填谷電路諧波電流(問題)分析

在常規AC-DC 開關電源中，其輸入端AC 電源經全波整流后，一般接1 個大電容器，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重畸變，呈脈沖狀，輸入電流產生嚴重畸變的結果是，電源滿載工作時功率因素不足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 傳統橋式整流和填谷式無源PFC電路分析

傳統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導電性，只有在AC 線路電壓瞬時值高于電容C1上的電壓時才會有電流通過，致使AC 輸入電流發生嚴重失真電流流動角僅約60°，即從60°~120°，從240°~300°，如圖1b 所示。輸入電流產生嚴重畸變的結果是，線路功率因數不足0.6，諧波電流值很大，3 次諧波達70％～ 80％（以基波為100％），總諧波失真（THD）達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 個二極管D5、D6、D7 和兩個等值電容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，由于二極管D6 的接入，電容C1 和C2 以串聯方式充電。只要AC 電壓高于C1 和C2 上的電壓，線路電流將通過負載。一旦線路電壓幅值降至每個電容上的充電電壓［V_AC（PEAK）/2］以下，D6 則反向偏置而D5 和D7導通C1 和C2 以并聯方式通過負載放電，此時AC 電流不再向負載供電。這種不完全濾波填谷電路的輸出電壓（V₀）波形呈脈動形狀，極不平滑，但工頻輸入電流卻得到修整，導通角達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

當填谷式電路在電子節能燈中應用時，雖然線路功率因數可達0.93 以上，諧波電流被大大衰減，但因其產生的DC 輸出電壓極不平滑，致使燈電流波峰比達0.2以上超過標準規定≤ 1.7 的要求。而填谷式電路在離線式LED 照明電源中應用，因其連接的是降壓式恒流LED 驅動電路，而不再是電子鎮流器的半橋式DC/AC逆變器因此不存在燈電流波峰比等問題。

2 填谷電路的改進型

改進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 各串接一個電阻R1 和R2，對C1 和C2 達到緩充緩放的效果。此電路可以使功率因數提高1.5 ～ 2.5 個百分點。

圖3

改進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1 個電阻R1，對C1和C2 進行緩慢充電，而放電回路并沒有經過電阻R1，放電速度快。其結果是延長了C1 和C2 的工作時間，使D1、D2、D3 和D4 工作連續性更好，其電流波形更接近電壓波形。一般此電路能夠使功率因數提高1~2 個百分點。

圖4

3 諧波電流相位角不滿足標準分析

標準要求：對于照明類設備，一般的，基波電流百分數表示的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°前達到電流閾值0.05，在65°前出現峰值，在90°前不能降到電流閾值0.05 以下。(Class C 適用于照明設備)

圖5

3.1 實例分析

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 的充電時間很短，只有當下一個周期且橋堆整流后電壓大于C1(C2) 的電壓時，電網才對C1 和C2 進行充電。對于230 V 輸入電壓，其峰值為 230 ? 2 = 325 V，那么每個電容的峰值電壓為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 個方向進行調試。

圖6

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

圖7

對D6 增加一個串聯電阻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，但該電阻過大會導致其功耗較大，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°前出現峰值，結果如圖9。

圖9

4 應用案例

我司產品LM16-20B24-LED 應用到如上技術來解決電源在滿載工作時功率因素低，諧波電流值大的問題，產品外觀圖如圖10 所示。

圖10

該產品是一款16 W 交流轉直流恒壓式單組輸出LED 電源供應器， 具備IP42 防護等級， 可接受90~264VAC 輸入電壓，提供24 V 輸出電壓，這是LED應用中最常用的輸出電壓。設計上采用兩線式Class II設計無FG，搭配94 V-0 等級塑膠外殼，非常適合經濟型LED 應用，可廣泛運用于LED 相關裝置與電器產品（如裝飾或廣告照明設備）。具有良好的EMC 性能，EMC 和安規符合國際EN61347、IEC61347、BSEN61347 的標準。

5 小結

總的來說，這種所謂的填谷式功率因數校正方法需要用到額外的二極管和電容器，通過改變存儲電容各充電和放電階段的電路效率來提高功率因數。這種情況并不是真正的無源（ 沒有LC 濾波器），而是有源的，只是因為在1 個周期的不同時期二極管的開關工作。這個電路在以前應用極廣，即使在現在，這個電路在75 W 以下的產品中，該低成本解決方案是很有潛力的，原始的Spangler 方案已在這方面應用了很多年。它是一個不容忽視的好的、廉價、實用有效的解決方案。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年8月期）