無電解電容LED驅(qū)動電源

李家成，沈艷霞

(江南大學(xué) 電氣自動化研究所，江蘇 無錫 214122)

引言

LED具有體積小，發(fā)光效率高，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在住宅、汽車、醫(yī)療照明等領(lǐng)域[1]。不同于白熾燈等光源，LED需要專門的驅(qū)動電源才能正常工作。LED驅(qū)動電源的性能決定了LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前LED驅(qū)動電源的壽命普遍較短，其主要原因是其中的儲能電解電容壽命不理想，約為10000 h左右，與LED壽命30000～100000 h不能匹配，去除電解電容有利于提高驅(qū)動電源的使用壽命[2-3]。LED驅(qū)動電源的輸入端是交流市電，輸出端是恒定的直流電壓，需要大容量的電容平衡瞬時脈動輸入功率和輸出功率。從使用成本等方面考慮，往往只有電解電容才能滿足需求，電解電容的壽命受環(huán)境影響較大，環(huán)境溫度每上升十?dāng)z氏度，其壽命減少一半[4]。另一方面，電解電容體積較大，當(dāng)LED驅(qū)動電源應(yīng)用在小體積、高功率密度的場合時，電解電容的應(yīng)用將會受到進(jìn)一步限制[5]。如果能減小儲能電容的容量，用長壽命的陶瓷電容和薄膜電容替代電解電容[6]，則驅(qū)動電源的使用壽命將會有明顯的提高。

1 LED驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)組成

LED驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由AC/DC整流橋，PFC(Power Factor Correction)功率因素變換器，DC/DC變換器，儲能電容CO和LED負(fù)載等組成[7]。

圖1 LED驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of LED power

驅(qū)動電源的輸入功率表示為：

(1)

假設(shè)輸入電壓vin(t)=Vssinwt，輸入電流iin(t)=Issinwt，其中w=2πfline。Vs，Is和fline分別表示峰值電壓、峰值電流和電網(wǎng)頻率。

則驅(qū)動電源的平均輸入功率Pin_avg可以表示為

(2)

假設(shè)驅(qū)動電源的能量轉(zhuǎn)換率為100%，則LED負(fù)載的輸出功率Pout應(yīng)滿足

(3)

由式(1)、(3)可知，輸入功率為瞬時脈動值，輸出功率為恒定值。儲能電容CO的作用是平衡脈動的輸入功率和恒定的輸出功率，當(dāng)pin(t)Pout時，電容吸收存儲多余的能量[8-10]。在一個周期內(nèi)，吸收的能量ΔEstored和釋放的能量ΔEreleased相等。儲能電容CO的充放電過程如圖2所示。

圖2 儲能電容CO的充放電示意圖Fig.2 The process of the charging and discharging of the storage capacitor CO

由電容的能量公式：

(4)

得到：

(5)

式中Vc-max，Vc-min，Vc-ave，ΔVc分別表示電容電壓的波峰值、波谷值 、平均值和紋波值，ΔEstored表示為電容中儲存的能量值。且有：Vc-max=Vc-ave+ΔVc，Vc-min=Vc-ave-ΔVc。為了給LED負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電流，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動電源都采用大容量的電解電容[11, 12]作為儲能電容。去除電解電容的主要策略是減小驅(qū)動電源中的輸出電容的容量值，用低容量長壽命的陶瓷電容或者薄膜電容代替電解電容。

2 去除電解電容的方法

從式(5)可知減小儲能電容容量的方法主要有三種：①減小電容儲能ΔEstored；②增加電容電壓紋波值ΔVc；③增加電容的電壓平均值Vc-ave。

2.1 減小電容儲能ΔEstored

如圖2所示，電容存儲的能量ΔEstored也可以表示為：

(6)

去除電解電容以后，LED負(fù)載電流iout(t) 將會出現(xiàn)較大的電流波動：

(7)

則LED負(fù)載的平均電流為：

(8)

則輸出電流的峰均比PAR(peak-to-average ratio)為：

(9)

脈動的輸出電流會使LED產(chǎn)生頻閃現(xiàn)象[13]，當(dāng)脈動電流的峰均比過大時，甚至可能會損壞 LED[14]。從式(6)可知，減小脈動輸入功率pin(t)或者增大輸出功率Pout均能減小電容儲能值ΔEstored。除物理上增加額外的儲能裝置或者元件吸收脈動功率能減少儲能電容的容量值外，對驅(qū)動電源的輸入電流或者輸出電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)制，也能有效的減少所需儲能電容的容量。

文獻(xiàn)[15]提出了在輸入端注入3次諧波電流的方法，該方法減小了脈動的輸入功率pin(t)，從而使儲能電容容量減小到65.6%。但諧波電流的注入大大降低了驅(qū)動電源的功率因素(power factor)，能源之星[16]中規(guī)定，用于住宅和商業(yè)照明的供電設(shè)備，其功率因素應(yīng)分別高于0.7和0.9，在標(biāo)準(zhǔn)IEC 1000-3-2 Class C中[17]，對允許注入的諧波電流的大小也有嚴(yán)格的規(guī)定。因此文獻(xiàn)[18]改進(jìn)了此方法，以畸變的正弦電流作為參照輸入電流，提出了一種基于低成本微處理器的功率因素校正(PFC)的控制策略，該方法成功減小了LED負(fù)載的波動電流，最后成功應(yīng)用在了500W的大功率LED照明領(lǐng)域。

Ruan Xinbo[19]等學(xué)者經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明和計算，推導(dǎo)在無電解電容存在的情況下，輸出電流的峰均比和輸入諧波電流的定量關(guān)系，計算出注入最佳的3次諧波和5次諧波值，能將輸出電流的峰均比降低為1.34，此時驅(qū)動電源的功率因素為0.9，驅(qū)動電源效率約為85%。文獻(xiàn)[20]利用電壓前饋法實現(xiàn)了在輸入電流中注入3次和5次諧波電流，并通過改變占空比在工頻周期內(nèi)的變化規(guī)律，實現(xiàn)了降低輸出電流峰均比，進(jìn)一步減小儲能電容的容值。文獻(xiàn)[21]將驅(qū)動電源的輸入電流調(diào)制為直流電流，降低了輸入功率的脈動值，驅(qū)動電源的功率因素達(dá)到了0.9，儲能電容容量減少34%，但直流調(diào)制的控制拓?fù)湎鄬?fù)雜。

通過調(diào)制輸出電流增大LED消耗的功率Pout，也能達(dá)到減小儲能電容容量的目的。文獻(xiàn)[22]利用有偏置的正弦波電流和PWM方波電流驅(qū)動LED，能將儲能電容的容量減少到了原來的55.8%和52.7%，調(diào)制后的LED驅(qū)動電流的峰均比低于1.34，此方法不會對LED的可靠性和壽命產(chǎn)生不利影響。

輸入電流諧波注入法與輸出電流調(diào)制法都能有效降低儲能值ΔEstored，從而減小儲能電容的容量，但輸出電流包含了脈動電流，能夠降低輸出脈動電流的峰均比，確保LED使用性能不降低。脈動電流會使LED產(chǎn)生頻閃現(xiàn)象，當(dāng)LED頻閃頻率高于70Hz時，人眼感受不到LED亮度的變化，為了保證視網(wǎng)膜成像清晰，人的視覺系統(tǒng)需要不停進(jìn)行的調(diào)節(jié)，勢必會造成用眼疲勞。文獻(xiàn)[23, 24]已經(jīng)證明，長期工作在頻閃的LED光源下，會對人的眼部造成一定的損傷，頻閃的光源已經(jīng)成為了人類健康的潛在威脅之一。

2.2 提高儲能電容紋波電壓ΔVc

由式(4)可以得到：

(10)

由式(3)、(5)、(8)可知：

(11)

從式(10)、(11)可以看出，當(dāng)電容的儲能ΔEstored不能改變時，通過增大電容兩端的平均電壓Vc-ave或紋波電壓ΔVc也能使儲能電容減小。通常情況下，如果電容兩端的平均電壓Vc-ave過高，將會導(dǎo)致元件的使用壽命降低，不利于驅(qū)動電源的穩(wěn)定性要求，實際應(yīng)用時常設(shè)計為固定值，因此多用提高紋波電壓ΔVc的方法減小儲能電容值。

文獻(xiàn)[25]提出了一種恒流高功率因素的新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示，該電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以flyback(反激式)電路為基礎(chǔ)。當(dāng)輸入功率pin(t)小于Pout，電容Ca釋放存儲的能量，此時開關(guān)管Q3將會一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，控制Q2實現(xiàn)輸出電流的恒定，使得輸出電流io為恒定值；當(dāng)輸入功率pin(t)大于Pout時，電容Ca吸收能量，此時Q2截止關(guān)斷，控制開關(guān)管Q3實現(xiàn)輸出電流io的值為恒定。可見電容Ca起到平衡輸入脈動功率和輸出功率的作用。通過增大Q2和Q3的占空比，提高了電容Ca的兩端電壓波動值。文中采用3μF/600V的薄膜電容，結(jié)果表明當(dāng)220V交流輸入時，電容Ca兩端有接近150V的電壓波動值，電容Co為10μF/100V的薄膜電容，起到高頻濾波的作用，LED輸出電流0.2A的直流電流，驅(qū)動電源的功率因素達(dá)到了0.96以上。

圖3 文獻(xiàn)[25]提出的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology proposed in ref. [25]

SEPIC(single ended primary inductor converter)電路廣泛應(yīng)用于LED驅(qū)動照明中的功率因素校正環(huán)節(jié)，但也都使用了大容量的電解電容[26, 27]平衡輸入與輸出功率。文獻(xiàn)[28]提出了一種改進(jìn)型SEPIC無電解電容的LED照明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。該拓?fù)湟愿倪M(jìn)型的SEPIC作為功率因素校正(PFC)環(huán)節(jié)，SEPIC電路增加了二極管VDx，打破了傳統(tǒng)SEPIC變換器的低頻回路，和文獻(xiàn)[25]的方法類似，中間電容C1起著功率解耦的作用，通過增大電容C1的紋波電壓ΔVC1的方法降低了電容C1容量值，最后采用Twin-BUS buck變換器[29]作為LED電流調(diào)節(jié)器，提高了調(diào)節(jié)效率，最后測試表明驅(qū)動電源功率因素能達(dá)到0.96，輸出電流含有少量的紋波。

圖4 文獻(xiàn)[28]提出的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topology proposed in ref. [28]

為了進(jìn)一步優(yōu)化電路性能，文獻(xiàn)[30]在文獻(xiàn)[28]的基礎(chǔ)之上做出了相應(yīng)的改進(jìn)，提出了一種單級無橋式AC / DC轉(zhuǎn)換器，其中的電容CB的端電壓不再跟隨輸入電壓變化，能夠起到功率解耦的作用，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。通過控制作用電容CB的紋波電壓值，能夠有效降低其電容值。文中也采用了雙總線buck電流調(diào)節(jié)器以提高LED驅(qū)動效率，電容C01，C02為10μF/100V的薄膜電容，實驗結(jié)果顯示交流輸入在90V～270V之間時，整機的功率因素始終保持在0.96以上，效率能夠達(dá)到85%以上，輸出電流平穩(wěn)，紋波較小，LED無頻閃現(xiàn)象。

圖5 文獻(xiàn)[30]提出的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topology proposed in ref. [30]

J. Garcia[31]等學(xué)者提出了一種新型兩級式LED驅(qū)動電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了使輸出電流和電容電壓相互獨立，該變換器采用峰值電流拓?fù)淇刂撇呗裕儞Q器能夠自適應(yīng)跟蹤電源中的開關(guān)頻率，另外該拓?fù)涞恼{(diào)光性能優(yōu)異，輸出電流的紋波達(dá)到10%。文獻(xiàn)[32]提出了一種新型單級式的boost-flyback電路，文中給出了詳細(xì)的參數(shù)設(shè)計步驟和方法，實驗結(jié)果證明這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取得了很好的功率因素和能源效率，但過高的脈動電壓產(chǎn)生了較大的脈動電流。Yao Kai[33]等學(xué)者優(yōu)化了此拓?fù)涞脑O(shè)計步驟，如圖6所示，使反激式flyback拓?fù)涔ぷ髟贒CM(電流斷續(xù)模式)，LED負(fù)載電流獨立于儲能電容的紋波電壓，增加儲能電容的紋波電壓降低其容量值時，負(fù)載電流紋波較小。

圖6 文獻(xiàn)[33]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology proposed in ref.[33]

Li Yan-Cun[34]等學(xué)者集成了buck-boost電路和反激式(flyback)電路的優(yōu)點，文中也采用提高紋波電壓法降低儲能電容的容量，最后使用多層陶瓷電容(MLCCs)代替電解電容，雖然能提供較高的功率因素和較低的總諧波失真THD (Total Harmonic Distortion )，但是脈動的電流會使LED產(chǎn)生頻閃。當(dāng)輸出功率較大時，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在明顯的缺陷，峰均比較高的電流可能會損壞LED[35]，電路拓?fù)淙鐖D7所示。

圖7 文獻(xiàn)[34]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Topology proposed in ref.[34]

為了解決文獻(xiàn)[15][20]中的頻閃現(xiàn)象，文獻(xiàn)[36]在此基礎(chǔ)之上提出增加雙向buck-boost變換器[37]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。雙向變換器的作用是使流入雙向變換器的電流為包含100Hz(2倍工頻)交流分量，由式(5)可知，LED負(fù)載中的輸出電流是穩(wěn)定的直流電流，從而消除了頻閃現(xiàn)象。當(dāng)輸入功率pin(t)>Pout時，電容CES通過雙向變換器吸收能量；當(dāng)輸入功率pin(t)

圖8 文獻(xiàn)[36]所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Topology proposed in ref. [36]

2.3 去電解電容的其他方法

Manuel Arias[39]等學(xué)者提出了一種基于boost升壓變換器和不對稱半橋AHB(Asymmetri-cal Half Bridge)的兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不對稱全橋具有固定的開關(guān)頻率，工作效率高，輸出電壓和電流紋波小。boost電路起著功率因素校正的作用，去除電解電容以后，以往的AHB的控制速度過慢，不足以消除低頻紋波，文中使用前饋控制策略有效解決了此問題，AHB還能還能提供電氣隔離，提高了驅(qū)動電源的安全性能。文獻(xiàn)[40]也采用兩級式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，前級采用工作在DCM(斷續(xù)電流模式)的buck電路，后一級采用電流饋電(current fed)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其占空比固定。兩級電路之間采用LC濾波電路，LC濾波電路能夠有效消除2倍電網(wǎng)頻率的諧波，消除輸出電容兩端的電壓波動，輸出電容用26uF薄膜電容代替電解電容，輸出電流波形平穩(wěn)，電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 文獻(xiàn)[40]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.9 Topology proposed in ref. [40]

文獻(xiàn)[41]提出了移相 PWM 控制多串LED的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得輸出端消耗功率與輸入功率成正比，從而減小了儲能電容的容值，但此方法不足之處是對于LED串?dāng)?shù)有嚴(yán)格的要求，LED的利用率也只有50%。文獻(xiàn)[42]提出了一種新型多串LED驅(qū)動控制拓?fù)?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括buck-boost電路和電流互感器CT(Current Transformer)，buck-boost電路的作用是提高驅(qū)動電源的功率因素，工作在臨界導(dǎo)通狀態(tài)降低了開關(guān)損耗，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。為了實現(xiàn)恒流輸出，傳統(tǒng)的驅(qū)動電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多采用傳感電阻檢測輸出電流[43],但存在不小的電阻損耗，文中提出使用電流互感器(CT)檢測輸出電流，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠平衡各LED負(fù)載中的電流，達(dá)到了輸出電流均流的目的，但LED負(fù)載中的電流波動較大。文獻(xiàn)[44]提出了一種僅由無源元件組成的無電解電容的LED驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖10所示。無源元件具有成本低，可靠性高，可循環(huán)使用等優(yōu)點，圖中的電容CS的作用是提高功率因素，填谷電路不僅能提高功率因素[45]，還能減小輸出電壓的脈動。在輸出端采用1.9H的大電感，使輸出電流的紋波減小，此拓?fù)涞妮敵龉β蕿?0W，效率高達(dá)93.6%，功率因素能達(dá)到0.99。

圖10 文獻(xiàn)[44]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.10 Topology proposed in ref. [44]

文獻(xiàn)[46]提出了一種高穩(wěn)定性，高性能的LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由boost電路，變壓器ET(Electronic Transformer)和TI-BUCK電路組成。boost電路和變壓器ET分別起到功率因素校正和電氣隔離的作用，TI-BUCK電路替代電解電容消除了電壓波動，該拓?fù)涞男蔬_(dá)到了93%，能夠較好地應(yīng)用在大功率且對安全系數(shù)要求較高的場合。J. Marcos Alonso[47]等學(xué)者提出了一種IDBB(integrated double buck-boost)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖11所示， 輸入電感Li工作在DCM(電流斷續(xù))模式，提高了驅(qū)動電源的功率因素，輸出電感Lo工作在CCM(電流連續(xù))模式，降低了輸出電流的波動。這種拓?fù)渚哂泄β室蛩馗撸煽啃院?，成本低?/p>

圖11 文獻(xiàn)[47]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.11 Topology proposed in ref. [47]

3 結(jié)語

電解電容用于平衡脈動的輸入功率和平直的輸出功率，在驅(qū)動電源中應(yīng)用廣泛。電解電容的壽命相對較短，與LED的長壽命特性不匹配，如何減小或者去除電解電容已經(jīng)引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。從減小電容儲能能量ΔEstored的角度考慮，輸入電流諧波注入法和輸出電流調(diào)制法均能大幅度減小儲能電容的容值，但諧波電流的注入會降低驅(qū)動電源的功率因素，輸出電流調(diào)制法會使LED產(chǎn)生頻閃現(xiàn)象。通過提升儲能電容的電壓波動值ΔVC，也能實現(xiàn)電容容量的減小，過高的波動值不僅會增大元件功耗，輸出電流也會產(chǎn)生較大的脈動。改進(jìn)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者增加雙向變換器，能使電容紋波值和輸出電流相互隔離，起到了功率解耦的作用，輸出電流中的脈動值減小有利于消除了LED的頻閃現(xiàn)象。采用AHB不對稱半橋能消除輸出電流紋波，但控制電路相對復(fù)雜。使用電流互感器CT代替了傳感電阻，雖然能減少損耗，但輸出電流不理想。利用大電感代替電解電容存儲能量，也能實現(xiàn)平穩(wěn)的輸出電流。

未來LED光源將得到越來越多的推廣應(yīng)用，這對驅(qū)動電源的壽命和可靠性等性能也提出了更高的要求，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，無電解電容驅(qū)動電源將迎來進(jìn)一步的發(fā)展。

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