低压UPS输入时,在176V输入满载输出时,输入电流畸变振荡问题进行原因分析.
图1 出现震荡的波形


一. 分析测试过程:

1.1. 原因分析

分析测试中发现,该震荡不是所有模块都出现,也和输入源有关,在实验室用市电+调压器没有复现,用型号为PCR 6000LA的AC SOURCE也没有复现,而用UPS供电则很容易复现。因此后续的试验验证大多用UPS供电。

1)PFC电感匝数由68匝减少到61匝,因此怀疑是电感量的过低导致震荡。实际通过白盒测试的方式根据电感电流和电压的关系换算感量,发现在最大电流峰值时电感量已经下降到70uH,而没有直流偏置下的电感量为580uH左右。

2)为验证问题,将电感(68匝)更换上去,在低压满载下发现震荡依然存在,而用最初打样的68匝电感没有问题。难道不是电感的差异?实际对比两种电感的感量,发现有差异。存在震荡的电感量略小。

3)将电感解剖,发现原来根本原因是磁心的差异。使用APH磁心或者450mW的nFeSi磁心,不会出现震荡,而用350mW的nFeSi磁心,会出现震荡。这是因为350mW的nFeSi磁心特性比较软,在大直流偏置电流下电感量下降很快。

4)重新用450mW的nFeSi磁心绕制61匝电感,实际装机没有震荡。将原来450mW的nFeSi磁心的68匝电感减少到61匝,也没有出现震荡。因此问题清楚,因为电感量下降到一定程度,PFC出现震荡。

偏置电流(A)
APH磁芯68匝减少到61匝
350mW nFeSi磁芯 61匝
350mW nFeSi磁芯 68匝
0
504
552
769
5
469
453
571
10
394
347
403
15
303
245
270
20
227
172
184
测试效果
完全没有震荡
振荡明显
有震荡



5)根据实际测试的电感量变化,在软件中调整环路参数,采用变PI的策略,但效果不是很好。同时发现像突加载电流畸变、低压输入限功率震荡等问题都和电感量的下降有关。

6)经和物品部共同讨论,决定重新优化磁心,提高电感的抗直流偏置能力。改变磁芯材料的成分,提高其抗直流偏置的能力,同时损耗也会增加,得到的PMF184060 04号磁芯打样回来的电感176V输入,58V/3520W时不会出现震荡。为保留一定的裕量,将输出功率提高到3700W,模块输入电流依然稳定,没有震荡。

于是,我们决定更改电感的承认书,由于磁芯有两家,分别规定其无直流偏置的电感量,以及20A直流偏置的电感量不得小于200uH,这样筛选电感。

下面是176V输入,58V/3520W,输入电流对比波形

图2 减少负载后震荡减弱

图3 使用PMF184060 04号磁芯电感后

7)由于减小环路PI比例系数对此振荡效果不明显,所以认为是电感量减小引起的。通过仿真,我们可以发现,电感量减小的话,开关PWM工作的PFC电感电流纹波很大,由于输入一定,钳位电容的阻抗一定,对高频的抑制能力一定,续流工作状态的PFC电感的电流高频纹波势必增加,由于电流环环路相位欲量的关系,硬件滤波很小,可能导致软件采样有误差,导致环路不稳,环路不稳又加剧了峰值处的震荡。

下面为220Vac输入,3200W输出,不同电感量下的输入电流Iin,PFC电感电流I_L1以及钳位电容C1的电流I_C1波形。

图4 不同PFC电感量下Iin Ipfc Ic1波形

图5 展开波谷处各电流波形

图6 仿真主电路图 波形正方向如图所示

理论可以推导,IL1=Ic1+Ic2-IL2,实际仿真出第一个波形也证明了此点。Iin=IL1-Ic1,第二幅波形图也证明了此点,同时第二幅图也证明了Iin纹波的大小和钳位电容的大小基本无关(影响较小),与处于PWM态的电感电流的纹波大小紧密相关。


相比实验情况,由于我们采用的为软磁通的磁芯,在输入电流小时级过零点附近时,电感量较大,在峰值处电感量较小,所以仿真我们只需要关心波峰和波谷处的形状,可以看出,对于输入电流,电感量为80uH时,波谷处纹波达到了11.3A,电感量为220uH时,纹波只有3.8A。另外,虽然PFC电感量不同,但是电容上的纹波电流大小一定,只是PWM态的PFC电感上的电流纹波大小不一样,导致续流态被短路的PFC电感的电流的纹波大小不一样。


1.2. 性能指标对比测试

使用新电感后,对THD,tif和效率等进行验证,数据如下。从测试结果看,各项指标都能满足规格要求,其中效率比原来电感略低0.07%。



1.3. 温升测试

实际测试在176V输入,58V/3520W输出,环温45℃下电感最高温度为120℃,考虑测试误差范围,电感温度小于130℃,可以满足要求。


1.4. 环路测试

一直以来,因为直流输入源功率只能到3000W,因此满载的环路情况一直没有测试。项目组尝试用HVDC模块作为输入源测试3500W模块的满载PFC环路情况,测试结果如下表。由于HVDC输出电感和3500W模块输入的EMI电路存在震荡,导致轻载下幅值裕量不足。改用AC SOURCE作为输入源,测试结果裕量足够。





25度常温,176Vdcin,10A条件下,不同输入源的bode图对比:

HVDC in NaFeSi 改进61匝 幅频有小尖

AC SOURCE in NaFeSi 改进61匝 幅频有无小尖

从上面的bode图可以看出,由于采用HVDC作为输入,其输出的差模电感和测试模块的EMI滤波器有谐振,并且谐振频率靠近相频穿越频率,导致测量出来的幅值欲量不够。


2. 测试小结:
从测试结果看,新的磁心可以满足模块的性能指标要求。

二.总结
1、 感性输入时,模块输入电流振荡的原因为PFC电感在峰值电流偏置下电感量太小(只有70uH),引起的不稳定,软件修改环路参数并不能彻底解决这个问题,并且会增加代码的数量以及牺牲半载的THD。
2、 通过和厂家沟通,更改磁芯的成分比例使其抗直流偏置能力增强,在电感承认书中增加20A直流偏置下最小值条件要求,来控制电感量的衰减,但是磁芯损耗会相对增加一些;

来源:艾伊电源