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关键词：高频开关电源 电磁兼容 谐波电流

1. 引言

　　在高频开关电源的大家族中，AC-DC高频开关变换器是一个重要的成员，主要用于那些需要直流电源的用电设备。AC-DC变换器中，输入部分通常采用二极管桥式整流、电容滤波方式〔见图1〕，为后级的逆变电路提供直流电源。只有当交流输入电压高于滤波电容两端电压时，滤波电容才开始充电，二极管的导通角很小，因此电网仅在每个工频周期的一小部分时间里给开关电源提供能量，输入电流波形为宽度很窄的脉冲，这样的电流波形包含丰富的高次谐波。表1是采用单相交流输入的高频开关整流器输入电流谐波含量的典型值。
　　谐波电流将对公共电网产生影响，谐波电流越大，在公共点上的电压畸变就越明显。电流波形的畸变及因此产生的网侧电压波形的畸变会给用电设备本身和周围的环境带来一系列的危害，这些危害主要包括：
　　（1）对公共电网造成谐波污染，于扰其他用电设备；
　　（2）对通信系统产生干扰；
　　（3）造成测量用的仪器仪表产生较大误差；
　　（4）对过电流、过电压、距离、周波等继电保护装置产包拒动或误动的影响，使保护装置失灵或动作误动不稳定。

2. 有关标准对谐波电流的规定

　　随着用电设备的日益增多，谐波污染问题已引起越来越广泛的关注，使用有效的电力电子技术把谐波污染控制在较小的范围之内已是当务之急。
　　基于限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净的宗巨，许多世界性的学术组织相继提出了限制谐波电流的标准，如IEC555-2，IEEE519，IEC1000-3-2等。其中ECI000-3-2标准主要适用于相电流小于16A（含16A）的用电设备，1995年在欧盟国家全面实施，所有在欧盟市场销售的用电设备都必须满足这一标准。
　　IECI000-3-2标准将相电流小于16A的用电设备分为四类：A类用电设备包括三相平衡设备以及除B、C．D类设备之外其他所有用电设备；B类用电设备主要是便携式工具；C类用电设备主要是照明设备，包括调光设备；D类用电设备主要是特殊输入电流波形的用电设备以及功率小于600W的设备。
　　对于A类用电设备，IEC 1000-3-2标准规定了 40次以下谐波电流的绝对值，具体数值见表2。
　　根据IEC 1000-3-2标准，我国于1998年颁布了关于谐波电流限值的国标，《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）》（GB/TL7625.1-1998），规定了用电设备向公共电网发出的19次以下谐波电流的极限值，具体数值与IEC 1000-3-2标准中19次以下谐波电流的极限值相同。
　　原邮电部颁布的《通信用高频开关整流设备进网质量认证检验实施细则》（邮部［1996］935号）规定，对于采用三相交流输入的整流设备，其功率因数应大于0.92；对于采用单相交流的高频开关整流设备，功率在1.5KW以下的整流器，功率因数应大于0.85，1.5KW以上的整流设备，功率因数应大于0.92。
　　电力系统行业标准《微机监控高频开关直流电源柜》（DL/T459-2000）规定，高频开关整流模块的最大港波含有率应小于额定基波电流的30％。
　　从以上几个标准对谐波电流的规定来看，其侧重点有所不同，为区分不同标准的高低，需要有一个统一的参照依据，表3 给出了不同容量高频开关整流器的总谐波含量。根据表3 的数据，从总谐波含有率的角度，在相电流小于5A 时，《通信用高频开关整流设备进网质量认证检验实施细则》和《微机监控高频开关直流电源柜》两个标准对谐波的限制高于IECIO00-3-2及国标GB/T17625.L-1998；在相电流大于10A时，《通信用高频开关整流设备进网质量认证检验实施细则》和《微机监控高频开关直流电源柜》两个标准对谐波的限制低于IECI 000-3-2及国标GB/TL7625.1-1998。
　　*根据该标准计算的总谐波含有率为估算值
　　另外，两个国内的行业标准仅仅限制了总的谐波含量（功率因数）或最大谐波电流值，而IEC1000-3-2及国标GB/T17625.L-1998则分别限制各高次谐波电流的极限值。

3. 抑制谐波电流的方法

　　通常采用功率因数校正技术（PFC）来抑制用电设备的谐波电流，用电设备的功率因数PP 定义为
　　
其中PIN是平均输入功率，IIN.RMS和VIN.RMS分别是输入电流和输人电压的均方根值。对于输入电流为非正弦波的情形，用电设备的功率因数定义：
　　
其中Ψ为输入电流基波与输入电压间的相角，总谐波含量（THD）为

在相角一定的情况下，谐波电流越小，用电设备的功率因数越高，因此功率因数校正技术在提高用电设备功率因数的同时，可有效降低用电设备的谐波电流。PFC技术的发展先后经历了电感和电容组成的无源网络校正技术、晶闸管组成的有源功率因数校正技术以及90年代以来发展起来的高频变换有源功率因数校正技术。

3.1 无源功率因数校正技术

　　最简单的无源功率因数校正电路是在二极管整流桥与滤波电容之间添加一个电感器，井降低滤波电容的容量，主要用于三相交流输入的高频开关整流模块，典型的无源功率因数校正电路如图2所示，图2中，CD是一个容量较小的电容器，一般在10~20UF之间，LD是一个工频电感，容量一般在L－2MH之间，引人电感之后，使输入整流二极管的导通角增大，从而使输入电流波形得到改善。以220V／10A电力整流模块为例，模块采用三相交流输入和无源功率因数校正电路，滤波电容10UF，电感为2MH，在额定输入电压和满载工作时，功率因数可达到0.92以上，19次以下谐波电流含且见表4。
　　采用无源功率因数校正电路，可以将高频开关整流器的功率因数提高到0.92以上，有效抑制了偕波电流，在输入电流较小（相电流小于5A）时，基本符合IECI000-3-2以及行业标准的要求。对于大功率的高频开关整流器（相电流大于10A）；如果要符合IEC1000-3-2以及行业标准的要求，则需要进一步加大滤波电容和滤波电感的取值，因此电路比较笨重。
3.2 有源功率因数校正技术
　　早期的有源功率因数校正电路采用晶闸管电路，随着功率半导体器件的发展以及高频开关变换技术的发展，现代有源功率因数校正技术应运而生。现代有源功率因数校正电路工作在高频开关状态，具有体积小、重量轻、效率高、功率因数可接近1等优点。根据电网供电方式，有源功率因数校正电路可分为单相PFC电路和三相PFC电路，基本技术包括工作在连续导电模式的乘法器型（MULTIPLIER）和工作在不连续导电模式的电压跟随器型（VOLTAGE FOLLOWER），目前主要以乘法器方式为主，其基本原理见图3，其中的BOOST变换器工作在连续导电模式，其电感电流就是输入电流。电流取样电阻RS两端电压正比于输入电流，RS两端电压加到信号综合电路，与乘法器输出信号综合。综合电路输出的模拟信号与锯齿波发生器产生的锯齿波电压经比较器C 比较后；转换成脉宽调制（PWM）信号，该信号经驱动电路放大后，控制功率开关管VT导通或关断。功率管VT导通后。电感LD中的电流线性上升。当电感电流与整流后的电压波形相交时，控制器使功率管VT关断。电感LD两端的自感电势使二极管VD导通．电感LD通过VD对电容CD放电．电感中的电流线性下降。当电感电流下降到零后，控制器使功率管再次导通．重复上述过程。通过对电感电流进行采样并实施控制，使电感电流的幅值和输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而达到功率因数校正的目的。还可根据输出电压反馈信号，利用乘法器电路来控制正弦电流信号，从而获得可调整的输出电压。表5是输入电流中19次以下的谐波含量。
　　与无源功率因数校正电路相比，有源功率团数校正电钻抑制谐波电流效果更明，总谐波含量THD ）可抑制在5％以内，功率因数可达到0.996，接近单位功率因数。

4. 有源功率因数校正技术的发展方向近年来，有源功率因数校正技术研究的热点主要集中在以下几个方面：

　　1）软开关技术
　　软开关技术在电力电子领域并不是一个新的名词，近十余年DC-DC变换器研究的热点之一就是软开关变换技术，包括因电压转换．因电流转换以及本电压雷电流变换等技术。将DC-DC变换器中的软开关技术应用到有源却率因数校正电路中，可降低功率器件的开关损耗，降低功率器件开通与关断过程中产生的尖峰干扰，从而提高有源功率因数校正电路的开关频率，减小校正电路的体积，降低器件成本，减小电磁干扰。
　　2）新控制方法
　　对于大多数广泛使用的中小功率高频开关整流器，可能难以承受因有源功率因数校工技术带来的成本增加，因此，基于已有拓扑结构的新控制方法以及基于新拓扑的特殊控制方法的研究有待进一步深人，以满足低成本高频开关整流器和大功率高性能高频开关整流器的召要。不少文献报道了在DC-DC变换电路中添加有源功率因数校正技术的控制方式，主要是单端正激拓扑结构和单端反激拓扑结构，利用单级高频变换，同时实现DC-DC和有源功率因数校正功能，从而在材料成本基本保持不变的基础上，提高高频开关整流器的功率因数，有效降低谐波电流。
　　3）三相有源功率因救校正技术
　　经过多年的发展，应用于单相整流器的有源功率因数校正技术无论是电路拓扑结构、专用控制芯片还是控制方式已比较成熟，因此，目前在通信领域或电力系统使用的3KW以下功率的高频开关整流器多采用单相交流电源，以获得较低的偕波电流和接近1 的功率因数。但对大功率高频开关整流器，仍采用三相交流电源和无源功率因数校正技术，尽管三相有源功率因数校正技术的研究一直没有停止，但由于其拓扑结构和控制电路的复杂性以及三相电源可能出现的不对称情形，使得三相有源功率因数校正技术还只是处于进一步研究．开发和完善过程中。未来几年，三相有源功率因数校正技术仍将是电力电子领域的研究热点之一。