LED電源總諧波失真的分析、測量及預防

　　1. 總諧波失真THD與功率因數 PF 的關係

　　市面上很多的 LED 驅動電源，其輸入電路採用簡單的橋式整流器和電解電容器的整流 濾波電路，見圖 1.

　　

　　圖1

　　該電路只有在輸入交流電壓的峰值附近，整流二極體才出現導通，因此其導通角θ比 較小，大約為 60°左右，致使輸入電流波形為尖狀脈衝，脈寬約為 3ms，是半個周期（10ms） 的 1/3.輸入電壓及電流波形如圖 2 所示。由此可見，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載所致。

　　

　　圖2

　　對於 LED 驅動電源輸入電流產生畸變的非正弦波，須用傅立葉（Fourier）級數描述。 根據傅立葉變換原理，瞬時輸入電流可表為：

　　

　　每一個電流諧波，通常會有一個正弦或餘弦周期，n 次諧波電流有效值 In 可用下式計算：

　　

　　輸入總電流有效值

　　

　　上式根號中，I1 為基波電流有效值，其餘的 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。定義為

　　

　　根據功率因數 PF 的定義，功率因數 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； U cosΦ1 叫相移因數， 它反映了基波電流 i1 與電壓 u 的相位關係， Φ1 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 叫輸入電流失真係數。上式表明，在 LED 驅動電源等非線性的開關電源電路中，功率 因數 PF 不僅與基波電流 i1 電壓 u 之間的相位有關，而且還與輸入電流失真係數 K 有關。 將式（6）代入式（7） ，則功率因數 PF 與總諧波失真 THD 有如下關係：

　　

　　上式說明，在相移因數 cosΦ1 不變時，降低總諧波失真 THD，可以提高功率因數 PF;反之 也能說明， PF 越高則 THD 越小。 例如，通過計算，當相移角 Φ1=0 時，THD=30% @ PF=0.9578;THD=10% @ PF=0.9950.

　　2. 諧波測量與分析

　　為了很好地分析如圖 1 所示的 LED 驅動電源的諧 波含量，介紹一種使用示波器測量輸 入電流的方法。先在電源輸入迴路串接一個 10-20W 或以上的大功率電阻如 R=10 OHM，通電 後測量大功率電阻上兩端的電壓波形，由於純功率電阻上兩端的電壓與電流始終是同相位， 因此電阻上的脈衝電壓波形亦即代表了輸入電流的脈衝波形，但數值大小不同。由波形顯 示可知，其脈衝電流 i（t）與圖 2 的電流波形是一致的，見圖3.

　　

　　圖3

　　此電流脈衝波近似於餘弦脈衝波，因此可用餘弦脈衝函數表為：

　　

　　為了計算方便，現取正弦交流輸入電壓的一個周期 T：-5ms≤t≤15ms，即 T=20ms.由此， 一個周期為 20ms 的輸入脈衝電流的表達式如下：

　　

　　上式中，餘弦脈衝電流幅值 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，已知測得 Um=1.5V，則 Im=1.5/10=0.15A.圖中脈衝寬度τ=3ms. 對於圖 2 所示的輸入電流波形，是關於前後半波上下對稱的奇次對稱波，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）的輸入電流波形進行傅立葉分解得：

　　

　　根據積分公式：

　　

　　並且有 a=π/τ，b=nω，ω=2π/T，因此有：

　　

　　當 n=1 時將 T=20ms、τ=3ms、Im=0.15A 代入上式，得

　　

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

　　同理，分別計算 a3，a5，a7，a9 次諧波幅值，如表 1 所示。

　　

　　表 1.諧波幅值表

　　根據表 1，LED 驅動電源的輸入電流的傅立葉級數為：

　　

　　根據諧波幅值 Inm 與諧波有效值 In 的關係，諧波有效值：

　　

　　由式（16） ，則分別計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. 根據式（5） ，LED 驅動電源的輸入總電流有效值：

　　

　　將表 1 數據代入式（17） ，則輸入總電流有效值 Irms=0.058（A） 。實際中，這個輸入電 流值可用測量真有效值的萬用表測得或由功率計的輸入電流顯示屏讀取。 根據式（6）計算總諧波失真：

　　

　　根據表 1 的諧波幅值數據，並以基波（一次諧波）分量 100%為基準，制定諧波電流幅值頻譜圖（忽略高於 9 次以上的諧波）見圖 4.

　　

　　圖4

　　現按式（7）計算功率因數 PF，當基波相移角 Φ1 為零， cosΦ1=1 則有：

　　

　　實測 PF=0.65，二者基本一致。實際 LED 驅動電源的輸入功率：

　　

　　3. 諧波的危害

　　諧波的危害 由以上分析計算可知，這類 LED 驅動電源輸入電流諧波含量高，對於這類裝置如功率 不大和少量的使用，其危害性也許不一定會表現出來，然而若成千上萬的大量密集地使用， 它所產生的諧波電流總量會嚴重汙染整個供電系統和其他用電用戶，同時也使電網電壓波 形發生畸變。理論和實踐證明，過大的電流諧波會產生以下危害：

　　A. 能使配電設施如電力變壓器和發電機、感性負載設備如電動機等磁性材料的鐵芯損 耗 Pkz 得到額外的增加，即增加了由於諧波