PFC前端电路 -- EMI电路

一、EMI(Electromagnetic Interference)抗干扰电路

在PFC（功率因数校正）电路中，EMI（电磁干扰）滤波电路是至关重要的组成部分。EMI滤波电路的主要功能是抑制电磁干扰，以确保电源的电磁兼容性（EMC）符合标准，并且避免干扰其他电子设备。EMI滤波电路主要包括共模和差模滤波元件，通常由电感、电容及磁珠等组成。

1. EMI的来源与分类

在PFC电路中，EMI主要来源于开关管的高频切换动作。PFC电路通常采用高频开关模式，如Boost拓扑结构，在进行开关时会产生快速变化的电流和电压，从而引起电磁辐射。EMI根据干扰的路径可以分为：

差模干扰（DMI, Differential-Mode Interference）： 干扰信号在两个信号线间传递，如电源正负极之间。主要由电源或负载的内部电路产生，是两条电源线之间（称为线对线）的干扰噪声。在PFC电路中，输入源的差模干扰主要由市电的输入电压纹波产生，因此并联一X电容；而在BOOST电路部分，差模干扰主要由电感电流的纹波组成，也并联一X电容。
共模干扰（CMI, Common-Mode Interference）： 干扰信号通过地线返回源头，常见于长距离传输。主要是由于电路与地之间的杂散电容或感应电流所导致,是两条电源线对大地（称为线对地）的干扰噪声。

2. EMI电路的组成

为了解决这个EMI就引入了EMI抗干扰电路。它主要是利用电感元件和电容元件的特性来滤除在电力或者电子系统产生的信号--信号、电源--电源、信号--电源、之间产生的EMI，确保整个电力或电子系统能够稳定的工作，同时也不对外发出有害的电磁干扰，也防止外部干扰的传入。EMI电路的主要组成部分通常包括以下几部分：

差模电感（DM Choke）： 通常为一个或多个电感，连接在电源的正负极之间。差模电感的作用是阻止差模噪声的传播，起到低通滤波器的作用。
共模电感（CM Choke）： 通常是一个对称绕制的双线电感，放置在电源的输入端正负极之间。共模电感的作用是抑制共模干扰信号，它在共模信号中表现为较大的电感量，而对差模信号表现为相对较小的电感量，确保正常电源信号通过。
X电容（差模电容）： 连接在电源正负极之间，用来过滤差模干扰信号。X电容的容量一般较大，但需要耐压较高，以确保承受交流电源的瞬态波动。
Y电容（共模电容）： 连接在电源正负极和地之间（如正极-地、负极-地）。Y电容主要用于消除共模干扰信号。由于Y电容直接接地，为了防止漏电流影响安全，Y电容的容量较小，通常在nF到pF级别。

3. EMI滤波电路的工作原理

3.1.差模干扰

所有由电源线火线（L）而经过电源线零线(N)返回的干扰杂波都称为差模干扰。如下：

差模干扰方向是相反的，一个进，一个出。当干扰杂波进入电路时会通过X电容C1和C2到零线出，滤除掉干扰杂波，共模电感对差模干扰信号不起作用，因为当干扰信号进入时就会产生左正右负的感应电动势，当出来时就会产生右正左负的感应电动势，磁场反向相反，所以相互抵消所以对差模信号不起作用。

3.2.共模干扰

所有由电源线火线(L)或电源线零线（N）而经过线(GND)返回的干扰杂波都称为共模干扰。如下：

共模干扰方向时相同的，当共模干扰杂波进入电路时，共模电感L1和共模电容C3、C4来共同滤除干扰杂波，因为电流方向相同，所以电感L1上面和下面感应电动势方向相同都是左正右负，两个线圈产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使得线圈表现为高阻抗，以此来衰减工模干扰电流，来达到滤除干扰杂波的目的，而火线(L)和零线(N)没滤波干净的干扰电流则通过电容C3、C4经PE（接外壳和大地）滤除掉。

4. EMI滤波设计考虑

在PFC电路的EMI滤波设计中，需要综合考虑各个滤波元件的参数和布置方式：

电感参数： 共模和差模电感的电感值和材料选择至关重要。通常使用铁氧体材料制成的电感，因为其在高频时能提供高阻抗。
电容耐压与容量： X电容和Y电容需满足耐压要求，尤其在交流电源输入的情况下。X电容容量较大，但耐压需达到AC线路的电压等级。Y电容容量较小，避免引起泄漏电流过大。
布线设计： EMI滤波器的布线和接地也会影响滤波效果。需要将电感和电容尽量靠近电源输入端，并合理布线，防止干扰信号通过杂散电容或不良布线路径绕过滤波器。

二、压敏电阻

在PFC电路的前端，压敏电阻（MOV，Metal Oxide Varistor）起到了保护电路的关键作用。它能够在电路遭遇过电压或浪涌时进行瞬间响应，通过将过量电压钳位到安全水平，从而保护后续的电路组件免受损坏。PFC电路中的压敏电阻如下：

1.PFC前端电路中压敏电阻的作用

防止电压浪涌冲击： 在PFC电路前端，电源输入端通常会受到来自电网的浪涌电压冲击，这可能由雷击、电力开关操作、或者其他电气设备的启动引起。这种浪涌电压会瞬间升高到正常电压的数倍，从而可能导致电路元件损坏。压敏电阻在出现浪涌时，其电阻值会迅速降低，起到“短路”作用，将过高的电流吸收并分流，保护电路。
过电压保护： 在PFC电路中，电压的瞬时升高会对电路中的开关器件（如MOSFET或IGBT）和电容造成过电压冲击，导致器件击穿。压敏电阻可以将浪涌电压钳位到安全电压水平，确保后续电路稳定工作并避免损坏。
抑制EMI干扰： 压敏电阻在抑制高频瞬变干扰（如EMI干扰）方面也有一定作用。虽然它不能替代专用的EMI滤波器，但在抑制高频尖峰和瞬时电压变化方面可以起到一定辅助作用，进一步保护电路稳定。

2.PFC电路中压敏电阻的选型考虑

在选择合适的压敏电阻时，需要综合考虑其电压、能量吸收能力、响应速度等参数。

压敏电压（Varistor Voltage）选择： 压敏电压是压敏电阻开始导通的电压。一般情况下，压敏电阻的压敏电压应略高于电路的正常工作电压，以避免在正常电压下导通。常见的选型准则是：
- 交流系统： 压敏电阻的压敏电压通常为工作电压的1.5倍左右。例如，AC 220V输入电路中，建议压敏电阻的压敏电压选择在320V左右。
浪涌电流能力： 压敏电阻的浪涌电流能力应能承受特定频次的瞬时浪涌电流。在选型时需要参考电网环境，选择浪涌电流能力较强的型号。例如在雷击较为频繁的地区，选用能够承受数千安培的浪涌电流的压敏电阻。
响应速度： 压敏电阻的响应速度非常快，通常在纳秒级（ns），这对于高频瞬态浪涌和过电压保护是足够的。在PFC电路中选择时，响应速度较快的压敏电阻有助于更及时地限制浪涌电压。
能量吸收能力（能量耗散）： 压敏电阻的能量吸收能力通常以焦耳（J）为单位。一般情况下，应选择能量吸收能力较高的压敏电阻，以确保其能够承受多次浪涌冲击而不损坏。能量吸收能力通常与压敏电阻的体积成正比。
漏电流： 压敏电阻在正常工作电压下会有微小漏电流，通过选用漏电流较低的压敏电阻可以降低损耗。一般情况下，漏电流较低的压敏电阻可以延长其使用寿命。

一般压敏电阻的压敏电压取值范围取值公式如下：

$V_{mA}=av/bc$

a为电路电压波动系数，一般取值为1.2；
b为压敏电阻误差，一般取值0.85；
c为元件的老化系数，一般取值0.9；
v为交流输入正常最大电压有效值，在交流电应用场合为峰值电压，取255V的1.414倍；
带入最后可得 $V_{mA}=561.146V$ 。

三、继电器

在PFC电路中，刚启动时电容为空，为了避免电容充电时产生过大的浪涌电流，通常会在电路中引入限流电阻，并与一个继电器控制的开关并联。启动时电流会优先经过限流电阻，限制流经电容的充电电流，待电容电压达到稳定后，继电器闭合，绕过限流电阻，使电路进入正常工作状态。这一过程涉及三个阶段的电流特性：

1. 启动阶段 - 初始限流电流

在启动时，由于PFC电路的大电容（例如滤波电容）处于未充电状态，相当于短路状态。如果没有限流措施，充电电流会迅速升高，形成浪涌，可能会损坏整流桥、PFC电路中的其他元件，甚至影响整个系统的稳定性。因此，在电路启动时，将电流引导通过限流电阻进行限流充电。

电流分析：当启动时，电容上的电压为零，电容等效为一个低阻抗路径。此时电流会通过限流电阻进入电容充电，电流大小由输入电压和限流电阻值决定，符合以下公式：

其中：
- Iinrush 为启动时的浪涌电流；
- Vin 为输入电压；
- Rlimit 为限流电阻的阻值。
通过选择合适的限流电阻，浪涌电流可以被控制在设备允许的范围内。例如，若输入电压为220V，限流电阻选择20Ω，则初始浪涌电流约为11A，相比不加电阻时的大浪涌电流已明显减小。