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精读干货 | 电源应用之谐波电流解析

发布时间:2022/9/23      点击次数:66

摘要:本文简述了开关电源谐波电流的危害,简要分析开关电源谐波电流的产生机理,同时给出相应抑制方法。

关键字:开关电源、谐波电流、谐波抑制、金升阳主动式PFC机壳电源

引言

开关电源中安装有大功率的开关管,它们作用在高频状态时会产生谐波,对周围的设备造成电磁干扰,影响电网的电能质量。因此,对开关电源产生的谐波进行抑制十分必要。

当前抑制方法可分为有源滤波与无源滤波两种。其中,前者的滤波效果更好,但其技术较为复杂,在实际应用中有一定的设计难度;后者无源滤波的方法也能够进行谐波抑制,还可以起到无功补偿的效果,但其控制效果远不及有源滤波。

金升阳凭借多年深耕电源行业的经验,针对开关电源产生的高频谐波,研发出高可靠的PFC集成电路,通过模拟测试实验及现场使用反馈,对电源功率因数性能不断优化提升,设计开发出具有强抑制谐波能力的主动式PFC电路的开关电源产品,如:LMF系列、LIF系列、LOF系列等,产品功率因数最高可达0.99,能够有效抑制高频谐波对周围设备造成的电磁干扰,提高电网的电能利用率;

开关电源产生谐波机理分析

在开关电源的开关电路中,开关管只有两种工作状态:on和off。此时,在输出电压中会存在与工作频率相对应的交流信号,这一谐波信号将会持续存在于输出电压中,当电流流经非线性负载:如容性或感性负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。

电力系统中对谐波的抑制是通过减少或消除注入系统的谐波电流,把谐波控制在限定值之内,例如:将开关的控制信号脉冲频率设置为:100kHz,可以看出:其输出基波的奇次分量3次谐波、5次谐波能量均存在。另外,在上升沿和下降沿处,脉冲信号的电压变化速率很快,电流变化速率也很快;在此过程中会产生与控制脉冲频率不同的高频分量。可见,为了对开关电源的频率成分进行控制,进行开关电源设计时应该根据设计需要合理选择开关控制脉冲,另外,还应该降低控制脉冲的速率。


谐波电流的危害

近年来,由谐波引起的各种故障和事故不断发生,谐波危害的严重性引起了人们高度的关注。



开关电源谐波电流抑制方法

1、使用EMI滤波器

EMI滤波技术能够对尖脉冲干扰实施有效抑制,可以有效滤除传导干扰以及辐射干扰。图4给出了一种EMI滤波器,它是由电容和电感组成的;将其接在开关电源的输入端,高频旁路电容为C1、C5,其作用是将输入电源线之间的差模干扰滤除掉;L1、C3、C4与L2、C3、C4对电路中的共模干扰进行滤除;实际测试表明,当合理选择元器件的参数时,EMI滤波器能够实现较好的开关电源谐波抑制效果。


2、使用无源功率因数校正电路

上节中介绍的EMI滤波电路抑制谐波,尽管它能够对传导和辐射干扰进行有效抑制,但是对输入电流波形畸变还是不行。所以,要想将电流中的谐波含量大大降低,需要对桥式整流电容滤波电路进行分析,找出其输入特性并进行必要的改善。

图5右侧为无源功率因数校正电路中的一种,其元件包括电容和二极管;当电路稳定后,由于整流二极管的导通时间得到了延长,所以输入电流谐波也会得到有效的改善。



3、使用有源功率因数校正电路

与无源功率因数校正电路不同,有源功率因数校正电路中使用的是脉宽调制策略,其控制效果要明显优于无源功率因数校正电路。其输入电流能够校正为正弦波,谐波含量在10%以内,功率因数也能够被校正到接近于1。

图6给出了一种有源功率因数校正的简化电路,采用双环控制;其中,外环对输出电压进行控制,内环对电感电流进行控制;采取合适的控制策略可以保证电感的峰值电流跟踪上VDC的变化,从而实现具有正弦波形式的平均电流。


图7为另一种有源功率因数校正电路,采用的是BOOST升压式PFC集成电路,对其工作原理进行分析:当接通工频交流电后,通过桥式整流电路,输入电压给C1充电,当电容上的电压升高到一定数值,将会启动PFC电路主控IC,从IC的GATE脚会给出相应的PWM脉冲,随后该脉冲驱动MOS管Q1,使其工作在开关状态;通过取样电阻R3和R4,取样值被送入到IC电压环比较器中;同时,当电压送到IC电流检测比较器中后,经过内部的加法器,可以得到一个误差信号,该信号对PWM脉冲输出进行调节,控制L1上的电流,使得输入电流波形跟随输入电压,以便达到功率因素接近为1。

开关电源谐波电流认证标准

为了确保电源产品的谐波电流在标准范围内,达到相关设计要求,我们引入开关电源谐波电流标准:

测试条件:按照GB17625.1-2003(IEC 61000-3-2:2001, IDT)进行检验。

a.受试样品须进行初始检测。

b.额定功率75W及以上的开关电源需要进行此项测试(将来可能是50W及以上)。

c.根据不同电源产品可分为A、B、C、D级ITE(详见GB17625.1-2003中“5")进行测试。

d.输入电压及频率,一般取额定输入电压及频率进行测试(如100V-60HZ;240V-50HZ)。输出端接与额定最大负载相当的电阻。在开机动作后第一个10S内谐波电流和功率不予以考虑。被测试设备不应在待机模式下*观测周期的10%(详见GB17625.1-2003 中“623.2")。

e.试验电源的要求:

——试验电压的变化范围应保持在额定电压的±2.0%之内,频率变化范围应保持在±0.5%之内;三相试验电源的每一对相电压基波之间的相位角应为120°±1.5。

——试验电压的谐波电流不应超过下列值:

总结

本文对开关电源产生谐波的原理进行分析,由于其产生的谐波对电网的负面影响较大,需要采取相应措施进行谐波抑制,最后探讨了抑制谐波的几种方法。在进行谐波抑制过程中,金升阳电源以专业的研发团队,多年的产品及现场应用经验,针对性的给出了对应的解决方案

同时,金升阳以专业的销售及技术服务团队,服务于客户,提供售前选型、售中技术交流、售后专业保障,为客户提供一站式解决方案。


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