本文主要舉例分析某180W塑殼開關電源諧波電流超標問題的現象、原因分析，解決措施，思考與啟示。

 

1.現象描述:500KHz以上的“電磁風暴”

 

某180W塑殼電源在諧波測試中上演荒誕劇情——11次、15次、17次諧波集體超標，測試數據如下表所示：

像三個搗蛋鬼在頻譜圖上蹦迪，工程師調參到禿頭仍無濟于事！

 

電網怒吼：中性線過載，電費賬單暴增！

 

該開關電源的電路原理圖如下圖所示：

圖中，AC為來自電網的交流電，經過電源濾波器，輸出給整流橋（VD1~VD4）。

 

整流過的直流電壓，經過電容濾波，給到直流半橋變換器，經過變壓器隔離變換給到后面的負載。

 

由于大部分電容器對于高次諧波呈現低阻抗, 從而在高次諧波的影響下電容器中會流過較大的電流。

 

電容器和系統電路中的電感組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近某次諧波分量的頻率時, 就會使諧波電流放大, 引起電容器過熱? 過電壓而不能正常工作。或加速電容器老化, 縮短壽命? 

 

另外, 由于用戶系統中導線寄生電感的頻率特性, 導線的電阻會隨著頻率的升高而增加。

 

又由于導線中集膚效應的作用, 諧波會使得用戶自身供電系統中導線的附加損耗增加? 

 

尤其值得注意的是, 這類諧波還會使三相供電系統中的中性線電流增大, 導致中性線過載, 大大增加了用戶的用電成本?

 

又由于輸電導線不可避免地存在分布的線路電感和對地電容。

 

當這類電感和電容與產生諧波的設備組成串聯或并聯回路時, 會發生串聯諧振或并聯諧振?

 

這類諧振產生的過電壓和過電流反過來又對上述相關設備造成很大的危害?

 

2.原因分析：整流電路的“貪吃蛇游戲”

 

第一幕：電容濾波的“電流畸形秀”

 

分析開關電源發現經典設計陷阱：

 

[諧波生成公式]   

 

橋式整流 + 大電容 → 電流脈沖像貪吃蛇在電網中亂串 → 諧波污染大爆發

 

關鍵證據：

 

傳統濾波方案功率因數僅0.6，堪比電磁拖拉機

 

1μF濾波電容化身“諧波擴音器”，放大高頻噪聲

 

電源采用傳統的橋式整流? 電容濾波電路會使AC輸入電流產生嚴重的波形畸變, 向電網注入大量的高次諧波, 導致電網側的功率因數不高。

 

這種情況下, 功率因數可能僅有0.6左右, 它會對電網和其他電氣設備造成嚴重的諧波污染與干擾?

 

第二幕：PFC的“愛恨情仇”

 

無源PFC：電感加持，功率因數不高，大概在0.7~0.8

 

有源PFC：如Boost電路，功率因數可達0.99，但EMI難度飆升，電路中的開關管和高壓整流二極管的開關噪聲可能成為新的騷擾源

 

成本刺客：加PFC芯片成本漲，老板血壓同步飆升

 

 常見的諧波抑制技術有以下兩種:

 

1. 電源產品中引入 PFC (功率因數校正) 電路, 就可以大大提高對電能的利用效率，還可以抑制諧波電流?

 

PFC 有兩種, 一種是無源PFC(也稱被動式PFC), 另一種是有源PFC(也稱主動式PFC)：

 

無源PFC 一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間的相位差減小來提高功率因數, 但無源PFC的功率因數不是很高。

 

有源PFC由電感電容及電子元器件組成, 體積小, 功率因數可提高到0.99 以上, 使得諧波電流很小, 但成本要高出無源PFC一些? 

 

2. 電容補償器加電感線圈抑制諧波的原理, 電容器串電抗后形成一個串聯諧振回路, 在諧振頻率下呈現很低的阻抗 (理論上為零)。

 

如果串聯諧振頻率與電網特征諧波頻率一致, 則成為純濾波回路? 電感和電容維持一定的比例就可以濾去不同頻率的諧波? 

 

以上兩種常見的抑制方法, 效果較好, 但是電路復雜, 成本高? 

 

考慮到在交流輸入電壓 (AC220~250V) 范圍內, 額定功率為180W, 滿足電壓調整率的情況下, 可適當減小濾波電容。

 

電源輸入線串聯電阻可以在一定程度上降低濾波電容充電電流瞬時值的峰值。

 

滿足諧波電流限值,且功率損耗 在可以接受的范圍之內,整機電源效率下降不多,也不失為較好的方法?

 

采用這一方法后實測諧波電流值如下表所示，測試通過：

 

3.處理措施：給電機裝上“電磁靜音器”

 

電磁靜音兩板斧

 

1. 電容瘦身術：

 

1μF暴力減肥→0.47μF，諧波電流峰值直降

 

效果類比：從大胃王變身小鳥胃

 

2. 電阻剎車片：

 

火線串聯10Ω電阻，脈沖電流秒變乖寶寶

 

功耗代價：損耗換諧波達標，血賺不虧

 

本次案例采用這兩種方式。

 

4.思考與啟示：EMC與效率的“平衡術”

 

血淚經驗包

 

1. 電容不是越大越好：

 

1μF電容在11次諧波（≈550Hz）時阻抗289Ω，反成諧波幫兇

 

黃金法則：小功率設備電容≤0.47μF

 

2. 電阻竟是隱藏大佬：

 

10Ω電阻成本＜0.1元，輕松砍掉20%諧波

 

3.PFC的取舍藝術：

 

200W以下設備可用“電阻+小電容”組合，成本直降50%

 

工業級設備閉眼選有源PFC，電費省回本

 

舉一反三技巧

 

遇到奇次諧波超標，先給濾波電容做減法

 

用功率分析儀抓取電流波形，專治各種不服

 

小功率設備記得在PCB預留電阻位（10Ω~50Ω）