LED 驱动电源总谐波失真(THD)分析及对策

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1、LEDLEDLED驱动电源LED驱动电源总谐波失真（（（THD（THDTHD）THD）））分析及分析及对策1.1.1.总谐波失真1.总谐波失真THDTHD与功率因数THD与功率因数PFPFPF的PF的的的关系关系市面上很多的LED驱动电源，其输入电路采用简单的桥式整流器和电解电容器的整流滤波电路，见图1。图1该电路只有在输入交流电压的峰值附近，整流二极管才出现导通，因此其导通角θ比较小，大约为60°左右，致使输入电流波形为尖状脉冲，脉宽约为3ms,是半个周期（10ms）的1/3。输入电压及电流波形如图2所示。由此可

2、见，造成LED电源输入电流畸变的根本原因是使用了直流滤波电解电容器的容性负载所致。图2对于LED驱动电源输入电流产生畸变的非正弦波，须用傅里叶（Fourier）级数描述。根据傅里叶变换原理，瞬时输入电流可表为：¥¥(ti)=∑ansin(nwt)+∑bncos(nwt)............()1n=1n=1式中，n是谐波次数，傅里叶系数an和bn分别表为：2p1a=(ti)sin(nwt)d(wt)............()2n∫p02p1b=(ti)cos(nwt)d(wt)............()3n

3、∫p01每一个电流谐波，通常会有一个正弦或余弦周期，n次谐波电流有效值In可用下式计算：122I=a+b............()4nnn2输入总电流有效值2222I=I+I+I+...+I............()5rms123n上式根号中，I1为基波电流有效值，其余的I2,3，分别代表2,3，…n次谐波电流有效值。用基波电流百分比表示的电流总谐波含量叫总谐波失真（THD），总谐波含量反映了波形的畸变特性，因此也叫总谐波畸变率。定义为222I+I+...+I23nTHD=´100%............()

4、6I1根据功率因数PF的定义，功率因数PF是指交流输入的有功功率P与输入视在功率S之比值，即U´I1cosf1I1cosf1PF=P/S==............()7U´IIrmsrms其中，U为输入电源电压；cosΦ1叫相移因数，它反映了基波电流i1与电压u的相位关系，Φ1是基波相移角；输入基波电流有效值I1与输入总电流有效值Irms的百分比即K=I1/Irms叫输入电流失真系数。上式表明，在LED驱动电源等非线性的开关电源电路中，功率因数PF不仅与基波电流i1电压u之间的相位有关，而且还与输入电流失真系数K

5、有关。将式（6）代入式（7），则功率因数PF与总谐波失真THD有如下关系：cosf1()PF=............821+THD上式说明，在相移因数cosΦ1不变时，降低总谐波失真THD，可以提高功率因数PF；反之也能说明，PF越高则THD越小。例如，通过计算，当相移角Φ1=0时，THD=30%@PF=0.9578；THD=10%@PF=0.9950。2.2.2.谐波2.谐波测量与分析为了很好地分析如图1所示的LED驱动电源的谐波含量，介绍一种使用示波器测量输入电流的方法。先在电源输入回路串接一个10-20W或

6、以上的大功率电阻如R=10OHM，通电后测量大功率电阻上两端的电压波形，由于纯功率电阻上两端的电压与电流始终是同相位，因此电阻上的脉冲电压波形亦即代表了输入电流的脉冲波形，但数值大小不同。由波形显示可知，其脉冲电流i（t）与图2的电流波形是一致的，见图3。2f(t)UmUi(t)i(t)Im-11.5-8.58.511.5-15-5-1.51.551525t(ms)-τ/2τ/2-Im图3输输输输输输输输输输此电流脉冲波近似于余弦脉冲波，因此可用余弦脉冲函数表为：ptti(t)=Imcos,t£..........

7、..(9)t2为了计算方便，现取正弦交流输入电压的一个周期T：-5ms≤t≤15ms，即T=20ms。由此，一个周期为20ms的输入脉冲电流的表达式如下：ptIcos,-5.1ms£t£5.1msmtp(T-10)(ti)=-Imcos5.8,ms£t£115.ms............(10)t,0其它时间t上式中，余弦脉冲电流幅值Im可由示波器显示的电压幅值与电阻值之比而算出，即Im=Um/R，已知测得Um=1.5V，则Im=1.5/10=0.15A。图中脉冲宽度τ=3ms。对于图2所示的输

8、入电流波形，是关于前后半波上下对称的奇次对称波，因而只含有a1、a3、a5……等奇次谐波分量，而直流分量a0和偶次谐波分量a2、a4、a6……均为零。将式（10）的输入电流波形进行傅里叶分解得：TT2224a=i(t)cosnwtdt=i(t)cosnwtdtn∫∫TTT0-25.1104ptp(t-10)=∫Imcoscosnwtdt+∫-Imcos