如何防范和解決諧波對(duì)高頻開關(guān)電源造成的影響

⑵2006年，某供電公司220kV變電站所帶一大型鋁業(yè)公司在其濾波裝置全部停電進(jìn)行諧波測(cè)試期間，不到2h，該站2#高頻充電機(jī)6臺(tái)高頻模塊全部燒壞。諧波對(duì)高頻開關(guān)電源影響的分析和對(duì)策

由于以計(jì)算機(jī)和微處理器為基礎(chǔ)的智能直流系統(tǒng)通常安裝在變電站高壓設(shè)備的附近，該設(shè)備能正常工作的先決條件就是它能夠承受變電站中在正常操作或事故情況下產(chǎn)生的極強(qiáng)的電磁干擾。此外，由于現(xiàn)代的高壓開關(guān)常常與電子控制和保護(hù)設(shè)備集成于一體，因此，對(duì)這種強(qiáng)電與弱電設(shè)備組合的設(shè)備不僅需要進(jìn)行高電壓、大電流的試驗(yàn)，同時(shí)還要通過電磁兼容的試驗(yàn)。GIS的隔離開關(guān)操作時(shí)，可以產(chǎn)生頻率高達(dá)數(shù)MHz的快速暫態(tài)電壓，這種快速暫態(tài)過電壓不僅會(huì)危及變壓器等設(shè)備的絕緣，而且會(huì)通過接地網(wǎng)向外傳播，干擾變電站直流系統(tǒng)、控制設(shè)備的正常工作。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，電磁兼容技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)出來。因此，高頻開關(guān)電源要有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，特別是對(duì)雷擊、浪涌、電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力，而對(duì)靜電干擾、電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電磁波等也要有足夠的抗干擾能力，保證自身能夠正常工作以及對(duì)直流設(shè)備供電的穩(wěn)定性。

另一方面嚴(yán)重的諧波電壓電流在開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開關(guān)電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。還有部分電磁場(chǎng)通過開關(guān)電源機(jī)殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)一起通過空間傳播的方式，對(duì)其它高頻設(shè)備及對(duì)電磁場(chǎng)比較敏感的設(shè)備造成干擾，引起其它設(shè)備工作異常。因此，對(duì)高頻開關(guān)電源要限制由負(fù)載線、電源線產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾以及由輻射傳播的電磁場(chǎng)干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的設(shè)備均能夠正常工作，互不干擾。

高頻開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)狀態(tài)下，其引起的電磁兼容性問題是相當(dāng)復(fù)雜的。從整機(jī)的電磁兼容性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合和電磁波耦合幾種。電磁兼容產(chǎn)生的三個(gè)要素為：干擾源、傳播途徑及受干擾體。磁場(chǎng)耦合主要是大電流的脈沖電源線附近產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)對(duì)干擾對(duì)象產(chǎn)生的耦合。而電磁波耦合，主要是由于脈動(dòng)的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波，通過空間向外輻射，對(duì)相應(yīng)的受干擾體產(chǎn)生的耦合。實(shí)際上，每一種耦合方式是不能嚴(yán)格區(qū)分的，只是側(cè)重點(diǎn)不同而已。

在開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管在很高的電壓下以高頻開關(guān)方式工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流均為方波，該方波所含的高次諧波的頻譜可達(dá)方波頻率的1000次以上。同時(shí)，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)并非理想，在高頻開或關(guān)時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關(guān)二極管，也是產(chǎn)生高頻干擾的一個(gè)重要原因。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，由于二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，產(chǎn)生高頻振蕩。因整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產(chǎn)生的高頻干擾最容易通過直流輸出線傳出。

開關(guān)電源為了提高功率因數(shù)，均采用了功率因數(shù)校正電路。同時(shí)，為了提高電路的效率及可靠性，減小功率器件的電應(yīng)力，大量采用了軟開關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓零電流開關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)極大地降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。但是，軟開關(guān)無損吸收電路多利用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換，因而，該諧振電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源。

要解決開關(guān)電源諧波，可從以下三個(gè)方面入手

⑴減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào);

⑵切斷干擾信號(hào)的傳播途徑;

⑶增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力。

通過上述對(duì)電磁兼容性的研究和分析可知，首先要針對(duì)電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)干擾、電磁場(chǎng)輻射干擾等問題，對(duì)輸入輸出濾波電路進(jìn)行改進(jìn)。調(diào)整了輸出整流二極管的連接方式和濾波電路的位置，使濾波電路更接近端口。加大了電源的輸入EMI濾波器的絕緣耐壓等級(jí)，切斷了干擾信號(hào)的傳播途徑。

其次，對(duì)于靜電放電，在均流端口及控制端口的小信號(hào)電路中，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號(hào)電路與機(jī)殼等的電距離?？焖偎沧冃盘?hào)含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)濾波即加共模電容來提高系統(tǒng)的抗擾性能。雷擊、浪涌是對(duì)開關(guān)電源及其系統(tǒng)造成毀滅性傷害的重要因素，因此，優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力也是相當(dāng)必要的。對(duì)1.2/50μs開路電壓及8/20μs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，采用氧化鋅壓敏電阻與相應(yīng)的吸收電路組合方法來解決。為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在系統(tǒng)的交流進(jìn)線和直流輸出母線上也配備了共摸、差摸組合浪涌抑制器。

減小開關(guān)電源的內(nèi)部干擾，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，主要從適當(dāng)增加相鄰線間和相鄰引腳間的距離，避免產(chǎn)生串?dāng)_和在高壓串入時(shí)相互間放電。減小高壓大電流電路特別是變壓器原邊與開關(guān)管、電源濾波電容電路所包圍的面積;減小輸出整流電路及續(xù)流二極管電路與直流濾波電路所包圍的面積，從而減小了變壓器的漏電感和濾波電感的分布電容對(duì)開關(guān)電源的影響，改善了開關(guān)電源的內(nèi)部工作的穩(wěn)定性。具有良好的穩(wěn)定性和