研究認為,LED 在利用電容實現(xiàn)多路恒流驅(qū)動的情況下,同時參與電路諧振,改變變換器特性,更容易實現(xiàn)LED 整體的穩(wěn)定性和可靠性,同時在成本上可以得到大幅度的降低。提出三種新技術(shù)方案:
2.1 兩級變換實現(xiàn)LED 多路驅(qū)動
如下圖6 所示主電路采用了兩級變換實現(xiàn)對LED的多路驅(qū)動,電路包含高頻脈沖交流源、阻抗網(wǎng)絡(luò)Z1 和高頻變壓器T0、高頻諧振電容Cb1、雙路整流濾波電路和LED 負載。阻抗網(wǎng)絡(luò)Z1 的輸入為高頻脈沖交流源,輸出接高頻變壓器T0原邊,變壓器副邊的一端串聯(lián)諧振電容Cb1,另一端并聯(lián)兩路整流濾波電路;二極管D1、D4 和二極管D2、D3 分別組成的兩個獨立的半波整流電路,以及濾波電容Co1、Co2 相應(yīng)組成兩路整流濾波電路;濾波電容Co1 和Co2 分別并聯(lián)在兩路LED 負載兩端,兩路獨立的半波整流電路分別給兩路LED 負載提供電源。諧振電容Cb1 一方面與阻抗網(wǎng)絡(luò)Z1 組成了高頻諧振網(wǎng)絡(luò),參與主電路諧振,另一方面,當(dāng)兩路LED 負載出現(xiàn)壓降不平衡時,還可通過Cb1 來平衡兩路LED 的壓差,使兩路LED 負載工作電流平均值相等。
如下圖7 所示電路為高頻諧振網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方式。阻抗網(wǎng)絡(luò)包括諧振電感Lr、Lm 和高頻變壓器原邊諧振電容C0,諧振電感Lm 與高頻變壓器T0 原邊并聯(lián),該并聯(lián)環(huán)節(jié)與諧振電感Lr 和諧振電容C0 串聯(lián),Cb1 為變壓器副邊諧振電容。諧振電感Lr 和Lm 可以是外置的獨立電感,Lr 也可以是高頻變壓器T0 的漏電感,而Lm 則也可以是T0 的勵磁電感。由于諧振電容Cb1 參與主電路的諧振變換,改變了增益曲線,其等效折算到變壓器原邊的取值和原邊諧振電容C0 可比,加快了變換器的響應(yīng)速度,避免由于大容量電容引起在起機等動態(tài)條件下輸出過沖。
2.2 新型正反激電路實現(xiàn)LED 多路驅(qū)動
前述技術(shù)方案中,高頻脈沖交流源必須是正負對稱的方波電壓脈沖,以保證諧振電容Cb1 在兩路負載不平衡時起到較好的均流作用,這樣要求前級電路必須是雙開關(guān)管的橋式電路。作為技術(shù)的進一步突破,開發(fā)了一種新型的正反激電路多路輸出驅(qū)動拓撲,如圖8 所示,變壓器原邊采用了單開關(guān)管S1,在變壓器副邊的一個整流回路中串聯(lián)高頻電感L1。當(dāng)原邊開關(guān)管S1 導(dǎo)通時,變壓器Ta1 儲能,副邊通過電容Cb1,二極管D3,電感L1,負載A1,二極管D2 構(gòu)成電流回路,變壓器工作在正激狀態(tài);當(dāng)原邊開關(guān)管S1 關(guān)斷時,變壓器Ta1 釋放能量,副邊通過二極管D1,負載A2,二極管D4,電容Cb1 構(gòu)成另一個電流回路,變壓器工作在反激狀態(tài)。在正激回路中,諧振電容Cb1、高頻電感L1 諧振,從而使得二極管D2、D3 工作在零電流開關(guān)狀態(tài),減小二極管的反向恢復(fù)損耗,提高效率。當(dāng)兩路負載出現(xiàn)壓降不平衡時,電容Cb1 仍然能起到平衡負載電流的作用。
2.3 PFC 電路備份
在中大功率應(yīng)用場合,作為前級有源PFC 電路,BOOST升壓電路是最常用的拓撲。
由于PFC 電路通過整流電路直接與電網(wǎng)相連,因此電網(wǎng)里的浪涌或是雷擊等因素容易造成PFC 電路故障。當(dāng)PFC 電路故障時,容易造成后級負載不能正常工作,可分為以下兩種情況:第一種情況,后級負載因PFC 電路的故障而斷電造成不能工作;第二種情況,雖PFC 電路故障但仍能提供電流通路時,由于PFC 電路故障使得其輸出電壓不再穩(wěn)定,而是跟隨電網(wǎng)的波動而變化,造成負載上的電壓紋波過大,造成負載的工作性能差,比如效率降低。
如何保證PFC 電路損壞后,還能保證后級電路正常工作,是該技術(shù)解決的主要問題。如下圖9,在PFC電路的輸出串聯(lián)一個PFC備份電路,當(dāng)PFC電路正常工作時,PFC 電路用來實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能,PFC 備份電路僅用于提供電流通路;當(dāng)PFC 電路故障時,PFC 電路僅用于提供電流通路,PFC 備份電路用來穩(wěn)定輸出電壓。這樣PFC 電路和PFC 備份電路可以有條件地交替工作,保證驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。
從LED 照明的可靠性及成本來看,多路驅(qū)動的模塊化LED 燈具將成為未來LED 照明的趨勢。目前國內(nèi)外各研究機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)進行多路LED驅(qū)動電源技術(shù)開發(fā),主要是基于新型正反激組合變換器LED 驅(qū)動電源研究,采用電壓型變頻控制,三級變換器電路均工作在臨界模式,此技術(shù)可以提高驅(qū)動電源的可靠性,但是電路復(fù)雜,成本較高。本研究項目關(guān)鍵技術(shù)主要創(chuàng)新點在于:
(1)突破傳統(tǒng)三級變換實現(xiàn)LED 的多路驅(qū)動思路,采用兩級變換實現(xiàn)對LED 的多路驅(qū)動。利用諧振電容參與主電路的諧振變換特性,改善了變換器的動態(tài)響應(yīng)速度,減小變換器起機等動態(tài)條件下對LED 負載的沖擊電流,提高驅(qū)動的可靠性。同時利用諧振電容實現(xiàn)對多路輸出負載電流的均衡,實現(xiàn)了多路輸出間高精度的均流特性,具有成本低、體積小、效率高等特點。新型的電路拓撲,解決了多路驅(qū)動電路開路及短路保護問題,任何一路損壞保證其它路輸出正常,最大限度保證了電路的可靠性。同時保護電路對LED 負載沒有任何沖擊電流,進一步提高電路的可靠性,降低成本。
(2)提出新型的單開關(guān)正反激多路輸出電路,主電路原邊只有一個開關(guān)管即可以實現(xiàn)變壓器副邊多路輸出的均流控制,進一步降低了電路成本;由于主變壓器實現(xiàn)雙向利用,減小變壓器體積,提高效率;副邊的均流電容不僅實現(xiàn)了多路輸出的均流控制,同時和均流電感形成諧振回路,從而實現(xiàn)副邊整流二極管的零電流開關(guān)狀態(tài),降低二極管反向恢復(fù)損耗,減少電磁干擾,進一步提高效率。
(3)提出PFC 電路的備份思路,前級PFC 電路做了PFC 備份電路,有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)PFC 電路故障時易造成后繼電路不能正常工作的問題,且保證了后級負載的工作性能不會受PFC電路故障的影響,進一步保證驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。
3、結(jié)語
本文研究的多路LED 驅(qū)動電源關(guān)鍵技術(shù),采用兩級變換實現(xiàn)LED 多路驅(qū)動,通過單開關(guān)正反激多路輸出電路,只用一個開關(guān)管實現(xiàn)多輸出均流,采用PFC 電路備份,已完成專利申請,產(chǎn)品主要技術(shù)指標:1.多路輸出效率:>0. 92(室溫下);2.多路輸出均流度:≤5%(室溫下);3.功率因數(shù):>0. 98(室溫下,在輸入電壓為110Vac 時) 4.防水等級:IP67; 5.環(huán)境溫度:-30 ~70℃。
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