如何解决电气中的谐波问题？-原理图|技术方案
摘要：由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重，如何治理电气中的谐波问题，已经成为世界各国的重中之重。
背景一：2003年8月17日，美国纽约大停电，数万居民在一年中最热的天气下“煎熬”了5天，发生60起重大火灾，一天经济损失200－300亿美元。
背景二：九十年代初，三列电气机车同时在山西石洞口电厂供电区域通过，结果将经过十几次锻打的12.5兆瓦发电机组主轴扭成“麻花”，西北电网因此解网，发生电力系统最高等级恶性事故。
背景三：某大型钢铁公司70吨交流电弧炉，由于没有安装电力滤波装置，一台9万千伏安变压器瞬间被烧坏，损失500多万元。
触目惊心的事故，发人深思的教训。这一切都指向同一个源头：谐波。谐波的危害十分严重，谐波使电能的产生、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，最终造成巨大损失。
谐波，对电力系统环境的影响和危害不能小觑。由于谐波污染范围大、距离远、传播快，对电网的污染比之于一个问题化工厂对大气环境的污染更为严重。据权威测算，仅江苏一个省，每天因谐波而浪费的电就有上亿度。
如何治理电气中的谐波？
既然谐波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或补偿已产生的谐波，就显得尤为重要。谐波的治理可归纳为以下治理措施：
(1)加强标准和相应规范的宣传贯彻。IEC 61000以及国标GB/T 14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了宣传，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措；
(2)主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染；
(3)针对谐波的产生和传播的特点，采取相应的隔离、补偿和减小措施。在配电网中，主要存在的是三次谐波污染，可以在谐波检测的基础上，通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者，在设计初始，就要考虑其设备的谐波污染度，将谐波限制在标准允许的范围内。
电压毛刺脉冲在信号链路径中很常见，特别在系统加电或断电时更是如此。根据峰值幅度和毛刺脉冲持续时间的不同，系统输出中的最终结果会是灾难性的。其中的一个示例就是工业电机控制系统，在这个系统中，数模转换器 (DAC) 驱动电机驱动器，以控制电机旋转。如果毛刺脉冲幅度高于电机驱动器的灵敏度阈值，当系统加电/断电时，电机会在没有任何方向控制的情况下旋转。
图1.经简化的输出级和加电毛刺脉冲
之前已经分析了高精度DAC经缓冲输出出现加电/断电毛刺脉冲的原因和减少这些毛刺脉冲的解决方案。这份简报主要介绍了DAC输出缓冲器在加电至电压输出模式时出现的加电毛刺脉冲。一个高精度DAC可以在多个配置中加电：零量程、中量程，或是高阻抗。用户可以控制预断电状态。某些DAC具有内置的加电毛刺脉冲减少 (POGR) 电路；这个电路在DAC输出级未被驱动的配置中保持DAC的输出级。经缓冲电压输出DAC具有一对作为输出级的PFET和NFET。POGR电路禁用PFET，并将NFET偏置到其阈值电压 (VTH) 以上，从而最大限度地将加电毛刺脉冲减少到几百毫伏。
并不是每个DAC中都有POGR电路。对于没有POGR的DAC来说，加电/断电毛刺脉冲取决于多个因素：
1.DAC到电压输出模式和高阻抗模式的加电状态
2.DVDD、VREF、IOVDD和其它电源引脚的加电顺序
3.反馈网络连接
4.电源斜升速率
5.输出阻性负载
这篇文章所讨论的是输出级被加电至电压输出模式的情况。在这个模式下，PFET和NFET的栅极由一个预输出级控制。这个预输出级需要一个特定的最小电压来正常启动。这个电压也被称为最小净空 (VH)。这个电压取决于预输出级架构，并且可高至6V。这个电压远远低于数据表中所规定的最小电源电压 (VDDMIN)。通常情况下，大多数数据表中并未指定此电压。
在达到这个最小净空电压前，预输出级没有足够的净空来实现正常运行。因此，输出FET栅极可以低至0V，这使得PFET可以在电源电压与PFET阈值电压 (VTP) 相交时，运行为电源与输出引脚之间的低阻性开关。因此，输出能够随着电源斜升，从而导致了加电毛刺脉冲（请见图1）。
在这个情况下，毛刺脉冲电压可以高达最小净空电压 (VH)。由于预输出级的净空不足，所以这个毛刺脉冲与电源斜升速率无关。所有DAC数据表都规定了一个输出上的最小阻性负载（通常为1kW）。将一个阻性负载加载到DAC输出上是尽可能减小这个毛刺脉冲的常见技术。然而，这项技术并不能最大限度地减少毛刺脉冲幅度，这是因为输出PFET运行为一个电源与输出引脚之间的开关（或短接）。加电序列和反馈网络连接会进一步加大这个毛刺脉冲。由于这些因素通常是相互关联的，它们都作为一种情况进行分析。
图2.具有反馈网络的输出级。
对于具有双极输出的双电源DAC来说，反馈网络还包括一个偏移节点。这个节点可由基准引脚上的固定电压 (VREF) 驱动，或者由一个偏移DAC驱动。偏移DAC在用户需要小电压偏移输出时有用，从而实现一个不对称的输出范围；例如，从-5V至+10V。
图2是一个具有反馈网络的输出级的简化图。这个反馈网络需要开关来改变DAC的增益和偏移。这些开关有一个单独的数字电源，或DVDD供电。根据DVDD加电序列的不同，增益/偏移路径会为开路，或者短接至VREF/AGND引脚。这会在启动期间导致一个错误增益设置，并且会形成加电毛刺脉冲。在大多数多电源DAC中，建议使用一个特定的加电序列来避免这一情况的发生。
加电毛刺脉冲与DAC寄存器的状态无关。在DAC有一个被称为加电复位 (POR) 的电路供电时，所有DAC寄存器均保持在复位状态。当一段时间后，这些寄存器从复位状态中被释放出来时，输出和预输出级就具有足够的净空来正常运转了。
图3.简单电源检测电路
一个简单电源检测电路（图3）可被用来在电源斜升期间立即载入DAC输出。DAC输出VOUT在电源斜升期间，通过FET MPD，用电阻器RL载入。这个电源检测块生成MPD控制。在电源斜升期间，控制信号CTL被拉至AVDD，在FET MN1被接通前，用负载RL载入DAC输出VOUT。在MN1被完全接通后，它将CTL节点拉至接地，卸载VOUT节点。必须根据MN1的阈值电压来设定R1、R2、R3和CL的大小。
这篇文章分析了加电毛刺脉冲和它形成的根本原因。虽然其中的分析主要是用来解决加电毛刺脉冲，不过同样的原理也适用于断电毛刺脉冲。特定DAC在没有内部POGR电路的情况下，在正常模式下被加电，在启动期间，输出引脚与接地之间的一个小的阻性负载是尽可能减少这些DAC加电毛刺脉冲的唯一方法。
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