LED球泡灯谐波和功率特性研究

高 敏，黄 炜，王语洁，曹义力，朱明星

(1.安徽武怡电气科技有限公司，安徽 合肥 230081；2.国际铜业协会(中国)，上海 200020；3.安徽大学电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601)

引言

近年来，随着LED应用技术的不断突破，LED灯具的节能效果已非常显著[1-2]。由于LED灯具有高效节能、超长寿命、绿色环保等诸多优点，LED照明的市场规模正在不断扩大。LED灯具一般采用直流供电，当采用交流市电供电时，需要增加整流环节，而整流器是典型的谐波源，会产生谐波电流注入电网。同时，LED灯具呈阻容特性，在工作过程中还会产生容性无功注入电网。虽然单个灯具的功率较小，其对电网电压波形畸变和功率因数的影响可以忽略，但随着LED灯具应用的普及，LED灯规模接入电网时，其对电网电能质量的影响应引起足够的重视。

1 LED球泡灯驱动电源

LED球泡灯驱动电源种类繁多，根据输入和输出是否有变压器隔离，将LED球泡灯驱动电源分为隔离型驱动电源和非隔离型驱动电源。这两类驱动电源各有优势，隔离型驱动电源主要优点是安全性较高，但增加变压器隔离后，驱动电源的体积、效率以及功率因数方面均不及非隔离电源。因此，当前我国市场上主流的LED球泡灯均采用非隔离型驱动电源进行供电[4]。

对于非隔离型驱动电源，根据驱动电源的拓扑及实现原理的不同，又可分为电阻限流式驱动电源、恒流二极管限流驱动电源、阻容降压驱动电源、线性驱动电源、降压恒流驱动电源(NPFC、PPFC和APFC)等诸多类型，但目前我国市场上LED球泡灯主要采用阻容降压和降压恒流两种非隔离型驱动电源，而降压恒流驱动根据是否含有功率因数校正技术，又可分为无功率因数校正和有功率因数校正。

1.1 阻容降压驱动电源

由于阻容降压驱动电源成本低廉、电路结构简单，而且对LED模块的工作电压范围几乎无要求，通用性较高，因此在LED球泡灯中应用较多[5]。阻容降压驱动电源的典型拓扑结构如图1所示[6]，其中电容C1的作用是降压和限流，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻；C2、C3的作用是滤波，用于将整流后的脉动直流电压滤波呈平稳的直流电压。由于电容C1承担了大部分的压降，所以采用阻容降压驱动电源的LED球泡灯的功率因数都很低，一般在0.2～0.4之间。压敏电阻RV的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压对地泄放掉，从而保护LED不被瞬间高压击穿，但在实际应用电路中大多没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制二极管。

图1 阻容降压驱动电源典型拓扑结构Fig.1 Typical topology of drag reduction drive power supply

采用阻容降压驱动电源的LED球泡灯性能和稳定性较差，在电网电压波动时极易烧坏LED，同时输出高压非隔离，要求采用绝缘防护外壳。且功率因数低，寿命短，一般只适用于经济型小功率产品(5 W以内)。但在目前市场上，要求不高的低端型产品几乎全部采用阻容降压电源，另外，一些高功率的便宜低端产品，也有采用阻容降压驱动电源。

1.2 降压恒流驱动电源

降压恒流驱动电源主要由单相桥式不控整流电路、电容滤波电路、恒流控制电路等构成。单相桥式不控整流电路将50 Hz的正弦波交流电变化为100 Hz的半正弦波脉动直流电，通过直流侧的电解电容将脉动电压变换为波动较小的直流电压，再通过恒流控制电路控制电流，使电流值不受输入电压波动的影响。降压恒流驱动电源拓扑结构见图2。

图2 降压恒流驱动电源典型拓扑结构Fig.2 Typical topology of step-down constant current drive power supply

由于直流侧大电容的存在，该电路功率因数往往只有0.5左右，但是因为其结构简单，效率高达90%以上，恒流精度较高，负载调整率也较高，因此大部分追求品质的LED球泡灯生产商选用降压恒流控制方案。

为了解决降压恒流驱动电源功率因数偏低的问题，可在电路中增加PFC(功率因数校正)电路。功率因数校正电路分为无源校正(PPFC)和有源校正(APFC)两种类型，其中PPFC中不含有源器件，仅由电阻、电容、电感或二极管等无源元器件组成；APFC电路中包含开关管和专用的集成芯片。有源功率因数校正电路能够使输入电流的平均值基本上按输入电压的正弦波变化，功率因数可达0.95以上，输入电流总谐波畸变率在3%～5%，直流侧电压和输出功率也基本保持稳定，但APFC电流价格较贵，所以一般多采用PPFC电路[7]。

2 LED球泡灯功率特性分析

本文选取了市场上主流的5个品牌的18个型号LED球泡灯进行测试分析，为便于说明，分别用字母和数字组合标示各品牌及其功率，如A5表示A品牌5 W的LED球泡灯。针对选取的18个型号LED球泡灯，在220 V标准电压下测试了其功率特性，其中各灯具的有功功率测试值与标称值对比如图3所示。

图3 LED球泡灯测试功率与标称功率对比图Fig.3 Contrast diagram of test power and nominal power of LED bulb lamp

由图3可见，在标准电压下，实测的各LED球泡灯有功功率与其标称值存在一定的偏差。其中A品牌标称5 W的LED球泡灯，实测有功功率仅2.999 W，比标称功率低40%，偏差较大。其他型号的LED球泡灯实测有功功率与标称功率的偏差率均在-15%～﹢10%之间，满足标准GB/T 24908—2014《普通照明用非定向自镇流LED灯 性能要求》对LED灯功率偏差(±15%)的要求。

LED球泡灯标示的功率因数一般指总功率因数λ，即总有功功率和总视在功率之比，如下：

(1)

(2)

式中，λ为总功率因数，此定义包括电压和电流的谐波分量以及基波电压和基波电流之间相位移的影响；cosφ1为基波位移功率因数。可见，当系统中存在谐波成分时，谐波电流含量越大，λ与cosφ1的比值越小。在220 V标准电压下测试的各LED球泡灯位移功率因数和总功率因数对比如图4所示。

图4 LED球泡灯位移功率因数与总功率因数对比图Fig.4 The contrast diagram of the displacement power factor and the total power factor of the LED bulb lamp

对比测试数据，由于B5、E5采用阻容降压驱动电源，降压电容承担了大部分的压降，导致功率因数偏低，其对应的位移功率因数和总功率因数在0.2～0.4之间，其无功功率达到有功功率的2～5倍。而A16和A19采用了PFC技术，其位移功率因数和总功率因数均在0.9以上，无功功率含量较小。其他型号的LED球泡灯采用了无PFC校正的降压恒流驱动电源，虽然位移功率因数大多在0.9以上，但由于THDi较大，总功率因数基本集中在0.5～0.6之间。

根据测试分析结果，以上三种驱动类型的LED球泡灯均呈阻容特性，在工作过程中会产生无功功率注入系统。但需要注意的是，目前LED灯具标示的功率因数均指总功率因数，而非位移功率因数，因此在进行负荷计算或针对照明线路进行无功补偿时，应明确具体的无功发生量。

3 LED球泡灯谐波特性分析

针对选取的18个型号的LED球泡灯，在220 V标准电压下测试了各LED球泡灯的谐波电流特性。不同型号的LED球泡灯谐波电流含有率变化趋势如图5所示。

图5 不同LED球泡灯谐波电流含有率对比图Fig.5 Contrast diagram of harmonic current in different LED bulb lamps

可见，由于LED球泡灯驱动电路采用了单相桥式不控整流电路，其主导谐波电流以3次、5次、7次等奇次谐波电流为主，且随着频率的增加谐波电流含有率快速衰减。由于A16和A19的驱动电路采用了PFC技术，增加了滤波和功率因数校正环节，使得采用该驱动电路的LED球泡灯电流近似接近正弦波，对应的总谐波电流畸变率在15%左右，如图6所示。而B5和E5采用的是阻容降压驱动电源，由于交流侧降压电容承担了大部分的压降，会产生很大的容性无功电流，导致基波电流偏大，从而导致采用该类驱动电源的LED球泡灯的各次谐波电流含有率及电流总谐波畸变率偏低，总谐波电流畸变率在30%左右，但对应的总谐波电流含量却并不低，如B5和E5的总谐波电流含量分别为28.07 mA和21.82 mA，而采用降压恒流驱动电源的A5总谐波电流含量也仅有21.46 mA。因此，对于同功率的LED球泡灯，采用降压恒流驱动和阻容降压驱动的总谐波电流含量差距不大。对于其他型号的LED球泡灯，均采用的是降压恒流驱动，且未增加功率因数校正环节，对应的总谐波电流畸变率明显偏大，THDi集中在120%～160%之间。

图6 不同LED球泡灯总谐波电流含量和总谐波电流畸变率对比图Fig.6 Contrast diagram of IH and THDi of different LED bulb lamps

图7 不同LED球泡灯3次和5次谐波电流相位分布Fig.7 Phase distribution of 3rd and 5th Ih of different LED bulb lamps

为了研究不类型LED球泡灯谐波电流相位分布特性，在基波电压过零点时刻分析不同类型LED球泡灯各次谐波电流的初相位分布，其中各LED球泡灯的3次和5次谐波电流初相位分布如图7所示。可见，同类型驱动电源的LED球泡灯的同次谐波电流初相位分布具有一致性，而不同类型驱动电源的LED球泡灯的谐波电流初相位分布差异较大。如采用降压恒流驱动电源的LED球泡灯，其3次谐波电流初相位集中在一个30°区间内，5次谐波电流初相位集中在一个60°区间内；而采用阻容降压驱动电源的LED球泡灯(B5和E5)，与采用降压恒流驱动电源LED球泡灯的3次谐波电流初相位基本反相；采用PFC技术的LED球泡灯(A16和A19)，与前两种类型驱动电源的谐波相位分布也存在较大的差异。因此，对于LED灯具集中的场合，可选择不同驱动类型的LED球泡灯实现谐波减弱的目的。

4 结束语

随着LED技术的发展，LED灯具在照明市场上的应用逐渐开始普及，虽然单个LED灯具的功率及谐波电流发生量均较小，但由于LED灯具的数量众多，其对电网的影响不容忽视。本文针对市场上常见的三种驱动类型LED球泡灯，从功率和谐波两个方面进行了分析与研究，不同类型驱动电源的LED球泡灯谐波和功率均呈现出一定的特性：

1)在运行功率方面，大部分LED球泡灯有功偏差满足GB/T 24908—2014的要求，但也有部分小功率LED球泡灯的功率偏差超标，达到了40%。

2)在功率因数方面，采用PFC技术的LED球泡灯功率因数最高，可达0.9以上，采用降压恒流驱动(NPFC)的LED球泡灯功率因数主要集中在0.5～0.6之间，而采用阻容降压驱动电源的LED球泡灯功率因数主要集中在0.2～0.4之间。由于阻容降压驱动的LED球泡灯功率因数很低，在运行过程中其无功功率可达到有功功率的2～5倍。

3)在谐波电流方面，采用PFC技术的LED球泡灯总谐波电流畸变率在15%左右，采用阻容降压驱动的LED球泡灯总谐波电流畸变率在30%左右，而采用降压恒流驱动(NPFC)的LED球泡灯的总谐波电流畸变率在120%～160%之间。但在总谐波电流含量方面，采用阻容降压驱动和采用降压恒流驱动(NPFC)的同功率LED球泡灯的谐波电流含量相差不大。对于谐波电流的相位分布特性，采用同类型驱动电源的LED球泡灯的同次谐波初相位分布具有一致性，而采用不同类型驱动电源的LED球泡灯的谐波电流相位分布存在较大的差异。

[1] 陆海川. LED室内照明灯具研究[D]. 成都：电子科技大学, 2014.

[2] 王国强. LED照明灯具应用案例[J]. 上海节能, 2013(6):46-47.

[3] 颜重光. 非隔离恒流驱动电源已成主流[J]. 电子产品世界, 2013(11):22-23.

[4] 杨卫杰. 阻容降压电路在LED灯串中的应用[J]. 工程技术(引文版), 2016，2:00015.

[5] 李环平. LED驱动电源的研究与设计[D]. 广州：华南理工大学, 2010.

[6] 来清民. LED照明驱动电路设计应用实例[M]. 北京：中国电力出版社, 2015.