1.3 AC-DC整流器的传导EMI
AC-DC整流器是将交流电转换为直流电的变换器。为减小AC-DC整流器的输入电流谐波，提高功率因数（Power Factor，PF），通常采用功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）变换器。PFC变换器一方面控制输入电流使其呈正弦且与输入电压保持同相位，另一方面调节其输出电压使其保持稳定。由于PFC变换器直接与交流电网相连，它引起的传导EMI问题尤为突出。
在PFC变换器中，Boost变换器是最常用的电路拓扑之一，如图1.8所示，这是因为它具有以下主要优点：①升压电感Lb串联在输入端，因此输入电流高频脉动小；②全输入电压范围内均可实现高的PF；③电路结构简单，可靠性高。
图1.8 Boost PFC变换器拓扑结构
1.Boost PFC变换器的工作模式和控制方式
图1.9给出了Boost PFC变换器的三种工作模式，即电感电流连续模式（Continuous Current Mode，CCM）、电感电流临界连续模式（Critical Conduction Mode，CRM）和电感电流断续模式（Discontinuous Current Mode，DCM）。
图1.9 Boost PFC变换器的三种工作模式
工作在CCM时，Boost PFC变换器的电感电流脉动小，PF高，开关管的电流有效值小，一般应用在中大功率场合。图1.10给出了采用平均电流控制的CCM Boost PFC变换器的控制框图[18]。该变换器采用脉宽调制方法，开关频率固定。输出电压的采样值与电压基准Vo_ref进行比较，其误差送入电压调节器Gv（s）。电压调节器的输出信号与整流后的输入电压检测信号（波形输入）相乘，作为电流环的基准信号iLb_ref。升压电感电流检测信号与电流基准进行比较，得到的电流误差信号送入电流调节器Gi（s），其输出信号与锯齿波进行比较，产生开关管的驱动信号。整流后的输入电压在半个工频周期内变化，因此开关管的占空比也在半个工频周期内变化。
图1.10 采用平均电流控制的CCM Boost PFC变换器的控制框图
工作在CRM时，Boost PFC变换器可以实现开关管的零电流开通，且二极管无反向恢复，变换器的PF高，广泛应用于中小功率场合[19-21]。图1.11给出了CRM Boost PFC变换器的控制框图。电压调节器Gv（s）的输出信号与整流后输入电压的检测信号相乘，作为电感电流峰值基准。当电感电流iLb下降到零时，通过电流过零检测（Zero Crossing Detector，ZCD）电路使Qb开通。当iLb上升至电流峰值基准时，关断Qb。由于电感电流临界连续，一个开关周期内电感电流波形为三角波，而三角波的平均值为峰值的一半。由于电感电流峰值的基准在半个工频周期内为正弦形式，因此电感电流的开关周期平均值也为正弦形式，即实现功率因数校正。CRM Boost PFC变换器的开关频率在半个工频周期内是变化的，其变化范围与输入电压和负载有关。因此，CRM Boost PFC变换器的传导EMI特性较为复杂，EMI滤波器的设计比较困难。
图1.11 CRM Boost PFC变换器的控制框图
DCM Boost PFC变换器的开关管可以实现零电流开通，且二极管无反向恢复，它可以通过定占空比控制[22]、变占空比控制[23]或平均电流控制实现。图1.12a给出了采用定占空比控制的DCM Boost PFC变换器的控制框图。这种控制方式比较简单，但电感电流的开关周期平均值在一个开关周期内不是正弦形式，如图1.9c所示，PF值较低。为了使DCM Boost PFC变换器实现高PF值，可以采用变占空比控制方法，其控制框图如图1.12b所示[23]。它预先拟合PF值为1时的占空比表达式，再通过输入电压前馈和拟合运算实现变占空比控制。
实际上，当负载较轻时，CCM Boost PFC变换器在半个工频周期内有一段时间工作在DCM；而在负载很轻时，该变换器在半个工频周期内将始终工作于DCM。
图1.12 定占空比控制的DCM Boost PFC变换器
2.Boost PFC变换器传导EMI的建模和预测方法
Boost PFC变换器的传导EMI不仅与工作模式、控制方式有关，还与输入电压和负载有关，因此其EMI滤波器的设计较为困难。为了在设计早期预评估Boost PFC变换器的传导EMI特性，指导EMI滤波器的设计，有必要预测其传导EMI频谱。
传导EMI频谱的预测方法可分为仿真建模方法和数值建模方法。参考文献[24-28]提出了Boost PFC变换器传导EMI频谱的仿真建模方法，仿真时采用开关管和二极管的实际模型，并考虑电感、电容、PCB线路以及线路与安全地之间的寄生参数和互耦参数。为准确获取这些参数，需要测试预选取的元件的高频特性，并分析预设计的PCB线路中的寄生参数。仿真建模可以比较准确地预测EMI频谱，有利于评估不同变换器拓扑和工作模式的传导EMI特性。但是，该方法难以揭示变换器的传导EMI频谱的特征和规律，并且需要在不同输入电压和负载条件下进行仿真分析，非常耗时。
数值建模方法首先根据变换器的共模和差模干扰路径，建立变换器的原始共模和差模干扰等效电路，然后根据变换器的工作模式，计算噪声源、共模和差模干扰电压谐波频谱，最后结合传导EMI的测试原理计算传导EMI频谱。该方法只考虑主电路参数和共模干扰传递路径上的主要寄生电容，因此适用于预测传导EMI频段中低频段的传导EMI频谱和预设计EMI滤波器。参考文献[29]根据数值建模法，提出了CRM Boost PFC变换器的差模干扰预测方法，可以准确预测变换器的准峰值频谱。然而，该方法缺乏对变换器传导EMI频谱规律的理论分析，不便于揭示变换器在不同输入电压和负载条件下的传导EMI频谱特征和规律。
本书第3章将推导Boost PFC变换器的共模和差模干扰等效电路，分析主电路参数对EMI滤波器性能的影响，给出适合Boost PFC变换器的滤波器结构和参数设计。在第3章的基础上，第4和第5章将分析在不同控制方式下，Boost PFC变换器的传导EMI频谱特性。第4章将针对平均电流控制的Boost PFC变换器，分析在不同输入电压和负载条件下变换器的工作模式，揭示不同工作模式下变换器的共模和差模干扰频谱的特性，预测变换器最恶劣的传导EMI频谱，以指导EMI滤波器的设计。第5章将针对CRM Boost PFC变换器，分析在不同工作条件下变换器的传导EMI频谱特性，预测变换器最恶劣的传导EMI频谱，以指导EMI滤波器的设计。