填谷电路谐波电流(问题)分析

在常规AC-DC 开关电源中，其输入端AC 电源经全波整流后，一般接1 个大电容器，以得到波形较为平直的直流电压。整路是一种非线性元件和储能元件的组合，因此，虽输入交流电压是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，输入电流产生严重畸变的结果是，电源满载工作时功率因素不足0.6，谐波电流值很大。故在一些照明类电源，填谷电路为此能够提供很好的解决方案。

1 传统桥式整流和填谷式无源PFC电路分析

传统桥式整流与大容量电解电容滤波电路如图1a所示。由于整流二极管具有单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于电容C1上的电压时才会有电流通过，致使AC 输入电流发生严重失真电流流动角仅约60°，即从60°~120°，从240°~300°，如图1b 所示。输入电流产生严重畸变的结果是，线路功率因数不足0.6，谐波电流值很大，3 次谐波达70％～ 80％（以基波为100％），总谐波失真（THD）达120％以上。

a.桥式整流电容滤波电路

b.AC输入电压和电流波形

图1

填谷式无源PFC 电路：图2（a）中的电容C1 若用图2（a）所示的3 个二极管D5、D6、D7 和两个等值电容C1、C2 来替代则可以大大地改善输入电流的失真。由 D5 ～ D7 和C1 与C2 组成的填谷式无源PFC 电路也被称作部分或不完全滤波电路。在AC 线路电压较高时，由于二极管D6 的接入，电容C1 和C2 以串联方式充电。只要AC 电压高于C1 和C2 上的电压，线路电流将通过负载。一旦线路电压幅值降至每个电容上的充电电压［V_AC（PEAK）/2］以下，D6 则反向偏置而D5 和D7导通C1 和C2 以并联方式通过负载放电，此时AC 电流不再向负载供电。这种不完全滤波填谷电路的输出电压（V₀）波形呈脉动形状，极不平滑，但工频输入电流却得到修整，导通角达120°，即从30°增加150°，从210°增加到330°，如图2b 所示。采用填谷式电路能使线路功率因数高于0.9，3 次和5 次谐波电流分别降至20％和16％以下，总谐波失真（THD）降至30％。

a.填谷式无源PFC电路

b.AC输入电压与电流波形

图2

当填谷式电路在电子节能灯中应用时，虽然线路功率因数可达0.93 以上，谐波电流被大大衰减，但因其产生的DC 输出电压极不平滑，致使灯电流波峰比达0.2以上超过标准规定≤ 1.7 的要求。而填谷式电路在离线式LED 照明电源中应用，因其连接的是降压式恒流LED 驱动电路，而不再是电子镇流器的半桥式DC/AC逆变器因此不存在灯电流波峰比等问题。

2 填谷电路的改进型

改进I 型填谷式电路如图3 所示，是一种缓充缓放型填谷式电路，分别在C1 和C2 各串接一个电阻R1 和R2，对C1 和C2 达到缓充缓放的效果。此电路可以使功率因数提高1.5 ～ 2.5 个百分点。

图3

改进II 型填谷式电路如图4 所示, 是一种缓充快放型填谷式电路。通过在D6 上串联1 个电阻R1，对C1和C2 进行缓慢充电，而放电回路并没有经过电阻R1，放电速度快。其结果是延长了C1 和C2 的工作时间，使D1、D2、D3 和D4 工作连续性更好，其电流波形更接近电压波形。一般此电路能够使功率因数提高1~2 个百分点。

图4

3 谐波电流相位角不满足标准分析

标准要求：对于照明类设备，一般的，基波电流百分数表示的3 次谐波电流不超过86%，5 次谐波不超过61%，输入电流波形在60°前达到电流阈值0.05，在65°前出现峰值，在90°前不能降到电流阈值0.05 以下。(Class C 适用于照明设备)

图5

3.1 实例分析

由图6 可知相位角不满足Class C 条款，其电流峰值出现在接近90°的地方。满足谐波电流限值要求，但相位角不满足。

分析：C1 和C2 的充电时间很短，只有当下一个周期且桥堆整流后电压大于C1(C2) 的电压时，电网才对C1 和C2 进行充电。对于230 V 输入电压，其峰值为 230 ∗ 2 = 325 V，那么每个电容的峰值电压为325/2 = 162.5 V，若要满足相位要求，则至少需要下一个周期输入电压在325 V × sin65° = 294 V 之前，电解电容两端电压需降至147 V。

针对以上分析，解决思路为：降幅移位，可以从以下3 个方向进行调试。

图6

减小输入电解电容的容值，使C1 和C2 快速进行充电，电流相位发生偏移，但容值过小会影响电源正常工作，如图7。

图7

对D6 增加一个串联电阻R1，使电解电容C1 和C2的充电速度变缓，使得电流波形正弦化，但该电阻过大会导致其功耗较大，需折中考虑，如图8。

图8

增大桥前X 电容容值，可提高X 的充电电流峰值，使输入电流更好地在65°前出现峰值，结果如图9。

图9

4 应用案例

我司产品LM16-20B24-LED 应用到如上技术来解决电源在满载工作时功率因素低，谐波电流值大的问题，产品外观图如图10 所示。

图10

该产品是一款16 W 交流转直流恒压式单组输出LED 电源供应器， 具备IP42 防护等级， 可接受90~264VAC 输入电压，提供24 V 输出电压，这是LED应用中最常用的输出电压。设计上采用两线式Class II设计无FG，搭配94 V-0 等级塑胶外壳，非常适合经济型LED 应用，可广泛运用于LED 相关装置与电器产品（如装饰或广告照明设备）。具有良好的EMC 性能，EMC 和安规符合国际EN61347、IEC61347、BSEN61347 的标准。

5 小结

总的来说，这种所谓的填谷式功率因数校正方法需要用到额外的二极管和电容器，通过改变存储电容各充电和放电阶段的电路效率来提高功率因数。这种情况并不是真正的无源（ 没有LC 滤波器），而是有源的，只是因为在1 个周期的不同时期二极管的开关工作。这个电路在以前应用极广，即使在现在，这个电路在75 W 以下的产品中，该低成本解决方案是很有潜力的，原始的Spangler 方案已在这方面应用了很多年。它是一个不容忽视的好的、廉价、实用有效的解决方案。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年8月期）