LED照明应用中驱动电源对公共电网的影响及治理

公文礼

（陕西新威电子科技有限公司，西安710086）

1 LED灯具产生谐波污染的根源

在照明电网中，由于许多非线性PFC低的LED驱动电源的接入使用，电路上感性、容性器件引起的杂波通过输入线缆的反馈叠加，电网的电压、电流波形实际上不再是完全的正弦波，或多或少存在不同程度畸变的非正弦波。

LED灯具为非线性的电流驱动型发光器件，工作时需要将AC 220 V交流市电变换为DC恒流而驱动LED持续发光。现有的LED照明驱动技术主要有阻容降压型 （见图1）和高频开关电源型 （见图2）两大类。阻容降压型LED驱动电源一般应用在25 W以下的小功率低成本灯具上，如家用LED球泡灯、GU系列LED射灯等。而大功率的LED灯具和工矿灯具大多采用高频电子开关IGBT或CMOS开关驱动，电路一般由输入浪涌保护、EMI电路、整流滤波、PFC电路、功率变换、输出整流滤波、反馈环路控制等部分组成（见图3）。输入滤波电路中的电感、电容等元件，造成交流正弦波的相位滞后和电压、电流波形失真，形成有害谐波污染，通过输入线缆回馈到电网上，引起电网高次谐波振荡。若变压器使用了高频开关器件，变压器的漏磁、高频开关信号的电磁辐射污染不仅浪费了灯具的功率，而且寄生到电网上，造成电力环境低下，如果大量使用LED灯具，不加以限制，对照明电网的危害可想而知，同时也造成LED灯具自身效率低下、频闪等一系列问题。

有人认为，采用阻容降压式的家用球泡LED灯性价比较好，似乎不存在瑕疵，实际上这种球炮灯除了没有高频开关电源模式的电磁辐射外，其本身没有功率因数校正，无功功耗大，线路利用率低，在家庭照明使用中由于数量少，问题体现不出来，但在宾馆、图书馆等大型照明场所，低功率因数使用灯具多的情况下很容易引起电网效率低，无功功耗大，线路实际负荷大等问题，必须采用无功补偿配电装置才能满足电网正常运行。这种畸变的非正弦波在LED驱动电源中，电流谐波或者电压谐波的含量常用谐波畸变率THD来表示。

图1 采用阻容降压模式无PF校正的LED驱动电源原理

图2 采用现代高频开关电源技术的LED驱动电源原理

图3 理想化的LED驱动电源原理框图

2 LED灯具驱动电源引起的谐波危害

衡量公共电网电能质量的主要技术指标有电压偏差、电压波动和闪变、频率偏差、谐波 （电压、电流谐波畸变率和谐波电压、电流含有率）和三相不平衡度等参数。这几种因素中，电压偏差、电压波动和闪变对于现代高频开关电源技术来说很好解决。电压波动可采用比较成熟的宽输入电压电源（90～265 V）驱动方案解决。解决电网的三相不平衡问题则要求将照明灯具由单相220 V接入三相380 V交流电网时，将多盏灯具根据功率大小均匀分配在交流电网的三相上，基本达到三相负载平衡。不同的灯具驱动电源技术方案将产生不同原因的谐波，而治理不同层次的谐波污染是比较复杂的问题。

谐波是一个周期性的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍，谐波畸变一般分为电压畸变 （见表1）和电流畸变。一般照明电网环境下，供电电网的电压畸变率相对电流畸变率低得多，且电压畸变多由于电流畸变引起。输入电流畸变的谐波分量越大，给公共电网造成的污染越严重，谐波电流在输入线路阻抗上的压降会使电网电压发生畸变，从而影响供电系统的供电质量，因此，《电磁兼容 限值

谐波电流发射限值 （设备每相输入电流≤16 A）》（GB 17625.1—2003）中规定了公共照明电网的谐波允许值 （见表2）。

表1 公共电网谐波电压 （相电压）限值

表2 C类设备 （照明）的谐波电流允许值

在交流公共电网中，由于非线性电气设备的投入运行，其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。非正弦波通常是周期性电气分量，根据傅里叶级数分析，可分解成基波分量和具有基波分量整数倍的谐波分量。非正弦波的电压或电流有效值等于基波和各次谐波电压或电流有效值的方均根值（平方和的平方根）。基波频率为电网频率（工频50 Hz）。谐波次数n是谐波频率与基波频率的整数比（见表3）。

谐波含有率是周期性电气量中含有的第n次谐波分量有效值与基波分量有效值之比，用百分数表示。

表3 灯具的n次谐波允许值

首先，谐波会增加电网电路的无功损耗，在电力变压器中，谐波分量不仅增加了铜损，还会增加磁滞和涡流损耗，尤其是在LED驱动电源中，多次谐波叠加会相应增加LED频闪效应。

其次，LED灯具自身驱动电源产生的谐波会对周围环境的通信设备和医疗设备造成干扰，谐波噪声会对周围的通信系统产生干扰。

谐波会引发同一电网系统中的继电保护装置误动作，尤其是在物联网智能化家居时代，会引起其他设备动作失控，使同一电网上的其他常规仪表产生谐波误差。医院、学校实验室等场所对电网洁净度要求高，LED灯具需要谨慎安装使用。

谐波对LED灯具的危害：如果LED灯具的功率因数较低，将导致电能利用率降低，灯具的效率和光通量降低，要提高光通量就需要加大灯具的功率，造成电力资源的浪费。驱动电源中整流二极管的压降增大，将增大灯具的额外功耗。

LED驱动电源输入侧过大的脉冲电流严重危害直流侧的滤波电容，降低灯具的使用寿命。

无论是国家标准GB 17625.1—2003还是欧盟国际电工委员会IEC6100.3.2标准，都对大于25 W的LED灯具驱动电源提出了各种限制要求，对于总谐波失真THD和PFC有专门规定。美国的能源之星ENERGY STAR固态照明标准中强制要求住宅用LED灯具PFC高于0.7，商业照明PFC高于0.9。

在照明电网中，过去曾因大量使用荧光灯和其他气体放电灯，而产生大量三次谐波，三次谐波都从中性线流过，有时甚至超过了其他各相的电流。LED驱动电源整流、滤波电路及PF低下等设计缺陷同样会产生大量的三次谐波。正常情况下中性线的电流比各相线电流小，设计时中性线的电缆导线较细。在大量三次谐波电流通过中性线时，会造成导线过载过热、绝缘损耗，进而引发短路甚至火灾，必须引起高度重视。

谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形畸变，电网杂波污染，供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。

为解决日益严重的谐波问题，中国相继颁布了《电能质量 供电电压偏差》 （GB／T 12325—2008）、《电能质量 电压波动和闪变》（GB／T 12326—2008）、《电能质量 公用电网谐波》 （GB／T 14549—1993）、《电能质量 三相电压不平衡》（GB／T 15543—2008）、《电能质量 电力系统频率偏差》 （GB／T 15945—2008）等多项标准来保证电能质量。

3 LED灯具驱动电源的谐波治理

电力电网治理谐波方法通常有两种：1）在照明供配电网中增设功率补偿装置，有源滤波器或无源滤波器，用以补偿电网中批量安装使用LED灯具，驱动电源PFC较低所引起的谐波。2）进一步提升LED灯具驱动电源自身的电路设计能力，设计科学合理的电路，提高电路滤波能力，使之不产生或产生较小的谐波。目前最成熟、最有效的方法是提高LED灯具驱动电源的功率因数，提高输入端的EMI指标，降低直流输出端的纹波值，在LED灯具上尽可能消除一次谐波。

由式 （1）可以看出，驱动电源中谐波含量越大，ξ越低，从而导致功率因数越低。在设计LED灯具驱动电源时，只有从输入电流的相位校正技术和谐波消除技术两方面考虑，才能提高电路功率因数。

通过反推，如果φ＝0时，THD＜5%，则可使PF控制在0.999 9左右，达到比较理想的治理效果。

在LED灯具的电源驱动电路中，功率因数PFC一般用cosφ表示，φ是正弦电压和正弦电流的相位差。随着电子技术的发展，从制造成本方面考虑，现有的LED灯具驱动电源大多采用反激式高频开关电源拓扑结构 （见图4），只有较大功率的LED驱动电源才会采用正激双向推挽电源方案。理想的电网环境下，照明电路交流输入电压为标准正弦波，由于开关电源输入整流滤波电路中二极管的非线性和电容的储能作用，输入电流经过二极管、电容等器件后发生了相位的变化和波形的严重畸变。在电路设计时，消除这种波形畸变和相位滞后的技术方法通常是在电路中增加PFC功率因数校正电路。

图4 反激式LED驱动电源原理图

3.1 LED灯具驱动电源功率因数校正的意义

随着LED照明灯具的大量普及应用，LED灯具PFC引发的各种问题也逐渐引起了人们的重视，世界各国先后制定了相应的技术标准。目前对25 W以下LED灯具没有明确的要求，但是对25 W以上的LED灯具PFC指标有明确规定。

LED驱动电源功率因数校正后，由于减少了谐波电流含量，大大降低了对其他用电设备的干扰，电网环境得到了净化，PFC的提高也有利于提高电网设备的利用率。

LED驱动电源功率因数校正后，灯具电源的输入电压范围可以扩大，一般可达到90～265 V（单相交流220 V），基本上能适应世界各国不同的电压，有利于LED灯具的全球化应用。

LED驱动电源功率因数校正后，基本稳定的输出电压有利于后级DC／DC变换工作点保持稳定和提高恒流控制精度。

LED驱动电源功率因数校正后，可以提高电网设备的安全性。在三相四线制电路中，三次谐波在中线的电路同相位，导致中线电流过大，而中线又无保护装置，有可能因过电流而引起火灾，损坏电气设备。减少谐波电流分量，减少中线电流，可有效提高供电系统的可靠性。

LED驱动电源功率因数校正进一步提高了灯具自身的可靠性，如果不采取PFC，过大的尖峰脉冲电流严重危害直流侧的滤波电容，引起二极管正向压降增加，导致功耗增大。输入侧的EMI滤波元件因承受高峰值电流脉冲，也需要加大参数指标以提高承受能力，无疑增加了灯具的成本。

3.2 LED防爆灯具驱动电源功率的因数校正技术

LED驱动电源的PFC治理从电路控制理论上来说有乘法器法和自然跟踪法。

平均值电流控制是指输入电感的电流动态平均值跟踪电网电压波形，理论上可以检测任意直流电压变流器拓扑中任意支路的电流，该控制方式对噪声不敏感，适于电流连续CCM模式和电流断续DCM模式2种工作方式。常见的控制专用芯片为UC3854。

自然跟踪法有电压跟踪控制和峰值电流跟踪控制两类。电压跟踪控制是在电流断续工作模式下，使电感电流峰值自然跟踪电网电压，其校正效果与输入、输出电压有明显关系，输出电压越低，输入电流畸变越严重。与乘法器法相比，电压跟踪控制法简单，仅需要一个输出电压控制开关。因此，大多数LED驱动电源PWM控制IC均可作为电压跟踪型PFC电路的控制器。峰值电流跟踪控制是将电感电流峰值限制在电网周期内的某一固定值，该控制方法只适用于电流连续工作模式，对电路噪声较敏感，一般用于Boost电路拓扑中。

大功率LED防爆灯具的驱动电源普遍采用开关电源技术，为提高电网供电质量、抑制谐波污染而采用的功率因数校正技术PFC可分为无源功率因数校正PPFC技术和有源功率因数校正APFC技术两大类。

LED无源功率因数校正PPFC的优点：PPFC实际上是一种自然整流技术，不会带来功率器件的开关损耗，效率高，电路简单可靠，无需控制电路，EMI小，灯具效率较高。

缺点：LED驱动输出电压不稳定 （造成频闪），功率因数低，谐波电流大。滤波电感和滤波电容的值较大，电路体积较大，很难达到较高功率因数，一般可到0.9左右，有时很难满足国家标准规定的谐波限制要求。谐波抑制效果会随着工作条件的变化而变化，治理效果稳定性差。如瞬间可能产生的谐波值超过设计的参数，会造成滤波器过载或损坏。LED电源的可靠性和整体寿命受到影响。

APFC技术是一种完全强迫整流技术，即在整个工频周期内功率开关管处于开关状态。由于电路工作在高频开关状态，相对于PPFC技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数高、输出电压稳定、谐波电流和对电网侧污染低的优点。灯具的功率因数较高，设计较好的电路可以达到0.99。根据电路的功率和负载特点，可以设计成两级APFC电路和单级APFC电路。在LED高频驱动电源中，采用单级APFC电路足以达到使用效果。

APFC技术的缺点是控制电路复杂、成本高，且随着功率的增大和开关频率的提高，功率器件的损耗明显增大，引起电路发热问题。比较完美的PFC技术是综合PPFC和APFC的优点，在一个工频周期内既有自然整流时间也有强迫整流时间，即在输入电压较低的过零点附近让开关管工作，处于强迫整流状态，实现较高的功率因数；当输入电压较高时开关管不工作，处于自然工作状态，降低开关损耗，提高灯具的效率。

LED驱动电源一般采用有源PFC控制策略，主要有双脉冲方案、半周期脉冲控制方案和双端脉冲控制方案。

LED驱动电源的控制模式可分为电流连续模式CCM和电流断续模式DCM。

单级PFC变换器由于控制电路只调节输出电压，电路稳定时，占空比恒定。单级PFC的电流能自动跟随输入电压，因此，输入电流并不是很理想的正弦波形，PF值较低，可满足IEC6100－3－2标准的规定，总体来说电路结构简单、成本低、效率高，是比较理想的电路拓扑 （见图5、图6）。

在现有的LED驱动硬开关电路中，由于变压器漏感及寄生电容的影响，在开关转换瞬间常常会产生很高的电压尖峰。这个电压尖峰一方面增加了器件的电压应力，引起较大的噪声，另一方面加大了器件的损耗。为抑制电压尖峰，通常在LED电源变换器中加入RC、RVCD／LC等吸收电路，不足之处是吸收的能量全部损耗在电阻R上，使灯具的电路整体效率下降。为进一步降低开关管的电压或电流应力，提高效率，使变换电路在高频率、高效率、高功率密度、高可靠性下工作，近年来各种软开关驱动技术在单级PFC变换器中得到了广泛应用。但大多因加入有源吸收辅助电路，使变换器的结构复杂化。目前应用比较成熟的LED驱动电源技术是单级有源钳位功率因数正变换电路，可使主开关管两端电压钳位在一定数值内，同时实现零电压 （ZVS）开关。输入电流工作在DCM状态下，功率因数在较宽负载范围内可达到0.97以上，效率最高达到90%，从而实现高效率、高功率因数、低成本的优化方案。

图5 采用APFC模式的单级非隔离型LED驱动电源原理

图6 两级APFC技术方案原理

从LED灯具自身和电网侧两方面，加强灯具生产企业对现行相关LED灯具标准的理解和执行，规范灯具的各项技术指标。电网运行时加强对电力线路的滤波补偿和无功补偿，优化电网自身的利用率，改善LED灯具存在的缺陷，从而真正发挥LED节能、长寿的优势。

4 结论

分析LED灯具应用中因驱动电源PFC等引起的谐波污染对公共电网造成的各种危害，根据现有技术条件下LED灯具驱动电源的原理特性，从技术上对减少和抑制LED电源谐波污染提出解决思路。通过LED灯具驱动电源的优化设计，不仅从根本上提高了LED灯具的整体质量，也提高了公共电网的供电质量和用电效率，积极响应了国家节能减排、绿色环保的产业政策。