一種具有創(chuàng)新型的LED驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)

摘要：當(dāng)傳統(tǒng)未連負(fù)載的升壓-降壓LED驅(qū)動(dòng)電源具有高功率因數(shù)時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生明顯的低頻紋波電流?；诮祲?升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種具有創(chuàng)新型的LED驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)。該技術(shù)在不影響功率因數(shù)性能的條件下大大降低了低頻紋波電流，并且還保留了傳統(tǒng)升壓-降壓LED驅(qū)動(dòng)電源高效率、低成本的優(yōu)點(diǎn)。最后，通過一個(gè)10 W、50 V-0.2 A的實(shí)驗(yàn)原型來驗(yàn)證這種新型技術(shù)的性能。

0 引言

照明LED具有功耗低、壽命長、對(duì)環(huán)境影響小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，使得LED技術(shù)變得越來越受歡迎。在功率轉(zhuǎn)換器中，電解電容具有較低的成本和優(yōu)良的性能，通常被用于穩(wěn)定瞬時(shí)輸入和輸出功率。然而，電解電容器使用壽命相比其他器件更短，研究表明，在LED驅(qū)動(dòng)電源故障中，以電解電容失效故障最為普遍，電解電容的壽命通常為5 000 h/105 ℃，其一直以來都是電源產(chǎn)品壽命的瓶頸。因此，電解電容器對(duì)于保證LED照明裝置的預(yù)期壽命非常重要。為此，人們提出各種各樣的解決方案來去除大體積、短壽命的電解電容。但是轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點(diǎn)上會(huì)造成了120 Hz的紋波電流，為減少120 Hz脈動(dòng)成分,可以使用并聯(lián)LC濾波器。這里面的電解電容不僅會(huì)增加成本，還要求過多的印刷電路板空間?，F(xiàn)有技術(shù)包括：(1)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的輸入電流波形進(jìn)行調(diào)制，通過降低輸入脈動(dòng)功率的峰均比來減小輸入、輸出功率的不平衡；(2)采用大電感和較大尺寸的薄膜電容來平衡輸入、輸出功率之間的差值，雖然取得了一定的效果，但無源儲(chǔ)能元件的體積大、重量重；(3)增大紋波和向輸入電流加入三次和五次諧波,從而實(shí)現(xiàn)去除電解電容目的。這些方法是對(duì)現(xiàn)有控制或功率電路進(jìn)行改進(jìn)，其思想大致可以分兩類: 一是保留原來的拓?fù)?，?duì)控制方法進(jìn)行改進(jìn); 二是構(gòu)造新的電路拓?fù)洹?/p>

為了實(shí)現(xiàn)PFC（Power Factor Correction）和DC-DC轉(zhuǎn)換的同時(shí)性，去除在單級(jí)電源下低頻產(chǎn)生的閃爍現(xiàn)象，有人提出了能量儲(chǔ)存裝置。采用雙向轉(zhuǎn)換器替代大容量儲(chǔ)能電容器。此方案的缺點(diǎn)是輸出能量被轉(zhuǎn)換三次才送至輸出端。還有人提出了在功率因數(shù)和所需輸出電容之間平衡的設(shè)計(jì)。然而，這個(gè)方案是以犧牲輸入電流諧波和功率因數(shù)性能來達(dá)到目的[1]。在文獻(xiàn)[2-5]中使用多個(gè)開關(guān)的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在輸出級(jí)使用雙向降壓-升壓電路來吸收PFC轉(zhuǎn)換器脈動(dòng)電流中的交流分量，通過在電源電路中使用多個(gè)快恢復(fù)二極管來實(shí)現(xiàn)交換技術(shù)，文獻(xiàn)[6-7]討論了采用耦合電感的PFC技術(shù)，PFC開關(guān)需要處理PFC電感電流和LED電流，開關(guān)需承受非常大的電流和電壓，這使得效率很低。本文提出無電解電容的反激變換器方案，使用一個(gè)雙向Buck-Boost紋波電流消除電路，使用容量小的薄膜電容同樣使輸出紋波電流非常小，雙向Buck-Boost轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸入來維持輸出功率恒定。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理

如圖1所示，開關(guān)Q2使反激變換器工作在DCM模式下實(shí)現(xiàn)PFC的功能；Q1和Q3彼此補(bǔ)充。L1和C1作為雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的存儲(chǔ)裝置，而C2和L2組成了輸出電流的高頻濾波器。其中Lm為初級(jí)繞組側(cè)電感，此耦合電感是電路的關(guān)鍵組成部分，它具有兩個(gè)主要功能：(1)它在一個(gè)線周期內(nèi)將所需能量的一部分反饋給直流母線電容器從而可以減小紋波抑制電容；(2)串聯(lián)連接的電感Lm和開關(guān)Q2在LED的輸出端提供了一個(gè)高頻脈動(dòng)電流。當(dāng)輸入功率Pin低于輸出功率Po時(shí)，工作原理可分為四種狀態(tài)。當(dāng)輸入功率Pin高于輸出功率Po時(shí)，除了iL1的電流反方向流動(dòng)外，工作原理與輸入功率Pin低于輸出功率Po情況類似。

設(shè)輸入電壓為：

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，該變換器存在四種開關(guān)模態(tài)，其工作情況描述如下。

狀態(tài)1[t0～t1]：當(dāng)t=t0時(shí)，打開Q2和Q3，關(guān)閉Q1，輸入的能量Vin被存儲(chǔ)在Lm中，然后CO釋放能量給LB和LED，該狀態(tài)在t=t1關(guān)閉Q2時(shí)結(jié)束。

狀態(tài)2[t1～t2]：當(dāng)t=t1時(shí)，關(guān)閉Q2，保持Q3接通，關(guān)閉Q1，并且DS也是導(dǎo)通的，被存儲(chǔ)在Lm中的能量釋放給CO、LB和LED，該狀態(tài)在t=t2時(shí)Lm完全放電時(shí)結(jié)束。

狀態(tài)3[t2～t3]：當(dāng)t=t2時(shí)，保持Q3接通，保持Q1和Q2斷開，CO釋放能量給LB和LED，該狀態(tài)在t=t3時(shí)關(guān)閉Q3打開Q2時(shí)結(jié)束。

狀態(tài)4[t3～t4]：當(dāng)t=t3時(shí)，保持Q3接通，保持Q2和Q1斷開，CO釋放能量給LB和LED，該狀態(tài)在t=t4時(shí)關(guān)閉Q3打開Q1時(shí)結(jié)束。

2 無電解電容實(shí)現(xiàn)

當(dāng)單級(jí)電源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很高的功率因數(shù)時(shí)，在LED電源的輸入端和輸出端之間就會(huì)存在能量之間的平衡。為了適應(yīng)這一能量的差異，一個(gè)大容量電容不可缺少，電解電容器的壽命大大限制了LED電源的使用壽命，因此消除電解電容器是很有意義的。

圖2顯示了在半個(gè)線周期內(nèi)電源的輸入輸出側(cè)雙方存在能量的不平衡。這種能量的不平衡由PFC輸出端的低頻紋波電流顯示出來。LED電源的全部能量幾乎都是由Vo1輸出來的。能量的不平衡和電壓波動(dòng)的關(guān)系可以由式(4)表示：

對(duì)于一個(gè)輸出功率10 W的電源在60 Hz線頻率下半個(gè)周期內(nèi)的不平衡能量Eimbalance是0.027 3 J。Vo1允許有9 VP-P的低頻紋波電壓，因此所需的輸出電容可以低于55 μF。這個(gè)電容可以用陶瓷電容代替電解電容。在前期實(shí)驗(yàn)中，可以用3個(gè)20 μF陶瓷電容器替代，并連接到輸出電壓Vo1端。

3 輸入電流分析和電路特性

在電路的輸入端，PFC通過Lm在斷續(xù)工作模式(DCM)進(jìn)行控制?；镜?，通過二極管D2的電流會(huì)隨著直流母線電壓vdc包絡(luò)變化而變化。用Vp和fL代表輸入電壓峰值和線路頻率，則校正電壓vr由式(6)表示。放電部分占空比d由式(7)給出。

通過D2的平均電流由式(8)給出，ipk2由式(9)給出，平均輸入電流可以由式(10)給出，它表明輸入電流的形狀受到Vp和Vdc的比例影響。當(dāng)Vdc接近Vp時(shí)，輸出電流變得更加扭曲。

由式(11)可知，場效應(yīng)管電壓是Vdc和轉(zhuǎn)換比例(n2/n1)的函數(shù)。輸入線性電流的波形是Vdc的函數(shù)。如圖4所示，當(dāng)n2/n1增大時(shí)vds，pk減小，當(dāng)Vdc接近Vp時(shí)，需要選擇合適的n2/n1值和Vdc和Vp的比例。在圖1中，C2為儲(chǔ)能電容，電容C1為高頻濾波電容。由于C2被移到高壓側(cè)，因此，由于前級(jí)轉(zhuǎn)換器高輸入阻抗及C2和Lsec連續(xù)的能量交換作用，C2需要的能量可以被大大減小，因此，就可以使用小容值的電容C2，這樣就允許薄膜電容作為儲(chǔ)能電容。

因?yàn)橥ㄟ^C2的電壓增大至輸入電壓，所以，通過C2的等效的負(fù)載阻抗變得更大。在C2上能量的改變量由式(12)給出，Vdc，max和Vdc，min是Vdc的最大和最小值。同樣ΔE由式(13)給出。式(12)和式(13)兩式結(jié)合得到式(14)，η是電路的效率。從式(14)中可以看出，在相同的平均輸入電壓下如果增加Vdc電容C2可以減小。式(14)將決定設(shè)計(jì)電路中電容的值。

在設(shè)計(jì)電路的輸出端，為了保證在iLo中提供CCM，L0的最小值可以由式(15)計(jì)算得出，iLo是平均輸出電流。

4 實(shí)驗(yàn)研究

圖5描述了電源輸入的電壓電流值，在PFC電路輸出電壓VO1和紋波消除電路的輸出VO3之間的低頻消除情況較好。VO1中最初的紋波是由VP-P來決定的，在消除紋波之后，LED上的紋波電壓已經(jīng)降到0.75 V。紋波電流和效率已經(jīng)比傳統(tǒng)的降壓-升壓LED電源有很大提升，并且輸出電容值大大降低。

電源輸出的電壓電流值如圖6所示，從圖6可以看出，傳統(tǒng)的降壓-升壓LED電源的紋波電流高達(dá)250 mA。在紋波消除技術(shù)下，低頻紋波電流已減少到20 mA。前后紋波抑制率大約差了12.5倍。

5 結(jié)論

本文提出了一種簡單的帶有脈沖電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高功率因數(shù)的LED電源拓?fù)?。在沒有使用任何電解電容器和復(fù)雜的控制方法下，本文提出的單開關(guān)電路也是能夠降低發(fā)光二極管的低頻紋波電流的。在提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用耦合電感來實(shí)現(xiàn)PFC功能和為輸出提供高頻率的脈動(dòng)電流。本文提供了所提電路的詳細(xì)說明、工作原理以及理論分析。最后，通過一個(gè)10 W、50 V-0.2 A的實(shí)驗(yàn)原型證明了該方案的可行性。