閃無(wú)電解電容的AC-DC LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管 雙向變換器 電流畸變 非線性補(bǔ)償1.引言

隨著世界各國(guó)在逐步禁止進(jìn)口和銷(xiāo)售普通照明白熾燈，新型、綠色、高效、長(zhǎng)壽命的LED 照明技術(shù)得到了空前的發(fā)展[1]。長(zhǎng)壽命是LED 照明的最大優(yōu)點(diǎn)之一，它的平均使用壽命達(dá)到80000- 100000 小時(shí)[2]。對(duì)于單級(jí)式的LED 驅(qū)動(dòng)電源，如果采用市電供電，為了達(dá)到高功率因數(shù)(Power Factor, PF)，滿(mǎn)足IEC61000-3-2的諧波要求[3]， LED 照明需要一個(gè)功率因數(shù)校正變換器(Power Factor Correction, PFC)。當(dāng)功率因數(shù)為1 時(shí)，輸入電流為與輸入電壓同相位的正弦波，因此其輸入功率呈現(xiàn)兩倍輸入頻率的脈動(dòng)形式，對(duì)于恒定輸出功率的LED，為了匹配瞬時(shí)輸入輸出功率的不平衡，需要一個(gè)儲(chǔ)能電容。儲(chǔ)能電容很大，大多選用電解電容，而電解電容的使用壽命只有10000 小時(shí)左右[4]，是影響LED 驅(qū)動(dòng)電源整體壽命的主要元件。為了提高AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命，有必要去除電解電容。適當(dāng)降低功率因數(shù)以減小輸入功率脈動(dòng)，如在輸入電流中注入三次和五次諧波[5, 6]，這樣就可以減小儲(chǔ)能電容大小。采用脈動(dòng)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，這樣瞬時(shí)輸入和輸出功率相同或者接近，可以減小或者消除儲(chǔ)能電容[7-10]。脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)LED 一般用于景觀或者街道照明，在一些對(duì)光源質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合并不適合。采用電感作為儲(chǔ)能元件可以代替或者減小儲(chǔ)能電容，但是電感的儲(chǔ)能密度較小，其體積較大，同時(shí)還會(huì)存在損耗[11]。增大儲(chǔ)能電容上電壓波可以減小電容的容值[12-14]。文獻(xiàn)[13]提出了一種無(wú)頻

閃無(wú)電解電容的AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源，如圖1 所示。它由一個(gè)PFC 變換器、一個(gè)雙向變換器和一個(gè)CL 濾波器組成。其中電感Lo 與電容Co 構(gòu)成低通濾波器，以阻止開(kāi)關(guān)頻率及其倍數(shù)次的電流諧波流入LED，故此處的電容Co 并不承擔(dān)儲(chǔ)能作用，可以使用容量較小的薄膜電容或者瓷片電容，此時(shí)PFC 輸出電流i'o 含有兩倍輸入頻率的脈動(dòng)電流。為了使LED 的驅(qū)動(dòng)電流io為一個(gè)恒定的直流電流，在PFC 變換器的輸出端并聯(lián)了一個(gè)雙向變換器，并使雙向變換器的輸入電流ib 等于PFC 輸出電流中兩倍輸入頻率的交流分量，這樣就解決了LED 照明的頻閃問(wèn)題。雙向變換器的直流側(cè)電容Cdc 采用了儲(chǔ)能電容電壓大紋波減小容值的方法，在脈動(dòng)電壓相同的情況下，為了進(jìn)一步減小容值，可

以適當(dāng)提高Cdc 的直流平均電壓。

本文在無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源的基礎(chǔ)上，分析了其雙向變換器直流側(cè)電容紋波給雙向變換器開(kāi)關(guān)管的占空比帶來(lái)的非線性問(wèn)題，由于傳統(tǒng)的線性控制方法無(wú)法提供這部分含量，最終體現(xiàn)在增大了雙向變換器電流跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差上，使得LED驅(qū)動(dòng)電流發(fā)生了畸變。針對(duì)無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DCLED 驅(qū)動(dòng)電源中存在的問(wèn)題，本文在雙向變換器中提出了一種改進(jìn)型的控制策略，降低直流側(cè)電容紋波帶來(lái)非線性問(wèn)題的影響，提高雙向變換器跟蹤正弦交流基準(zhǔn)的能力，消除LED 電流的畸變。

2.無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源的基本概念

文獻(xiàn)[13]詳細(xì)分析了無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DCLED 驅(qū)動(dòng)電源的工作原理，本文只做簡(jiǎn)單介紹。這里的PFC 變換器采用電流斷續(xù)模式(DiscontinuousCurrent Mode, DCM)的反激變換器，如圖2 所示。

反激變換器采用平均電流控制以達(dá)到恒定平均值輸出的目的。從上面的分析可以看出，由于沒(méi)有電解電容，脈動(dòng)電流中含有兩倍輸入頻率的交流分量，會(huì)引起LED 發(fā)光的頻閃。為此，在反激變換器的濾波電容Co 上并聯(lián)一個(gè)雙向變換器， 本文采用的是Buck/Boost 雙向變換器，如圖3 所示。加入雙向變換器后，Lo 中主要流過(guò)直流電流，其高頻電流紋波較小，因此可認(rèn)為電容Co 兩端電壓即雙向變換器輸入側(cè)電壓等于LED 兩端電壓Vo。

雙向變換器采用雙閉環(huán)控制。為了使Buck/Boost雙向變換器可以正常工作，需要保證直流側(cè)電容Cdc的最低電壓高于輸入端電壓Vo。電壓外環(huán)對(duì)直流側(cè)電容電壓的平均值進(jìn)行控制，其輸出與給定的電流基準(zhǔn)iref(通過(guò)采樣反激變換器副邊電流濾波得到其兩倍輸入頻率的交流分量)按比例系數(shù)k 相加后作為電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)，電流內(nèi)環(huán)采用平均電流控制，使雙向變換器的輸入電流平均值跟蹤電流基準(zhǔn)，那么反激變換器輸出端的電流進(jìn)行分流，兩倍輸入頻率的交流分量流入了雙向變換器，由式(4)得：

發(fā)現(xiàn)由于直流側(cè)電容電壓的平均值不變，占空比中的直流成分不隨負(fù)載發(fā)生變化;隨著負(fù)載的增加，電容的紋波增大，所需占空比的低頻成分會(huì)快速增加，這樣會(huì)使得線性電流調(diào)節(jié)器不足以提供這部分低頻成分，只能通過(guò)增大電流跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)補(bǔ)償這些低頻成分，最終導(dǎo)致LED 的輸出電流畸變。如果負(fù)載Po=Pmax，那么做出滿(mǎn)載情況下不同電容容值下占空比各次諧波幅值的變化情況，如圖7 所示。在負(fù)載和直流側(cè)電容電壓恒定的情況下，隨著電容的減小，占空比低頻分量迅速增大，因此可以考慮根據(jù)占空比的表達(dá)式設(shè)計(jì)非線性的控制器，在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，達(dá)到雙向變換器正弦電流基準(zhǔn)的無(wú)差跟蹤，降低占空比非線性對(duì)LED 輸出電流的影響。

3.2 改進(jìn)型控制策略的實(shí)現(xiàn)

變占空比控制的思想已經(jīng)應(yīng)用于高功率因數(shù)的DCM PFC 變換器[15]，將此方法應(yīng)用于雙向變器的控制電路中。觀察式(15)，如果在工頻周期內(nèi)，使雙向變換器開(kāi)關(guān)管Q1 的占空比按照理論值變化，將會(huì)使雙向變換器直流側(cè)電容電壓按照理論形式變化，那么輸入電流也會(huì)以?xún)杀遁斎腩l率的交流基準(zhǔn)變化。由于雙向變換器開(kāi)關(guān)管Q1 和Q2 是互補(bǔ)導(dǎo)通的，那么為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，這里選擇控制開(kāi)關(guān)管Q2，由式(15)可以得到其占空比d'為：

4.仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)型控制策略可以減小雙向變換器電流跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差，減小LED驅(qū)動(dòng)電流的畸變，用Saber軟件搭建了一個(gè)采用改進(jìn)型控制策略的無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED驅(qū)動(dòng)電源。其主要參數(shù)如下：交流輸入電壓為220 VAC/50Hz，滿(mǎn)載輸出平均電流Io=0.7A，輸出電壓Vo=48V，雙向變換器電感為1.4mH，直流側(cè)電容為4.7μF，其電壓的平均值為150V，鋸齒波幅值Vm=3V。圖9和圖10分別給出了滿(mǎn)載和半載情況下濾除高頻分量的副邊電流、雙向變換器的電感電流、LED輸出電流和儲(chǔ)能電容電壓的仿真波形。可以發(fā)現(xiàn)滿(mǎn)載輸出電流的峰峰值為110mA，是平均值700mA的15.7%;半載時(shí)輸出電流的峰峰值為22mA是平均值350mA的6.3%，LED輸出電流畸變程度較大。

圖11和圖12分別給出了采用改進(jìn)型控制策略時(shí)滿(mǎn)載和半載下的仿真波形，此時(shí)滿(mǎn)載情況下輸出電流的峰峰值為13mA，是平均值的1.9%;半載情況下輸出電流的峰峰值為7mA，是平均值的2.0%。圖13和圖14分別給出了改進(jìn)前后滿(mǎn)載和半載輸出電流的頻譜，可以發(fā)現(xiàn)采用改進(jìn)型的控制策略可以大大減小LED驅(qū)動(dòng)電流中的低頻分量，抑制LED輸出電流的畸變，仿真結(jié)果驗(yàn)證了此方法的正確性和有效性。

5.結(jié)論

本文對(duì)無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源中的Buck/Boost 型雙向變換器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析，分析了直流側(cè)電容電壓紋波造成的雙向變換器非線性問(wèn)題，為了減小雙向變換器輸入電流對(duì)兩倍工頻交流電流基準(zhǔn)的跟蹤誤差，提出了一種改進(jìn)型變占空比的非線性控制策略，改善了原先LED 驅(qū)動(dòng)電流畸變的問(wèn)題。