LED电源总谐波失真的分析、测量及预防

　　图4

　　现按式（7）计算功率因数 PF，当基波相移角 Φ1 为零， cosΦ1=1 则有：

　　实测 PF=0.65，二者基本一致。实际 LED 驱动电源的输入功率：

　　3. 谐波的危害

　　谐波的危害 由以上分析计算可知，这类 LED 驱动电源输入电流谐波含量高，对于这类装置如功率 不大和少量的使用，其危害性也许不一定会表现出来，然而若成千上万的大量密集地使用， 它所产生的谐波电流总量会严重污染整个供电系统和其他用电用户，同时也使电网电压波 形发生畸变。理论和实践证明，过大的电流谐波会产生以下危害：

　　A. 能使配电设施如电力变压器和发电机、感性负载设备如电动机等磁性材料的铁芯损 耗 Pkz 得到额外的增加，即增加了由于谐波电流引起的磁滞损耗 Ph 分量和涡流损耗 Pc 分 量，使其过热而损坏，见式（21） ，其中 fn 是各次谐波电流频率。

　　B. 谐波电流通过功率补偿设备的电力电容器，图5是电容器的等效图。由图5可见，当由谐波电流引起的容抗与寄生电感引起的感抗相等时形成谐振，产生强大的谐波电流， 从而导致电力电容器过流或过压损坏。

　　图5

　　C. 能对线路上的继电保护、仪器仪表、自动控制、电子通讯、卫星导航以及计算机系统产生强烈的干扰，从而引起误动作、出现噪声等异常现象。

　　D. 在三相四线制供电系统的中，线路正常时三相交流电基本平衡，各相电流在中线内相互抵消，理论上中线电流接近于零，因此我国电力系统的中线一般比相线细。然而过大 的三相三次及高次谐波电流，会使电网的相电流无法在中线内相互抵消，致使中线内电流 产生叠加而过流损坏，线路示意图如图6此外，中线电流过大引起三相不平衡，即三相电位发生偏移，严重时导致大批 LED 灯具烧毁，甚至引起火灾！

　　图6

　　E. 当大量的大功率的高谐波含量的电源设备使用时，其偶次谐波（a2、a4、a6……） 不容忽视，它使供电回路电流正负半周不对称。尤其是含量较大的二次谐波，它的直流分量使电力变压器铁芯产生局部磁化，损耗增大，严重时会危及变压器及电力运行安全。 因此，无论是从保护电力系统安全还是从保护用电设备和人身安全来看，严格控制并 限定电流谐波含量，以减少谐波污染造成的危害已成为人们的共识。

　　4. 降低 THD 的措施

　　随着开关电源类电子产品的应用普及，国际电工委员会制定了 IEC61000-3-2、欧盟制 定了 EN60555-2 和我国制定了 GB17625.1-2003 等法规，对用电设备的电压、电流波形失真 作出了具体限制和规定。目前这些法规也适用于 LED 灯具及 LED 驱动电源。 对于输入有功功率大于 25W 的 LED 照明灯具，谐波电流不应超过表 2 限值。

　　表 2. C 类设备的限值

　　对于输入有功功率不大于 25W 的 LED 照明灯具，规定符合如下的其中一项：

　　a.谐波电流不应超过表 3 的第 2 栏中与功率相关的限值；

　　表3 D类设备的限制

　　b. 用基波电流百分数表示的 3 次谐波电流不应超过 86%，5 次谐波不超过 61%;而且， 假设基波电压过零点为 0°，输入电流波形应是 60°或之前开始流通，65°或之前有最后 一个峰值（如果在半个周期内有几个峰值） ，在 90°前不应停止流通。

　　图 1 所示的 LED 驱动电源的输入功率为 8.8W，根据表 3 第 2 栏的限值，THD 显然超标。 一个好的 LED 驱动电源，不仅需要高功率因数 PF，而且还要实现低 THD，使奇次谐波含量 不超过标准规定值。

　　但有的电源设计者，为了片面强调高 PF 而将滤波电容值减小，其结果是桥式整流器的 导通角增加，PF 增大，但桥式整流器输出的脉动直流电压导致电路的峰值电流极高，使电 源变换器的功率管等损耗剧增，很容易损坏功率管、高频变压器、高频输出整流管元件。

　　目前，性能比较优良的 LED 驱动电源，均采用了有源功率因数校正（Advantage Power Factor Correetion）APFC 电路，图 7 是一种常用的临界导通模式（TCM）的单级 PFC 反激式电源变换器示意图。

　　图7

　　这种电路能使输入电流即电感电流的波形（见图 8）与整流二极管输出的脉动电压波形保持一致的特点，不存在整流二极管导通角的影响，因此输入电流与输入电压的具有相同 相位，如图 9 所示。

　　图8

　　图9

　　这种电路的功率因数 PF 与总谐波失真 THD 的关系如下：

该电路通常可以做到 PF≥0.96、THD≤30%，甚至可以使 PF 值接近于 1，输入电流失真 系数 K=I1 / Irms≤3，THD≤10%. 图 10 的输入电路是一种通用的填谷式的无源功率因数控制（PPFC）电路