開關電源產生諧波機理分析

在開關電源的開關電路中，開關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，當電流流經非線性負載：如容性或感性負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。

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，例如：將開關的控制信號脈沖頻率設置為：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；在此過程中會產生與控制脈沖頻率不同的高頻分量。可見，為了對開關電源的頻率成分進行控制，進行開關電源設計時應該根據(jù)設計需要合理選擇開關控制脈沖，另外，還應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，諧波危害的嚴重性引起了人們高度的關注。開關電源產生的諧波對公用電網和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面：

開關電源諧波電流抑制方法

1、使用EMI濾波器

EMI濾波技術能夠對尖脈沖干擾實施有效抑制，可以有效濾除傳導干擾以及輻射干擾。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行濾除；實際測試表明，當合理選擇元器件的參數(shù)時，EMI濾波器能夠實現(xiàn)較好的開關電源諧波抑制效果。

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，盡管它能夠對傳導和輻射干擾進行有效抑制，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行分析，找出其輸入特性并進行必要的改善。

圖5右側為無源功率因數(shù)校正電路中的一種，其元件包括電容和二極管；當電路穩(wěn)定后，由于整流二極管的導通時間得到了延長，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，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)對輸出電壓進行控制，內環(huán)對電感電流進行控制；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，對其工作原理進行分析：當接通工頻交流電后，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腳會給出相應的PWM脈沖，隨后該脈沖驅動MOS管Q1，使其工作在開關狀態(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，當電壓送到IC電流檢測比較器中后，經過內部的加法器，可以得到一個誤差信號，該信號對PWM脈沖輸出進行調節(jié)，控制L1上的電流，使得輸入電流波形跟隨輸入電壓，以便達到功率因素接近為1。

開關電源諧波電流認證標準

為了確保電源產品的諧波電流在標準范圍內，達到相關設計要求，我們引入開關電源諧波電流標準：

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

a.受試樣品須進行初始檢測。

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

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

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

e.試驗電源的要求：

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

——試驗電壓的諧波電流不應超過下列值：