基于能量平衡的交流LED驅動策略

陳 威 劉 冬 葉少士

（1. 浙江網新聯合工程有限公司，杭州 310051；2. 諾基亞通信系統技術有限公司，杭州 310053）

經過 40余年的發展，LED作為新一代綠色、節能、長壽命的高效光源已經在世界范圍內迅速普及[1-9]。傳統的 LED需要提供合適的直流電才能正常發光工作，因而一般需在供電端的工頻市電與LED負載之間加入一個AC-DC變流器模塊[3]。然而該變流器的使用，不但增加了LED燈具的體積和成本，而且由于交直流轉換中的損耗帶來了LED整體光效降低。另外，該變流器的壽命也遠不及LED的實際使用壽命，成為妨礙LED燈具進一步推廣的主要桎梏[7]。為了解決上述難題，采用交流直接供電的交流LED技術近年來得到廣泛關注[3,5,7]。最新研究成果表明，采用將交流LED分段分時導通技術可有效解決因線性驅動技術導致的低功率因數和高電流諧波問題，并且開通時大為減小的沖擊電流可有效延長交流LED使用壽命[10-11]。但交流LED分段后每段的能量均衡問題一直得不到有效解決，引起交流LED單段之間的壽命差異，進而影響燈具的整體設計壽命[11]。

本文在交流LED分段線性控制的基礎上，通過優化單段交流LED的導通時間，達到每段交流LED之間的能量平衡，從而起到保證燈具設計使用壽命的效果。

1 基于能量平衡的交流LED線性驅動策略

一般而言，交流LED需要分成兩組，分別工作于交流市電的正負半周。但因這兩組電路結構和工作原理均完全相同，出于簡化的目的，在分析中可將這兩個模塊合二為一，用一個整流橋預先處理交流電壓，如圖1所示。該電路將一個交流LED模塊分為 4段，分別以 LED1至 LED4表示，同時每段LED分別和可控制的開關管并聯，以達到高功率因數的目的[5]。在以圖 2為代表的經典控制策略中，每段LED開通的時間各自并不一致，開通時間最長的 LED1段成為了整體壽命的短板，燈具的設計使用壽命明顯小于預期。

圖1 改進型交流LED線性驅動電路

圖2 經典交流LED分段控制策略

為了解決這一問題，圖3給出了改進后的控制策略，該策略的核心是分別找到LED1至LED4各段的最佳導通和關斷時間，將總的開通時間加以優化，以達到每段LED之間的能量平衡目的。不難發現，在各段能量平衡時，圖3中的開通時間點t0至t3必然相對于關斷時間點t4至t7關于坐標軸π/2軸對稱。即需要滿足下式：

圖3 基于能量平衡的改進控制策略

因而只要求出各段的最佳開通時間點t0至t3即可。

交流正弦電壓波的時間點和瞬間電壓值是一一對應的，各段的最佳開通時間可以簡單等效于求出各段開通的最佳電壓點。顯見，因線性電路的能量損耗特點，為了達到能量的最佳利用，對于 LED1段，開通點的理想電壓vL1即是本段LED的開啟閾值電壓。同理，LED4段的開通點理想電壓 vL4即是LED1至LED4開通的壓降之和，即開通時間點t0和t3是由LED分段的本征開通特性決定的。因此，問題可轉化為求出最優化的開通時間點 t1和 t2，即最優化的開通點電壓vL2和vL3。而這兩個電壓可以根據對單段 LED在一半市電周期內的能量積分求解得出。

假設：①文中使用的LED為理想非線性器件；②輸入交流電為理想正弦波，則1—4段LED的半交流周期能量分別為

式中，ELED為單段LED的半交流周期能量；vLED為單段LED的導通壓降；iLED為單段LED的瞬時正弦導通電流。tNon和tNoff分別對應當前 LED段的開通和關斷時刻點。

即有

式中，Ipeak為 LED的半交流周期電流峰值；ω為輸入交流電壓頻率。

根據ELED1=ELED2=ELED3=ELED4，由式（1）—式（7）得

代入vL1至vL4，設輸入電壓峰值為vp，則式（8）可改寫為

以單段LED導通電壓為60V為例，圖4是按照式（9）給出的vL2和vL3之間的具體關系曲線。圖4曲線上的任意一點即可滿足ELED1=ELED2=ELED3=ELED4的能量平衡目的。

圖4 滿足能量平衡下的vL2和vL3曲線

2 實驗

為了驗證本文所提方法的有效性，按圖1構建了一臺樣機，該樣機的參數見表1。

表1 主要器件參數

圖5給出了按照上述策略控制的樣機關鍵參數波形。vrec是整流后的輸入交流電壓波形。irec是交流周期內的4段LED電流之和。vLED1至vLED4分別是四段LED的瞬時電壓波形。因為單段LED的開通電壓為60V左右，所以LED1段和LED4段的開通時間分別設置在單段導通電壓（60V）和四段導通電壓之和（240V）處。LED2段和LED3段的開通時刻對應的交流電壓需要滿足式（9）之規定，根據圖4所示，選取為160V和205V。LED1—LED4的實際關斷時刻分別滿足式（1）的約束。圖6是在一個交流周期下，對4段LED分別計算能量的結果對比。易見在總輸出能量相同的前提下，改進后的控制策略能做到每段LED的能量平衡，達到了預期設計目標。

圖5 各段LED開通時間點和電壓波形

圖6 兩種控制策略的效果對比

3 結論

本文提出一種基于發光能量平衡的交流 LED分段控制策略，在每個交流周期內，根據優化算法分別將4段LED的導通時間加以控制，以達到在各段LED的實際發光能量平衡的效果，從而延長LED燈具的實際使用壽命。實驗樣機和結果證明了優化算法的正確性和所提控制策略的可行性，具有工程應用價值。

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