控制實現。圖1.12a給出了采用定占空比控制的DCM Boost PFC變換器的控制框圖。這種控制方式比較簡單，但電感電流的開關周期平均值在一個開關周期內不是正弦形式，如圖1.9c所示，PF值較低。為了使DCM Boost PFC變換器實現高PF值，可以采用變占空比控制方法，其控制框圖如圖1.12b所示[23]。它預先擬合PF值為1時的占空比表達式，再通過輸入電壓前饋和擬合運算實現變占空比控制。

實際上，當負載較輕時，CCM Boost PFC變換器在半個工頻周期內有一段時間工作在DCM；而在負載很輕時，該變換器在半個工頻周期內將始終工作于DCM。

2.Boost PFC變換器傳導EMI的建模和預測方法

Boost PFC變換器的傳導EMI不僅與工作模式、控制方式有關，還與輸入電壓和負載有關，因此其EMI濾波器的設計較為困難。為了在設計早期預評估Boost PFC變換器的傳導EMI特性，指導EMI濾波器的設計，有必要預測其傳導EMI頻譜。

傳導EMI頻譜的預測方法可分為仿真建模方法和數值建模方法。參考文獻[24-28]提出了Boost PFC變換器傳導EMI頻譜的仿真建模方法，仿真時采用開關管和二極管的實際模型，并考慮電感、電容、PCB線路以及線路與安全地之間的寄生參數和互耦參數。為準確獲取這些參數，需要測試預選取的元件的高頻特性，并分析預設計的PCB線路中的寄生參數。仿真建模可以比較準確地預測EMI頻譜，有利于評估不同變換器拓撲和工作模式的傳導EMI特性。但是，該方法難以揭示變換器的傳導EMI頻譜的特征和規律，并且需要在不同輸入電壓和負載條件下進行仿真分析，非常耗時。

數值建模方法首先根據變換器的共模和差模干擾路徑，建立變換器的原始共模和差模干擾等效電路，然后根據變換器的工作模式，計算噪聲源、共模和差模干擾電壓諧波頻譜，最后結合傳導EMI的測試原理計算傳導EMI頻譜。該方法只考慮主電路參數和共模干擾傳遞路徑上的主要寄生電容，因此適用于預測傳導EMI頻段中低頻段的傳導EMI頻譜和預設計EMI濾波器。參考文獻[29]根據數值建模法，提出了CRM Boost PFC變換器的差模干擾預測方法，可以準確預測變換器的準峰值頻譜。然而，該方法缺乏對變換器傳導EMI頻譜規律的理論分析，不便于揭示變換器在不同輸入電壓和負載條件下的傳導EMI頻譜特征和規律。

本書第3章將推導Boost PFC變換器的共模和差模干擾等效電路，分析主電路參數對EMI濾波器性能的影響，給出適合Boost PFC變換器的濾波器結構和參數設計。在第3章的基礎上，第4和第5章將分析在不同控制方式下，Boost PFC變換器的傳導EMI頻譜特性。第4章將針對平均電流控制的Boost PFC變換器，分析在不同輸入電壓和負載條件下變換器的工作模式，揭示不同工作模式下變換器的共模和差模干擾頻譜的特性，預測變換器最惡劣的傳導EMI頻譜，以指導EMI濾波器的設計。第5章將針對CRM Boost PFC變換器，分析在不同工作條件下變換器的傳導EMI頻譜特性，預測變換器最惡劣的傳導EMI頻譜，以指導EMI濾波器的設計。