開關(guān)電源產(chǎn)生諧波機(jī)理分析

開關(guān)電源中安裝有大功率的開關(guān)管，它們作用在高頻狀態(tài)時會產(chǎn)生諧波，對周圍的設(shè)備造成電磁干擾，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，對開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制十分必要。

當(dāng)前抑制方法可分為有源濾波與無源濾波兩種。其中，前者的濾波效果更好，但其技術(shù)較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的設(shè)計難度；后者無源濾波的方法也能夠進(jìn)行諧波抑制，還可以起到無功補(bǔ)償?shù)男Ч淇刂菩Чh(yuǎn)不及有源濾波。

金升陽憑借多年深耕電源行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，針對開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻諧波，研發(fā)出高可靠的PFC集成電路，通過模擬測試實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場使用反饋，對電源功率因數(shù)性能不斷優(yōu)化提升，設(shè)計開發(fā)出具有超強(qiáng)抑制諧波能力的主動式PFC電路的開關(guān)電源產(chǎn)品，如：LMF系列、LIF系列、LOF系列等，產(chǎn)品功率因數(shù)最高可達(dá)0.99，能夠有效抑制高頻諧波對周圍設(shè)備造成的電磁干擾，提高電網(wǎng)的電能利用率；

開關(guān)電源產(chǎn)生諧波機(jī)理分析

在開關(guān)電源的開關(guān)電路中，開關(guān)管只有兩種工作狀態(tài)：on和off。此時，在輸出電壓中會存在與工作頻率相對應(yīng)的交流信號，這一諧波信號將會持續(xù)存在于輸出電壓中，當(dāng)電流流經(jīng)非線性負(fù)載：如容性或感性負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。

在電力系統(tǒng)中對諧波的抑制是通過減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，把諧波控制在限定值之內(nèi)，例如：將開關(guān)的控制信號脈沖頻率設(shè)置為：100kHz，可以看出：其輸出基波的奇次分量3次諧波、5次諧波能量均存在。另外，在上升沿和下降沿處，脈沖信號的電壓變化速率很快，電流變化速率也很快；在此過程中會產(chǎn)生與控制脈沖頻率不同的高頻分量?？梢?，為了對開關(guān)電源的頻率成分進(jìn)行控制，進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計時應(yīng)該根據(jù)設(shè)計需要合理選擇開關(guān)控制脈沖，另外，還應(yīng)該降低控制脈沖的速率。

諧波電流的危害

近年來，由諧波引起的各種故障和事故不斷發(fā)生，諧波危害的嚴(yán)重性引起了人們高度的關(guān)注。

開關(guān)電源諧波電流抑制方法

1、使用EMI濾波器

EMI濾波技術(shù)能夠?qū)饷}沖干擾實(shí)施有效抑制，可以有效濾除傳導(dǎo)干擾以及輻射干擾。圖4給出了一種EMI濾波器，它是由電容和電感組成的；將其接在開關(guān)電源的輸入端，高頻旁路電容為C1、C5，其作用是將輸入電源線之間的差模干擾濾除掉；L1、C3、C4與L2、C3、C4對電路中的共模干擾進(jìn)行濾除；實(shí)際測試表明，當(dāng)合理選擇元器件的參數(shù)時，EMI濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)較好的開關(guān)電源諧波抑制效果。

2、使用無源功率因數(shù)校正電路

上節(jié)中介紹的EMI濾波電路抑制諧波，盡管它能夠?qū)鲗?dǎo)和輻射干擾進(jìn)行有效抑制，但是對輸入電流波形畸變一籌莫展。所以，要想將電流中的諧波含量大大降低，需要對橋式整流電容濾波電路進(jìn)行分析，找出其輸入特性并進(jìn)行必要的改善。

圖5右側(cè)為無源功率因數(shù)校正電路中的一種，其元件包括電容和二極管；當(dāng)電路穩(wěn)定后，由于整流二極管的導(dǎo)通時間得到了延長，所以輸入電流諧波也會得到有效的改善。

3、使用有源功率因數(shù)校正電路

與無源功率因數(shù)校正電路不同，有源功率因數(shù)校正電路中使用的是脈寬調(diào)制策略，其控制效果要明顯優(yōu)于無源功率因數(shù)校正電路。其輸入電流能夠校正為正弦波，諧波含量在10%以內(nèi)，功率因數(shù)也能夠被校正到接近于1。

圖6給出了一種有源功率因數(shù)校正的簡化電路，采用雙環(huán)控制；其中，外環(huán)對輸出電壓進(jìn)行控制，內(nèi)環(huán)對電感電流進(jìn)行控制；采取合適的控制策略可以保證電感的峰值電流跟蹤上VDC的變化，從而實(shí)現(xiàn)具有正弦波形式的平均電流。

圖7為另一種有源功率因數(shù)校正電路，采用的是BOOST升壓式PFC集成電路，對其工作原理進(jìn)行分析：當(dāng)接通工頻交流電后，通過橋式整流電路，輸入電壓給C1充電，當(dāng)電容上的電壓升高到一定數(shù)值，將會啟動PFC電路主控IC，從IC的GATE腳會給出相應(yīng)的PWM脈沖，隨后該脈沖驅(qū)動MOS管Q1，使其工作在開關(guān)狀態(tài)；通過取樣電阻R3和R4，取樣值被送入到IC電壓環(huán)比較器中；同時，當(dāng)電壓送到IC電流檢測比較器中后，經(jīng)過內(nèi)部的加法器，可以得到一個誤差信號，該信號對PWM脈沖輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制L1上的電流，使得輸入電流波形跟隨輸入電壓，以便達(dá)到功率因素接近為1。

開關(guān)電源諧波電流認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

為了確保電源產(chǎn)品的諧波電流在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，達(dá)到相關(guān)設(shè)計要求，我們引入開關(guān)電源諧波電流標(biāo)準(zhǔn)：

測試條件：按照GB17625.1-2003（IEC 61000-3-2：2001, IDT）進(jìn)行檢驗(yàn)。

a.受試樣品須進(jìn)行初始檢測。

b.額定功率75W及以上的開關(guān)電源需要進(jìn)行此項(xiàng)測試（將來可能是50W及以上）。

c.根據(jù)不同電源產(chǎn)品可分為A、B、C、D級ITE（詳見GB17625.1-2003中“5”）進(jìn)行測試。

d.輸入電壓及頻率，一般取額定輸入電壓及頻率進(jìn)行測試(如100V-60HZ；240V-50HZ)。輸出端接與額定最大負(fù)載相當(dāng)?shù)碾娮?。在開機(jī)動作后第一個10S內(nèi)諧波電流和功率不予以考慮。被測試設(shè)備不應(yīng)在待機(jī)模式下超過任何觀測周期的10%（詳見GB17625.1-2003 中“623.2”）。

e.試驗(yàn)電源的要求：

——試驗(yàn)電壓的變化范圍應(yīng)保持在額定電壓的±2.0%之內(nèi)，頻率變化范圍應(yīng)保持在±0.5%之內(nèi)；三相試驗(yàn)電源的每一對相電壓基波之間的相位角應(yīng)為120°±1.5。

——試驗(yàn)電壓的諧波電流不應(yīng)超過下列值：

總結(jié)

本文對開關(guān)電源產(chǎn)生諧波的原理進(jìn)行分析，由于其產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的負(fù)面影響較大，需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行諧波抑制，最后探討了抑制諧波的幾種方法。在進(jìn)行諧波抑制過程中，金升陽電源以專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，多年的產(chǎn)品及現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，針對性的給出了對應(yīng)的解決方案。