开关电源产生谐波机理分析

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，设计开发出具有超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。

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：

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。