單相離線式高亮度LED照明驅動的研究與設計.pdf

1、隨著能源危機和氣候變暖問題日趨嚴重，節(jié)能已經(jīng)成為全球普遍關注的話題。照明是人類電能消耗的重要方面，約占世界總能耗的20％，成為節(jié)能的關鍵。相較于傳統(tǒng)照明光源，高亮度發(fā)光二極管(High-Brightness Light-Emitting-Diodes，HB-LEDs)以其高光效、長壽命、環(huán)保、體積緊促等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為替代白熾燈和熒光燈的最佳照明技術。
　　 LED的光通量與通過其的平均電流成正比，因此必須采用恒流驅動。由于封

2、裝技術和散熱的限制，單個LED的光通量或功率較弱，僅僅幾瓦。為了獲取足夠的光通量，必須并聯(lián)多串LED。PET(General Photo-electro-thermal Theory)理論研究表明:對于相同的功率等級，多個低功率LED組成的分布式系統(tǒng)優(yōu)于高功率LED組成的集中式系統(tǒng)。另一方面，LED是低壓直流器件，無法直接與交流電網(wǎng)相連，必須通過電力電子驅動裝置進行電能轉換。這就要求LED照明驅動必須具有較高的功率因數(shù)和低的輸入電流諧波

3、以兼容諸如IEC61000-3-2和Energy Star等相關國際標準。此外還必須最大化提高效率、延長壽命和降低成本，以匹配LED光源高光效、長壽命的優(yōu)點。另外，為了獲取進一步的功率節(jié)省和適用不同的應用環(huán)境，PWM調光也成為LED照明系統(tǒng)必需的基本功能之一。
　　 當前大量的LED照明驅動研究主要集中在提高功率因數(shù)和控制LED電流的方面。因此，如何同時實現(xiàn)LED驅動的高效率、高功率因數(shù)、長壽命、低成本、PWM調光便成為保證LE

4、D燈具照明品質及整機性能的關鍵。為此，本學位論文以研究實現(xiàn)高效率、長壽命、高功率因數(shù)、低成本和PWM調光的LED照明驅動為目標，從系統(tǒng)架構、電路拓撲、控制策略等角度對LED照明驅動進行了深入研究和探討。
　　 首先，系統(tǒng)架構方面，傳統(tǒng)LED照明驅動采用多級級聯(lián)結構，不但電路復雜、成本較高，而且效率較低，為此論文提出了一種非級聯(lián)的Twin-Bus驅動結構。該結構通過前級AC/DC變換器產(chǎn)生兩個Twin-Bus電壓源，并配以具有Tw

5、in-Bus輸入的后級電流調節(jié)器，降低了功率的處理次數(shù)，因此可以在不增加系統(tǒng)成本的前提下，大大提高整個驅動的效率?；诖思軜?，本文研究提出了一種與之匹配的后級開關型電流調節(jié)器拓撲:Twin-Bus Buck變換器。在介紹Twin-Bus驅動架構的同時，詳細討論了基于Twin-Bus Buck變換器的調光策略。實驗結果證明，在1MHz的開關頻率下，從10W到滿載100W的負載范圍內，Twin-Bus Buck型電流調節(jié)器的效率均在98％以

6、上，峰值效率高達98.8％。
　　 然后，針對傳統(tǒng)AC/DC LED照明驅動中大容值電解電容壽命短的問題，以SEPICAC/DC變換器為突破口，提出了無電解電容的SEPIC-derived AC/DC變換器。該電路形式上與SEPIC變換器相同，但通過特殊的DCM工作模式使得SEPIC電路的中間電容電壓不再跟隨輸入電壓，而具有功率解耦的作用。同時通過增大電容紋波的方法，降低了電容的容值，從而消除了短壽命的電解電容，延長了LED驅動

7、的壽命。進一步，引入填谷電路，提出了Valley Filled SEPIC-derived AC/DC變換器。與傳統(tǒng)填谷電路改進功率因數(shù)和降低輸出電壓紋波不同的是，該變換器中填谷電路不但可以減小解耦電容的尺寸，而且可以降低輸出二極管的電壓應力和輸出電壓紋波?；贑V2為電容尺寸衡量指標，在相同的功率因數(shù)和輸出電壓紋波下，可將電容的尺寸減小為原來的1/4。
　　 針對傳統(tǒng)的AC/DC LED照明驅動中二極管整流橋影響變換器效率的缺

8、陷，在對無橋AC/DC變換器進行述評的基礎上，將圖騰(Totem-pole)式無橋結構引入上述兩種SEPIC-derived AC/DC變換器，提出了兩種新型無橋式SEPIC-derived AC/DC變換器。相較于傳統(tǒng)AC/DC變換器，無橋電路的電流通路擁有較少的開關數(shù)，因此能夠大大降低損耗，實現(xiàn)變換效率的最大化和成本的最低化。
　　 上述所研究的四種無電解電容的AC/DC變換器具有很強的普適性，不僅適用于傳統(tǒng)級聯(lián)結構，也適用

9、于Twin-Bus架構，不但可以獨立的驅動單串LED，也可以配合電流調節(jié)器，驅動多串LED。
　　 最后，對大于75W的高功率LED照明驅動進行研究。基于75W以上的應用場合，業(yè)內普遍采用Boost PFC級聯(lián)LLC諧振變換器外加多個電流調節(jié)器的三級級聯(lián)方案。雖然該方案可以實現(xiàn)各級電路的最優(yōu)設計，實現(xiàn)高的電路性能;但是由于較多的級數(shù)，導致電路和控制過于復雜、成本較高。為此，本文通過共用開關管的方法，將Boost PFC和LLC諧