LED電源/LEDドライバーの高調波とは何ですか?

理想的な電力システムでは、電圧と電流は完全で滑らかな正弦波 (基本波として知られ、周波数は 50 Hz または 60 Hz) である必要があります。しかし、実際には、多くの電気機器 (LED 電源など) がこの完璧な波形を「汚染」し、電流波形が歪み、滑らかな正弦波でなくなります。

数学的には、この歪んだ波形は 50Hz/60Hz の基本波と、周波数が基本周波数の整数倍 (100Hz、150Hz、200Hz...) である一連の正弦波に分解できます。これらの高周波正弦波は高調波と呼ばれます。

第 2 高調波: 周波数は基本波の 2 倍 (100Hz/120Hz)

3 次高調波: 周波数は基本波の 3 倍 (150Hz/180Hz)

5 次高調波: 周波数は基本波の 5 倍 (250Hz/300Hz)

...等々。

LED 電源の特定の原因:

最新の LED 電源は通常、スイッチモード電源 (SMPS) テクノロジーを使用します。 LED チップの交流 (AC) を直流 (DC) に変換する重要な部分は、整流およびフィルター回路です。

整流: AC 電力はダイオード ブリッジ整流器を通過し、脈動する DC になります。

コンデンサのフィルタリング: 大型の電解コンデンサは、この脈動する DC を安定した DC に「平滑化」する役割を果たします。

問題はここにあります。このフィルタ コンデンサは、AC 電圧のピーク付近でごく短時間だけグリッドから電流を引き出し、急速に充電します。電圧サイクルの残りのほとんどでは、電流が流れません。

この結果、LED 電源は連続正弦波としてではなく、グリッド側から見ると鋭く狭いパルスとして電流を引き込みます。この非正弦波のパルス電流には、大量の高調波成分、特に 3 次、5 次、7 次などの奇数次の高調波が含まれています。

視覚的な理解:

左側が理想的な正弦波電流、右側が LED 電源によって生成される歪んだ電流波形 (パルス状) であると想像してください。後者は、基本波とそれに重畳されるさまざまな高調波に分解できます。

2. 高調波の「役割」（実はマイナス効果）

パワー エレクトロニクスの分野では、高調波はほとんど常にマイナスの現象とみなされます。彼らの「役割」は、一連の問題や危険を引き起こすことです。

1. ラインや機器の損失と発熱の増加

高調波電流が線路や変圧器を流れると、表皮効果により追加の加熱が発生し、抵抗が増加します。これにより、次のことが起こります。

ワイヤーが過熱し、絶縁体の劣化が促進され、火災の危険さえも引き起こします。

変圧器の過熱により負荷容量が低下し、定格を下げる必要があります。

2. 過大な中性線電流が発生する

三相 4 線システムでは、3 次高調波とその倍数 (3 次、9 次、15 次...) を「零相高調波」と呼びます。それらは中立線では互いに打ち消し合いません。代わりに、合計されます。これにより、中性電流が相電流よりもさらに大きくなり、中性線の過熱につながる可能性があり、非常に危険です。

3. 電力網の品質およびその他の機器に影響を与える

電圧歪み: 高調波電流はグリッド インピーダンス全体に高調波電圧を生成し、グリッド電圧自体が歪みます。これは、同じグリッドに接続されている他の機密機器 (精密機器、通信デバイスなど) の通常の動作に影響します。

回路ブレーカーの迷惑なトリップ: 実際の障害がなくても、回路ブレーカーまたは地絡遮断器がトリップする可能性があります。

力率の低減: 従来の低い「変位力率」は修正できますが、高調波の存在により真の力率が低下します。

4. コンデンサの損傷

電気システムの力率補正に使用されるコンデンサは、高調波に非常に敏感です。高調波により、電流が過負荷になる可能性があります。ひどい場合には、これが共振を引き起こし、コンデンサの膨張、故障、または爆発を引き起こす可能性もあります。

3. 高調波にどう対処するか? — 力率改善 (PFC)

高調波の問題を解決するために、高品質 LED 電源には力率改善 (PFC) と呼ばれる回路が組み込まれています。

PFC 回路の主な目的の 1 つは、高調波を管理することです。電流波形を制御して、電圧正弦波の形状に厳密に従うようにします。これにより、次のことが可能になります。

電流波形を鋭いパルスから滑らかな正弦波に変更します。

高調波電流の発生を大幅に抑制します。

同時に力率も改善します (通常は 0.9 以上)。

実装に応じて、PFC は次のように分類されます。

パッシブ PFC: 低コスト、平均的なパフォーマンス。通常、力率は 0.7 ～ 0.8 までしか上昇せず、高調波抑制機能は限られています。

アクティブ PFC: 特殊な IC とスイッチング回路を使用し、非常に効果的で力率を 0.95 以上に高め、高調波成分を大幅に低減します。これは、ミッドエンドからハイエンドの LED 電源の主流の構成です。

概念: LED 電源の高調波は、電源の非線形動作特性 (パルス電流引き込み) によって生成される基本周波数の整数倍であり、電流波形を歪めます。

役割 (影響): 高調波は主に負であり、システム損失と発熱の増加、中性線の過負荷、送電網の汚染、および他の機器への干渉を引き起こします。

対策: LED 電源に力率改善 (PFC) 回路 (特にアクティブ PFC) を設計することにより、高調波を効果的に抑制し、電流波形を正弦波に戻すことができます。これにより、電源は厳格な国際高調波規格 (EU の EN 61000-3-2 規格など) を満たすことができます。