浅谈开关电源的谐波及抑制_俞阿龙

浅谈开关电源的谐波及抑制

俞阿龙

(江苏淮阴师范学院　223001)

摘　要　对开关电源谐波产生的主要原因进行分析,介绍了抑制谐波的常用方法,并给出了实用的谐波抑制电路。

关键词　开关电源　谐波　抑制　功率因数校正

1　前　言

开关电源具有效率高、体积小、重量轻、输出电压

可调范围大、实现多路输出方便等优点,使用范围日益扩大,尤其在仪器仪表、通信及自动化设备中得到了广泛的应用。但开关电源的广泛应用会造成严重的谐波干扰,因为谐波会沿线路产生传导干扰和辐射干扰,从而对电网产生污染,并影响用电设备的稳定和安全运行。因此,无论从保护电网的安全运行,还是从使用电设备正常工作来看,对开关电源的谐波干扰采取一定措施加以抑制具有重要意义。

2　开关电源谐波产生的原因分析

图1是一个脉宽调制型(PWM )开关电源的

电路结构框图。其工作原理为:220V /50Hz 交流电网电压经整流和滤波变为直流电,然后经高频功率开关逆变成交流电,再由高频变压器降压和高频整流和滤波后以直流输出;输出电压经取样与基准电压进行比较,将比较差值放大后用以调节PWM 的脉宽,再经驱动电路控制逆变电路中功率变换开关的通断比,从而达到控制和稳定输出电压的目的。

对该电路结构进行分析可知,开关电源谐波来源主要有三方面:

(1)电网传入的谐波。因为电网受雷击或雷电感应会产生幅度极高的浪涌电压,接在电网上其他

电气设备工作时的谐波及开关时产生的浪涌电压也

会馈入电网。

(2)开关电源的输入端整流-滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合,导致电流波形畸

变,呈脉冲状,设开关电源的输入正弦电压为u (t ),输入电流i (t )则

u (t )=a 0+∑∞

n =1

U n sin (n ωt +ψn )=u 1(

t )(仅有基波)

(1)i (t )=b 0+∑∞

n =1

I n sin (n ωt + n )

(2)

电流的有效值

I =I 21+I 22+…+I 2

n

(3)

电流波形畸变率

THD =

I 22+I 23+…+I 2n /I 2

1

(4)

(3)开关电源的DC /DC 变换部分工作在高频开关状态。对采用开关晶体管作为主功率器件的

DC /DC 变换器来说,功率开关晶体管开关瞬间,由于其结电容及集电极与散热片底板间等寄生电容及寄生电感(主要是引线电感及高频变压器的漏感)的存在,在高频时会产生电压尖峰(L d i /d t )和浪涌电流(C d u /d t );DC /DC 变换器中高频整流二极管加上反向电压时,由于原正向电流所蓄积的电荷不可能立即消失,使二极管不能立即截止而产生反向电流,反向恢复时,如果d i /d t 较大,也会在电感的作用下产生较大的尖峰电压,使尖峰脉冲中含有丰富的谐波。

3　谐波抑制方法及实用抑制电路

3.1　采用功率因数校正电路

我们知道功率因数PF (Power Factor )定义为

PF =有功功率/视在功率=P /S

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15

—·电源技术应用·

《电工技术杂志》2001年第7期

由式(1)～(4)可知P =1

T ∫

T

0u (t )i (t )d t =

　1T

∫

T 0

u 1

(t )i 1

(t )d t =U 1I 1cos 1

S =UI =U 1

I 21+I 22+…+I 2

n

(视在功率,I 1,…,I n 为基波和各次谐波)PF =P /S =U 1I 1cos 1/U 1

I 21+I 22+…+I 2n

=

I 1cos 1/I 21+I 2

2+…+I 2n 将THD =

I 2

2+I 2

3+…+I 2

n /I 21代入上式得PF =cos 1/1+

(THD )2

(5)

由式(5)可知,要想得到较小的波形畸变率,就要提高功率因数。

3.1.1采用无源功率因数校正技术

图2电路是一种无源功率因数校正(PPFC )电路,图3是电路输出电压和交流输入电流的波形,该电路延长了滤波电路的充电时间常数,充分利用了二极管的导通特性,取C 1=C 2,分析如下:在t 0～t 1时间内,整流二极管V 1和V 3导通,整流输出电压U Z 通过C 1、V 6、C 2对C 1和C 2充电,同时为负载R L 供电,由于充电时间常数很小,C 1和C 2充电速度很快,当U Z 达到峰值时,C 1和C 2上的电压约为U m /2。在t 1～t 2时间内,U m /2

C 2,V 5和V 7

均反偏截止,C 1、C 2、V 6串联电路无放电回路,R L 仍由U Z

图2　P PFC 电路

图3　输入电流、电压波形

供电,V 1、V 3仍然处于导通状态。t 2～t 3时间内,U Z

也对R L 放电。t 3～t 5时间内,U Z >U C 1,且U Z >U C 2,V 2、V 4开始导通为R L 供电,当U Z >

U C 1+U C 2时,U Z 通过C 1、C 2和V 6对C 1、C 2

充电。t 5时刻,U C 1=U C 2=U m /2。t 5～t 6时间内,U Z

,V 2和V 4处

于截止状态,以后将循环上述过程。由图4可看

出,整流二极管的导通时间明显增大,其输入电流波形得以较大的改善。这种电路可将输入电流波形畸变率降到30%以下,功率因数可达95%左右。

图4　A PFC 工作原理框图

3.1.2采用有源功率因数校正技术

近年来,对非线性系统(开关电源对电网来说是非线性系统)的功率因数校正越来越趋向于有源的方法,称之为有源功率因数校正(APFC )。APFC 工作原理如图4所示。交流输入电压经全波整流后,再经DC /DC 变换,通过相应的控制使输入电流的平均值自动跟随全波整流电压基准值,并保持输出电压稳定。APFC 电路有两个反馈控制环,输入电流环使DC /DC 变换器输入电流与全波整流电压波形相同,输出电压环使DC /DC 变换器输出端为一个直流稳压源。

图5给出了一种由美国Unitrode 公司生产的PFC 专用芯片UC3854为核心设计的APFC 电路。它在满载情况下,输入交流电压在80～260V 范围内,输入功率因数可达0.99,输入电流波形畸变率降到15%以下,其各项指标均优于PPFC 技术。3.2　接入交流电网滤波器

在电网和开关电源之间接入交流电网滤波器能有效地抑制电网传入的谐波。图6是一种交流电网滤波器的电路结构。在元件的选用上,电容应选择

频率特性好且最好为无感的电容,在绕制电感时应

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16—《电工技术杂志》2001年第7期浅谈开关电源的谐波及抑制