一種新型LED驅(qū)動(dòng)器的分析與設(shè)計(jì)

曹太強(qiáng)1，游 芳1，魏金成1,王 軍1,孫 章1,羅 謙

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610039;2.中國民用航空總局民第二研究所信息公司，四川 成都 610047)

·機(jī)電工程·

一種新型LED驅(qū)動(dòng)器的分析與設(shè)計(jì)

曹太強(qiáng)1，游 芳1，魏金成1,王 軍1,孫 章1,羅 謙2

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610039;2.中國民用航空總局民第二研究所信息公司，四川 成都 610047)

傳統(tǒng)的具有功率因數(shù)校正(power factor correction, PFC)功能的DC輸出LED驅(qū)動(dòng)器需要在輸出端用容值較大的電解電容來減小輸出電流紋波。為解決電解電容的使用壽命短而造成驅(qū)動(dòng)器壽命低于LED壽命的問題，采用一種新型的AC LED拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，理論分析了該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)以及參數(shù)的選取。由于該驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓和輸出電壓都是脈動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)器的輸入輸出濾波可采用容值較小的薄膜電容，從而提高了驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。通過仿真和試驗(yàn)的結(jié)果表明，該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)是可行的，其參數(shù)的選取是正確的。

直流發(fā)光二極管；交流發(fā)光二極管；功率因數(shù)校正；LCC

由于發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)具有發(fā)光度強(qiáng)、使用壽命長、低耗能等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)場的助航燈光系統(tǒng)、工業(yè)控制的液晶顯示、信號燈、工控儀表顯示和通用照明等方面得到廣泛應(yīng)用[1-2]。傳統(tǒng)具有功率因數(shù)校正(power factor correction, PFC)功能的直流輸出LED驅(qū)動(dòng)器需要在整流輸出端用容值較大的電解電容來得到平穩(wěn)的直流電壓和減小輸出電流紋波。由于電解電容的使用壽命短，將造成驅(qū)動(dòng)器的壽命低于LED的壽命，因此本文采用了一種新型的AC LED拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)。由于該驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓和輸出電壓都是脈動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)器的輸入輸出濾波可采用容值較小的薄膜電容，從而提高了驅(qū)動(dòng)器的使用壽命[1-7]。

1 AC LED拓?fù)潆娐?/h2>

現(xiàn)有AC LED拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)有串聯(lián)型、梯形型和橋式型等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。可以看出，其拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)存在以下問題：當(dāng)提供給驅(qū)動(dòng)器的交流電壓為220 V、50 Hz時(shí)，需要串聯(lián)大量的LED以限制電流，否則需串聯(lián)限流電阻；如果增大開啟電壓將導(dǎo)致功率因數(shù)降低；如果串聯(lián)限流電阻，將導(dǎo)致LED的串聯(lián)數(shù)減小。另外，當(dāng)LED輸入的交流電壓頻率為50 Hz時(shí)，在圖1(a)中，人的視覺能感覺到頻閃現(xiàn)象，而在圖(d)中，橋式整流后的工作頻率為100 Hz，人的視覺感覺不到燈光的頻閃。圖2為輸入相同電流有效值時(shí)，圖1(a)和圖1(d)的LED流明度比較結(jié)果。圖1(a) 的流明度更好，但是工作頻率太低，如果將圖1(a) 的工作頻率提高到100 Hz，就可結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)；因此，可以采用圖1(a)的LED電路結(jié)構(gòu)，但是，需要為負(fù)載提供100 Hz的交流電源。基于此，本文基于整流后端要減小大電容值的思想，采用一種新型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其既能為LED提供100 Hz的交流電源，又能減小整流后端的電容值，以延長驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。

這不僅解決了AC LED驅(qū)動(dòng)器輸入交流電壓頻率低造成燈光頻閃的問題，還提高了AC LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)、減小諧波成分，提高電源質(zhì)量。最后文章通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的正確性和有效性。

圖1 AC LED 結(jié)構(gòu)

圖2 流明度比較圖

2 驅(qū)動(dòng)器的分析與實(shí)現(xiàn)

圖3是本文所提出的AC LED驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖。AC輸入交流電壓經(jīng)二極管整流橋不控整流后，通過Buck DC/DC驅(qū)動(dòng)器迫使整流前段的輸入交流電流相位跟蹤輸入交流電壓相位，從而使功率因數(shù)接近為“1”，這部分電路通常稱為PFC校正電路。Buck DC/DC驅(qū)動(dòng)器輸出的直流電壓通過半橋逆變和LCC諧振電路后為LED提供電能。半橋逆變和LCC諧振電路可以為LED提供交流電壓的頻率。從圖3可知，該電路主要包括不控整流、Buck PFC 校正電路和LCC諧振電路3部分。C1和C2的電容值比傳統(tǒng)的電容值小，可以使用長壽命的薄膜電容，以延長驅(qū)動(dòng)器的壽命。Uce的低頻頻率與整流后輸出電壓Uix頻率相同，即為100 Hz，因此，LCC諧振電路輸入和輸出交流電壓頻率為100 Hz，這樣就解決了50 Hz的LED頻閃問題。

圖3 AC LED 驅(qū)動(dòng)器

2.1 Buck PFC電路參數(shù)的設(shè)定

設(shè)計(jì)1個(gè)40 W的LED驅(qū)動(dòng)器裝置，該驅(qū)動(dòng)器輸出的峰值電壓不大于40 V。LED負(fù)載支路的開啟電壓為30 V，其支路的等效內(nèi)阻為8 Ω，峰值電流小于1.8 A，S1開關(guān)頻率為16 kHz，取C1=C2=1 μF。當(dāng)電感電流工作于CCM模式時(shí)，其電流紋波為

(1)

式中，d為圖3中開關(guān)管S1的占空比，d=Uce/Uix。假設(shè)Uix最大值為310 V，而在PFC校正電路中，其輸出電壓Uce幅度不超過220 V，假設(shè)ΔIL1最大值不超過5 A，可得L1理論值為

(2)

因此，取L1值為0.7 mH。

2.2 LCC參數(shù)的設(shè)定

在諧振電路中，開關(guān)管S2和S3的占空比為互補(bǔ)關(guān)系，使得LCC諧振電路輸出為交流電壓，其工作狀態(tài)如圖4所示。圖4(a)是S2導(dǎo)通，S3關(guān)斷時(shí)的電路圖；圖4(b)是S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通時(shí)的電路圖。由圖4可得到其等效電路，如圖5所示，其中C=2C1=2C2，Uon為串聯(lián)開啟電壓30 V，RE為等效電阻8 Ω。

(a)狀態(tài)1

(b)狀態(tài)2

圖5 LCC部分等效電路

(3)

當(dāng)輸出電壓︱Uo︱>Uon時(shí)，輸入輸出傳遞函數(shù)為

(4)

圖6 LCC最簡等效圖

(5)

(6)

式中：Uomax為輸出電壓最大幅度值，即峰值；Uimax為C1和C2電壓值之和的1/2的最大值，當(dāng)C1=C2時(shí)，為其電容值的最大值。在滿足式(5)條件下可得式(4)的增益趨勢圖，如圖7所示。根據(jù)式(6)的限制條件，可選擇電感L2應(yīng)小于0.45 mH。

圖7 有負(fù)載情況下輸入輸出增益曲線

選擇電感L2值分別為50、 100、150、200 μH時(shí)，得到式(4)的傳遞函數(shù)如圖8所示，再根據(jù)增益和諧振頻率的限制條件，可取L2=100 μH，通過式(5)可計(jì)算出C3=133 nF。

圖8 帶負(fù)載情況下輸入-輸出傳遞函數(shù)Bode圖

2.3 控制電路

控制環(huán)路如圖1所示，控制方法采用電流峰值型控制，即使電感電流iL1峰值信號跟隨輸入電壓整流后的信號Uix，從而使輸入電流的相位跟蹤輸入電壓相位，以提高功率因數(shù)。主要控制波形如圖9所示。圖中UL1為電感電流采樣iL1轉(zhuǎn)換的電壓信號，Uc為控制信號。從圖1可知，控制環(huán)路由輸入電壓環(huán)和輸出電壓環(huán)組成。為控制輸出電壓的峰值，采樣輸出電壓峰值Uop，并通過誤差放大器放大Uop與參考電壓Uref的差值，得到信號Uoc，Uoc與Uix相乘得到參考信號Uc， 故參考信號受到輸入電壓和輸出電壓的控制。當(dāng)輸出電壓過高時(shí)，Uoc降低，從而降低參考信號Uc，最后使得輸出電壓降低，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，Uoc近似恒值，則Uc為Uix的倍數(shù)，從而使得輸入電流的相位跟蹤輸入電壓相位。

圖9 控制信號波形圖

控制環(huán)路中RS觸發(fā)器由2個(gè)或非門組成，開關(guān)管S1的頻率等于RS觸發(fā)器輸入時(shí)鐘信號CLK的頻率。周期開始時(shí)，CLK信號為高，則輸出Q為高電平，開關(guān)管S1導(dǎo)通，iL1和UL1上升，當(dāng)UL1的值達(dá)到控制信號Uc時(shí)，觸發(fā)器R端輸入高電平，使得輸出Q為低電平，開關(guān)管S1關(guān)斷，直到下個(gè)周期開始，依次類推。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述材料，設(shè)計(jì)電路的主要參數(shù)：輸入電壓Uin為220 VAC，輸出電壓峰值為40 VDC，S1開關(guān)頻率為16 kHz，開關(guān)S2和S3的頻率為45 kHz，電感L1為 0.76 mH，諧振電感L2為0.1 mH，儲能電容C1和C2為1 μF，諧振電容C3為133 nF。采用PSIM仿真軟件進(jìn)行仿真，其結(jié)果測試為PF=0.98，效率η=0.9。圖10是電感電流iL1仿真波形圖；圖11是輸出電流io仿真波形圖；圖12為輸入電壓和電流測試波形圖。可知，其輸出的電壓和電流波形頻率為100 Hz，并且其電流與電壓的相位一致，說明其功率因數(shù)接近為“1”，達(dá)到了功率因數(shù)校正的作用。

圖10 主功率電感電流iL1(1A/格)

圖11 輸出電流io(2A/格)

圖12 輸入電壓和電流測試波形， 輸入電壓Uin(200 V/格)，輸入電流iin(200 mA/格)

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的DC LED驅(qū)動(dòng)器采用容值較大的電解電容濾波使驅(qū)動(dòng)器的壽命降低。基于此，本文采用AC LED驅(qū)動(dòng)器，從而提高了驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。本文理論分析了該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的控制方法、Buck PFC和LCC參數(shù)的選取，理論分析和仿真試驗(yàn)都驗(yàn)證了該拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的可行性。本文提出的控制思想對LED的發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。

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(編校：饒莉)

AnalysisandDesignofANewLEDConverter

CAO Tai-qiang1, YOU Fang1, WEI Jin-cheng1, WANG Jun1, SUN Zhang1, LUO Qian2

(1.SchoolofElectricalandInformationEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.InformationFiliale，TheSecondResearchInstituteofCAAC，Chengdu610047China)

Traditionally, a capacitor with large value is necessary to reduce the output voltage ripple for DC power supply. Life time of LED converter is always higher than that of the capacitor located in the output of the converter DC power supply. In order to solve this problem, a novel AC LED circuit topology structure is applied, and the structure and the circuit parameters calculation are analyzed theoretically. For the structure, fluctuation demand of the DC power for LED converter is not high and capacitor with small value can be used. This results in high life expectancy for the capacitor. Results of simulation and experiments verify the feasibility and correctness of the circuit topology structure and parameter calculations.

DC LED；AC LED； PFC；LCC

2014-03-03

四川省教育廳科研項(xiàng)目(12ZA285)；四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2012JY0120/12209596)；四川省科技廳支撐項(xiàng)目(2013GZ0130)；四川省重大技術(shù)裝備創(chuàng)新研制項(xiàng)目(川財(cái)建[2013]153 號)；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(11ZA003/11209435)；四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(太陽能技術(shù)集成及應(yīng)用推廣)；四川省教育廳成果培育項(xiàng)目基金(12ZZ007)；西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金(Z1120940)；太陽能光伏離/并網(wǎng)智能化控制逆變一體化集成應(yīng)用(2014CY-S-1-2)。

曹太強(qiáng) (1969—) 男，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)樾履茉础⒋蠊β书_關(guān)變換器及光伏發(fā)電，電力電子與電力傳動(dòng)。

TM45

：A

：1673-159X(2015)01-0080-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.01.014