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摘要：开关电源的广泛使用给电网造成了不利影响，降低了电能质量，进行开关电源谐波抑制十分重要。本文首先对开关电源产生谐波的机理进行了分析，重点探讨了谐波抑制的方法。实践表明，这些方法都是行之有效的。
关键词：开关电源 谐波 抑制
0 引言
电力电子的不断发展使得开关电源的应用越来越广泛，开关电源技术在不断成熟，正朝着可靠性高以及小型化的方向发展。但值得注意的是，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，当前出现的抑制方法大致可以分为有源滤波以及无源滤波两种。其中，后者的滤波效果更好，但其技术较为复杂，在实际应用中还不够广泛；无源滤波方法不仅能够进行谐波抑制，还可以起到无功补偿的效果[1]。
1 开关电源产生谐波机理分析
所谓开关电源，它是通过事先设置好频率及占空比的脉冲信号对开关管的接通和断开进行控制[2]；从而实现功率的输出以及电压的调整。为此，在开关电源的内部需要有相应的脉冲发生电路，实现对开关管的控制。控制开关管是通过脉冲信号来受到控制的，改变脉冲占空比可以调整开关管的导通时间。在开关电路中，开关管只有两种工作状态，一种是on，一种是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，比如：将开关的控制信号脉冲频率设置为：100kHz，其输出频谱为基波的奇次分量；在分析输出电压的频谱时可以看出，100kHz、300 kHz、500 kHz的频谱能量均存在。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。
2 开关电源谐波抑制方法
2.1 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，可以可靠滤除传导干扰以及辐射干扰，图1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出端；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、C2，C4与L2、C2、C4对电路中的共模干扰进行滤除；L3、L4线圈的初级匝数是相等的，但其极性相反；当通以交流电流后，将会在磁芯中产生相反的磁通，这就是它抑制共模干扰的原理。实践测试表明，当合理选择元器件的参数，EMI滤波器能够实现较好的开关电源谐波抑制效果。
2.2 使用无源功率因数校正电路
在上节中介绍的EMI滤波电路抑制谐波，尽管它能够对传导干扰进行有效抑制，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2左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；右图给出了其输入电流以及输出电压波形；当电路稳定后，从右图中可以看出，整流二极管的导通时间得到了延长，输入电流的波形也得到了有效改善。
2.3 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3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Uz的变化，从而实现具有正弦波形式的平均电流。
图4为另一种有源功率因数校正电路，采用的是UC1852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C2充电，当电容上的电压升高到一定数值，将会启动UC1852，从UC1852的⑥脚会给出相应的PWM脉冲，随后该脉冲经过分压后驱动MOS管，使其工作在开关状态。通过取样电阻R9和R10，取样值被送入到电压环比较器中；当电压送到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UC1852的PWM脉冲输出进行控制，最终控制Lt上的电流。
3 结束语
本文首先对开关电源产生谐波的原理进行了分析，由于其产生的谐波对电网的负面影响较大，需要采取相应的措施进行谐波的抑制；在第二部分探讨了抑制谐波的几种方法，包括：使用EMI滤波器、使用无源功率因数校正电路以及使用有源功率因数校正电路。
参考文献：
[1] 范嗣强， 戴特力， 梁一平. 千瓦级连续激光二极管面阵电源的设计与实现[J]. 重庆师范大学学报（自然科学版）， 2005， 22（ 3） ： 83-87.
[2] 李旷， 肖国春， 王兆安. 耦合变压器型串联直流有源电力滤波器的研究[J] . 西安交通大学学报， 2004， 38 （ 6 ）：632-635.
关键词：开关电源 谐波 抑制
0 引言
电力电子的不断发展使得开关电源的应用越来越广泛，开关电源技术在不断成熟，正朝着可靠性高以及小型化的方向发展。但值得注意的是，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，当前出现的抑制方法大致可以分为有源滤波以及无源滤波两种。其中，后者的滤波效果更好，但其技术较为复杂，在实际应用中还不够广泛；无源滤波方法不仅能够进行谐波抑制，还可以起到无功补偿的效果[1]。
1 开关电源产生谐波机理分析
所谓开关电源，它是通过事先设置好频率及占空比的脉冲信号对开关管的接通和断开进行控制[2]；从而实现功率的输出以及电压的调整。为此，在开关电源的内部需要有相应的脉冲发生电路，实现对开关管的控制。控制开关管是通过脉冲信号来受到控制的，改变脉冲占空比可以调整开关管的导通时间。在开关电路中，开关管只有两种工作状态，一种是on，一种是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，比如：将开关的控制信号脉冲频率设置为：100kHz，其输出频谱为基波的奇次分量；在分析输出电压的频谱时可以看出，100kHz、300 kHz、500 kHz的频谱能量均存在。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。
2 开关电源谐波抑制方法
2.1 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，可以可靠滤除传导干扰以及辐射干扰，图1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出端；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、C2，C4与L2、C2、C4对电路中的共模干扰进行滤除；L3、L4线圈的初级匝数是相等的，但其极性相反；当通以交流电流后，将会在磁芯中产生相反的磁通，这就是它抑制共模干扰的原理。实践测试表明，当合理选择元器件的参数，EMI滤波器能够实现较好的开关电源谐波抑制效果。
2.2 使用无源功率因数校正电路
在上节中介绍的EMI滤波电路抑制谐波，尽管它能够对传导干扰进行有效抑制，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2左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；右图给出了其输入电流以及输出电压波形；当电路稳定后，从右图中可以看出，整流二极管的导通时间得到了延长，输入电流的波形也得到了有效改善。
2.3 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3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Uz的变化，从而实现具有正弦波形式的平均电流。
图4为另一种有源功率因数校正电路，采用的是UC1852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C2充电，当电容上的电压升高到一定数值，将会启动UC1852，从UC1852的⑥脚会给出相应的PWM脉冲，随后该脉冲经过分压后驱动MOS管，使其工作在开关状态。通过取样电阻R9和R10，取样值被送入到电压环比较器中；当电压送到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UC1852的PWM脉冲输出进行控制，最终控制Lt上的电流。
3 结束语
本文首先对开关电源产生谐波的原理进行了分析，由于其产生的谐波对电网的负面影响较大，需要采取相应的措施进行谐波的抑制；在第二部分探讨了抑制谐波的几种方法，包括：使用EMI滤波器、使用无源功率因数校正电路以及使用有源功率因数校正电路。
参考文献：
[1] 范嗣强， 戴特力， 梁一平. 千瓦级连续激光二极管面阵电源的设计与实现[J]. 重庆师范大学学报（自然科学版）， 2005， 22（ 3） ： 83-87.
[2] 李旷， 肖国春， 王兆安. 耦合变压器型串联直流有源电力滤波器的研究[J] . 西安交通大学学报， 2004， 38 （ 6 ）：632-635.