正弦波交流LED PWM調(diào)光器研究*

葛廣軍 張曉杰 楊 帆

(1.河南城建學(xué)院電氣系，河南平頂山467036;2.河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001)

1 引言

如今，節(jié)能減排、綠色環(huán)保已成為全世界各個(gè)國(guó)家的共識(shí)。跟據(jù)國(guó)際能源署(IEA)估計(jì)，商業(yè)和住宅照明用電量占全世界每年發(fā)電量的20%。因此，世界各國(guó)紛紛致力于以更高能效的方案來(lái)替代低能效的現(xiàn)有光源［1～3］。發(fā)光二極管(LED)具有低能耗、高流明、長(zhǎng)壽命、低污染的優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，制造成本不斷下降，LED照明成為一種極為引人注目的替代光源解決方案［4］。近幾年來(lái)，LED照明在普通照明產(chǎn)業(yè)中不增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際電工組織頒布的IEC-1000-3-2-C電流諧波限制標(biāo)準(zhǔn)，高功率因數(shù)和低輸入電流諧波成為交流供電LED驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)制設(shè)計(jì)要求［5］。近年來(lái)，很多學(xué)者陸續(xù)提出了多種適用于LED驅(qū)動(dòng)的PFC拓?fù)浜涂刂撇呗裕?～7］。針對(duì)LED照明中可調(diào)光這一需求，少數(shù)廠商推出了基于DC LED照明的調(diào)光方式，采用連續(xù)或斷續(xù)的方式調(diào)節(jié)流過LED的電流大小，來(lái)改變LED燈的發(fā)光亮度，這些調(diào)光產(chǎn)品必須經(jīng)過AC/DC變換后，才能在現(xiàn)有的供電模式(AC2200V 50Hz或AC110V 60Hz)中使用。隨著LED照明技術(shù)的進(jìn)步，針對(duì)AC LED照明的研究方興未艾，但AC LED照明下的調(diào)光方法鮮有文獻(xiàn)報(bào)道［3］。本文簡(jiǎn)要分析了AC LED照明中相控和PWM調(diào)光模式的工作原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。

2 相控調(diào)光器

調(diào)光器是一種常見的電力電子照明設(shè)備，在商業(yè)和住宅照明中大量使用，它具有使用方便和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。照明中廣泛使用的調(diào)光器主要采用可控硅控制技術(shù)，其電路工作原理有前沿和后沿相控兩種方法［4］。圖1是可控硅相控調(diào)光器的基本電路，AC是輸入工頻220V交流電，負(fù)載為AC LED，T1和T2是兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅TRIAC，可調(diào)電阻R1和電容C1組成可控硅門極觸發(fā)電路。正弦波輸入電壓過零點(diǎn)后，延遲一段時(shí)間，即相控角為(α)時(shí)，觸發(fā)可控硅T1導(dǎo)通，到下一個(gè)交流電壓過零時(shí)T1被反相截止;然后，再到下一個(gè)相控角(α)時(shí)再觸發(fā)可控硅T2導(dǎo)通，到下一個(gè)交流電壓過零時(shí)T2又被反相截止，這樣周而復(fù)始地工作。相控調(diào)光器的輸出電壓由式(1)給出:

圖1 相控調(diào)光電路原理圖

相控調(diào)光器功率因數(shù)(PF)可表示為:

為了簡(jiǎn)化分析，只討論輸入電壓在正半周期時(shí)的工作情況，負(fù)半周期的工作情況與此類似。由電路原理可知，可控硅的相控角(α)與R1、C1組成的時(shí)間延遲電路有關(guān)。當(dāng)R1、C1的參數(shù)不變，輸入電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)觸發(fā)相控角的影響如圖2所示。輸入電壓(藍(lán)色點(diǎn)劃線)正常幅值為Vin，某一時(shí)刻，由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)，電壓幅值升高到Vin1(藍(lán)色實(shí)線)，這時(shí)，觸發(fā)相控角減小到(α－β1)，角(β1)是由于輸入電壓增加到Vin1影響的結(jié)果，輸出電壓Vout(紅色粗線)也相應(yīng)變大，如圖2(a)所示。當(dāng)電壓幅值下降到Vin2(藍(lán)色實(shí)線)時(shí)，觸發(fā)相控角增大到(α+β2)，角(β2)是由于線路電壓降低到Vin2時(shí)影響的結(jié)果。輸出電壓Vout(紅色粗實(shí)線)也相應(yīng)下降，如圖2(b)所示。這樣，線路電壓波動(dòng)時(shí)，相控調(diào)光器將放大燈光的明暗閃爍程度。

圖2 相控調(diào)光器電壓波動(dòng)時(shí)的波形圖

另外，相控調(diào)光器輸出電壓波形在觸發(fā)點(diǎn)處有一個(gè)很陡的前沿，電壓從零跳變到輸入值。如果燈具是電容性負(fù)載時(shí)，由于電容器兩端電壓不能突變，電路中會(huì)產(chǎn)生峰值很高的浪涌電流，這種浪涌電流將產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，引起電網(wǎng)質(zhì)量下降，甚至?xí)蓴_附近的其他電子設(shè)備［5］。為了減少其電磁干擾，需要在負(fù)載電路中串聯(lián)一個(gè)體積較大的電感線圈，使被斬波后的輸出波形前沿變緩。為了降低浪涌電流，文獻(xiàn)［4］提出了在相控調(diào)光器中，由可關(guān)斷器件MOSFET或IGBT取代可控硅，其工作原理與可控硅相控調(diào)光原理相反，這種調(diào)光方法又稱為后沿相控調(diào)光。當(dāng)輸入電壓過零時(shí)，立即觸發(fā)導(dǎo)通開關(guān)管，輸出電壓由零開始上升，導(dǎo)通一段時(shí)間后，即導(dǎo)通角為(β)時(shí)，控制電路關(guān)斷開關(guān)管，由于輸出電壓和電流在變化過程中，不存在向上的突變，這種后沿相位調(diào)光器最大限度地降低了浪涌電流，輸出電流波形比較平滑。后沿相位調(diào)光器的輸出電壓由式(3)給出:

后沿相控調(diào)光器功率因數(shù)由公式(4)給出:

后沿相控調(diào)光器輸出電壓與前沿相位調(diào)光器控制過程相反，導(dǎo)通角(β)越大，輸出電壓Vout越大，亦越接近于輸入電壓Vin。開關(guān)器件關(guān)斷瞬間，電流突然斷續(xù)，d i/d t將會(huì)很大，如果電路中沒有設(shè)計(jì)續(xù)流回路，將其直接應(yīng)用于電感性負(fù)載時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重后果，但后沿相控調(diào)光器與容性負(fù)載有極好的適應(yīng)性。所以，在實(shí)際相控調(diào)光電路中為降低d i/d t和d v/d t，必須在開關(guān)電路中加入RC緩沖吸收電路，以降低電磁干擾。

由上分析可知，相控調(diào)光器的本質(zhì)是斬波降壓，其輸出波形明顯變形，且產(chǎn)生大量諧波電流。由公式(2)和(4)可知，相控調(diào)光器的功率因數(shù)低，如果前沿相控調(diào)光器觸發(fā)相控角(α)接近(π)，或后沿相控調(diào)光器導(dǎo)通角(β)接近(0)，功率因數(shù)更低。當(dāng)(α=β=90°)時(shí)，即在輸入正弦波電壓最大峰值處導(dǎo)通，在這種情況下，諧波電流最嚴(yán)重，應(yīng)用中需要在負(fù)載電路中串聯(lián)一個(gè)體積較大的濾波電感。

3 PWM調(diào)光器

PWM調(diào)光器是在小段時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)—停止、重新啟動(dòng)—停止，斷續(xù)給負(fù)載LED供電，這個(gè)啟動(dòng)和重新啟動(dòng)循環(huán)的頻率必須快于人眼可以感知的速度，以免出現(xiàn)光閃爍。LED的發(fā)光強(qiáng)度與通過LED的電流大小成正比，即與調(diào)光器輸出電流波形的占空比成正比，可有式(5)給出。

這里，Iin是流過LED的額定電流，Iout是調(diào)光器輸出平均電流，D是占空比，T是開關(guān)周期，ton是導(dǎo)通時(shí)間，toff是關(guān)斷時(shí)間。

圖3是PWM調(diào)光器基本電路，主電路開關(guān)器件由兩個(gè)功率MOSFET反串聯(lián)組成，兩個(gè)MOSFET開關(guān)管T1和T2反串聯(lián)，它們的源極s1和s2，柵極(控制極)g1和g2分別并聯(lián)在一起，可以用一路PWM信號(hào)控制其導(dǎo)通或關(guān)斷，D1和D2是兩個(gè)MOSFET開關(guān)管T1和T2的體內(nèi)寄生二極管。輸入濾波器由C1、C2、C3、C4和L1組成，EMI濾波器用來(lái)抑制PWM調(diào)光器產(chǎn)生的高次諧波電流。一個(gè)開關(guān)周期中的兩種工作狀態(tài)如圖4所示。在T1或T2導(dǎo)通期間，電流流過負(fù)載AC LED。當(dāng)開關(guān)管T1和T2截止時(shí)，電流斷開。由于PWM調(diào)光器的占空比與輸入電壓無(wú)關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，控制電路自動(dòng)調(diào)整占空比，使PWM調(diào)光器的輸出電壓穩(wěn)定在給定值。開關(guān)頻率越高，光閃爍越小。所以，PWM調(diào)光器在輸入電壓波動(dòng)時(shí)不放大光閃爍。

圖3 PWM調(diào)光器電路原理圖

圖4 PWM調(diào)光器工作原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證前面的分析結(jié)果，針對(duì)晶越光電科技有限公司的照明燈具用10W AC LED球形燈設(shè)計(jì)了相控和PWM調(diào)光器。PWM調(diào)光器電路主要元器件參數(shù)如下:濾波電感L1為10mH，電容C1、C2、C3和C4分別是330μ、220μ和1μ，T1和T2為MTH12N50，開關(guān)頻率20kHz，輸出最大功率30W。在相同的輸入電壓和負(fù)載條件下，相控調(diào)光器和PWM調(diào)光器輸入電流所含諧波電流測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，相控調(diào)光器的諧波失真THD為108%，3次諧波電流為82.7%;PWM調(diào)光器的諧波失真顯著減小，THD為46%，3次諧波電流為43.6%。

表1 PWM調(diào)光器和相控調(diào)光器諧波分析

相控調(diào)光器相控角為90°，電壓上下波動(dòng)時(shí)的波形如圖5所示。圖5(a)是相控調(diào)光器在輸入電壓為220V、輸出電壓為195V的波形。圖5(b)是相控調(diào)光器在輸入電壓為200 V、輸出電壓為165 V的波形，輸入電壓變低使R1～C1延遲電路充放電時(shí)間變長(zhǎng)，雙向可控硅調(diào)光器的相控角增大，延遲觸發(fā)導(dǎo)通可控硅，造成輸出電壓下降。圖5(c)是相控調(diào)光器在輸入電壓為240V、輸出電壓為216 V的波形，輸入電壓變高使R1～C1延遲電路充放電時(shí)間減小，可控硅調(diào)光器的相控角減小，提前觸發(fā)導(dǎo)通可控硅，造成輸出電壓增大。因此，當(dāng)輸入電壓波動(dòng)時(shí)，直接影響相控調(diào)光器的R1～C1延遲電路，影響其充放電時(shí)間，使可控硅的相控角增大或變小，造成輸出電壓比輸入電壓波動(dòng)幅度大。在這種情況下，會(huì)增強(qiáng)燈光明暗閃爍程度，即輸入電壓波動(dòng)時(shí)，相控調(diào)光器會(huì)放大光閃爍。

圖5 相控調(diào)光器輸入電壓波動(dòng)時(shí)的波形圖

PWM調(diào)光器在占空比為0.5，輸入電壓上下波動(dòng)時(shí)的波形如圖6所示，圖6(a):輸入電壓220V，輸出電壓為195V。圖6(b):圖6(a)條件下的放大1000倍的波形圖，這時(shí)，PWM調(diào)光器的開關(guān)頻率為98千赫。圖6(c):輸入電壓為200V，輸出電壓為179V。圖6(d):輸入電壓240V，輸出電壓為202V。由于PWM調(diào)光器的占空比與輸入電壓無(wú)關(guān)，當(dāng)占空比不變時(shí)，其輸出電壓與輸入電壓呈線性關(guān)系，所以，PWM調(diào)光器不放大由輸入電壓波動(dòng)引起的燈光閃爍。在額定輸入電壓220V下，PWM調(diào)光器帶10W的AC LED燈進(jìn)行調(diào)光實(shí)驗(yàn)，調(diào)光范圍為(0～100%)，LED輸出流明與調(diào)光器的輸出電流之間近似呈線性關(guān)系。在負(fù)載額定功率下，電路功率因數(shù)為94.1%，電源轉(zhuǎn)換效率達(dá)93.6%。

圖6 PWM調(diào)光器輸入電壓波動(dòng)時(shí)的波形圖

5 結(jié)論

在現(xiàn)有照明供電模式下，分析了AC LED照明下相控和PWM調(diào)光器的工作原理，針對(duì)照明燈具用10W AC LED球形燈設(shè)計(jì)了相控和PWM調(diào)光器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:PWM調(diào)光器功率因數(shù)高，能夠輸出正弦波電壓和電流，降低輸入電流中的諧波電流;PWM調(diào)光器的開關(guān)頻率高達(dá)20kHz，減小了輸入濾波器的體積;PWM調(diào)光器在調(diào)光過程中，不放大由輸入電壓波動(dòng)而引起的燈光閃爍。該調(diào)光器在家用和商業(yè)照明中有較廣的應(yīng)用前景。

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