填谷電路諧波電流(問題)分析

在常規(guī)AC-DC 開關(guān)電源中，其輸入端AC 電源經(jīng)全波整流后，一般接1 個(gè)大電容器，以得到波形較為平直的直流電壓。整路是一種非線性元件和儲(chǔ)能元件的組合，因此，雖輸入交流電壓是正弦的，但輸入交流電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀，輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重畸變的結(jié)果是，電源滿載工作時(shí)功率因素不足0.6，諧波電流值很大。故在一些照明類電源，填谷電路為此能夠提供很好的解決方案。

1 傳統(tǒng)橋式整流和填谷式無源PFC電路分析

傳統(tǒng)橋式整流與大容量電解電容濾波電路如圖1a所示。由于整流二極管具有單向?qū)щ娦?，只有在AC 線路電壓瞬時(shí)值高于電容C1上的電壓時(shí)才會(huì)有電流通過，致使AC 輸入電流發(fā)生嚴(yán)重失真電流流動(dòng)角僅約60°，即從60°~120°，從240°~300°，如圖1b 所示。輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重畸變的結(jié)果是，線路功率因數(shù)不足0.6，諧波電流值很大，3 次諧波達(dá)70％～ 80％（以基波為100％），總諧波失真（THD）達(dá)120％以上。

a.橋式整流電容濾波電路

b.AC輸入電壓和電流波形

圖1

填谷式無源PFC 電路：圖2（a）中的電容C1 若用圖2（a）所示的3 個(gè)二極管D5、D6、D7 和兩個(gè)等值電容C1、C2 來替代則可以大大地改善輸入電流的失真。由 D5 ～ D7 和C1 與C2 組成的填谷式無源PFC 電路也被稱作部分或不完全濾波電路。在AC 線路電壓較高時(shí)，由于二極管D6 的接入，電容C1 和C2 以串聯(lián)方式充電。只要AC 電壓高于C1 和C2 上的電壓，線路電流將通過負(fù)載。一旦線路電壓幅值降至每個(gè)電容上的充電電壓［V_AC（PEAK）/2］以下，D6 則反向偏置而D5 和D7導(dǎo)通C1 和C2 以并聯(lián)方式通過負(fù)載放電，此時(shí)AC 電流不再向負(fù)載供電。這種不完全濾波填谷電路的輸出電壓（V₀）波形呈脈動(dòng)形狀，極不平滑，但工頻輸入電流卻得到修整，導(dǎo)通角達(dá)120°，即從30°增加150°，從210°增加到330°，如圖2b 所示。采用填谷式電路能使線路功率因數(shù)高于0.9，3 次和5 次諧波電流分別降至20％和16％以下，總諧波失真（THD）降至30％。

a.填谷式無源PFC電路

b.AC輸入電壓與電流波形

圖2

當(dāng)填谷式電路在電子節(jié)能燈中應(yīng)用時(shí)，雖然線路功率因數(shù)可達(dá)0.93 以上，諧波電流被大大衰減，但因其產(chǎn)生的DC 輸出電壓極不平滑，致使燈電流波峰比達(dá)0.2以上超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≤ 1.7 的要求。而填谷式電路在離線式LED 照明電源中應(yīng)用，因其連接的是降壓式恒流LED 驅(qū)動(dòng)電路，而不再是電子鎮(zhèn)流器的半橋式DC/AC逆變器因此不存在燈電流波峰比等問題。

2 填谷電路的改進(jìn)型

改進(jìn)I 型填谷式電路如圖3 所示，是一種緩充緩放型填谷式電路，分別在C1 和C2 各串接一個(gè)電阻R1 和R2，對C1 和C2 達(dá)到緩充緩放的效果。此電路可以使功率因數(shù)提高1.5 ～ 2.5 個(gè)百分點(diǎn)。

圖3

改進(jìn)II 型填谷式電路如圖4 所示, 是一種緩充快放型填谷式電路。通過在D6 上串聯(lián)1 個(gè)電阻R1，對C1和C2 進(jìn)行緩慢充電，而放電回路并沒有經(jīng)過電阻R1，放電速度快。其結(jié)果是延長了C1 和C2 的工作時(shí)間，使D1、D2、D3 和D4 工作連續(xù)性更好，其電流波形更接近電壓波形。一般此電路能夠使功率因數(shù)提高1~2 個(gè)百分點(diǎn)。

圖4

3 諧波電流相位角不滿足標(biāo)準(zhǔn)分析

標(biāo)準(zhǔn)要求：對于照明類設(shè)備，一般的，基波電流百分?jǐn)?shù)表示的3 次諧波電流不超過86%，5 次諧波不超過61%，輸入電流波形在60°前達(dá)到電流閾值0.05，在65°前出現(xiàn)峰值，在90°前不能降到電流閾值0.05 以下。(Class C 適用于照明設(shè)備)

圖5

3.1 實(shí)例分析

由圖6 可知相位角不滿足Class C 條款，其電流峰值出現(xiàn)在接近90°的地方。滿足諧波電流限值要求，但相位角不滿足。

分析：C1 和C2 的充電時(shí)間很短，只有當(dāng)下一個(gè)周期且橋堆整流后電壓大于C1(C2) 的電壓時(shí)，電網(wǎng)才對C1 和C2 進(jìn)行充電。對于230 V 輸入電壓，其峰值為 230 ? 2 = 325 V，那么每個(gè)電容的峰值電壓為325/2 = 162.5 V，若要滿足相位要求，則至少需要下一個(gè)周期輸入電壓在325 V × sin65° = 294 V 之前，電解電容兩端電壓需降至147 V。

針對以上分析，解決思路為：降幅移位，可以從以下3 個(gè)方向進(jìn)行調(diào)試。

圖6

減小輸入電解電容的容值，使C1 和C2 快速進(jìn)行充電，電流相位發(fā)生偏移，但容值過小會(huì)影響電源正常工作，如圖7。

圖7

對D6 增加一個(gè)串聯(lián)電阻R1，使電解電容C1 和C2的充電速度變緩，使得電流波形正弦化，但該電阻過大會(huì)導(dǎo)致其功耗較大，需折中考慮，如圖8。

圖8

增大橋前X 電容容值，可提高X 的充電電流峰值，使輸入電流更好地在65°前出現(xiàn)峰值，結(jié)果如圖9。

圖9

4 應(yīng)用案例

我司產(chǎn)品LM16-20B24-LED 應(yīng)用到如上技術(shù)來解決電源在滿載工作時(shí)功率因素低，諧波電流值大的問題，產(chǎn)品外觀圖如圖10 所示。

圖10

該產(chǎn)品是一款16 W 交流轉(zhuǎn)直流恒壓式單組輸出LED 電源供應(yīng)器， 具備IP42 防護(hù)等級， 可接受90~264VAC 輸入電壓，提供24 V 輸出電壓，這是LED應(yīng)用中最常用的輸出電壓。設(shè)計(jì)上采用兩線式Class II設(shè)計(jì)無FG，搭配94 V-0 等級塑膠外殼，非常適合經(jīng)濟(jì)型LED 應(yīng)用，可廣泛運(yùn)用于LED 相關(guān)裝置與電器產(chǎn)品（如裝飾或廣告照明設(shè)備）。具有良好的EMC 性能，EMC 和安規(guī)符合國際EN61347、IEC61347、BSEN61347 的標(biāo)準(zhǔn)。

5 小結(jié)

總的來說，這種所謂的填谷式功率因數(shù)校正方法需要用到額外的二極管和電容器，通過改變存儲(chǔ)電容各充電和放電階段的電路效率來提高功率因數(shù)。這種情況并不是真正的無源（ 沒有LC 濾波器），而是有源的，只是因?yàn)樵? 個(gè)周期的不同時(shí)期二極管的開關(guān)工作。這個(gè)電路在以前應(yīng)用極廣，即使在現(xiàn)在，這個(gè)電路在75 W 以下的產(chǎn)品中，該低成本解決方案是很有潛力的，原始的Spangler 方案已在這方面應(yīng)用了很多年。它是一個(gè)不容忽視的好的、廉價(jià)、實(shí)用有效的解決方案。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）