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关于开关电源模块源谐波失真的经验分享

标签:关于,开关,开关电源,电源,模块,谐波,失真,真的 时间:2019年04月24日 阅读9
【导读】无论是从珍爱电源模块力体系的安全照旧从珍爱用电源模块设备和人身的安全来看,严酷控制并限制电源模块流谐波含量,以削减谐波污染造成的危害已成为人们的共识。   总谐波失真THD与功率因数 PF 的关系   市面上许多的 LED 驱动电源模块源,其输入电源模块路采用简单的桥式整流器和电源模块解电源模块容器的整流 滤波电源模块路,见图 1.   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图1   该电源模块路只有在输入交流电源模块压的峰值附近,整流二极管才出现导通,因此其导通角θ比 较小,大约为 60°左右,致使输入电源模块流波形为尖状脉冲,脉宽约为 3ms,是半个周期(10ms) 的 1/3.输入电源模块压及电源模块流波形如图 2 所示。由此可见,造成 LED 电源模块源输入电源模块流畸变的根本原 因是使用了直流滤波电源模块解电源模块容器的容性负载所致。   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   对于 LED 驱动电源模块源输入电源模块流产生畸变的非正弦波,须用傅里叶(Fourier)级数描述。 根据傅里叶变换原理,瞬时输入电源模块流可表为:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   每一个电源模块流谐波,通常会有一个正弦或余弦周期,n 次谐波电源模块流有用值 In 可用下式计算:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   输入总电源模块流有用值   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   上式根号中,I1 为基波电源模块流有用值,其余的 I2,3,分别代表 2seo优化,3,… n 次谐波电源模块流有用值。 用基波电源模块流百分比透露表现的电源模块流总谐波含量叫总谐波失真(THD) ,总谐波含量反映了波形的 畸变特征,因此也叫总谐波畸变率。定义为   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   根据功率因数 PF 的定义,功率因数 PF 是指交流输入的有功功率 P 与输入视在功率 S 之比值,即   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   其中, 为输入电源模块源电源模块压; U cosΦ1 叫相移因数, 它反映了基波电源模块流 i1 与电源模块压 u 的相位关系, Φ1 是基波相移角;输入基波电源模块流有用值 I1 与输入总电源模块流有用值 Irms 的百分比即 K=I1 / Irms 叫输入电源模块流失真系数。上式注解,在 LED 驱动电源模块源等非线性的开关电源模块源电源模块路中,功率 因数 PF 不仅与基波电源模块流 i1 电源模块压 u 之间的相位有关,而且还与输入电源模块流失真系数 K 有关。 将式(6)代入式(7) ,则功率因数 PF 与总谐波失真 THD 有如下关系:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   上式说明,在相移因数 cosΦ1 不变时,降低总谐波失真 THD,可以进步功率因数 PF;反之 也能说明, PF 越高则 THD 越小。 例如,通过计算,当相移角 Φ1=0 时,THD=30% @ PF=0.9578;THD=10% @ PF=0.9950.   谐波测量与分析   为了很好地分析如图 1 所示的 LED 驱动电源模块源的谐 波含量,介绍一种使用示波器测量输 入电源模块流的方法。先在电源模块源输入回路串接一个 10-20W 或以上的大功率电源模块阻如 R=10 OHM,通电源模块 后测量大功率电源模块阻上两端的电源模块压波形,因为纯功率电源模块阻上两端的电源模块压与电源模块流始终是同相位, 因此电源模块阻上的脉冲电源模块压波形亦即代表了输入电源模块流的脉冲波形,但数值大小不同。由波形显 示可知,其脉冲电源模块流 i(t)与图 2 的电源模块流波形是同等的,见图3.   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图3   此电源模块流脉冲波近似于余弦脉冲波,因此可用余弦脉冲函数表为:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   为了计算方便,现取正弦交流输入电源模块压的一个周期 T:-5ms≤t≤15ms,即 T=20ms.由此, 一个周期为 20ms 的输入脉冲电源模块流的表达式如下:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   上式中,余弦脉冲电源模块流幅值 Im 可由示波器表现的电源模块压幅值与电源模块阻值之比而算出,即 Im=Um/R箱式高温电阻炉,已知测得 Um=1.5V,则 Im=1.5/10=0.15A.图中脉冲宽度τ=3ms. 对于图 2 所示的输入电源模块流波形,是关于前后半波上下对称的奇次对称波,因而只含有 a1、a3、a5……等奇次谐波分量,而直流分量 a0 和偶次谐波分量 a2、a4、a6……均为零。 将式(10)的输入电源模块流波形进行傅里叶分解得:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   根据积分公式:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   并且有 a=π/τ,b=nω,ω=2π/T,因此有:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   当 n=1 时将 T=20ms、τ=3ms、Im=0.15A 代入上式,得   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   计算得基波电源模块流幅值 a1=I1m=0.06×(0.608+0.327)=0.056(A) 。   同理,分别计算 a3,a5,a7,a9 次谐波幅值,如表 1 所示。     关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 表 1.谐波幅值表   根据表 1,LED 驱动电源模块源的输入电源模块流的傅里叶级数为:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   根据谐波幅值 Inm 与谐波有用值 In 的关系,谐波有用值:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   由式(16) ,则分别计算各次谐波电源模块流有用值如下(单位 A) : I1=0.040,I3=0.033,I5=0.023,I7=0.012,I9=0.003. 根据式(5) ,LED 驱动电源模块源的输入总电源模块流有用值:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   将表 1 数据代入式(17) ,则输入总电源模块流有用值 Irms=0.058(A) 。现实中,这个输入电源模块 流值可用测量真有用值的万用表测得或由功率计的输入电源模块流表现屏读取。 根据式(6)计算总谐波失真:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   根据表 1 的谐波幅值数据,并以基波(一次谐波)分量 100%为基准,制订谐波电源模块流幅值频谱图(忽略高于 9 次以上的谐波)见图 4.   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图4   现按式(7)计算功率因数 PF,当基波相移角 Φ1 为零, cosΦ1=1 则有:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   实测 PF=0.65,二者基本同等。现实 LED 驱动电源模块源的输入功率:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   谐波的危害   谐波的危害 由以上分析计算可知,这类 LED 驱动电源模块源输入电源模块流谐波含量高,对于这类装配如功率 不大和少量的使用,其危害性大概不肯定会体现出来,然而若成千上万的大量密集地使用, 它所产生的谐波电源模块流总量会紧张污染整个供电源模块体系和其他用电源模块用户,同时也使电源模块网电源模块压波 形发生畸变。理论和实践证实,过大的电源模块流谐波会产生以下危害:   A. 能使配电源模块设施如电源模块力变压器和发电源模块机、感性负载设备如电源模块动机等磁性材料的铁芯损 耗 Pkz 得到额外的增长北京网页设计,即增长了因为谐波电源模块流引起的磁滞损耗 Ph 分量和涡流损耗 Pc 分 量,使其过热而损坏,见式(21) ,其中 fn 是各次谐波电源模块流频率。   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   B. 谐波电源模块流通过功率补偿设备的电源模块力电源模块容器,图5是电源模块容器的等效图。由图5可见,当由谐波电源模块流引起的容抗与寄生电源模块感引起的感抗相称时形成谐振,产生壮大的谐波电源模块流, 从而导致电源模块力电源模块容器过流或过压损坏。   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图5   C. 能对线路上的继电源模块珍爱、仪器仪表、主动控制、电源模块子通信、卫星导航以及计算机体系产生强烈的干扰,从而引起误动作、出现噪声等非常征象。   D. 在三相四线制供电源模块体系的中,线路正常时三相交流电源模块基本平衡,各相电源模块流在中线内相互抵消,理论上中线电源模块流接近于零,因此我国电源模块力体系的中线一样平常比相线细。然而过大 的三相三次及高次谐波电源模块流,会使电源模块网的相电源模块流无法在中线内相互抵消,致使中线内电源模块流 产生叠加而过流损坏,线路示意图如图6此外,中线电源模块流过大引起三相不平衡,即三相电源模块位发生偏移,紧张时导致大批 LED 灯具销毁,甚至引起火灾!     关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图6   E. 当大量的大功率的高谐波含量的电源模块源设备使用时,其偶次谐波(a2、a4、a6……) 不容忽视,它使供电源模块回路电源模块流正负半周舛错称。尤其是含量较大的二次谐波,它的直流分量使电源模块力变压器铁芯产生局部磁化,损耗增大,紧张时会危及变压器及电源模块力运行安全。 因此,无论是从珍爱电源模块力体系安全照旧从珍爱用电源模块设备和人身安全来看河南人事考试网,严酷控制并 限制电源模块流谐波含量,以削减谐波污染造成的危害已成为人们的共识。   降低 THD 的措施   随着开关电源模块源类电源模块子产品的应用普及,国际电源模块工委员会制订了 IEC61000-3-2、欧盟制 定了 EN60555-2 和我国制订了 GB17625.1-2003 等法规,对用电源模块设备的电源模块压、电源模块流波形失真 作出了详细限定和规定。目前这些法规也适用于 LED 灯具及 LED 驱动电源模块源。 对于输入有功功率大于 25W 的 LED 照明灯具,谐波电源模块流不应超过表 2 限值。   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 表 2. C 类设备的限值   对于输入有功功率不大于 25W 的 LED 照明灯具,规定吻合如下的其中一项:   a.谐波电源模块流不应超过表 3 的第 2 栏中与功率相干的限值;     关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 表3 D类设备的限定   b. 用基波电源模块流百分数透露表现的 3 次谐波电源模块流不应超过 86%,5 次谐波不超过 61%;而且, 假设基波电源模块压过零点为 0°,输入电源模块流波形应是 60°或之前开始流通,65°或之前有最后 一个峰值(假如在半个周期内有几个峰值) ,在 90°前不应制止流通。   图 1 所示的 LED 驱动电源模块源的输入功率为 8.8W,根据表 3 第 2 栏的限值,THD 显然超标。 一个好的 LED 驱动电源模块源,不仅必要高功率因数 PF,而且还要实现低 THD,使奇次谐波含量 不超过标准规定值。   但有的电源模块源设计者,为了片面强调高 PF 而将滤波电源模块容值减小,其效果是桥式整流器的 导通角增长,PF 增大,但桥式整流器输出的脉动直流电源模块压导致电源模块路的峰值电源模块流极高,使电源模块 源变换器的功率管等损耗剧增,很容易损坏功率管、高频变压器、高频输出整流管元件。   目前,性能比较精良的 LED 驱动电源模块源,均采用了有源功率因数校正(Advantage Power Factor Correetion)APFC 电源模块路,图 7 是一种常用的临界导通模式(TCM)的单级 PFC 反激式电源模块源变换器示意图。     关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图7   这种电源模块路能使输入电源模块流即电源模块感电源模块流的波形(见图 8)与整流二极管输出的脉动电源模块压波形保持同等的特点,不存在整流二极管导通角的影响,因此输入电源模块流与输入电源模块压的具有雷同 相位,如图 9 所示。   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图8     关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图9   这种电源模块路的功率因数 PF 与总谐波失真 THD 的关系如下:   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享   该电源模块路通常可以做到 PF≥0.96、THD≤30%,甚至可以使 PF 值接近于 1,输入电源模块流失真 系数 K=I1 / Irms≤3,THD≤10%. 图 10 的输入电源模块路是一种通用的填谷式的无源功率因数控制(PPFC)电源模块路,对于输入功率 较小的 LED驱动电源模块源采用此电源模块路,有成本低、线路简单等好处。其功率因数可在 0.85-0.9, 但谐波含量每每会超过吻合规定。   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图 10   它的电源模块压和输入电源模块流的波形如图 11     关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图 11   图(12)是其测试效果,效果注解谐波含量超标。   关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图 12     关于开关电源模块源谐波失真的经验分享 图 13   针对图10电源模块路的这一缺陷,我们可以提出一种改进方案,即在无源 PFC 电源模块路中,增长一个2-5 OHM/2W 的电源模块阻与二极管 D3 串联(见图13),如许可以有用地降低谐波含量,同时还能 进一步进步PF,对于这种结构的 LED驱动电源模块源,是一种很有用的改良方法。    

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