本文主要举例分析某180W塑壳开关电源谐波电流超标问题的现象、原因分析，解决措施，思考与启示。

 

1.现象描述:500KHz以上的“电磁风暴”

 

某180W塑壳电源在谐波测试中上演荒诞剧情——11次、15次、17次谐波集体超标，测试数据如下表所示：

像三个捣蛋鬼在频谱图上蹦迪，工程师调参到秃头仍无济于事！

 

电网怒吼：中性线过载，电费账单暴增！

 

该开关电源的电路原理图如下图所示：

图中，AC为来自电网的交流电，经过电源滤波器，输出给整流桥（VD1~VD4）。

 

整流过的直流电压，经过电容滤波，给到直流半桥变换器，经过变压器隔离变换给到后面的负载。

 

由于大部分电容器对于高次谐波呈现低阻抗, 从而在高次谐波的影响下电容器中会流过较大的电流。

 

电容器和系统电路中的电感组成的谐振回路的谐振频率等于或接近某次谐波分量的频率时, 就会使谐波电流放大, 引起电容器过热､ 过电压而不能正常工作。或加速电容器老化, 缩短寿命｡ 

 

另外, 由于用户系统中导线寄生电感的频率特性, 导线的电阻会随着频率的升高而增加。

 

又由于导线中集肤效应的作用, 谐波会使得用户自身供电系统中导线的附加损耗增加｡ 

 

尤其值得注意的是, 这类谐波还会使三相供电系统中的中性线电流增大, 导致中性线过载, 大大增加了用户的用电成本｡

 

又由于输电导线不可避免地存在分布的线路电感和对地电容。

 

当这类电感和电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路时, 会发生串联谐振或并联谐振｡

 

这类谐振产生的过电压和过电流反过来又对上述相关设备造成很大的危害｡

 

2.原因分析：整流电路的“贪吃蛇游戏”

 

第一幕：电容滤波的“电流畸形秀”

 

分析开关电源发现经典设计陷阱：

 

[谐波生成公式]   

 

桥式整流 + 大电容 → 电流脉冲像贪吃蛇在电网中乱串 → 谐波污染大爆发

 

关键证据：

 

传统滤波方案功率因数仅0.6，堪比电磁拖拉机

 

1μF滤波电容化身“谐波扩音器”，放大高频噪声

 

电源采用传统的桥式整流､ 电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变, 向电网注入大量的高次谐波, 导致电网侧的功率因数不高。

 

这种情况下, 功率因数可能仅有0.6左右, 它会对电网和其他电气设备造成严重的谐波污染与干扰｡

 

第二幕：PFC的“爱恨情仇”

 

无源PFC：电感加持，功率因数不高，大概在0.7~0.8

 

有源PFC：如Boost电路，功率因数可达0.99，但EMI难度飙升，电路中的开关管和高压整流二极管的开关噪声可能成为新的骚扰源

 

成本刺客：加PFC芯片成本涨，老板血压同步飙升

 

 常见的谐波抑制技术有以下两种:

 

1. 电源产品中引入 PFC (功率因数校正) 电路, 就可以大大提高对电能的利用效率，还可以抑制谐波电流｡

 

PFC 有两种, 一种是无源PFC(也称被动式PFC), 另一种是有源PFC(也称主动式PFC)：

 

无源PFC 一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间的相位差减小来提高功率因数, 但无源PFC的功率因数不是很高。

 

有源PFC由电感电容及电子元器件组成, 体积小, 功率因数可提高到0.99 以上, 使得谐波电流很小, 但成本要高出无源PFC一些｡ 

 

2. 电容补偿器加电感线圈抑制谐波的原理, 电容器串电抗后形成一个串联谐振回路, 在谐振频率下呈现很低的阻抗 (理论上为零)。

 

如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致, 则成为纯滤波回路｡ 电感和电容维持一定的比例就可以滤去不同频率的谐波｡ 

 

以上两种常见的抑制方法, 效果较好, 但是电路复杂, 成本高｡ 

 

考虑到在交流输入电压 (AC220~250V) 范围内, 额定功率为180W, 满足电压调整率的情况下, 可适当减小滤波电容。

 

电源输入线串联电阻可以在一定程度上降低滤波电容充电电流瞬时值的峰值。

 

满足谐波电流限值,且功率损耗 在可以接受的范围之内,整机电源效率下降不多,也不失为较好的方法｡

 

采用这一方法后实测谐波电流值如下表所示，测试通过：

 

3.处理措施：给电机装上“电磁静音器”

 

电磁静音两板斧

 

1. 电容瘦身术：

 

1μF暴力减肥→0.47μF，谐波电流峰值直降

 

效果类比：从大胃王变身小鸟胃

 

2. 电阻刹车片：

 

火线串联10Ω电阻，脉冲电流秒变乖宝宝

 

功耗代价：损耗换谐波达标，血赚不亏

 

本次案例采用这两种方式。

 

4.思考与启示：EMC与效率的“平衡术”

 

血泪经验包

 

1. 电容不是越大越好：

 

1μF电容在11次谐波（≈550Hz）时阻抗289Ω，反成谐波帮凶

 

黄金法则：小功率设备电容≤0.47μF

 

2. 电阻竟是隐藏大佬：

 

10Ω电阻成本＜0.1元，轻松砍掉20%谐波

 

3.PFC的取舍艺术：

 

200W以下设备可用“电阻+小电容”组合，成本直降50%

 

工业级设备闭眼选有源PFC，电费省回本

 

举一反三技巧

 

遇到奇次谐波超标，先给滤波电容做减法

 

用功率分析仪抓取电流波形，专治各种不服

 

小功率设备记得在PCB预留电阻位（10Ω~50Ω）

来源：电子工程师之家

关键词： 开关电源 谐波电流超标