額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流分析

游劍文

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350012）

1 引言

中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展，LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”的推動(dòng)下，形成了七個(gè)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地，促進(jìn)了LED燈具行業(yè)飛速發(fā)展。

近年來，LED照明產(chǎn)品逐漸得到了人們的認(rèn)可和接受，在商業(yè)照明、辦公照明、家居照明燈和夜景工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，面對(duì)市場(chǎng)的巨大需求，LED燈具企業(yè)如同雨后春筍不斷增加。但為了盡快搶占市場(chǎng)，企業(yè)往往更加重視產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，忽略產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，如LED燈具諧波電流干擾嚴(yán)重，特別是大規(guī)模小功率LED燈具串聯(lián)使用時(shí)，嚴(yán)重的諧波電流會(huì)導(dǎo)致一些無法挽回的危害。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)LED燈具諧波電流的最新版本強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)是GB17625.1-2012，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)額定功率大于25瓦的LED燈具規(guī)定了諧波電流限值，但對(duì)額定功率5至25瓦的LED燈具尚無限值要求。為了更加深入地了解額定功率5至25瓦的LED燈具潛在的諧波電流干擾隱患，參照IEC61000-3-2:2018的要求[1]，對(duì)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和銷售的額定功率5至25瓦的LED燈具進(jìn)行了一次較為全面的諧波電流檢測(cè)，分析了當(dāng)前額定功率5至25瓦的LED燈具的質(zhì)量現(xiàn)況，確定風(fēng)險(xiǎn)來源和存在問題，并提出相關(guān)建議。

2 諧波電流要求

GB 17625.1-2012對(duì)額定功率5至25瓦的LED燈具尚無限值要求，但國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2:2018對(duì)額定功率5至25瓦的LED燈具已明確限值要求。要求額定功率5至25瓦的LED燈具應(yīng)符合下述三項(xiàng)判定方法之一：

（1）諧波電流應(yīng)符合表1要求。

表1 諧波電流限值

（2）用基波電流百分?jǐn)?shù)表示的諧波電流應(yīng)符合表2要求。

表2 基波電流百分?jǐn)?shù)要求

當(dāng)基波電源電壓過零點(diǎn)作為參考0°時(shí)，輸入電流波形應(yīng)在60°或之前達(dá)到電流閾值，在65°之前出現(xiàn)峰值，在90°之前不能降低到電流閾值以下。電流閾值等于在測(cè)量窗口內(nèi)出現(xiàn)的最高絕對(duì)峰值的5%，在包括該最高絕對(duì)峰值的周期之內(nèi)確定相位角測(cè)量值。

（3）總諧波畸變率（THD）不超過70%，且用基波電流百分?jǐn)?shù)表示的諧波電流應(yīng)符合表3要求。

表3 基波電流百分?jǐn)?shù)要求

只需滿足以上一種判定方法，則符合要求。

3 不合格情況統(tǒng)計(jì)分析

本次共統(tǒng)計(jì)了80批次額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流測(cè)試結(jié)果，分別從規(guī)格、價(jià)格和平臺(tái)三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1）規(guī)格分析

表4 不同規(guī)格風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率

圖1 規(guī)格分布統(tǒng)計(jì)

據(jù)表4和圖1統(tǒng)計(jì)，各個(gè)功率區(qū)間的采樣數(shù)量分布還是比較均勻，應(yīng)該可以初步反應(yīng)目前市場(chǎng)上額定功率5至25瓦的LED燈具的諧波電流風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率情況。據(jù)表4和圖1可知，額定功率10至20瓦的LED燈具風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率最低，額定功率20至25瓦的LED燈具次之，而額定功率5至10瓦的LED燈具風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率最高，但總的來說風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率還是居高不下，依然存在較大風(fēng)險(xiǎn)，并不能排除個(gè)別廠商以次充好，企圖魚目混珠。由此可知，目前額定功率5至25瓦的LED燈具的質(zhì)量存在一定問題，且趨向于多元化。

（2）價(jià)格分析

表5 不同價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率

圖2 價(jià)格分布統(tǒng)計(jì)

據(jù)表5及圖2統(tǒng)計(jì)，價(jià)格越低的額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率越高。價(jià)格低于50元的額定功率5至25瓦的LED燈具風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率為93.1%，而價(jià)格高于50元的額定功率5至25瓦的LED燈具，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率則相應(yīng)減少到85%左右。在單個(gè)燈具利潤(rùn)被壓縮時(shí)，企業(yè)往往傾向于控制元器件的采購(gòu)成本，通過壓低價(jià)格拼量的方式獲得更大利潤(rùn)，但質(zhì)量差的元器件會(huì)直接導(dǎo)致更加嚴(yán)重的諧波電流干擾，因此，額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

（3）平臺(tái)分析

表6 不同平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率

圖3 平臺(tái)分布統(tǒng)計(jì)

據(jù)表6及圖3統(tǒng)計(jì)，本次因采樣時(shí)間較為緊張，采樣時(shí)優(yōu)先考慮LED燈具的功率和種類需求，限制了電商平臺(tái)的多樣性，導(dǎo)致各個(gè)電商平臺(tái)采樣數(shù)量存在一定差異，其中天貓商城居多，京東個(gè)體次之，少數(shù)京東自營(yíng)，但也初步反應(yīng)了一些問題。其中京東自營(yíng)采樣1批次，顯示風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率為0%；京東個(gè)體采樣23批次，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率為87%；天貓商城采樣56批次，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率為89.3%?？芍〇|自營(yíng)的額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率最低，天貓商城諧波電流風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率最高，而京東個(gè)體采樣的額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率也顯示居高不下。針對(duì)如此高的諧波電流風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率，急需各電商平臺(tái)增強(qiáng)抽查力度，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)把控，加速推進(jìn)國(guó)際接軌，增強(qiáng)平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，需要企業(yè)自身引起足夠重視，避免僥幸心理，做好相應(yīng)的防范措施，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。

4 不合格原因分析

圖4 某品牌樣品輸入電流電壓波形

圖4所示，某品牌額定功率5至25瓦的LED燈具樣品輸入電流電壓波形畸變嚴(yán)重，總諧波畸變率超過70%，滿足不了標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 某品牌樣品諧波電流波形（整改前）

圖5所示，奇次諧波電流干擾很大，嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

圖6 某樣品的LED控制裝置照片

圖6所示，經(jīng)過拆解分析，知該樣品的LED控制裝置未采取任何防護(hù)措施，電路只實(shí)現(xiàn)基本的功能，即只有整流紋波和變換電路。在前期設(shè)計(jì)的時(shí)候沒有考慮潛在諧波電流干擾問題，未增加一些抑制和吸收諧波電流干擾的措施，從而導(dǎo)致諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)。

通常開關(guān)電源的工作頻率都在幾十至幾百kHz，半導(dǎo)體器件的工作特性導(dǎo)致輸入輸出電流電壓相位會(huì)產(chǎn)生滯后，且線路中的電流和電壓變化率都很大，均可能產(chǎn)生很大的諧波電流干擾。

5 整改措施

針對(duì)交流輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重的波形畸變，向電網(wǎng)注入大量高次諧波，造成電網(wǎng)波動(dòng)的現(xiàn)象，常見的諧波抑制措施有：

（1）LED控制裝置輸入端增加功率因數(shù)校正電路（PFC電路），具體分為有源PFC和無源PFC。無源PFC采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小，提高功率因數(shù)，成本低，只是功率因數(shù)不是很高，通常為0.7～0.8之間，對(duì)于小功率的產(chǎn)品基本能夠解決諧波電流超標(biāo)問題。有源PFC通常采用Boost升壓電路，由電感電容和控制芯片等組成，體積小，功率因數(shù)可提高到0.99以上，能夠把諧波電流抑制得很低，但成本相對(duì)無源PFC高出許多。

（2）電容補(bǔ)償器加電感線圈抑制諧波，即由電感和電容組成串聯(lián)諧振回路，只是電感和電容需維持一定的比例，局限性比較大。

常用的解決方法是采用有源功率因數(shù)校正電路（PFC）或者無源校正電路。其中無源校正方式成本較低，但一致性較差；而有源PFC電路雖然成本相對(duì)較高，但效果明顯，具體需要企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品負(fù)載特性及成本等因素進(jìn)行選擇。

（3）小功率產(chǎn)品可直接在電源輸入端串聯(lián)一個(gè)小電阻，能一定程度降低電流瞬時(shí)值的峰值，滿足諧波電流限值要求，且功率損耗在可接受范圍之內(nèi)，成本低，是一種不錯(cuò)的方法。

為了驗(yàn)證方案可行性，筆者在LED控制裝置交流輸入端串聯(lián)電阻，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，最終在回路中串聯(lián)了一個(gè)10歐姆電阻，整機(jī)效率可能有所降低，但基本可以忽略。施加措施之后，對(duì)樣品再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果得到很大改善，能夠滿足新版標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2:2018限值要求，且電磁兼容其它性能也能得到一些改善[2]，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 某品牌樣品諧波電流波形（整改后）

6 結(jié)語

針對(duì)當(dāng)前額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流存在的問題，筆者給出如下三個(gè)建議：

（1）相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)管，已有大量資料表明額定功率5至25瓦的LED燈具存在許多安全隱患，目前我國(guó)在額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流方面尚無限值要求，大部分企業(yè)并未考慮額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流方面問題。為了保障消費(fèi)者的安全，建議相關(guān)部門加速推動(dòng)GB17625.1諧波電流標(biāo)準(zhǔn)更新，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同步，將額定功率5至25瓦的LED燈具納入到強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)范圍，通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系來規(guī)范和完善額定功率5至25瓦的LED燈具生產(chǎn)和銷售等環(huán)節(jié)[3][4]。

（2）相關(guān)企業(yè)應(yīng)重視額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流干擾問題，不能因一味追求市場(chǎng)占有率，變相降低成本打價(jià)格戰(zhàn)，應(yīng)在產(chǎn)品不斷推陳出新的同時(shí)，重視諧波電流可能帶來無可估量的危害。

雖然目前GB17625.1-2012對(duì)額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流尚無限值要求，但是相關(guān)企業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流方面的重要性及潛在危害發(fā)生可能引發(fā)的嚴(yán)重后果。積極跟蹤國(guó)外技術(shù)發(fā)展和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)更新情況，密切關(guān)注發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)額定功率5至25瓦的LED燈具的研究動(dòng)態(tài)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在額定功率5至25瓦的LED燈具的性能和安全之間找到平衡點(diǎn)。

（3）消費(fèi)者在購(gòu)買和使用額定功率5至25瓦的LED燈具時(shí)，不應(yīng)刻意比價(jià)，低廉的價(jià)格意味著該額定功率5至25瓦的LED燈具的制造成本較低，各方面性能難以保證，盡量選擇市面上口碑較好的主流品牌，避免因追求外觀獨(dú)特、構(gòu)造新奇，而選擇一些三無產(chǎn)品。為了用電安全起見，切勿盲目追求燈光照明效果，不按照說明將大規(guī)模額定功率5至25瓦的LED燈具串聯(lián)布置，導(dǎo)致中線電流過大，造成開關(guān)誤動(dòng)作，引起潛在的安全隱患。