经济适用的谐波电流对策

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  经济实用的谐波电流对策
Harmonic Current Countermeasure of Economy and applied
中国赛宝(总部)实验室电磁兼容室 毛洪涛
摘要：电磁兼容认证对大部分电子产品都有谐波电流限制，然而解决这个问题最大的困难是降低成本，本文针对典型的电子设备彩色电视机和显示器等，提出了参种经济实用的解决方案。
Abstract: The Electromagnetic Compatibility Authentication Have the Limit of Harmonic Current to the Electron Product Mostly, But Maximal Difficulty is Reduce Cost That Resolve This Problem, Letterpress Put forward Three Resolving Scheme of Economy and applied in allusion to Type Electron Equipment Such as Color Television and Monitor.
关键词：电磁兼容认证        谐波电流
Key words: Electromagnetic Compatibility authentication        Harmonic Current

为了迎接WTO的挑战，在本世纪最后一年的8月24日，国家技术监督局公布了中国实施电磁兼容强制认证的产品目录，中国的电子产品生产厂家开始进入了电磁兼容认证的备战阶段，从现在开始设计的电子产品就不得不考虑产品的电磁兼容性必须符合2~3年后市场的技术规范。我们看到认证目录中大部分产品都有要求谐波电流这个项目，我们国家的谐波电流标准是1999年12月1日实施的GB17625.1-1998《低压电器及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）。谐波电流的危害是不言而喻的，国家也下了很大的决心整顿电网质量，然而彻底解决这个问题的难度很大，欧洲在实施CE认证的过程中因此对这个标准执行的日期一拖再拖，过渡期长达四年之久，目前世界各国都还没有比较完美的解决方案，但是大家都没有放弁努力仍在不断研究最好的谐波电流解决方案。
目前执行这个标准最难通过的是D类设备，最典型的设备是彩色电视机。本标准为了覆盖所有的电器产品，把被测设备分为A、B、C、D四个类别，并给出了每个类别的定义，它分类的目的是通过制订不同的限值来分别控制对电网危害程度不同的设备。对D类设备作了最多的描述和最严格的限制，D类设备并不指明是什么具体的产品，只指明其输入电流有“特殊波形”，标准中给出了一个划分D类设备的波形包络，经过计算可以清楚地知道，这实际上就是指导通角小于63度的窄脉冲输入电流波形，其实质就是对使用整流和开关电源技术这类对使用电能比较挑剔用户的制约。解决这个问题的唯一办法是在原来的电源电路中增加功率因数校正（PFC）电路，功率因数校正一般分为两种类型，暨主动式和被动式功率因数校正。主动式功率因数校正电路可以最大限度的提高功率因数接近于1，国外已经开发出了一些此类驱动电路的控制IC，是目前较为理想的谐波电流解决方案，但是电路比较复杂，对电路元件要求高，增加的元件成本几乎相当于原来电源的价值，而且对原来电源电路的设计概念必须作彻底的更新，这样的开关电源必须使用二级开关控制，一级开关用来控制电流谐波，一级开关用来作电压调整，同时电源上的传导骚扰大大增加，必须再增加抑制电源传导骚扰的元件，对于目前我们国家的家电行业来说，我们所采用的开关电源电路都是开关频率比较低，电路结构简单成本较低的那种。对于D类设备目前可以通过谐波电流测试最简单的方法有参个：１）尽量降低有功功率到75W以下，２）在电路上采取措施尽量展宽输入电流导通角到63度以上，使设备被划分为A类，３）采用低频滤波电路尽量降低谐波成份到标准限值以下。
对于我们国家目前的电视机生产企业来说，增加成本最少的方案就是最好的解决方案。主动式功率因数校正电路对大多数产品来说不是很实用，我们重点研究了几种被动式功率因数校正电路，目前有参种比较实用的无源谐波电流解决方案。这参种电路所增加的元件成本均在十元钱之内，体积不大一般的开关电源电路都可以接受。设计思想就是利用储能元件增加输入电流的导通角，使输入电流的波形转变成A类，被测设备有更宽的极限范围，或者利用铁磁材料的低频特性制作低频谐波滤波器，有效的抑制电流的谐波在标准限值之内。下面简述这参种电路的原理和使用：
１）  利用电容储能双电容解决方案
电路如图1A所示，在这个电路中滤波电容被分成两个，并通过一个电阻和二极管串联构成充电回路，每个电容只被充电到AC峰值电压的一半，另外两个二极管分别和两个滤波电容串联构成放电回路，然后一起并在整流输出上，使得两个滤波电容串联着充电并联着放电，电阻起着减少充电电流波形上毛刺的作用，同时控制充放电时间。
由于每个电容只被充电到AC峰值电压的一半，它们都只在整流电压沿着正弦波形降到峰值电压的一半时才供应输出电流，这时两个电容并联给负载供应电流直到输入的整流电压又超过AC峰值电压的一半，再进行下一个循环。电容的放电周期之后跟着一个空闭时期这期间负载由输入AC整流直接供电。在AC电压的峰值有一个额外的电流再给电容充电到峰值电压，这个电流的大小和持续时间是一个放电深度和充电电路里电阻值的函数，控制电路的参数使电流导通的持续时间大于63度，设备即成为A类。
这个电路可以把功率因数提高到0.95以上，最大的缺点是纹波电压大，开关电源输出必须采用有效的措施抑制纹波电压，或者用于对纹波要求较小的电路。








图1A填谷式被动PFC电路原理

图1B双电容解决方案实测电流波形和谐波分量
２）  利用电感储能电流泵式解决方案
电路如图2A所示，这个电路仅仅由一个正弦阻流圈、一个快速开关二极管和一个耐冲击电容组成。用这三只元件构成一个电流泵电路，取代原来开关电源里的由二极管和RC网络组成的限幅缓冲电路。当二极管导通时，电容C和开关变压器的电感L形成谐振回路有效的抑制了泻放电压的无用振荡，频率和幅度都可以减少到一个很小的水平，并且比传统的限幅缓冲电路更大的好处是很少能量被转化为热，这样大大提高了开关电源的效率。
阻流圈的电感大概是开关变压器的主电感L的4倍，如果阻流圈进入饱和一开始没有危险，因为电流通过阻流圈接着给电容充电，这样在每个电源开关的周期电容的充电也受到限制，耦合电容C应该能够耐高压和冲击，它的容量是10到30nF对应开关电源的功率从75W到300W的范围，电容应该大到足够满足最大的谐波电流限值，二极管选用快恢复特性功率二极管。
此电路结合主动功率因数校正的原理，利用电感储能延长整流导通的时间，又巧妙地利用电源本身的开关晶体管及LC谐振回路泻放掉阻流圈上能量，使其在每个整流周期开始时处于零功率状态，保持输入电流导通。应用此电路时，应注意调整开关变压器和开关晶体管的参数，否则易损坏开关晶体管，此电路宜应用在电源开关频率较高，开关晶体管导通电流大，内阻很小的电源电路中。













图2A电流泵式被动功率因数校正电路
图2B电流泵式解决方案实测电流波形和谐波分量
３）  低频谐波电流抑制滤波解决方案
电路如图3A所示，这个电路仅仅由一个低频扼流圈组成，插入整流桥和滤波电容之间，其工作原理非常简单，低频扼流圈的电感和整流电容以及低频扼流圈的分布电容共同组成一个低频谐波电流滤波器，电路参数要设计成对50Hz的基波成份衰减很小，对三次以上谐波成份衰减很大，尤其是第三次谐波150Hz的衰减最大。
低频谐波电流抑制滤波电路，关键的元件是双重线圈叠加的低频扼流圈，其结构采用双重线圈并绕在目字形高磁导率的硅钢片上磁路叠加，两个线圈上谐波电流产生的磁场相互耦合抵消有效的滤除低频谐波成份。这种双重线圈叠加的低频扼流圈只要在电源整流之后或者之前的某些点插入电流回路，就可以起到抑制谐波电流的目的，可以解决200W以下Ｄ类产品如电视机和电脑显示器等的谐波电流问题，并且不需要电路其它参数作任何改变，也不会降低原电源电路的其它性能。其缺点是体积较大，重量约100克，对于体积较大的产品，结构上预先做些考虑就没有问题了。

图3A低频谐波滤波器被动功率因数校正电路

图2B电流泵式解决方案实测电流波形和谐波分量