谐波对高频开关电源的影响分析及防范探究

毛凌燕

摘 要：电力系统中的直流电源大多采用高频开关电源。随着近年来这一技术的应用不断推广完善，加上其体积小、总量轻，尤其是效率高的特点，在各个领域中得到了较广泛应用。尽管如此，仍有不少因素会对高频开关电源产生影响，如谐波。鉴于此，文章先介绍了高频开关电源的工作原理，探讨了谐波对高频开关电源产生的影响，并研究了相应的防范对策。

关键词：谐波；高频开关电源；影响；防范

1 基于高频开关电源的几点概述

首先，从高频开关电源的工作原理来看，当交流电源与整流模块接通之后，并在三相三波整流器和滤波的作用下，将其转换成直流电流，再将其高频逆变回路接通之后，就会形成高频电流，并在高频变压器和整流桥以及滤波器的共同作用下输出平稳的直流[1]。

其次，利用高频开关电源组合的高频开关电路来看，其主要由整流滤波电路、PWM控制电路、限压电路、保护电路等组成[2]。当三相电网的电压流经电源开关之后，便能进行整流滤波，从而形成平滑直流，平滑直流的电压就会为整个逆变电路服务。但是逆变电路应选用功率较大的TGB模块组成，从而形成全桥变换电路，若PWM将控制信号输出时，就会在隔离驱动器的作用下驱动功率模块，此时两组对角管就会针对性的交替和导通，当高频变压器首次出现高频脉冲时，其次级电压就会通过高频电压器为整个流向负载提供相应的能量，从而确保其安全高效的工作。

2 分析产生谐波的原因

2.1 电力系统中所采用的非线性用电设备较多，例如各种换流设备、调压装置以及电弧炉和家用电器等。尽管上述设备有理想的正弦波电压，取用的电流仍是非线性的，及存在谐波电流，而设备的谐波含量则与其本身特性及工作状况有关，属于谐波恒流源。

2.2 供电系统本身存在的非线性元件，比如电抗器组、可控硅控制的电容器、变压器激磁支路等。

2.3 发电机发出的谐波电势，也会存在谐波，且属于一种谐波恒压源，值较小。电力系统中如果存在谐波，实质是一种“污染”，不但会影响系统电压正弦波形的质量，也会对高频开关电源产生较大影响。

3 谐波对高频开关电源产生的影响

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

3.5 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。

4 防范对策分析

4.1 着力解决电源线谐波电流、电磁场辐射干扰及电源线传导干扰等问题，这就要求工作人员应及时改进输入和输出的谐波电路。例如，可以调整谐波电路所处的位置以及连接整流二极管的方式，确保滤波电路和端口之间的距离更近，并对电压输入滤波器的绝缘和耐压等级提升，从而更好地切断干扰信号传播的途径。

4.2 注重降低干扰开关电源内部的力量，以确保电源开关具有较强的电磁兼容性能，从而为其稳定可靠性的提升奠定坚实的基础。因此，应确保相邻线和相邻引脚之间的距离，从而更好地预防出现串扰以及串入后互相放电情况的出现。并在此基础上将高压电路的电流加大，尤其是电源滤波电容电路、变压器和开关管包围的面积减小，从而减弱甚至消除变压器的漏电感或者滤波电感电容分布，最大限度地降低其给开关电源带来的影响，从而确保开关电源各项性能得到有效地发挥。

4.3 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。

5 结束语

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获取的重要设备。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。文章现对高频电源开关的工作原理进行了简要阐述，并简要介绍了常见的几种谐波源，最后探讨了谐波对高频电源开关造成的影响及防范对策，旨在不断提高电力系统的稳定性、安全性及运行效率，促进电力事业的健康发展。

参考文献

[1]唐建春.高频开关电源散热系统的改进[J].硅谷，2012（11）：58-60.

[2]徐瑞新，王龙.用户侧谐波对精密控制设备的干扰分析[J].现代建筑电气，2012（05）：35-40.

[3]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.

[4]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.