LED 전원 공급 장치/LED 드라이버의 고조파란 무엇입니까?

이상적인 전력 시스템에서 전압과 전류는 완벽하고 부드러운 사인파(기본파라고도 하며 주파수가 50Hz 또는 60Hz)여야 합니다. 그러나 실제로는 LED 전원 공급 장치와 같은 많은 전기 장치가 이 완벽한 파형을 "오염"시켜 전류 파형이 왜곡되고 더 이상 부드러운 사인파가 되지 않게 만듭니다.

수학적으로, 이 왜곡된 파형은 50Hz/60Hz 기본파와 기본 주파수의 정수배(예: 100Hz, 150Hz, 200Hz...)인 일련의 사인파로 나눌 수 있습니다. 이러한 고주파 사인파를 고조파라고 합니다.

2차 고조파: 주파수는 기본파(100Hz/120Hz)의 2배입니다.

3차 고조파: 주파수는 기본파(150Hz/180Hz)의 3배입니다.

5차 고조파: 주파수는 기본파(250Hz/300Hz)의 5배입니다.

...등.

LED 전원 공급 장치의 특정 원인:

최신 LED 전원 공급 장치는 일반적으로 SMPS(스위치 모드 전원 공급 장치) 기술을 사용합니다. LED 칩의 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 핵심 부품은 정류 및 필터링 회로입니다.

정류: AC 전원은 다이오드 브리지 정류기를 통과하여 맥동 DC가 됩니다.

커패시터 필터링: 대형 전해 커패시터는 이 맥동 DC를 안정적인 DC로 "평활화"하는 역할을 합니다.

문제는 여기에 있습니다. 이 필터 커패시터는 AC 전압의 피크 근처에서 매우 짧은 시간 동안만 그리드에서 전류를 끌어와 자체적으로 빠르게 충전됩니다. 나머지 전압 사이클 대부분에서는 전류가 흐르지 않습니다.

이로 인해 LED 전원 공급 장치는 연속 사인파가 아닌 그리드 측에서 볼 때 날카롭고 좁은 펄스로 전류를 끌어옵니다. 이 비정현파 펄스 전류에는 상당한 양의 고조파 성분, 특히 3차, 5차, 7차 및 기타 홀수차 고조파가 포함되어 있습니다.

시각적 이해:

왼쪽은 이상적인 정현파 전류이고 오른쪽은 LED 전원 공급 장치에서 생성된 왜곡된 전류 파형(펄스 형태)이라고 상상해 보세요. 후자는 기본파와 그에 중첩된 다양한 고조파로 분해될 수 있습니다.

2. 고조파의 "역할"(사실은 부정적인 영향)

전력 전자 분야에서 고조파는 거의 항상 부정적인 현상으로 간주됩니다. 그들의 "역할"은 일련의 문제와 위험을 일으키는 것입니다.

1. 라인 및 장비의 손실 및 발열 증가

고조파 전류가 라인과 변압기를 통해 흐를 때 표피 효과로 인해 추가 가열이 발생하여 저항이 증가합니다. 이로 인해 다음이 발생합니다.

전선이 과열되어 절연체 노화가 가속화되고 심지어 화재 위험도 발생합니다.

정격을 줄여야 하는 변압기 과열로 인해 부하 용량이 감소합니다.

2. 과도한 중성선 전류 발생

3상 4선 시스템에서 3차 고조파와 그 배수(3차, 9차, 15차...)를 "제로 시퀀스 고조파"라고 합니다. 중립선에서는 서로 상쇄되지 않습니다. 대신에 그들은 합산됩니다. 이로 인해 중성선 전류가 위상 전류보다 훨씬 커져 중성선 과열로 이어질 수 있으며 이는 매우 위험합니다.

3. 전력망 품질 및 기타 장비에 영향

전압 왜곡: 고조파 전류는 그리드 임피던스 전체에 고조파 전압을 생성하여 그리드 전압 자체를 왜곡시킵니다. 이는 동일한 그리드에 연결된 다른 민감한 장비(정밀 기기, 통신 장치 등)의 정상적인 작동에 영향을 미칩니다.

회로 차단기 성가신 트립: 회로 차단기 또는 접지 오류 차단기가 실제 오류 없이 트립될 수 있습니다.

역률 감소: 기존의 낮은 "변위 역률"을 교정할 수 있지만 고조파가 있으면 실제 역률이 감소합니다.

4. 커패시터 손상

전기 시스템의 역률 보정에 사용되는 커패시터는 고조파에 매우 민감합니다. 고조파로 인해 전류가 과부하될 수 있습니다. 심한 경우에는 공진이 발생하여 커패시터가 부풀어 오르거나 고장나거나 폭발할 수도 있습니다.

3. 고조파를 처리하는 방법은 무엇입니까? — 역률 보정(PFC)

고조파 문제를 해결하기 위해 고품질 LED 전원 공급 장치에는 역률 보정(PFC)이라는 회로가 통합되어 있습니다.

PFC 회로의 주요 목표 중 하나는 고조파를 관리하는 것입니다. 전류 파형을 제어하여 전압 사인파의 모양을 밀접하게 따르도록 하여 다음을 수행합니다.

전류 파형을 날카로운 펄스에서 부드러운 사인파로 변경합니다.

고조파 전류의 발생을 대폭 억제합니다.

동시에 역률을 개선합니다(보통 0.9 이상).

구현에 따라 PFC는 다음과 같이 나뉩니다.

패시브 PFC: 저렴한 비용, 평균 성능은 일반적으로 제한된 고조파 억제 기능으로 역률을 0.7~0.8까지만 높입니다.

Active PFC: 특수 IC 및 스위칭 회로를 사용하여 매우 효과적이며 역률을 0.95 이상으로 높일 수 있으며 고조파 함량을 크게 줄일 수 있습니다. 이는 중급 및 고급형 LED 전원 공급 장치의 주류 구성입니다.

개념: LED 전원 공급 장치의 고조파는 전원 공급 장치의 비선형 작동 특성(펄스 전류 소모)으로 인해 생성된 기본 주파수의 정수배로, 전류 파형을 왜곡합니다.

역할(효과): 고조파는 주로 음수이며, 시스템 손실 및 발열 증가, 중성선 과부하, 전력망 오염 및 다른 장비 간섭을 유발합니다.

대책: LED 전원 공급 장치에 역률 보정(PFC) 회로(특히 Active PFC)를 설계하면 고조파를 효과적으로 억제하여 전류 파형을 사인파로 되돌릴 수 있습니다. 이를 통해 전원 공급 장치는 엄격한 국제 고조파 표준(예: EU의 EN 61000-3-2 표준)을 충족할 수 있습니다.