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。

在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。开关电源产生的谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：

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一筹莫展。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超过任何观测周期的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：