LED照明應用中驅動電源對公共電網的影響及治理

公文禮

（陜西新威電子科技有限公司，西安710086）

1 LED燈具產生諧波污染的根源

在照明電網中，由于許多非線性PFC低的LED驅動電源的接入使用，電路上感性、容性器件引起的雜波通過輸入線纜的反饋疊加，電網的電壓、電流波形實際上不再是完全的正弦波，或多或少存在不同程度畸變的非正弦波。

LED燈具為非線性的電流驅動型發光器件，工作時需要將AC 220 V交流市電變換為DC恒流而驅動LED持續發光。現有的LED照明驅動技術主要有阻容降壓型 （見圖1）和高頻開關電源型 （見圖2）兩大類。阻容降壓型LED驅動電源一般應用在25 W以下的小功率低成本燈具上，如家用LED球泡燈、GU系列LED射燈等。而大功率的LED燈具和工礦燈具大多采用高頻電子開關IGBT或CMOS開關驅動，電路一般由輸入浪涌保護、EMI電路、整流濾波、PFC電路、功率變換、輸出整流濾波、反饋環路控制等部分組成（見圖3）。輸入濾波電路中的電感、電容等元件，造成交流正弦波的相位滯后和電壓、電流波形失真，形成有害諧波污染，通過輸入線纜回饋到電網上，引起電網高次諧波振蕩。若變壓器使用了高頻開關器件，變壓器的漏磁、高頻開關信號的電磁輻射污染不僅浪費了燈具的功率，而且寄生到電網上，造成電力環境低下，如果大量使用LED燈具，不加以限制，對照明電網的危害可想而知，同時也造成LED燈具自身效率低下、頻閃等一系列問題。

有人認為，采用阻容降壓式的家用球泡LED燈性價比較好，似乎不存在瑕疵，實際上這種球炮燈除了沒有高頻開關電源模式的電磁輻射外，其本身沒有功率因數校正，無功功耗大，線路利用率低，在家庭照明使用中由于數量少，問題體現不出來，但在賓館、圖書館等大型照明場所，低功率因數使用燈具多的情況下很容易引起電網效率低，無功功耗大，線路實際負荷大等問題，必須采用無功補償配電裝置才能滿足電網正常運行。這種畸變的非正弦波在LED驅動電源中，電流諧波或者電壓諧波的含量常用諧波畸變率THD來表示。

圖1 采用阻容降壓模式無PF校正的LED驅動電源原理

圖2 采用現代高頻開關電源技術的LED驅動電源原理

圖3 理想化的LED驅動電源原理框圖

2 LED燈具驅動電源引起的諧波危害

衡量公共電網電能質量的主要技術指標有電壓偏差、電壓波動和閃變、頻率偏差、諧波 （電壓、電流諧波畸變率和諧波電壓、電流含有率）和三相不平衡度等參數。這幾種因素中，電壓偏差、電壓波動和閃變對于現代高頻開關電源技術來說很好解決。電壓波動可采用比較成熟的寬輸入電壓電源（90～265 V）驅動方案解決。解決電網的三相不平衡問題則要求將照明燈具由單相220 V接入三相380 V交流電網時，將多盞燈具根據功率大小均勻分配在交流電網的三相上，基本達到三相負載平衡。不同的燈具驅動電源技術方案將產生不同原因的諧波，而治理不同層次的諧波污染是比較復雜的問題。

諧波是一個周期性的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數倍，諧波畸變一般分為電壓畸變 （見表1）和電流畸變。一般照明電網環境下，供電電網的電壓畸變率相對電流畸變率低得多，且電壓畸變多由于電流畸變引起。輸入電流畸變的諧波分量越大，給公共電網造成的污染越嚴重，諧波電流在輸入線路阻抗上的壓降會使電網電壓發生畸變，從而影響供電系統的供電質量，因此，《電磁兼容 限值

諧波電流發射限值 （設備每相輸入電流≤16 A）》（GB 17625.1—2003）中規定了公共照明電網的諧波允許值 （見表2）。

表1 公共電網諧波電壓 （相電壓）限值

表2 C類設備 （照明）的諧波電流允許值

在交流公共電網中，由于非線性電氣設備的投入運行，其電壓、電流波形實際上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。非正弦波通常是周期性電氣分量，根據傅里葉級數分析，可分解成基波分量和具有基波分量整數倍的諧波分量。非正弦波的電壓或電流有效值等于基波和各次諧波電壓或電流有效值的方均根值（平方和的平方根）。基波頻率為電網頻率（工頻50 Hz）。諧波次數n是諧波頻率與基波頻率的整數比（見表3）。

諧波含有率是周期性電氣量中含有的第n次諧波分量有效值與基波分量有效值之比，用百分數表示。

表3 燈具的n次諧波允許值

首先，諧波會增加電網電路的無功損耗，在電力變壓器中，諧波分量不僅增加了銅損，還會增加磁滯和渦流損耗，尤其是在LED驅動電源中，多次諧波疊加會相應增加LED頻閃效應。

其次，LED燈具自身驅動電源產生的諧波會對周圍環境的通信設備和醫療設備造成干擾，諧波噪聲會對周圍的通信系統產生干擾。

諧波會引發同一電網系統中的繼電保護裝置誤動作，尤其是在物聯網智能化家居時代，會引起其他設備動作失控，使同一電網上的其他常規儀表產生諧波誤差。醫院、學校實驗室等場所對電網潔凈度要求高，LED燈具需要謹慎安裝使用。

諧波對LED燈具的危害：如果LED燈具的功率因數較低，將導致電能利用率降低，燈具的效率和光通量降低，要提高光通量就需要加大燈具的功率，造成電力資源的浪費。驅動電源中整流二極管的壓降增大，將增大燈具的額外功耗。

LED驅動電源輸入側過大的脈沖電流嚴重危害直流側的濾波電容，降低燈具的使用壽命。

無論是國家標準GB 17625.1—2003還是歐盟國際電工委員會IEC6100.3.2標準，都對大于25 W的LED燈具驅動電源提出了各種限制要求，對于總諧波失真THD和PFC有專門規定。美國的能源之星ENERGY STAR固態照明標準中強制要求住宅用LED燈具PFC高于0.7，商業照明PFC高于0.9。

在照明電網中，過去曾因大量使用熒光燈和其他氣體放電燈，而產生大量三次諧波，三次諧波都從中性線流過，有時甚至超過了其他各相的電流。LED驅動電源整流、濾波電路及PF低下等設計缺陷同樣會產生大量的三次諧波。正常情況下中性線的電流比各相線電流小，設計時中性線的電纜導線較細。在大量三次諧波電流通過中性線時，會造成導線過載過熱、絕緣損耗，進而引發短路甚至火災，必須引起高度重視。

諧波對電網的危害除造成線路損耗外，更重要的是使電網波形畸變，電網雜波污染，供電質量下降，危及各種用電設備的正常運行。

為解決日益嚴重的諧波問題，中國相繼頒布了《電能質量 供電電壓偏差》 （GB／T 12325—2008）、《電能質量 電壓波動和閃變》（GB／T 12326—2008）、《電能質量 公用電網諧波》 （GB／T 14549—1993）、《電能質量 三相電壓不平衡》（GB／T 15543—2008）、《電能質量 電力系統頻率偏差》 （GB／T 15945—2008）等多項標準來保證電能質量。

3 LED燈具驅動電源的諧波治理

電力電網治理諧波方法通常有兩種：1）在照明供配電網中增設功率補償裝置，有源濾波器或無源濾波器，用以補償電網中批量安裝使用LED燈具，驅動電源PFC較低所引起的諧波。2）進一步提升LED燈具驅動電源自身的電路設計能力，設計科學合理的電路，提高電路濾波能力，使之不產生或產生較小的諧波。目前最成熟、最有效的方法是提高LED燈具驅動電源的功率因數，提高輸入端的EMI指標，降低直流輸出端的紋波值，在LED燈具上盡可能消除一次諧波。

由式 （1）可以看出，驅動電源中諧波含量越大，ξ越低，從而導致功率因數越低。在設計LED燈具驅動電源時，只有從輸入電流的相位校正技術和諧波消除技術兩方面考慮，才能提高電路功率因數。

通過反推，如果φ＝0時，THD＜5%，則可使PF控制在0.999 9左右，達到比較理想的治理效果。

在LED燈具的電源驅動電路中，功率因數PFC一般用cosφ表示，φ是正弦電壓和正弦電流的相位差。隨著電子技術的發展，從制造成本方面考慮，現有的LED燈具驅動電源大多采用反激式高頻開關電源拓撲結構 （見圖4），只有較大功率的LED驅動電源才會采用正激雙向推挽電源方案。理想的電網環境下，照明電路交流輸入電壓為標準正弦波，由于開關電源輸入整流濾波電路中二極管的非線性和電容的儲能作用，輸入電流經過二極管、電容等器件后發生了相位的變化和波形的嚴重畸變。在電路設計時，消除這種波形畸變和相位滯后的技術方法通常是在電路中增加PFC功率因數校正電路。

圖4 反激式LED驅動電源原理圖

3.1 LED燈具驅動電源功率因數校正的意義

隨著LED照明燈具的大量普及應用，LED燈具PFC引發的各種問題也逐漸引起了人們的重視，世界各國先后制定了相應的技術標準。目前對25 W以下LED燈具沒有明確的要求，但是對25 W以上的LED燈具PFC指標有明確規定。

LED驅動電源功率因數校正后，由于減少了諧波電流含量，大大降低了對其他用電設備的干擾，電網環境得到了凈化，PFC的提高也有利于提高電網設備的利用率。

LED驅動電源功率因數校正后，燈具電源的輸入電壓范圍可以擴大，一般可達到90～265 V（單相交流220 V），基本上能適應世界各國不同的電壓，有利于LED燈具的全球化應用。

LED驅動電源功率因數校正后，基本穩定的輸出電壓有利于后級DC／DC變換工作點保持穩定和提高恒流控制精度。

LED驅動電源功率因數校正后，可以提高電網設備的安全性。在三相四線制電路中，三次諧波在中線的電路同相位，導致中線電流過大，而中線又無保護裝置，有可能因過電流而引起火災，損壞電氣設備。減少諧波電流分量，減少中線電流，可有效提高供電系統的可靠性。

LED驅動電源功率因數校正進一步提高了燈具自身的可靠性，如果不采取PFC，過大的尖峰脈沖電流嚴重危害直流側的濾波電容，引起二極管正向壓降增加，導致功耗增大。輸入側的EMI濾波元件因承受高峰值電流脈沖，也需要加大參數指標以提高承受能力，無疑增加了燈具的成本。

3.2 LED防爆燈具驅動電源功率的因數校正技術

LED驅動電源的PFC治理從電路控制理論上來說有乘法器法和自然跟蹤法。

平均值電流控制是指輸入電感的電流動態平均值跟蹤電網電壓波形，理論上可以檢測任意直流電壓變流器拓撲中任意支路的電流，該控制方式對噪聲不敏感，適于電流連續CCM模式和電流斷續DCM模式2種工作方式。常見的控制專用芯片為UC3854。

自然跟蹤法有電壓跟蹤控制和峰值電流跟蹤控制兩類。電壓跟蹤控制是在電流斷續工作模式下，使電感電流峰值自然跟蹤電網電壓，其校正效果與輸入、輸出電壓有明顯關系，輸出電壓越低，輸入電流畸變越嚴重。與乘法器法相比，電壓跟蹤控制法簡單，僅需要一個輸出電壓控制開關。因此，大多數LED驅動電源PWM控制IC均可作為電壓跟蹤型PFC電路的控制器。峰值電流跟蹤控制是將電感電流峰值限制在電網周期內的某一固定值，該控制方法只適用于電流連續工作模式，對電路噪聲較敏感，一般用于Boost電路拓撲中。

大功率LED防爆燈具的驅動電源普遍采用開關電源技術，為提高電網供電質量、抑制諧波污染而采用的功率因數校正技術PFC可分為無源功率因數校正PPFC技術和有源功率因數校正APFC技術兩大類。

LED無源功率因數校正PPFC的優點：PPFC實際上是一種自然整流技術，不會帶來功率器件的開關損耗，效率高，電路簡單可靠，無需控制電路，EMI小，燈具效率較高。

缺點：LED驅動輸出電壓不穩定 （造成頻閃），功率因數低，諧波電流大。濾波電感和濾波電容的值較大，電路體積較大，很難達到較高功率因數，一般可到0.9左右，有時很難滿足國家標準規定的諧波限制要求。諧波抑制效果會隨著工作條件的變化而變化，治理效果穩定性差。如瞬間可能產生的諧波值超過設計的參數，會造成濾波器過載或損壞。LED電源的可靠性和整體壽命受到影響。

APFC技術是一種完全強迫整流技術，即在整個工頻周期內功率開關管處于開關狀態。由于電路工作在高頻開關狀態，相對于PPFC技術具有體積小、重量輕、效率高、功率因數高、輸出電壓穩定、諧波電流和對電網側污染低的優點。燈具的功率因數較高，設計較好的電路可以達到0.99。根據電路的功率和負載特點，可以設計成兩級APFC電路和單級APFC電路。在LED高頻驅動電源中，采用單級APFC電路足以達到使用效果。

APFC技術的缺點是控制電路復雜、成本高，且隨著功率的增大和開關頻率的提高，功率器件的損耗明顯增大，引起電路發熱問題。比較完美的PFC技術是綜合PPFC和APFC的優點，在一個工頻周期內既有自然整流時間也有強迫整流時間，即在輸入電壓較低的過零點附近讓開關管工作，處于強迫整流狀態，實現較高的功率因數；當輸入電壓較高時開關管不工作，處于自然工作狀態，降低開關損耗，提高燈具的效率。

LED驅動電源一般采用有源PFC控制策略，主要有雙脈沖方案、半周期脈沖控制方案和雙端脈沖控制方案。

LED驅動電源的控制模式可分為電流連續模式CCM和電流斷續模式DCM。

單級PFC變換器由于控制電路只調節輸出電壓，電路穩定時，占空比恒定。單級PFC的電流能自動跟隨輸入電壓，因此，輸入電流并不是很理想的正弦波形，PF值較低，可滿足IEC6100－3－2標準的規定，總體來說電路結構簡單、成本低、效率高，是比較理想的電路拓撲 （見圖5、圖6）。

在現有的LED驅動硬開關電路中，由于變壓器漏感及寄生電容的影響，在開關轉換瞬間常常會產生很高的電壓尖峰。這個電壓尖峰一方面增加了器件的電壓應力，引起較大的噪聲，另一方面加大了器件的損耗。為抑制電壓尖峰，通常在LED電源變換器中加入RC、RVCD／LC等吸收電路，不足之處是吸收的能量全部損耗在電阻R上，使燈具的電路整體效率下降。為進一步降低開關管的電壓或電流應力，提高效率，使變換電路在高頻率、高效率、高功率密度、高可靠性下工作，近年來各種軟開關驅動技術在單級PFC變換器中得到了廣泛應用。但大多因加入有源吸收輔助電路，使變換器的結構復雜化。目前應用比較成熟的LED驅動電源技術是單級有源鉗位功率因數正變換電路，可使主開關管兩端電壓鉗位在一定數值內，同時實現零電壓 （ZVS）開關。輸入電流工作在DCM狀態下，功率因數在較寬負載范圍內可達到0.97以上，效率最高達到90%，從而實現高效率、高功率因數、低成本的優化方案。

圖5 采用APFC模式的單級非隔離型LED驅動電源原理

圖6 兩級APFC技術方案原理

從LED燈具自身和電網側兩方面，加強燈具生產企業對現行相關LED燈具標準的理解和執行，規范燈具的各項技術指標。電網運行時加強對電力線路的濾波補償和無功補償，優化電網自身的利用率，改善LED燈具存在的缺陷，從而真正發揮LED節能、長壽的優勢。

4 結論

分析LED燈具應用中因驅動電源PFC等引起的諧波污染對公共電網造成的各種危害，根據現有技術條件下LED燈具驅動電源的原理特性，從技術上對減少和抑制LED電源諧波污染提出解決思路。通過LED燈具驅動電源的優化設計，不僅從根本上提高了LED燈具的整體質量，也提高了公共電網的供電質量和用電效率，積極響應了國家節能減排、綠色環保的產業政策。