單相離線式高亮度LED照明驅(qū)動(dòng)的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、隨著能源危機(jī)和氣候變暖問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能已經(jīng)成為全球普遍關(guān)注的話題。照明是人類電能消耗的重要方面，約占世界總能耗的20％，成為節(jié)能的關(guān)鍵。相較于傳統(tǒng)照明光源，高亮度發(fā)光二極管(High-Brightness Light-Emitting-Diodes，HB-LEDs)以其高光效、長(zhǎng)壽命、環(huán)保、體積緊促等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為替代白熾燈和熒光燈的最佳照明技術(shù)。
　　 LED的光通量與通過其的平均電流成正比，因此必須采用恒流驅(qū)動(dòng)。由于封

2、裝技術(shù)和散熱的限制，單個(gè)LED的光通量或功率較弱，僅僅幾瓦。為了獲取足夠的光通量，必須并聯(lián)多串LED。PET(General Photo-electro-thermal Theory)理論研究表明:對(duì)于相同的功率等級(jí)，多個(gè)低功率LED組成的分布式系統(tǒng)優(yōu)于高功率LED組成的集中式系統(tǒng)。另一方面，LED是低壓直流器件，無法直接與交流電網(wǎng)相連，必須通過電力電子驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換。這就要求LED照明驅(qū)動(dòng)必須具有較高的功率因數(shù)和低的輸入電流諧波

3、以兼容諸如IEC61000-3-2和Energy Star等相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。此外還必須最大化提高效率、延長(zhǎng)壽命和降低成本，以匹配LED光源高光效、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。另外，為了獲取進(jìn)一步的功率節(jié)省和適用不同的應(yīng)用環(huán)境，PWM調(diào)光也成為L(zhǎng)ED照明系統(tǒng)必需的基本功能之一。
　　 當(dāng)前大量的LED照明驅(qū)動(dòng)研究主要集中在提高功率因數(shù)和控制LED電流的方面。因此，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)的高效率、高功率因數(shù)、長(zhǎng)壽命、低成本、PWM調(diào)光便成為保證LE

4、D燈具照明品質(zhì)及整機(jī)性能的關(guān)鍵。為此，本學(xué)位論文以研究實(shí)現(xiàn)高效率、長(zhǎng)壽命、高功率因數(shù)、低成本和PWM調(diào)光的LED照明驅(qū)動(dòng)為目標(biāo)，從系統(tǒng)架構(gòu)、電路拓?fù)?、控制策略等角度?duì)LED照明驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了深入研究和探討。
　　 首先，系統(tǒng)架構(gòu)方面，傳統(tǒng)LED照明驅(qū)動(dòng)采用多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，不但電路復(fù)雜、成本較高，而且效率較低，為此論文提出了一種非級(jí)聯(lián)的Twin-Bus驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過前級(jí)AC/DC變換器產(chǎn)生兩個(gè)Twin-Bus電壓源，并配以具有Tw

5、in-Bus輸入的后級(jí)電流調(diào)節(jié)器，降低了功率的處理次數(shù)，因此可以在不增加系統(tǒng)成本的前提下，大大提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)的效率?；诖思軜?gòu)，本文研究提出了一種與之匹配的后級(jí)開關(guān)型電流調(diào)節(jié)器拓?fù)?Twin-Bus Buck變換器。在介紹Twin-Bus驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的同時(shí)，詳細(xì)討論了基于Twin-Bus Buck變換器的調(diào)光策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在1MHz的開關(guān)頻率下，從10W到滿載100W的負(fù)載范圍內(nèi)，Twin-Bus Buck型電流調(diào)節(jié)器的效率均在98％以

6、上，峰值效率高達(dá)98.8％。
　　 然后，針對(duì)傳統(tǒng)AC/DC LED照明驅(qū)動(dòng)中大容值電解電容壽命短的問題，以SEPICAC/DC變換器為突破口，提出了無電解電容的SEPIC-derived AC/DC變換器。該電路形式上與SEPIC變換器相同，但通過特殊的DCM工作模式使得SEPIC電路的中間電容電壓不再跟隨輸入電壓，而具有功率解耦的作用。同時(shí)通過增大電容紋波的方法，降低了電容的容值，從而消除了短壽命的電解電容，延長(zhǎng)了LED驅(qū)動(dòng)

7、的壽命。進(jìn)一步，引入填谷電路，提出了Valley Filled SEPIC-derived AC/DC變換器。與傳統(tǒng)填谷電路改進(jìn)功率因數(shù)和降低輸出電壓紋波不同的是，該變換器中填谷電路不但可以減小解耦電容的尺寸，而且可以降低輸出二極管的電壓應(yīng)力和輸出電壓紋波?；贑V2為電容尺寸衡量指標(biāo)，在相同的功率因數(shù)和輸出電壓紋波下，可將電容的尺寸減小為原來的1/4。
　　 針對(duì)傳統(tǒng)的AC/DC LED照明驅(qū)動(dòng)中二極管整流橋影響變換器效率的缺

8、陷，在對(duì)無橋AC/DC變換器進(jìn)行述評(píng)的基礎(chǔ)上，將圖騰(Totem-pole)式無橋結(jié)構(gòu)引入上述兩種SEPIC-derived AC/DC變換器，提出了兩種新型無橋式SEPIC-derived AC/DC變換器。相較于傳統(tǒng)AC/DC變換器，無橋電路的電流通路擁有較少的開關(guān)數(shù)，因此能夠大大降低損耗，實(shí)現(xiàn)變換效率的最大化和成本的最低化。
　　 上述所研究的四種無電解電容的AC/DC變換器具有很強(qiáng)的普適性，不僅適用于傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，也適用

9、于Twin-Bus架構(gòu)，不但可以獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單串LED，也可以配合電流調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)多串LED。
　　 最后，對(duì)大于75W的高功率LED照明驅(qū)動(dòng)進(jìn)行研究?；?5W以上的應(yīng)用場(chǎng)合，業(yè)內(nèi)普遍采用Boost PFC級(jí)聯(lián)LLC諧振變換器外加多個(gè)電流調(diào)節(jié)器的三級(jí)級(jí)聯(lián)方案。雖然該方案可以實(shí)現(xiàn)各級(jí)電路的最優(yōu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高的電路性能;但是由于較多的級(jí)數(shù)，導(dǎo)致電路和控制過于復(fù)雜、成本較高。為此，本文通過共用開關(guān)管的方法，將Boost PFC和LLC諧