【導讀】開關電源中安裝有大功率的開關管,它們作用在高頻狀態(tài)時會產(chǎn)生諧波,對周圍的設備造成電磁干擾,影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此,對開關電源產(chǎn)生的諧波進行抑制十分必要。
當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,但其技術較為復雜,在實際應用中有一定的設計難度;后者無源濾波的方法也能夠進行諧波抑制,還可以起到無功補償?shù)男Ч?,但其控制效果遠不及有源濾波。
金升陽憑借多年深耕電源行業(yè)的經(jīng)驗,針對開關電源產(chǎn)生的高頻諧波,研發(fā)出高可靠的PFC集成電路,通過模擬測試實驗及現(xiàn)場使用反饋,對電源功率因數(shù)性能不斷優(yōu)化提升,設計開發(fā)出具有超強抑制諧波能力的主動式PFC電路的開關電源產(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0.99,能夠有效抑制高頻諧波對周圍設備造成的電磁干擾,提高電網(wǎng)的電能利用率;
開關電源產(chǎn)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(jīng)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(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(chǎn)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(chǎn)生的諧波對公用電網(wǎng)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?qū)饷}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?qū)崿F(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?qū)鲗Ш洼椛涓蓴_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(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(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)對輸出電壓進行控制,內(nèi)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(qū)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(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(chǎn)品的諧波電流在標準范圍內(nèi),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(chǎn)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?。在開機動作后第一個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(nèi),頻率變化范圍應保持在±0.5%之內(nèi);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:
總結(jié)
本文對開關電源產(chǎn)生諧波的原理進行分析,由于其產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的負面影響較大,需要采取相應措施進行諧波抑制,最后探討了抑制諧波的幾種方法。在進行諧波抑制過程中,金升陽電源以專業(yè)的研發(fā)團隊,多年的產(chǎn)品及現(xiàn)場應用經(jīng)驗,針對性的給出了對應的解決方案。
同時,金升陽以專業(yè)的銷售及技術服務團隊,服務于客戶,提供售前選型、售中技術交流、售后專業(yè)保障,為客戶提供一站式解決方案。
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