隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，開(kāi)關(guān)電源等電力設(shè)備得到了普遍應(yīng)用。但因開(kāi)關(guān)電源等屬于非線性電路設(shè)備，其輸入電流呈脈沖狀，會(huì)在電網(wǎng)產(chǎn)生大量的電流諧波和無(wú)功功率，進(jìn)而影響了電網(wǎng)的正常運(yùn)行。因此，無(wú)論是從保護(hù)電力系統(tǒng)的安全還是從保護(hù)用電設(shè)備和人身的安全來(lái)看，嚴(yán)格控制并限定電流諧波含量，以減少諧波污染造成的危害已成為人們的共識(shí)。

1.總諧波失真THD與功率因數(shù)PF的關(guān)系

市面上很多的LED驅(qū)動(dòng)電源，其輸入電路采用簡(jiǎn)單的橋式整流器和電解電容器的整流濾波電路，見(jiàn)圖1.

圖1

該電路只有在輸入交流電壓的峰值附近，整流二極管才出現(xiàn)導(dǎo)通，因此其導(dǎo)通角比較小，大約為60左右，致使輸入電流波形為尖狀脈沖，脈寬約為3ms，是半個(gè)周期（10ms）的1/3.輸入電壓及電流波形如圖2所示。由此可見(jiàn)，造成LED電源輸入電流畸變的根本原因是使用了直流濾波電解電容器的容性負(fù)載所致。

關(guān)于LED驅(qū)動(dòng)電源輸入電流產(chǎn)生畸變的非正弦波，須用傅里葉（Fourier）級(jí)數(shù)描述。根據(jù)傅里葉變換原理，瞬時(shí)輸入電流可表為：

每一個(gè)電流諧波，通常會(huì)有一個(gè)正弦或余弦周期，n次諧波電流有效值In可用下式計(jì)算：

輸入總電流有效值

上式根號(hào)中，I1為基波電流有效值，其余的I2，3，分別代表2，3，n次諧波電流有效值。用基波電流百分比表示的電流總諧波含量叫總諧波失真（THD），總諧波含量反映了波形的畸變特性，因此也叫總諧波畸變率。含義為

根據(jù)功率因數(shù)PF的含義，功率因數(shù)PF是指交流輸入的有功功率P與輸入視在功率S之比值，即

其中，為輸入電源電壓；UcosPhi1叫相移因數(shù)，它反映了基波電流i1與電壓u的相位關(guān)系，Phi1是基波相移角；輸入基波電流有效值I1與輸入總電流有效值Irms的百分比即K=I1/Irms叫輸入電流失真系數(shù)。上式表明，在LED驅(qū)動(dòng)電源等非線性的開(kāi)關(guān)電源電路中，功率因數(shù)PF不僅與基波電流i1電壓u之間的相位有關(guān)，而且還與輸入電流失真系數(shù)K有關(guān)。將式（6）代入式（7），則功率因數(shù)PF與總諧波失真THD有如下關(guān)系：

上式說(shuō)明，在相移因數(shù)cosPhi1不變時(shí)，降低總諧波失真THD，可以提高功率因數(shù)PF反之也能說(shuō)明，PF越高則THD越小。例如，通過(guò)計(jì)算，當(dāng)相移角Phi1=0時(shí)，THD=30%@PF=0.9578THD=10%@PF=0.9950.

2.諧波測(cè)量與分析

為了很好地分析如圖1所示的LED驅(qū)動(dòng)電源的諧波含量，介紹一種使用示波器測(cè)量輸入電流的方法。先在電源輸入回路串接一個(gè)10-20W或以上的大功率電阻如R=10OHM，通電后測(cè)量大功率電阻上兩端的電壓波形，由于純功率電阻上兩端的電壓與電流始終是同相位，因此電阻上的脈沖電壓波形亦即代表了輸入電流的脈沖波形，但數(shù)值大小不同。由波形顯示可知，其脈沖電流i（t）與圖2的電流波形是一致的，見(jiàn)圖3.

圖3

此電流脈沖波近似于余弦脈沖波，因此可用余弦脈沖函數(shù)表為：

為了計(jì)算方便，現(xiàn)取正弦交流輸入電壓的一個(gè)周期T：-5msletle15ms，即T=20ms.由此，一個(gè)周期為20ms的輸入脈沖電流的表達(dá)式如下：

上式中，余弦脈沖電流幅值Im可由示波器顯示的電壓幅值與電阻值之比而算出，即Im=Um/R，已知測(cè)得Um=1.5V，則Im=1.5/10=0.15A.圖中脈沖寬度=3ms.關(guān)于圖2所示的輸入電流波形，是關(guān)于前后半波上下對(duì)稱(chēng)的奇次對(duì)稱(chēng)波，因而只含有a1、a3、a5等奇次諧波分量，而直流分量a0和偶次諧波分量a2、a4、a6均為零。將式（10）的輸入電流波形進(jìn)行傅里葉分解得：

根據(jù)積分公式：

并且有a=pi/，b=n，=2pi/T，因此有：

當(dāng)n=1時(shí)將T=20ms、=3ms、Im=0.15A代入上式，得

計(jì)算得基波電流幅值a1=I1m=0.06（0.608+0.327）=0.056（A）。

同理，分別計(jì)算a3，a5，a7，a9次諧波幅值，如表1所示。

表1.諧波幅值表

根據(jù)表1，LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入電流的傅里葉級(jí)數(shù)為：

根據(jù)諧波幅值Inm與諧波有效值In的關(guān)系，諧波有效值：

由式（16），則分別計(jì)算各次諧波電流有效值如下（單位A）：I1=0.040，I3=0.033，I5=0.023，I7=0.012，I9=0.003.根據(jù)式（5），LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入總電流有效值：

將表1數(shù)據(jù)代入式（17），則輸入總電流有效值Irms=0.058（A）。實(shí)際中，這個(gè)輸入電流值可用測(cè)量真有效值的萬(wàn)用表測(cè)得或由功率計(jì)的輸入電流顯示屏讀取。根據(jù)式（6）計(jì)算總諧波失真：

根據(jù)表1的諧波幅值數(shù)據(jù)，并以基波（一次諧波）分量100%為基準(zhǔn)，制定諧波電流幅值頻譜圖（忽略高于9次以上的諧波）見(jiàn)圖4.

圖4

現(xiàn)按式（7）計(jì)算功率因數(shù)PF，當(dāng)基波相移角Phi1為零，cosPhi1=1則有：

實(shí)測(cè)PF=0.65，二者基本一致。實(shí)際LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入功率：

3.諧波的危害

諧波的危害由以上分析計(jì)算可知，這類(lèi)LED驅(qū)動(dòng)電源輸入電流諧波含量高，關(guān)于這類(lèi)裝置如功率不大和少量的使用，其危害性也許不一定會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，然而若成千上萬(wàn)的大量密集地使用，它所產(chǎn)生的諧波電流總量會(huì)嚴(yán)重污染整個(gè)供電系統(tǒng)和其他用電用戶(hù)，同時(shí)也使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變。理論和實(shí)踐證明，過(guò)大的電流諧波會(huì)產(chǎn)生以下危害：

A.能使配電設(shè)施如電力變壓器和發(fā)電機(jī)、感性負(fù)載設(shè)備如電動(dòng)機(jī)等磁性材料的鐵芯損耗Pkz得到額外的新增，即新增了由于諧波電流引起的磁滯損耗Ph分量和渦流損耗Pc分量，使其過(guò)熱而損壞，見(jiàn)式（21），其中fn是各次諧波電流頻率。

B.諧波電流通過(guò)功率補(bǔ)償設(shè)備的電力電容器，圖5是電容器的等效圖。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)由諧波電流引起的容抗與寄生電感引起的感抗相等時(shí)形成諧振，產(chǎn)生強(qiáng)大的諧波電流，從而導(dǎo)致電力電容器過(guò)流或過(guò)壓損壞。

圖5

C.能對(duì)線路上的繼電保護(hù)、儀器儀表、自動(dòng)控制、電子通訊、特種以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，從而引起誤動(dòng)作、出現(xiàn)噪聲等異常現(xiàn)象。

D.在三相四線制供電系統(tǒng)的中，線路正常時(shí)三相交流電基本平衡，各相電流在中線內(nèi)相互抵消，理論上中線電流接近于零，因此我國(guó)電力系統(tǒng)的中線一般比相線細(xì)。然而過(guò)大的三相三次及高次諧波電流，會(huì)使電網(wǎng)的相電流無(wú)法在中線內(nèi)相互抵消，致使中線內(nèi)電流產(chǎn)生疊加而過(guò)流損壞，線路示意圖如圖6此外，中線電流過(guò)大引起三相不平衡，即三相電位發(fā)生偏移，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致大批LED燈具燒毀，甚至引起火災(zāi)！

圖6

E.當(dāng)大量的大功率的高諧波含量的電源設(shè)備使用時(shí)，其偶次諧波（a2、a4、a6）不容忽視，它使供電回路電流正負(fù)半周不對(duì)稱(chēng)。尤其是含量較大的二次諧波，它的直流分量使電力變壓器鐵芯產(chǎn)生局部磁化，損耗增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及變壓器及電力運(yùn)行安全。因此，無(wú)論是從保護(hù)電力系統(tǒng)安全還是從保護(hù)用電設(shè)備和人身安全來(lái)看，嚴(yán)格控制并限定電流諧波含量，以減少諧波污染造成的危害已成為人們的共識(shí)。

4.降低THD的措施

隨著開(kāi)關(guān)電源類(lèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)用普及，國(guó)際電工委員會(huì)制定了IEC61000-3-2、歐盟制定了EN60555-2和我國(guó)制定了GB17625.1-2003等法規(guī)，對(duì)用電設(shè)備的電壓、電流波形失真作出了具體限制和規(guī)定。目前這些法規(guī)也適用于LED燈具及LED驅(qū)動(dòng)電源。關(guān)于輸入有功功率大于25W的LED照明燈具，諧波電流不應(yīng)超過(guò)表2限值。

表2.C類(lèi)設(shè)備的限值

關(guān)于輸入有功功率不大于25W的LED照明燈具，規(guī)定符合如下的其中一項(xiàng)：

a.諧波電流不應(yīng)超過(guò)表3的第2欄中與功率相關(guān)的限值；

表3D類(lèi)設(shè)備的限制

b.用基波電流百分?jǐn)?shù)表示的3次諧波電流不應(yīng)超過(guò)86%，5次諧波不超過(guò)61%而且，假設(shè)基波電壓過(guò)零點(diǎn)為0，輸入電流波形應(yīng)是60或之前開(kāi)始流通，65或之前有最后一個(gè)峰值（假如在半個(gè)周期內(nèi)有幾個(gè)峰值），在90前不應(yīng)停止流通。

圖1所示的LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入功率為8.8W，根據(jù)表3第2欄的限值，THD顯然超標(biāo)。一個(gè)好的LED驅(qū)動(dòng)電源，不僅要高功率因數(shù)PF，而且還要實(shí)現(xiàn)低THD，使奇次諧波含量不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

但有的電源設(shè)計(jì)者，為了片面強(qiáng)調(diào)高PF而將濾波電容值減小，其結(jié)果是橋式整流器的導(dǎo)通角新增，PF增大，但橋式整流器輸出的脈動(dòng)直流電壓導(dǎo)致電路的峰值電流極高，使電源變換器的功率管等損耗劇增，很容易損壞功率管、高頻變壓器、高頻輸出整流管元件。

目前，性能比較優(yōu)良的LED驅(qū)動(dòng)電源，均采用了有源功率因數(shù)校正（AdvantagePowerFactorCorreetion）APFC電路，圖7是一種常用的臨界導(dǎo)通模式（TCM）的單級(jí)PFC反激式電源變換器示意圖。

圖7

這種電路能使輸入電流即電感電流的波形（見(jiàn)圖8）與整流二極管輸出的脈動(dòng)電壓波形保持一致的特點(diǎn)，不存在整流二極管導(dǎo)通角的影響，因此輸入電流與輸入電壓的具有相同相位，如圖9所示。

圖8

圖9

這種電路的功率因數(shù)PF與總諧波失真THD的關(guān)系如下：

該電路通常可以做到PF0.96、THDle30%，甚至可以使PF值接近于1，輸入電流失真系數(shù)K=I1/Irmsle3，THDle10%.圖10的輸入電路是一種通用的填谷式的無(wú)源功率因數(shù)控制（PPFC）電路，關(guān)于輸入功率較小的LED驅(qū)動(dòng)電源采用此電路，有成本低、線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其功率因數(shù)可在0.85-0.9，但諧波含量往往會(huì)超過(guò)符合規(guī)定。

圖10

它的電壓和輸入電流的波形如圖11

圖11

圖（12）是其測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明諧波含量超標(biāo)。

圖12

圖13

針對(duì)圖10電路的這一缺陷，我們可以提出一種改進(jìn)方案，即在無(wú)源PFC電路中，新增一個(gè)2-5OHM/2W的電阻與二極管D3串聯(lián)（見(jiàn)圖13），這樣可以有效地降低諧波含量，同時(shí)還能進(jìn)一步提高PF，關(guān)于這種結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)電源，是一種很有效的改良方法。

本文轉(zhuǎn)載自電源研發(fā)精英圈公眾號(hào)。