帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源

王曉林，侯 磊，陳文薌

（廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 廈門 361005）

LED照明由于具有環(huán)保、壽命長(zhǎng)、高可靠性等特點(diǎn)，正在發(fā)展成為實(shí)施綠色節(jié)能照明工程中最具有前途的第4代光源。由LED的電學(xué)特性可知，LED在正向?qū)ê?，流過(guò)LED的電流及其兩端電壓對(duì)LED能否正常工作起著關(guān)鍵性的作用。所以，設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電源對(duì)于 LED照明燈就顯得十分重要。

Energy Star標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：商業(yè)照明的供電設(shè)備的功率因數(shù)不得低于0.9。因此LED的供電電源除了能滿足上述LED特性要求，還應(yīng)有功率因數(shù)校正（PFC）功能。文中針對(duì)近年來(lái)迅速發(fā)展的LED照明驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用，提出一種帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源。

1 電路原理

圖1為功率因數(shù)校正原理框圖（虛框內(nèi)為控制電路），主電路為Boost升壓電路，并由控制電路實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制：外環(huán)電壓控制環(huán)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓；內(nèi)環(huán)電流環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入電流i（t）跟蹤輸入電壓 vg（t）波形，其中 i（t）=iL（t）。

對(duì)于Boost電路，只要輸入電壓低于輸出電壓，電感的電流就完全受開關(guān)的控制[1]。以下結(jié)合圖2電感電流受控的特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入電壓頻率，可認(rèn)為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸入電壓平均值與瞬時(shí)值相等，平均值不變，即：

由于Boost升壓電路低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率時(shí)，可認(rèn)為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)狀態(tài)變量的平均值與瞬時(shí)值近似相等[2]，平均值近似不變，即：

圖1 功率因數(shù)校正原理框圖Fig.1 Power factor correction principle diagram

在滿足上述條件下，開關(guān)元件Q1的電流iQ1（t）與開關(guān)元件 D1的端電壓 vD1（t）波形如圖 2（c）所示。 取電感電流 iL（t）與電容電壓vO（t）為狀態(tài)變量，在一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)，可用電感電流 iL（t）的平均值＜iL（t）＞TS與電容電壓 vO（t）的平均值＜vO（t）＞TS來(lái)表征Q1的平均電流與D1的平均端電壓，如公式（3）、（4），式中 d（t）為 Q1導(dǎo)通截止的占空比時(shí)間函數(shù)。

圖2 Boost升壓電路的一個(gè)開關(guān)周期 內(nèi)的等效電路模型建立Fig.2 Equivalent circuit model of Boost circuit in a switch cycle

式（3）表明 Q1的作用可由數(shù)值為 d（t）iL（t）的受控電流源取代在電路中的作用；式（4）表明D1的作用可由數(shù)值為d（t）vO（t）的受控電壓源取代D1在電路中的作用。從而得到圖2（b）Boost升壓電路的一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)的等效電路模型。進(jìn)一步用戴維寧定理簡(jiǎn)化為圖2（d）簡(jiǎn)化模型，則電感兩端電壓為 vL（t）為：

式（5）中，輸入電壓 vg（t）為整流后的直流脈動(dòng)波形，可視為時(shí)間定義域定義在[0，π]的正弦電壓。結(jié)合Boost電路可知，選擇合理的 d（t）可使電感電壓 vL（t）也為正弦量，由相量法可得電感兩端電壓超前電感電流90°[3]。所以，只要d（t）選擇的合適，使電感L兩端的電壓vL（t）為正弦波，且超前輸入電壓90°，便可以使電感電流成為與輸入電壓同相位的正弦波，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，圖2（e）為校正后電路對(duì)應(yīng)的相量圖。

合適的占空比d（t）可由圖（1）中控制電路實(shí)現(xiàn)。原理為：整流后的脈動(dòng)正弦電壓波形作為輸入電流的參考波形，引入控制電路模擬乘法器。另外，為保證輸出電壓恒定，將輸出電壓與給定電壓之間的誤差經(jīng)電壓控制電路引入乘法器，兩信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法器運(yùn)算得到幅值跟隨電壓控制電路輸出變化的正弦絕對(duì)值信號(hào)，作為電流跟蹤環(huán)的給定信號(hào)，電流跟蹤控制電路使流經(jīng)確保電感中的電流跟蹤該給定信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，且穩(wěn)定了輸出電壓。

2 電路實(shí)現(xiàn)

實(shí)際驅(qū)動(dòng)電源電路如圖3所示，圖中采用電源控制器件L6561實(shí)現(xiàn)上述控制電路主要功能；變壓器初級(jí)電感量[4－5]:L=1.84 mH；電路輸出功率Po=50 W；輸入線電壓Uin范圍：85～250 VAC；輸出電壓 UO=400 VDC±5%。

圖3 實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)Fig.3 Establishment of the practical circuit

驅(qū)動(dòng)電源電路的負(fù)載是多顆LED燈珠串聯(lián)的燈珠串，為防止因某幾顆LED燈珠發(fā)生故障導(dǎo)致負(fù)載斷路，這里采用文獻(xiàn)[6]中所述連接方式，即在每個(gè)LED兩端反向并聯(lián)接一個(gè)穩(wěn)壓管，當(dāng)燈珠發(fā)生斷路，穩(wěn)壓管自動(dòng)接入確保負(fù)載正常工作。為實(shí)現(xiàn)負(fù)載LED燈源恒流供電，負(fù)載串聯(lián)的由Q1、Q2、R1、R2構(gòu)成的恒流源電路，其工作原理如下：圖3中有ILED≈IR1+IR2，當(dāng) R1足夠大使得時(shí) IR1?IR2，ILED≈IR2=（Ube/R2）， 由于 Ube穩(wěn)定在0.7 V，因此精選R2就能穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電流ILED。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)電源采用圖3電路搭建，電源負(fù)載選用109顆0.5 W的LED燈珠組成的長(zhǎng)串結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。圖4給出了驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓Uo、流過(guò)LED燈珠串電流ILED、單顆LED燈珠電壓ULED及電源功率因數(shù)PF值隨Uin的變化情況。

當(dāng)交流輸入電壓在85～250 V之間變化時(shí)：

圖4（a）表明 U0保持在400 V，最大波動(dòng)僅為12 V，當(dāng)輸入電壓高于175 V后，U0基本保持恒定；

圖4（b）表明 ULED保持在 3.6 V，最大波動(dòng)僅為 0.1 V，當(dāng)輸入電壓高于175 V后，ULED基本保持穩(wěn)定。

圖4（c）表明LED燈珠電流ILED保持在 125 mA，最大波動(dòng)僅為15 mA。

圖4（d）表明，功率因數(shù)（PF）值大于，功率因數(shù)得到很大的提高。

圖4 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)曲線圖Fig.4 Actual test data graphs

4 結(jié) 論

文中提出的帶功率因數(shù)校正的LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源，在寬輸入電壓范圍內(nèi)能保證流經(jīng)負(fù)載電流恒定，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能.此外，本文方案具有控制簡(jiǎn)單可靠、電路易于實(shí)現(xiàn)以及高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)。

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