GaN图腾柱无桥 Boost PFC（单相）九-EMI 滤波器容性电流影响分析

前言

为了防止 PFC 变换器中高频开关谐波对电网产生影响，同时抑制电网中的高频干扰对变换器运行的影响，一般通过在 PFC 变换器与交流电源之间加入EMI 滤波器消除共模干扰和差模干扰，使变换器满足相应的 EMI 标准。在基于GaN 功率器件的图腾柱无桥 Boost PFC 变换器中，GaN HEMT 最快可在 10ns左右完成器件开通或关断，由此会造成极高的 dv/dt 和 di/dt，从而电磁干扰会更加严重甚至会影响变换器的正常运行。
为此设计了如图所示的两级 EMI滤波器来保证变换器的正常运行。输入电流在 PFC 变换器中经过的 PFC 电感已经起到了差模电感的作用，因此 EMI 滤波器为抑制差模干扰，只加入差模电容。类似的，EMI 滤波器为了抑制共模干扰，加入共模电感与共模电容。图中 CDM1、CDM2 和 CDM3 为差模电容、CCM1和 CCM2 为共模电容、LCM1 和 LCM2 为共模电感。这些 EMI 滤波器主要构成器件的参数如表 所示。


当正常输入电流流过共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时输入电流主要受线圈电阻以及少量因漏感造成的影响。共模电感漏感与差模电感作用一致，可与 PFC 变换器输入电感合并，因此对输入电流波形畸变影响可忽略。同时由于相关安全标准中所允许泄露电流值的限制，共模电容一般为纳法级别，因此 EMI 滤波器中的共模电容和共模电感对输入电流的影响可以忽略。综上，EMI 滤波器对输入电流的影响主要由差模电容 CDM1、CDM2 和 CDM3 产生的容性电流决定。

为分析差模电容对输入电流的影响，首先做出如下假设：（1）只考虑差模电容对输入电流畸变的影响；（2）将 EMI 滤波器之后的无桥 Boost PFC 变换器的输入阻抗等效为纯电阻 Rin，即假设输入电流平均值为标准正弦，且与输入电压同相。


由式（3-30）至（3-32）可知容性电流会造成输入电流相位超前以及波形畸变，并且当差模电容、输入电压频率不变的情况下，超前的相位随等效 PFC变换器输入阻抗的增大（即变换器负载降低）而增大。以本系统为例，在输入
电压有效值为 220V、频率为 50Hz、差模电容之和为 1.04uF 的情况下，可以得到如图 所示的输入电流与电感电流波形示意图，由该图可知该容性电流随输入功率的减小对输入电流波形的影响越大。同时可以得到如图 所示的由容性电流造成的相位差随 Rin 的变化情况，当变换器工作功率等级由 100W 变化至 2000W 时，由容性电流造成的输入电流相位超前由 18°降低至 2°，即随着变换器工作功率等级的增加，容性电流的影响减小。