一種單級非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源的研究.docx

1、宓信息括術(shù)20184第1文章編號:1009-2552（2。18）1。TO88-06DOl:1013274jcnkihdzj201810018一種單級非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源的研究廖志凌訴顧贊。邱殿成（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院i江蘇鎮(zhèn)江212000）摘要：傳統(tǒng)LED驅(qū)動電源為了獲得高功率因數(shù)需要采用電容來減小輸出電流紋波R基于功率密度等方面的考慮府大電解電容被廣泛采用野這種方式犧牲了LED驅(qū)動電源的使用壽命用文中提出了一種基Boon變換器和Buck變換器的交錯并聯(lián)單級型驅(qū)動電源野通過增大儲能電容平均電壓降低容值就不僅減小了驅(qū)動電源的體積。并且實現(xiàn)了功率因數(shù)校正由減小了輸出電流兩倍工頻交流分

2、量R最主要的是實現(xiàn)了使用非電解薄膜電容代替了電解電容由延長了LED驅(qū)動電源的使用壽命用文中分析了所提出變換器的工作原理并設(shè)計了一臺樣機進(jìn)行了實驗驗證沖關(guān)鍵詞：LED驅(qū)動電源D單級R交錯功率因數(shù)校正A無電解電容！恒流中圖分類號TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼A_AsinglestagetransformerlesselectrolyticcapacitorlessLEDdriverLIAOZhilingiGUYunc；rojliccapacitoraseneigystoragecomponents!whoselifebecomesthemainfactorlha:restrictthelifeofLEDdr

3、iveriandwillimilthepowerdensitytoiurlherimproving.Therefore!ahybridconverterbasedonBoostconverterandBuckconverierispresen:ed.Byincreasingtheaveragevoltageoitheenergystoragecapacitorfilcannolonlyremovetheelectrolyticcapaci:oribulalsoprolongtheservicelifeofiheLEDdriver.TheproposedLEDdriverachievesapow

4、erfactorcorrectionandreducesIhetwicefrequencyrippieinoutputcurrent.ThenIheoutputcurrentcanaImosloperateconstantly.Thispaperanajzes!heworkingprincipleofthisconverterandpresentsaprototypetogiveoutiheexpeiimentalresulls.Keywords：ligh:emittingdiodedrTerisinglesiagejpowerfactor）electrolyticcapacitoiless）

5、constantDUiH：ULLUlo引言發(fā)光二極管（LightingEm:tlingD:odeiLED）因節(jié)能環(huán)保、安全可靠、壽命長等方面的優(yōu)點*并且比傳統(tǒng)光源擁有更高的照明效率。正逐步取代傳統(tǒng)燈具成為主要照明來源曰LED因本身的光學(xué)特性和熱特性S須采用特定的恒流驅(qū)動電源VLED驅(qū)動電源成為目前電力電子行業(yè)的研究熱點一月為了滿足IEC61000-3-2的諧波要求和美國能源之星的標(biāo)準(zhǔn)m為減少對電網(wǎng)的污染iLED燈掣的驅(qū)動電源需實現(xiàn)功率因數(shù)校正（PowerFacIorCorreci（PFC）I當(dāng)功率因數(shù)足接近li變化的瞬時輸入功率與恒定的瞬時輸出功率之間存在著功率差K將會引起輸出電流紋波#需要采

6、用大容值的電解電容來消蜘”傳統(tǒng)的電解電容的壽命僅5千小時左右B與LED本體810萬小時的壽命相差較大U電容的壽命制約了LED驅(qū)動電源的使用壽命#為了解決LED驅(qū)動電源壽命受制于電容壽命的現(xiàn)狀彳近年來專家學(xué)者做了廣泛的研究主要的分為改進(jìn)控制策略。和優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2劉收稿日期：2018-03-12作者簡介：廖志凌（1971-）（男i博士i教授i研咒方向為太陽能光伏發(fā)電光伏并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)等H文獻(xiàn)8-9提出了改進(jìn)控制馳動電源的策略向膽動電源的輸入端寸注入3次或5次諧波電流小降低輸入電流的峰的平均比值面來降低輸入輸出功率的不平衡用其缺點在于f該方法通過注入3次或5次的諧波電流換取電容容值的降低川犧牲了

7、功率因數(shù)在對功率因數(shù)要求普通的場合適用如文獻(xiàn)1DT1提也了利甬脈沖電流驅(qū)動LED負(fù)載的控制方法R減小驅(qū)動電源輸入端和輸出端之間的功率脈動差值面降低輔助儲能電容容值3該方法的缺點在于X脈動電流會對LED的光學(xué)特效產(chǎn)生影響#會有一定程度的頻閃現(xiàn)象巾并含有較多二倍工頻分量股文獻(xiàn)12-15提出了優(yōu)化電路拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)i通過增加輔助儲能元件來處理輸入和輸出端之間的脈動功率J通過維持輸入功率P：與輸出功率P，間的功率差不變N增大電容的平均電壓或增大紋波電壓*達(dá)到減小儲能電容容值的效果其基本方法是將輸入和輸出端功率之差0通過輔助的儲能電路轉(zhuǎn)移到輔助的儲能元件上#達(dá)到平衡輸入輸出功率之差的目的t常采用儲能電容或電

8、感作為輔助儲能元件用增大儲能電容上的電壓紋波或者平均電壓可以有效減小電容容值#從而可以用薄膜電容或者陶瓷電容代替電解電容W本文在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上*提出一種無電解電容LED驅(qū)動電源方案S該變換器為基于BoostFPC變換器和Buck變換器的交錯并聯(lián)型驅(qū)動電源#處理輸出功率的Buck變換器工作在斷續(xù)模式N無需使用復(fù)雜的控制電路杵可實現(xiàn)功率因數(shù)矯正功能#該驅(qū)動電源不僅功率因數(shù)較高寸輸出電流也近似為恒定的直流月其儲能電容容值較小&可用薄膜電容代替電解電容8儲能電容處理全部功率目本文詳細(xì)分析該變換器的工作原理*并對其進(jìn)行實驗驗證其1無電解電容LED驅(qū)動電源工作原理圖1給出了所提出的LED驅(qū)動電源的電路框

9、圖*它由整流橋兒頂入泌波電81、輸入濾波電容c和共用一個開關(guān)管的Boost和Buck變換器構(gòu)成i其+：Boo$iPFC變換器由電感邪開關(guān)管Q】、二極管D待中袒能電容Cb構(gòu)成JBUCk變換器由開關(guān)管Q1.電.秘L.毓DLD3和輸出電容c，構(gòu)成I中間帷電容Cb既是Boost變換器的輸出電容*又為Buck變換器提供能量巾平衡了脈動的瞬時輸入和恒定的瞬時輸出間的功率差#下面分析其開關(guān)模態(tài)財在分析過程中假設(shè)：所有開關(guān)管和二極管均為理想器件i開關(guān)頻率h遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻奉仃圖1無電解電容LED驅(qū)動電源的電路圖 一個開關(guān)周期內(nèi)巾儲能電容以的電壓Vcb保持不變舊輸入電壓V靜保持不變開關(guān)管Q1導(dǎo)通時間占空比為DIiH

10、JJ8L1放歡占空比為D2S電撈L2做電占空比為D3i電感電流Bl瀕工作時間占空比為D4)交錯并聯(lián)型BoostBuckLED驅(qū)動電源的電感L)以ft電娘L(fēng)2工偉于DCM模式，11L1的故點占必納D2I-D仃電芯L2的放電占窒比為D3D2cI-DII在半個工紹罔期內(nèi)？它的工作模式可分為3個階段f共由5種開美模；$炕成，其3個圖2半個工頻周期內(nèi)各工作階段1.1階段1當(dāng)整流后的輸入電壓vn(i)TU(t)時i驅(qū)動電源工作在階段3N階段3有四種工作模態(tài):模態(tài)1、模態(tài)3、模態(tài)4、模態(tài)5N其中模態(tài)1、模態(tài)4及模態(tài)5與階段B類似$在此不再贅述#模態(tài)M對應(yīng)圖3(c)IVL1(|)|-V(i(I)=i(I)(I

11、-I)(7)L1LH+L：1在階段3中R由于Boost變換器的增益系數(shù)影響R此階段中瞬時輸入電壓E無法為電感L以中間瀕電容充電4儲能電容為輸出濾波電容及負(fù)載供能*電壓持續(xù)下降月2特性分析2.1輸入電感L1電流分析為使分析過程簡化K假設(shè):交流輸入電壓vin為理想正弦電壓儲能電容的電壓方在一個開關(guān)周期中保持不變月拓?fù)湔医涣鬏斎胝骱蟮碾妷簝?【)為：T.“i)=Vlim|sinotI(8)式中fv心為輸入電壓幅值i3為輸入電壓角頻率I在一個開關(guān)周期內(nèi),驅(qū)動電源電感L|的恤電流為:(lJ傳統(tǒng)DCMBoosl變換器的占空比D為n-tTPr1sin2o|-Jjlv7(H)傳統(tǒng)的DCMBm變換器具有較大

12、的二倍工頻紋波i根據(jù)式(13)和式(14)可以推算iDiDf結(jié)合式(12)可以得知fBoost與Buck變換器交錯并聯(lián)后的改進(jìn)型變換器的輸出電流紋波較小巾改善了傳統(tǒng)DCMBo變換器的缺點J2.2儲能電容Cb電壓分析儲能電容電壓、輸出功率及時間的變化關(guān)系結(jié)合輸入功率Ph和輸出功率P,.之間的關(guān)系可以推導(dǎo)出儲能電容容值為：Pb222sP,Cb_mnCb_mn)CbCb_iT(15)UcUD=/ucbmn-2$in2G)l)(、)式中Ua為儲能電容Cb的峰值電壓KAIM=u：m-ucLmJU為儲能電容C&電壓平均值(17)UcLmin+Ucim”r根據(jù)式(15)推算I要使儲能電容容值有效降低R可采用

13、增大儲能電容電壓紋波或增大儲能電容平均電ffil本文采用了兩者結(jié)合的方式DCMf(th)(iin(oi-0112L】(T,n+%)UCiz(18)Li(t)=TV01T2off的平均電壓以及電壓紋波N使得儲能電容容值有效降低M2.3功率因數(shù)分析根據(jù)式(9)與兇(1、)可以得：-v)!-0ViiM_V)一tbL.+L：(19)0(式中菖=amin(M)iLn為開關(guān)管Q導(dǎo)通時間Lu為開關(guān)管關(guān)斷時間月將式(1。)式(11)式(19)代入式(12)可得：V蕓Va【in+ViD_M-V。)+V!io_M式中l(wèi)lKL-L=L“Ll+L2)根據(jù)式(19)和式(20)中i可得所提出的LED驅(qū)動電源的功率因數(shù)為

14、：V2-V2ib*in_M1v!vnMPF=2Pn2!iin(：)V3in(2Ml)d(2H,l)in一。一1【.一.VI7_h炒Op1：iMnM/?en1g)IG(20)O(0Uh85V22恒定N3實驗結(jié)果與分析為了驗證所提出的LED驅(qū)動電源的正確性*搭建了一臺樣機N其主要參數(shù)如下:交流輸入電壓為110V-.220V/50Hzj負(fù)載采用4個白光LED串聯(lián)輸出電壓為48VK輸出電流平均值Io=400mAl輔-8h】0V范圍內(nèi)ifPF值均大于0.9Otf并且?guī)缀醣３种鷥δ茈娙軨b為4.7uFj600V,輸出濾波電容C為10yF/100Vi|電感的u為32同升關(guān)頻率f,為100kHz#圖6給出了2

15、20VAC輸入下*輸入電壓及輸入電流的實驗波形月由圖6可以看出I?輸入電流可跟蹤輸入電壓的變化N實現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能#與分析結(jié)果基本吻合月-AarcsinK-KKJ),2|)n；aicsinv.:J.“/r+G-r+5%廣亡式中F=VyJV京根據(jù)式(1?)和式(19崩通過計算可以得出PF值與交流輸入電壓及不同KL-L之向的關(guān)系曲戲H圖5所示$在輸入電11；保橋不變時iKL-L的tfl越小i與KL-L2.84Bt：在交流粉入0.980.920.900.960.9485110140170200230265圖6交流輸入電壓嘰、輸入電流L,0.88圖5PF值、交流輸入及KL-L的關(guān)系圖圖7為儲能電容

16、S電壓和輸出電流I。用儲能電容電壓周期呈現(xiàn)為兩倍工頻#用來儲存和提供能量月輸出電流近似恒定N兩倍工頻紋波很低中用圖8給出了此驅(qū)動電源在滿載時在各個輸入下的PF值變換曲線月圖中彳PF為功率因數(shù)巾u,n為輸入電壓用在整個輸入電壓范圍內(nèi)*PF值均大于0.94#4結(jié)束語朱文提出了一種交錯并聯(lián)型LED驅(qū)動電源*以解決傳統(tǒng)LED驅(qū)動電源壽命、PF及輸出紋波等方92結(jié)合式及式fu、晌和“為:2P0wCbBoosFBuck交錯并聯(lián)變換器中的Bo回路i結(jié)合了傳統(tǒng)DCMBooji變換器具有較大輸出紋波及升壓的特征*為中間儲能電容充電*增大了儲能電容(遂、V-UOOZ)In(遂、V-UOOZ)Inf（4ms/格）S

17、/VU-OOZ)ES圖7中間儲能電容電壓UD輸出電流L圖8PF隨輸入電壓變化的曲線面的問題甘通過實驗驗證訴所提出的驅(qū)動電源可以達(dá)到較高功率因數(shù)并可有效地去除了電路中的電解電容K提升LED驅(qū)動電源的壽命W在一定程度上解決驅(qū)動電源與LED本體壽命不匹配的問題對參考文獻(xiàn)：1ChaWooiuniChoYongwon!KwonJungmin.SinjltPowerCodverjionLEDBitkligktDriringSystemWiihHighPowerFatlorConlrolI.1EEETnns.Journa.o!DiiptyTechnologyon；10(5)：407-413.2 Almeid

18、aXCamponojaraDiDdhCostae:H,AlonjofMitchingLEDindDriierLifeSpans：AReviewoiDifferealTechniqueiJ.IEEEInd.Ejclron.Migon2015f9(2)：S6-472015.(3 HuiSYiQinYX.AjenerilpholoeledroibejtntlIheoiytorlightemillinIdiode(LED)J,IEEETrinsielionsonPoweiEltcironicj(2009124(S)：967-)976.4 Drb.eM；NarendrtnN.Impactofdimmin

19、gwh:teLEDj：Chiom8licilyshiftdue!odi:(eren!dmmingmelhod5J,Proc.SPIEl2005-5941(5941):291-299.5 1EC61000-3-2.Limiiiforharmoniccunenlemissions(equ.pmtnlinpulcurrenl16Aperphase)S).IECEledrolecbincalStandard(2009.6jHimedValipourfGhuemRenzUehiMohtmmadRenZolghidriiFickerFreeElectrolyticCtptcitorLhUniitria；i

20、nputOfflineLEDDriverWithRFCJ.IEEETrtnjactionsonPowerEeclronicson-2fl1631(9)：0885-8993.7 PACSL：Auminume.ecirojiiccapicilor&pp：calion;uideEBOLj.LibertfSC：CornellDubilier.blip：IIcatalogsAEippGUIDE.pdf.8 U.S.Depi.EneigNLifetimeofWhileLEDjitntrfyeificiencyandrenwableenergjC.Washing函iDCfUSAiSep.2009.9 Wan

21、gB(RuedXfYioK(eli).Amelhodofreducingibptiktoaieragertl:oofLEDcurrenlforeeclroiyliccipacitor,e$tACDCdriTtr$J.1EEETrmiatiionsofPowerElectronicson(2010(25(3)：592-601.10 GuL-RuanX(XuMieltl.Meansoleliminalinseecirolyiiccapicitor:nACDCpowersupp.iesforLEDligbtinguJ.IEEETrsnsacLoniofPowerEletlronicon2009(24(5)：1399-1408.11 ZhangFanj_hui(NiJianlunfYuYijie.HighpowtrItclorACDCLEDdriverwilhfilmcapat?.orJ.IEEETrmstctionsonPowerEedronitsonf2013(28(18):4831-B40.12 N：Jitnj