諧波對高頻開關電源的影響分析及防范探究

毛凌燕

摘 要：電力系統中的直流電源大多采用高頻開關電源。隨著近年來這一技術的應用不斷推廣完善，加上其體積小、總量輕，尤其是效率高的特點，在各個領域中得到了較廣泛應用。盡管如此，仍有不少因素會對高頻開關電源產生影響，如諧波。鑒于此，文章先介紹了高頻開關電源的工作原理，探討了諧波對高頻開關電源產生的影響，并研究了相應的防范對策。

關鍵詞：諧波；高頻開關電源；影響；防范

1 基于高頻開關電源的幾點概述

首先，從高頻開關電源的工作原理來看，當交流電源與整流模塊接通之后，并在三相三波整流器和濾波的作用下，將其轉換成直流電流，再將其高頻逆變回路接通之后，就會形成高頻電流，并在高頻變壓器和整流橋以及濾波器的共同作用下輸出平穩的直流[1]。

其次，利用高頻開關電源組合的高頻開關電路來看，其主要由整流濾波電路、PWM控制電路、限壓電路、保護電路等組成[2]。當三相電網的電壓流經電源開關之后，便能進行整流濾波，從而形成平滑直流，平滑直流的電壓就會為整個逆變電路服務。但是逆變電路應選用功率較大的TGB模塊組成，從而形成全橋變換電路，若PWM將控制信號輸出時，就會在隔離驅動器的作用下驅動功率模塊，此時兩組對角管就會針對性的交替和導通，當高頻變壓器首次出現高頻脈沖時，其次級電壓就會通過高頻電壓器為整個流向負載提供相應的能量，從而確保其安全高效的工作。

2 分析產生諧波的原因

2.1 電力系統中所采用的非線性用電設備較多，例如各種換流設備、調壓裝置以及電弧爐和家用電器等。盡管上述設備有理想的正弦波電壓，取用的電流仍是非線性的，及存在諧波電流，而設備的諧波含量則與其本身特性及工作狀況有關，屬于諧波恒流源。

2.2 供電系統本身存在的非線性元件，比如電抗器組、可控硅控制的電容器、變壓器激磁支路等。

2.3 發電機發出的諧波電勢，也會存在諧波，且屬于一種諧波恒壓源，值較小。電力系統中如果存在諧波，實質是一種“污染”，不但會影響系統電壓正弦波形的質量，也會對高頻開關電源產生較大影響。

3 諧波對高頻開關電源產生的影響

3.1 許多智能直流系統的安裝場所大多是在變電站高壓設備附近，而能承受變電站中產生的極強電磁干擾是該設備能夠正常工作的前提。同時，當前的現代高壓開關常和電子控制及保護設備集為一體，這就需要經常進行各種高壓、大電流試驗及通電磁兼容試驗。但在操作GIS的隔離開關時，其所產生的電壓雖然的暫時的，但是其產生的頻率較高，且速度較快。而這就會給變壓器的絕緣結構的絕緣性能的發揮帶來影響，還能利用接地網往外進行傳播，從而影響整個變電站的直流系統與設備的高效運行。所以，要求高頻開關電能應具備較大的抗干擾性能，尤其是抗電磁性能，并著力將其與電網中電壓的非正常波動甚至浪涌、雷擊等情況下的適應能力，才能確保對直流設備供電的穩定。

3.2 由于高頻開關電源所處環境下的電壓和電流較大并處于開關狀態之中，因而在電磁兼容性方面的問題相對復雜，就整機的電磁整容性而言，其耦合的情況主要有線間、共抗阻、磁場、電場、電磁波等，導致電磁兼容受到影響的因素主要有傳播的途徑、干擾源和受干擾體。但在在現實中，并不能嚴格區分各種耦合方式，其側重點不同而已。

3.3 如果諧波的電流和電壓較為嚴重，那么就可能在開關電源的內部產生電磁干擾，從而對開關電源內部工作性能的高低帶來影響，尤其是電源的性能會極大的降低。加上電磁場還能利用機殼縫隙向四周輻射，并采取直流輸出線以及電源線形成輻射電磁場。此外，在空間傳播過程中，其給高頻設備及敏感設備將會帶來更多的電磁干擾，影響設備的正常運行。

3.4 為確保功率因素得到有效地提升，很多在開關電源中采用功率因素對電路進行校正已成為最為常規和有效的做法。但是隨著運行環境的不斷復雜，為確保其可靠性得到有效地提升，就會加強軟開關技術的應用，而這些技術的應用，雖然能有效降低其給開關帶來的電磁煩擾，但是不能有效的將軟開關沒有吸收的能力量進行轉化，并利用二極管進行單向的能量轉換，所以也成為電磁干擾的重要干擾源。

3.5 開關電源內的高頻開關的工作里不管是開關電壓還是開關電流，二者均為方波，且所包含的高次諧波頻譜通常是方波平波的千次。加上電壓的變壓器有漏電，那么就會導致其難以有效的工作，一旦開關高頻開關時，就會形成高頻高壓，同時其尖峰的諧波還會發生強烈的震蕩，并最終產生高次諧波，敷設至周圍空間，也會產生較強的高頻干擾。

4 防范對策分析

4.1 著力解決電源線諧波電流、電磁場輻射干擾及電源線傳導干擾等問題，這就要求工作人員應及時改進輸入和輸出的諧波電路。例如，可以調整諧波電路所處的位置以及連接整流二極管的方式，確保濾波電路和端口之間的距離更近，并對電壓輸入濾波器的絕緣和耐壓等級提升，從而更好地切斷干擾信號傳播的途徑。

4.2 注重降低干擾開關電源內部的力量，以確保電源開關具有較強的電磁兼容性能，從而為其穩定可靠性的提升奠定堅實的基礎。因此，應確保相鄰線和相鄰引腳之間的距離，從而更好地預防出現串擾以及串入后互相放電情況的出現。并在此基礎上將高壓電路的電流加大，尤其是電源濾波電容電路、變壓器和開關管包圍的面積減小，從而減弱甚至消除變壓器的漏電感或者濾波電感電容分布，最大限度地降低其給開關電源帶來的影響，從而確保開關電源各項性能得到有效地發揮。

4.3 在靜電防電過程中，若電路的均流和控制端口的信號較小時，則應利用TVS管，并進行有效的接地，同時將將其與機殼之間的點距離擴大。而若果信號快速瞬變時，由于其頻譜較寬，所以可以利用供墨方式共摸方式將其傳到需要控制的電路之中，因而一般支取常規的防靜電技術，能夠在很大程度上減少共模電感的分布電容，從而有利于系統抗擾性能的提高。浪涌、雷擊也是極易對開關電源及其系統產生毀滅性傷害的一個重要因素。應對交流輸入與直流輸出端口的防雷能力進行優化。比如，對于1.2/50us開路電壓以及8/20Ns短路電流組成的雷擊波形，可采用氧化鋅壓敏電阻以及相應的吸收電路組合法來解決該問題。在系統的直流輸出母線及交流進線也配備共摸與差摸組合浪涌抑制器。

5 結束語

由上述可知，高頻開關電源在我國電力系統的直流電源設計中應用較為廣泛。作為自動裝置、繼電保護以及一二次設備操作的電源，高頻開關電源是發電廠與變電站不可獲取的重要設備。所以，怎樣才能最大限度地降低諧波對高頻開關電源的影響，以確保電力系統的安全運行，是擺在運行人員與專業維護人員面前的一個難題。文章現對高頻電源開關的工作原理進行了簡要闡述，并簡要介紹了常見的幾種諧波源，最后探討了諧波對高頻電源開關造成的影響及防范對策，旨在不斷提高電力系統的穩定性、安全性及運行效率，促進電力事業的健康發展。

參考文獻

[1]唐建春.高頻開關電源散熱系統的改進[J].硅谷，2012（11）：58-60.

[2]徐瑞新，王龍.用戶側諧波對精密控制設備的干擾分析[J].現代建筑電氣，2012（05）：35-40.

[3]耿福山，黃有為，季綱.高頻開關電源變壓器的優化設計分析[J].電源技術應用，2014（02）：109.

[4]李宏，趙家貝.淺析高頻開關電源的發展[J].電氣應用，2011，30（04）：50-54.