無PFC LED球泡燈濾波電路對電流諧波的影響研究

閆東輝，謝榮斌，周群，曹慶

（1.四川大學，電氣信息學院，四川成都610000；2.貴州電網息烽供電局，貴州息烽551100）

近年來，環保與資源形勢日益嚴峻，采用高效節能燈具是降低能耗的重要舉措之一。由于同等光通量下LED功耗遠遠低于白熾燈，同時具有電光轉化效率高（接近60%）、壽命長（可達10萬小時）、工作電壓低（3 V左右）、易于調光、色彩多樣、光束集中穩定、啟動無延時等諸多優點，并且政府也在引導LED燈具取代傳統的白熾燈，使得LED燈具得到了成規模的應用。但隨之而來的是一系列新的問題，其中最突出的便是由LED驅動引發的諧波相關的問題[1-2]。

雖然單個LED產生的諧波對電網的影響很小，但隨著LED燈大規模高滲透率應用，大量諧波接入電網，對電網的電能質量擾動不可忽略[3]。IEC61000-3-2標準中對小于25 W的C類照明設備諧波排放標準作出相應規定，如表1所示。目前對LED諧波發射的研究主要分為2類，其一為研究使用PFC技術將電流波形矯正到比較接近正弦的形狀，從而抑制電流諧波，降低電流畸變率[4-7]；還有部分學者研究通過PFC技術控制LED的諧波相位，實現局部范圍內的諧波抵消從而減少流入電網中的諧波電流[8]。其二，由于成本問題，無PFC的LED照明產品2015年的全球照明市場滲透率達30%，預計2020年將占據全球照明市場的70%。因此研究無PFC技術的LED的諧波發射特性具有重要意義。目前國內外無PFC技術的LED球泡燈諧波發射特性研究主要集中在對不同品牌的燈具進行諧波特性測試，進而對比分析得出電流畸變率（79.89%～198.1%）較高且波動范圍較大的結論[9-10]。也有通過建模仿真研究固定區域內的集群無PFC LED照明燈具產生的諧波對分布式電網的影響[11-12]。但是對由于濾波結構及參數不同引起的無PFC LED諧波發射特性的不同，還未有相關方面的研究。

本文通過對無PFC LED球泡燈的π型、倒L型、C型3種常見濾波電路的研究，比較3種濾波電路及參數對3次、5次、7次和9次諧波相位的影響和對諧波電流畸變率的影響，研究不同濾波結構的LED球泡燈組合存在的諧波疊加和消除機理。最后通過不同濾波結構的3個6.5 W的無PFC LED驅動電路實驗，驗證了理論分析和仿真結果的正確性。

表1 IEC61000-3-2諧波排放標準Tab.1 IEC61000-3-2 harmonic emission standards

1 LED 3種不同濾波電路的電流諧波相位分析

1.1 LED驅動電路模型

家用LED球泡燈驅動電路為典型的恒流降壓無PFC驅動電路，圖1a為驅動電路模型。該模型由220 V交流電源、單相橋式整流電路D、濾波電路F、降壓電路B、負載RL構成。其中加入濾波電路F濾除整流后的部分殘留交流成份，可以有效保證負載正常工作。在LED驅動電路拓撲中最常見的3種濾波結構（π型、倒L型、C型）如圖1b所示。

圖1 LED球泡燈驅動電路與濾波電路Fig.1 Drive circuit and filter circuit of LED bulb lamp

1.2 C型濾波電路

C型濾波結構作為一階濾波電路，具有結構簡單、體積小等優點，但是也存在需要電容量太大，基波損耗大等問題[13]。因此使用此種濾波結構的LED驅動電路會使得PCC（公共連接點）處的諧波呈現其獨有的特性，假設電壓無畸變情況下，其電流表達式如下式所示：

式中：ω為角頻率；h為諧波次數；θh為各次諧波初相角（計時零點到正弦量零點之間的角度）；aih為傅里葉級數的偶函數；bih為傅里葉級數的奇函數；Ih為各次諧波電流有效值。

濾波電容值C與各次諧波初相角之間的關系趨勢圖，如圖2所示。

圖2 濾波電容值C與各次諧波初相角之間的關系圖（C型）Fig.2 Relationship between the filter capacitance value C and initial phase angle of each harmonic（C-type）

圖2中，當電容值取值范圍為0μF＜C≤2μF時，負載端的紋波在（110±10）V之間，可以使LED燈正常工作，為使3種結構可以在同一標準下有對比性，將倒L型和π型濾波結構電容取值范圍固定在0μF＜C≤2μF。

1.3 倒L型濾波電路

電容電感倒L型二階濾波電路包括1個電容器和1個電感器，相比于一階濾波電路和三階濾波電路，二階濾波電路的濾波性能最好，但是與三階濾波電路相比，其基波損耗較高[13]。使用倒L型濾波電路的LED在PCC處電流表達式如下式所示：

式中：Id為流經二極管的電流；ε為階躍函數。

濾波電容C和濾波電感L與各次諧波初相角之間的關系如圖3和圖4所示。

圖3 濾波電容值C與各次諧波初相角之間的關系圖（倒L型）Fig.3 Relationship between the filter capacitance value C and the initial phase angle of each harmonic（inverted-L-type）

圖4 濾波電感值L與各次諧波初相角之間的關系圖（倒L型）Fig.4 Relationship between the filter inductor value L and the initial phase angle of each harmonic（inverted-L-type）

圖4中，當濾波電感取值在180～400μH范圍時，負載端的紋波在110±10 V范圍，可以保證LED正常發光，無頻閃現象。為使3種結構可以在同一標準下有對比性，將倒L型和π型濾波結構的電感取值范圍固定在180～400μH。

1.4 π型濾波電路

電容電感π型濾波電路（LCπ型）包括2個電容器和1個電感器，在整流電路之后濾除電流中的交流成分。π型濾波結構作為一個三階濾波器，相比于一階和二階濾波器，其基波損耗大大減少[13]。使用此種濾波器的LED在PCC處的電流表達式如下式所示：

聯立式（11）～式（13）即可解出Id。

式中：Em為電壓值；IL為流經濾波電感的電流；IR為流經負載的電流；C1，C2為濾波電容值；R為負載值；s為復變量。

濾波電容C、濾波電感L與各次諧波初相角之間的關系如圖5和圖6所示。

圖5 濾波電容值C與各次諧波初相角之間的關系圖（π型）Fig.5 Relationship between the filter capacitance value C and the initial phase angle of each harmonic（π-type）

圖6 濾波電感值L與各次諧波初相角之間的關系圖（π型）Fig.6 Relationship between the filter inductor value L and the initial phase angle of each harmonic（π-type）

1.5 3 種濾波結構LED的電流諧波發射特性對比分析

由于單盞無PFC的LED球泡燈電流引起的總諧波失真（total harmonic distortion，THD）要遠遠大于電壓引起的，因此主要分析PCC處的電流情況，3種濾波電路的電流仿真波形、PCC處諧波發射特性如圖7和表2所示。圖7中，Uin波形為示意圖，未標注縱坐標數值。

圖7 C型、倒L型、π型濾波結構的PCC處波形Fig.7 Waveforms of C-type，inverted-L-type，andπ-type filter structures at PCC

表2 不同結構的驅動電路PCC處諧波發射特性Tab.2 Harmonic emission characteristics of the drive circuit with different structures

由表2可以看出，無PFC的LED驅動電路中使用不同的濾波結構時，3種濾波結構在PCC處的電壓有效值相同，均為220 V，而電流有效值不同，C型濾波結構的電流有效值最小，π型濾波結構的電流有效值最大。但是從功率因數來看，C型濾波結構的功率因數（0.65）要高于倒L型（0.58）和π型（0.51）。3種濾波結構在PCC處產生的電流畸變率不同，其中C型濾波結構產生的電流畸變率最低，為88%，π型濾波結構產生的畸變率最高，為129%。由于3種濾波結構的主要作用都是濾除經過整流電路之后殘留的交流電流分量，同時保證后面的恒流型降壓電路正常工作，因此文章也研究了在無PFC的LED中3種濾波電路作用之后的直流分量，其中π型濾波電路（23.5 mA）要高于倒L型濾波電路（21.98 mA）和C型濾波電路（20.92 mA）。圖7所示的3種不同濾波結構的無PFC LED球泡燈在PCC點處的電流波形圖，經過FFT分解后如圖8所示，只含有3次、5次、7次、9次等奇次諧波，其含量均已超過10%。而在低壓電力配電網系統中3次、5次、7次、9次諧波是最為常見的奇次諧波且含量較高，與IEC61000-3-2中對C類設備（照明用具）的諧波排放標準對比如表3所示。

圖8 3種濾波結構下的各次諧波含量圖Fig.8 The harmonic content of each harmonic for the three filter structures

表3 三種不同濾波結構的諧波電流Tab.3 Harmonic currents of three different filter structures

由表3可以看出，各次諧波含量均超過標準，在3種不同濾波結構中3次諧波含量最大，9次諧波含量最小，且隨著諧波次數的升高，其含量依次遞減。由于π型濾波結構的無PFC LED驅動電路在PCC處電流畸變率最高，因此其3次、5次、7次、9次諧波含量均高于C型和倒L型。將3種不同濾波結構的各次諧波的初相角隨著電容變化關系進行對比，如圖9所示。

圖9 諧波初相角對比圖Fig.The diagram of harmonic initial phase angle comparison

通過圖9可以看出，3種濾波結構在PCC處的3次、5次、7次、9次電流諧波初相角有一定的規律。C型濾波結構和倒L型濾波結構的3次、5次、7次、9次諧波初相角完全一致，這與圖4和圖6中初相角不隨電感值變化的規律相吻合，因此說明3次、5次、7次、9次諧波的初相角不會受到電感值的影響。比較3種結構的各次諧波初相角可以看到，3次諧波的差異最小，在6°～17°之間，9次諧波的差異最大，在37°～251.4°之間。并且隨著諧波頻率從3次增高到9次，差異也隨之從相差6°增大到相差251.4°。隨著電容值的變化，C型和倒L型濾波結構的電流諧波初相角變化（-20°～120.5°）相比于π型濾波結構的電流諧波初相角變化（20°～223°）要小一些。

2 不同濾波結構LED并聯后的電流諧波分析

為了分析相同功率下不同濾波結構的LED球泡燈組合后的諧波發射特性，將不同濾波結構的LED球泡燈并聯于一個供電系統中如圖10所示。

圖10 不同濾波結構的LED球泡燈并聯圖Fig.10 Parallel diagram of LED bulbs with different filtering structures

分析圖10所示電路在PCC點處的電流特性，如下式所示：

其中 ωh=2πhf

式中：1，2分別代表2種不同的濾波結構；I為電流有效值；i為電流瞬時值；ωh為角頻率；φh為各次諧波初相角。

任取2種不同濾波結構的LED球泡燈作分析如下：

當φh（1），φh（2）∈[0，π]，若φh(2)-φh(1)＜90°，則

若φh(2)-φh(1)＞90°，則

由式（22）和式（23）可以看出，只要任意2種濾波結構的LED球泡燈各次諧波初相角之間夾角小于90°，則該次諧波電流總量增加；夾角大于90°則減小。在C取1.5μF時將不同濾波結構的LED驅動電路兩兩并聯組合仿真，結果如表4所示。

表4 不同濾波結構的LED并聯后諧波分析Tab.4 Harmonic analysis of LED parallel connection with different filter structures

由圖9和表4中可以看出，C型和π型的3次、5次、7次諧波初相角之間的夾角小于90°，所以組合之后PCC處3次、5次、7次諧波電流含量理論上應該為二者之和，但是考慮到并聯的2個LED燈之間會有相互影響，因此組合之后的諧波電流值會略微大于二者之和，這也就驗證了各次諧波初相角之間的夾角小于90°時會出現諧波疊加。C型和π型的9次諧波初相角之間的夾角大于90°，所以組合后PCC處的9次諧波電流含量小于二者之和，這也就驗證了各次諧波初相角之間的夾角大于90°時會出現諧波抵消。C型和倒L型的3次、5次、7次、9次諧波的相角完全一致，因此組合之后諧波電流含量理論上應該等于二者之和，但是考慮到2盞LED的相互影響，因此組合之后的結果近似等于二者之和。雖然兩兩組合后3次、5次、7次諧波電流含量會增加，但是總的電流有效值也會增加，所以組合后總的電流畸變率THDi處于二者之間。根據上述結論，結合圖2、圖3和圖5中的諧波各次初相角隨電容值的變化趨勢，選取使各次諧波初相角之間的夾角大于90°的2個電容值，電感值取相同值（初相角不隨電感值變化），將所選的濾波參數用于2盞并聯的不同濾波結構LED球泡燈的濾波電路中，以此達到一定程度上抑制網側諧波電流的目的。

3 實驗結果及分析

為了驗證上文的理論分析和仿真結果，在實驗室環境下用3個不同濾波結構的無PFC LED驅動電路進行了實驗驗證，結果如下所示。

在實驗室環境中對同一主拓撲電路采用3種不同的濾波結構，在電容值C為1μF，1.5μF，2μF時測試各次諧波初相位分布，如圖11所示，其與理論結果和仿真結果均有良好的吻合性。

圖11 C型、倒L型、π型初相位實驗圖Fig.11 Initial phase experimental diagram of C-type，inverted L-shaped，π-type

測試PCC處的電流波形和諧波發射特性如圖12和表5所示，可以看出電流畸變較為嚴重，和仿真時結果基本吻合，其中C型為89%，倒L型為109%，π型為130%。由于隨著濾波階數的提升，基波損耗逐漸降低[13]，并且不同的濾波結構驅動電路中PCC處的各次諧波含量也不相同，因此相同負載下使用3種濾波結構的LED球泡燈網側的電流波形峰值存在較大差異。3種濾波結構的電壓有效值均為220 V，電流有效值分別為：C型40 mA，倒L型48 mA，π型53 mA。

圖12 C型、倒L型、π型的實驗波形Fig.12 Experimental waveforms of C-type，inverted-L-type andπ-type

表5 諧波發射特性測試結果Tab.5 Test results of harmonic emission characteristics

當C值取1.5μF時，將3種不同濾波結構的LED球泡燈兩兩組合測試結果如表6所示，和仿真結果基本一致。當濾波電容C值在0.1～2μF變化時，LED驅動電路可以正常工作，低于0.1μF或者超過2μF時，LED球泡燈會出現閃爍和變暗的現象，因此在上文中研究電容變化引起電流諧波初相角變化時，考慮將電容值的范圍控制在0.1～2μF。

表6 不同濾波結構的LED并聯后諧波分析實驗數據Tab.6 Experimental data of harmonic analysis of LEDs connected in parallel with different filtering structures

4 結論

本文基于無PFC LED驅動電路模型，從濾波結構、濾波參數和諧波電流初相角方面通過理論研究和實驗驗證的方法對無PFC LED球泡燈的諧波發射特性進行了研究。當使用不同的濾波結構時，其PCC處的THDi不相同，其中C型濾波結構的最低，π型的最高。3次、5次、7次、9次諧波的初相角只與濾波電路中的電容值C有關并且隨其變化而變化。當2種不同濾波結構的LED并聯組合，各次諧波初相角之差小于90°時，總諧波電流會增加，大于90°時總諧波電流會減小。因此這就為進一步實現局部環境下不同種濾波結構的無PFC LED驅動電路之間諧波的自抵消研究和集群LED諧波發射特性的研究提供了理論支撐。