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精讀干貨 | 電源應用之諧波電流解析

摘要:本文簡述了開關電源諧波電流的危害,簡要分析開關電源諧波電流的產生機理,同時給出相應抑制方法。

關鍵字:開關電源、諧波電流、諧波抑制、金升陽主動式PFC機殼電源

引言

開關電源中安裝有大功率的開關管,它們作用在高頻狀態時會產生諧波,對周圍的設備造成電磁干擾,影響電網的電能質量。因此,對開關電源產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的效果,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的經驗,針對開關電源產生的高頻諧波,研發出高可靠的PFC集成電路,通過模擬測試實驗及現場使用反饋,對電源功率因數性能不斷優化提升,設計開發出具有超強抑制諧波能力的主動式PFC電路的開關電源產品,如:LMF系列、LIF系列、LOF系列等,產品功率因數最高可達0.99,能夠有效抑制高頻諧波對周圍設備造成的電磁干擾,提高電網的電能利用率;


配圖1.jpg

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: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。

電力系統中對諧波的抑制是通過減少或消除注入系統的諧波電流,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。


配圖2.jpg


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的危害大致有以下幾個方面:


配圖3.jpg


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時,EMI濾波器能夠實現較好的開關電源諧波抑制效果。


配圖5.jpg


2、使用無源功率因數校正電路

上節中介紹的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校正電路中的一種,其元件包括電容和二極管;當電路穩定后,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。


配圖6.jpg

3、使用有源功率因數校正電路

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

圖6給出了一種有源功率因數校正的簡化電路,采用雙環控制;其中,外環對輸出電壓進行控制,內環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,從而實現具有正弦波形式的平均電流。


配圖7.jpg

圖7為另一種有源功率因數校正電路,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;通過取樣電阻R3和R4,取樣值被送入到IC電壓環比較器中;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,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。


配圖8.jpg

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的電阻。在開機動作后第一個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:


配圖9.jpg


總結

本文對開關電源產生諧波的原理進行分析,由于其產生的諧波對電網的負面影響較大,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,金升陽電源以專業的研發團隊,多年的產品及現場應用經驗,針對性的給出了對應的解決方案


配圖10.jpg


同時,金升陽以專業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、售后專業保障,為客戶提供一站式解決方案。


配圖11.jpg

詳細產品技術參數請參考技術手冊:
數據加載中

  • 型號

  • 功率(W)

  • 輸入電壓(VAC)

  • 輸入電壓(VDC)

  • 輸出電壓(VDC)

  • 輸出電流

  • 效率%

  • 隔離電壓

  • PFC功能

  • 資料下載 (3D/PCB封裝庫/原理圖庫)

  • 認證/標準

  • 技術
    手冊

  • 樣品
    申請

LOF120-20B12-C 114 85-264 120-370 12 9.5A 94 4000VAC
LOF120-20B15-C 114 85-264 120-370 15 7.6A 94 4000VAC
LOF120-20B27-C 119.9 85-264 120-370 27 4.44A 95 4000VAC
LIF120-10B12R2 120 85-264 120-370 12 10A 93.5 3000VAC
LIF120-10B24R2 120 85-264 120-370 24 5A 94 3000VAC
LIF120-10B48R2 120 85-264 120-370 48 2.5A 94 3000VAC
LOF120-20B24-C 120 85-264 120-370 24 5A 95 4000VAC
LOF120-20B36-C 120 85-264 120-370 36 3.33A 94 4000VAC
LOF120-20B48-C 120 85-264 120-370 48 2.5A 94.5 4000VAC
LOF120-20B54-C 120 85-264 120-370 54 2.22A 94 4000VAC
LIF120-10B55R2 121 85-264 120-370 55 2.2A 94 3000VAC
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