谐波对高频开关电源的影响分析及防范论文_赵刚, 马永堂

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摘要:随着电子技术的快速发展,高频开关电源的应用越来越广,开关频率的持续提高使开关电源的性能也得以进一步优化,集成度更高,功耗更低,电路更加简单,工作更加可靠,是开关电源发展的方向。目前,高频开关电源在得到了广泛的应用。本文主要分析了谐波对高频开关电源的影响及防范方法。

关键词:谐波;高频开关电源;防范方法

高频开关电源具有效率高、体积小、重量轻、输出电压可调范围大、实现多路输出方便等优点,使用范围日益扩大。但开关电源的广泛应用会造成严重的谐波干扰,因为谐波会沿线路产生传导干扰和辐射干扰,从而对电网产生污染,并影响用电设备的稳定和安全运行。因此,无论从保护电网的安全运行,还是从使用电设备正常工作来看,对开关电源的谐波干扰采取一定措施加以抑制具有重要意义。

一、高频开关电源的分类

1.按激励方式可分为:自激式和他激式。第一,自激式开关电源在接通电源后功率变换电路就自行产生振荡,即该电路是靠电路本身的正反馈过程来实现功率变换的。自激式电路出现最早,它的特点是电路简单、响应速度较快,但开关频率变化大,输出纹波值较大,不易作精确的分析、设计,通常只有在小功率的情况下使用,如家电、仪器电源。第二,他激式开关电源需要外接的激励信号控制才能使变换电路工作,完成功率变换任务。他激式开关电源的特点是开关频率恒定,输出纹波小,但电路较复杂,造价较高,响应速度较慢。

2.按开关电源所用的开关器件可分为:双极型晶体管开关电源、功率MOS 管开关电源、IGBT开关电源、晶闸管开关电源等。功率MOS 管用于开关频率100 kHz 以上的开关电源中,晶闸管用于大功率开关电源中。

3.按开关电源控制方式可分为:脉宽调制开关电源、脉频调制开关电源、混合调制开关电源。

4.按开关电源的功率变换电路的结构形式可分为:降压型、反相型、升压型和变压器型。变压器型中按开关管输出电路的形式可分为:单端开关电源、双端开关电源。而单端开关电源可分为单端正激型、单端反激型。双端开关电源又可分为推挽型、半桥型、全桥型。

二、谐波对高频开关电源产生的影响

1.许多智能直流系统的安装场所大多是在变电站高压设备附近,而能承受变电站中产生的极强电磁干扰是该设备能够正常工作的前提。同时,当前的现代高压开关常和电子控制及保护设备集为一体,这就需要经常进行各种高压、大电流试验及通电磁兼容试验。但在操作GIS 的隔离开关时,其所产生的电压虽然的暂时的,但是其产生的频率较高,且速度较快。而这就会给变压器的绝缘结构的绝缘性能的发挥带来影响,还能利用接地网往外进行传播,从而影响整个变电站的直流系统与设备的高效运行。所以,要求高频开关电能应具备较大的抗干扰性能,尤其是抗电磁性能,并着力将其与电网中电压的非正常波动甚至浪涌、雷击等情况下的适应能力,才能确保对直流设备供电的稳定。

2.由于高频开关电源所处环境下的电压和电流较大并处于开关状态之中,因而在电磁兼容性方面的问题相对复杂,就整机的电磁整容性而言,其耦合的情况主要有线间、共抗阻、磁场、电场、电磁波等,导致电磁兼容受到影响的因素主要有传播的途径、干扰源和受干扰体。但在在现实中,并不能严格区分各种耦合方式,其侧重点不同而已。

3.如果谐波的电流和电压较为严重,那么就可能在开关电源的内部产生电磁干扰,从而对开关电源内部工作性能的高低带来影响,尤其是电源的性能会极大的降低。加上电磁场还能利用机壳缝隙向四周辐射,并采取直流输出线以及电源线形成辐射电磁场。此外,在空间传播过程中,其给高频设备及敏感设备将会带来更多的电磁干扰,影响设备的正常运行。

4.为确保功率因素得到有效地提升,很多在开关电源中采用功率因素对电路进行校正已成为最为常规和有效的做法。但是随着运行环境的不断复杂,为确保其可靠性得到有效地提升,就会加强软开关技术的应用,而这些技术的应用,虽然能有效降低其给开关带来的电磁烦扰,但是不能有效的将软开关没有吸收的能力量进行转化,并利用二极管进行单向的能量转换,所以也成为电磁干扰的重要干扰源。

5.开关电源内的高频开关的工作里不管是开关电压还是开关电流,二者均为方波,且所包含的高次谐波频谱通常是方波平波的千次。加上电压的变压器有漏电,那么就会导致其难以有效的工作,一旦开关高频开关时,就会形成高频高压,同时其尖峰的谐波还会发生强烈的震荡,并最终产生高次谐波,敷设至周围空间,也会产生较强的高频干扰。

6.谐波对高频开关电源影响实例。某供电公司110kv变电站进行1#主变压器更换工作,该站接线方式如图1所示。该站充电机电源正常由1#所用主变供电,10kv母联和低压母联均在断开位置,由于10kVI段母线未带负荷,高频充电机运行正常。在1#主变更换期间,全站10kV负荷和低压负荷全部由2#主变所带,而10kVII母线带有两回负荷,且未装消谐装置,当倒至此方式运行不到10min,该变电站高频电源模块就有两个烧坏,同时也有10kV其他用户反映其高频电源烧坏。

三、防范方法

1.合理布局。开关电源中印制板及系统的装配布线应充分考虑高频耦合的特点,避免使用平行布线,使引线尽可能短,在能使用绞线的地方多使用绞线或屏敝线,将屏敝线的屏敝层及电源的外壳都接地,强弱电分开走线;高频变压器中增加屏敝层,并将屏敝层接地;功率开关晶体管散热器之间的绝缘垫片通过选用低介电常数的材料、加大垫片的厚度和在绝缘垫片中夹入一金属板并作静电屏蔽等方法来减小功率开关晶体管散热器之间的寄生电容。这些措施将有效地减小分布电容和分布电感,从而降低开关电源的谐波。在48V/1.5kW通信设备用开关电源中,应用了有源功率因数校正技术,增加滤波和吸收网络等抑制谐波措施,使波形畸变率THD降至4.2%左右,功率因数达99%。

2.采用有源PFC。有源功率因数校正电路,目前多采用平均电流模式控制的PWM升压式开关电源作为其主电路。输入交流电,通过桥式不控整流电路将其直接变为脉动波形,得到正弦电压绝对值的脉动电压,而这就是PWM升压开关电源的输入。电容量较小主要用于用于滤除高频干扰,不干扰整流电路正常工作。经过PFC的作用,输入端的滤波器将高频谐波电流成分滤掉,交流输入电流就是与输入电压接近同相的正弦波,达到了减小谐波的目的。

3.在静电防电过程中,若电路的均流和控制端口的信号较小时,则应利用TVS 管,并进行有效的接地,同时将将其与机壳之间的点距离扩大。而若果信号快速瞬变时,由于其频谱较宽,所以可以利用供墨方式共摸方式将其传到需要控制的电路之中,因而一般支取常规的防静电技术,能够在很大程度上减少共模电感的分布电容,从而有利于系统抗扰性能的提高。浪涌、雷击也是极易对开关电源及其系统产生毁灭性伤害的一个重要因素。应对交流输入与直流输出端口的防雷能力进行优化。比如,对于1.2/50us 开路电压以及8/20Ns 短路电流组成的雷击波形,可采用氧化锌压敏电阻以及相应的吸收电路组合法来解决该问题。在系统的直流输出母线及交流进线也配备共摸与差摸组合浪涌抑制器。

由上述可知,高频开关电源在我国电力系统的直流电源设计中应用较为广泛。作为自动装置、继电保护以及一二次设备操作的电源,高频开关电源是发电厂与变电站不可或缺的重要设备。所以,怎样才能最大限度地降低谐波对高频开关电源的影响,以确保电力系统的安全运行,是摆在运行人员与专业维护人员面前的一个难题。

参考文献:

[1]李宏.浅谈开关直流电源的纹波抑制问题.电力电子技术,2011(6)∶28-30

[2]耿福山,黄有为,季纲.高频开关电源变压器的优化设计分析[J].电源技术应用,2014(02):109.

[3]李宏,赵家贝.浅析高频开关电源的发展[J].电气应用,2011,30(04):50-54.

论文作者:赵刚, 马永堂

论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿

论文发表时间:2016/3/24

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