谐波对高频开关电源影响的分析和对策

由于以计算机和微处理器为基础的智能直流系统通常安装在变电站高压设备的附近，该设备能正常工作的先决条件就是它能够承受变电站中在正常操作或事故情况下产生的极强的电磁干扰。此外，由于现代的高压开关常常与电子控制和保护设备集成于一体，因此，对这种强电与弱电设备组合的设备不仅需要进行高电压、大电流的试验，同时还要通过电磁兼容的试验。GIS的隔离开关操作时，可以产生频率高达数MHz的快速暂态电压，这种快速暂态过电压不仅会危及变压器等设备的绝缘，而且会通过接地网向外传播，干扰变电站直流系统、控制设备的正常工作。随着电力系统自动化水平的提高，电磁兼容技术的重要性日益显现出来。因此，高频开关电源要有很强的抗电磁干扰能力，特别是对雷击、浪涌、电网电压波动的适应能力，而对静电干扰、电场、磁场及电磁波等也要有足够的抗干扰能力，保证自身能够正常工作以及对直流设备供电的稳定性。
　　另一方面严重的谐波电压电流在开关电源内部产生电磁干扰，从而造成开关电源内部工作的不稳定，使电源的性能降低。还有部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙，向周围空间辐射，与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场一起通过空间传播的方式，对其它高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰，引起其它设备工作异常。因此，对高频开关电源要限制由负载线、电源线产生的传导干扰以及由辐射传播的电磁场干扰，使处于同一电磁环境中的设备均能够正常工作，互不干扰。
　　高频开关电源因工作在高电压大电流的开关状态下，其引起的电磁兼容性问题是相当复杂的。从整机的电磁兼容性讲，主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合和电磁波耦合几种。电磁兼容产生的三个要素为：干扰源、传播途径及受干扰体。磁场耦合主要是大电流的脉冲电源线附近产生的低频磁场对干扰对象产生的耦合。而电磁波耦合，主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波，通过空间向外辐射，对相应的受干扰体产生的耦合。实际上，每一种耦合方式是不能严格区分的，只是侧重点不同而已。
　　在开关电源中，主功率开关管在很高的电压下以高频开关方式工作，开关电压及开关电流均为方波，该方波所含的高次谐波的频谱可达方波频率的1000次以上。同时，由于电源变压器的漏电感及分布电容，以及主功率开关器件的工作状态并非理想，在高频开或关时，常常产生高频高压的尖峰谐波振荡，该谐波振荡产生的高次谐波，通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。用于整流及续流的开关二极管，也是产生高频干扰的一个重要原因。因整流及续流二极管工作在高频开关状态，由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压及电流变化率下，产生高频振荡。因整流及续流二极管一般离电源输出线较近，其产生的高频干扰最容易通过直流输出线传出。
　　开关电源为了提高功率因数，均采用了功率因数校正电路。同时，为了提高电路的效率及可靠性，减小功率器件的电应力，大量采用了软开关技术。其中零电压、零电流或零电压零电流开关技术应用最为广泛。该技术极大地降低了开关器件所产生的电磁干扰。但是，软开关无损吸收电路多利用L、C进行能量转移，利用二极管的单向导电性能实现能量的单向转换，因而，该谐振电路中的二极管成为电磁干扰的一大干扰源。
　　要解决开关电源谐波，可从以下三个方面入手。
　　⑴减小干扰源产生的干扰信号；
　　⑵切断干扰信号的传播途径；
　　⑶增强受干扰体的抗干扰能力。
　　通过上述对电磁兼容性的研究和分析可知，首先要针对电源线谐波电流、电源线传导干扰、电磁场辐射干扰等问题，对输入输出滤波电路进行改进。调整了输出整流二极管的连接方式和滤波电路的位置，使滤波电路更接近端口。加大了电源的输入EMI滤波器的绝缘耐压等级，切断了干扰信号的传播途径。
　　其次，对于静电放电，在均流端口及控制端口的小信号电路中，采用TVS管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离。快速瞬变信号含有很宽的频谱，很容易以共模的方式传入控制电路内，采用防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波即加共模电容来提高系统的抗扰性能。雷击、浪涌是对开关电源及其系统造成毁灭性伤害的重要因素，因此，优化交流输入及直流输出端口的防雷能力也是相当必要的。对1.2/50μs开路电压及8/20μs短路电流的组合雷击波形，因能量较小，采用氧化锌压敏电阻与相应的吸收电路组合方法来解决。为保证系统的安全运行，在系统的交流进线和直流输出母线上也配备了共摸、差摸组合浪涌抑制器。
　　减小开关电源的内部干扰，实现其自身的电磁兼容性，提高开关电源的稳定性及可靠性，主要从适当增加相邻线间和相邻引脚间的距离，避免产生串扰和在高压串入时相互间放电。减小高压大电流电路特别是变压器原边与开关管、电源滤波电容电路所包围的面积；减小输出整流电路及续流二极管电路与直流滤波电路所包围的面积，从而减小了变压器的漏电感和滤波电感的分布电容对开关电源的影响，改善了开关电源的内部工作的稳定性。具有良好的稳定性和电磁兼容性，适合于直流系统用直流操作电源或单机电源使用。