無電解電容LED驅(qū)動電路現(xiàn)有研究技術(shù)剖析

張 能，張 波，丘東元

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州510640)

1 引言

LED制造工藝以及制造材料發(fā)展迅猛，它在景觀照明、建筑裝飾、電子產(chǎn)品背光等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。然而在普通照明以及路燈照明等領(lǐng)域，LED的應(yīng)用還沒有得到大規(guī)模的推廣，其瓶頸主要在于:一是LED發(fā)熱量大，溫升高，導(dǎo)致壽命縮短;二是易損壞的電解電容在驅(qū)動電源中得到使用限制了驅(qū)動電源的壽命，導(dǎo)致LED照明系統(tǒng)的壽命進(jìn)一步縮短。

基于目前的LED絕大多數(shù)都是電流驅(qū)動型的現(xiàn)狀，本文在分析過程中只考慮電流型驅(qū)動LED。對于此類型的LED，其光通量幾乎與流過它的電流平均值成正比，然而電流越大其發(fā)熱量也越大，溫升越高，會導(dǎo)致其壽命縮短，因此實(shí)際使用中，在保證光通量足夠大的同時，適當(dāng)降低電流可以有效地提高照明系統(tǒng)壽命。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時候，綜合分析LED的光－電－熱特性，可以在一定程度上解決上述的第一個推廣瓶頸。

針對第二個推廣瓶頸，可以嘗試在驅(qū)動電源中應(yīng)用新技術(shù)，避免使用電解電容。許多研究表明，通過對電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)或者使用新的控制方法，均可實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動電源的無電解電容化，延長驅(qū)動電源壽命，拓展LED的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文分析了電解電容在LED驅(qū)動電源中的用途，剖析了現(xiàn)有無電解電容LED驅(qū)動電源的研究技術(shù)。本文第二部分比較了不同電容的壽命;第三部分分析了電解電容在LED驅(qū)動電源中的作用;第四部分介紹了避免使用電解電容的方法;結(jié)論在第五部分給出。

2 不同電容的預(yù)期壽命

表1比較了三種常見電容，即電解電容、聚酯電容、陶瓷電容在環(huán)境溫度為50oC時的壽命、使用范圍、相同電壓等級條件下單位體積最大電容值等性能。

表1 三種不同電容性能比較Tab.1Comparison among three types of capacitors

參考表1可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下電解電容可以達(dá)到的電容值最大，因此它們在電力電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。電解電容的預(yù)期使用壽命為［1，2］:式中，Lb是額定電壓和溫度下的預(yù)期壽命;Mv是電壓變化系數(shù);Tm是正常工作時的電容最高允許溫度;Ta是電容工作時的實(shí)際溫度。

根據(jù)式(1)可知，電解電容工作過程中，在最高工作溫度允許范圍內(nèi)，雖然當(dāng)實(shí)際溫度每降低10oC時，其使用壽命將增加一倍。然而在LED照明領(lǐng)域，實(shí)際溫度一般會達(dá)到60oC以上，此時，電解電容壽命只有10000h左右，與LED自身壽命差距懸殊。因此，當(dāng)電解電容在環(huán)境溫度較高的場合應(yīng)用時，它將嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的壽命。

圖1給出了不同電容隨環(huán)境溫度變化時的壽命變化趨勢。參考圖1可知，從使用壽命及使用范圍方面考慮，聚酯電容是最佳選擇。最常用的聚酯電容為聚酯薄膜電容，它具有耗散因數(shù)低，適用范圍合適，允許通過大的交流電流等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 不同電容壽命比較Fig.1 Expected lifetime of three types of capacitors

3電解電容在驅(qū)動電路中的作用分析

LED驅(qū)動電源大多數(shù)都是交流供電，因此需要AC/DC、DC/DC兩部分構(gòu)成。根據(jù)美國能源之星［3］等標(biāo)準(zhǔn)的要求，驅(qū)動電源功率因數(shù)須高于0.9，因此通常要加入功率因數(shù)校正(PFC)電路，常用的LED驅(qū)動電源電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

設(shè)輸入電壓為:假設(shè)功率因數(shù)為1，則輸入電流為:式中，Vm是輸入電壓的最大值;Im是輸入電流的最大值;ω是輸入電壓的角頻率。

由式(2)和式(3)可得瞬時輸入功率為:

圖2 傳統(tǒng)驅(qū)動電源電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of conventional LED driver

從式(4)中可以看出，瞬時輸入功率由恒定功率VmIm/2和變化功率VmImcos(2ωt)/2兩部分組成，平均值為:

對于LED負(fù)載，導(dǎo)通后兩端電壓基本保持不變，設(shè)為Vo，用Io表示流過負(fù)載的電流，則輸出功率保持恒定，為:

比較式(4)和式(6)可知，LED驅(qū)動電源的瞬時輸入功率和輸出功率并不相等，因此需要一個儲能元件來平衡輸入輸出功率，通常這個儲能元件都是電解電容。

圖3給出了LED驅(qū)動電源電路中幾個主要參數(shù)的波形。從圖中可以很清晰地看出在T/8～3T/8時間段內(nèi)，輸入功率一直大于輸出功率，此時電解電容吸收多余的能量，其兩端電壓上升。在3T/8～5T/8時間段內(nèi)，輸入功率一直小于輸出功率，此時電解電容釋放能量，其兩端電壓下降。

根據(jù)電容自身的儲能特性，可以得到:

式中，ΔE表示電容吸收(或釋放)的能量，即瞬時輸入功率與輸出功率之間的差值;VC_max(VC_min)表示電容儲能(或釋放能量)過程中其兩端的最大(最小)值。

由式(7)可得:式中，ΔVC=VC_max－VC_min，表示電容兩端電壓紋波;VC_av=(VC_max+VC_min)/2，表示電容兩端電壓平均值。

根據(jù)前面的分析可知，只要對電路作適當(dāng)改善，減小電容值，即可在電路中用其他電容代替電解電容。

圖3 LED驅(qū)動電源電路中的主要波形圖Fig.3 Key waveforms of LED driver

根據(jù)式(8)，可以得到如下結(jié)論:

(1)在保持ΔE和ΔVC不變的條件下，增大電容兩端電壓的平均值VC_av，即可減小電容值;

(2)在保持ΔE和VC_av不變的條件下，增大電容兩端的紋波電壓ΔVC，即可減小電容值;

(3)在保持VC_av和ΔVC不變的條件下，減小瞬時輸入功率與輸出功率之間的差值ΔE，即可減小電容值。

實(shí)際上，在驅(qū)動電源設(shè)計(jì)過程中如果VC_av設(shè)計(jì)過高，對器件的要求也越高，會造成常用器件不再適用。因此，通常將VC_av設(shè)計(jì)為400V，依靠結(jié)論(2)和結(jié)論(3)達(dá)到避免使用電解電容的目的。

4 去電解電容的方法

從前面的分析可以看出，LED驅(qū)動電源去掉電解電容之后存在的問題主要是如何平衡輸入功率與輸出功率。很多專家學(xué)者為此進(jìn)行研究，并提出了不同的方法。香港大學(xué)的許樹源教授率先提出用電感代替電解電容作為儲能元件，南京航空航天大學(xué)的阮新波教授提出了增大紋波法和向輸入電流加入三次和五次諧波等方法，還有其他專家提出了新的電路拓?fù)?。雖然這些方法各不相同，但都是對現(xiàn)有控制方法或功率電路進(jìn)行改進(jìn)，其思想大致可以分兩類:一是保留原來的拓?fù)?，對控制方法進(jìn)行改進(jìn)，后面簡稱改進(jìn)控制法;二是構(gòu)造新的電路拓?fù)?。改進(jìn)控制方法有兩種方法，即允許存在較大的電壓紋波和減小輸入功率與輸出功率之間的差值。構(gòu)造新電路拓?fù)溆腥N方法，分別為用電感代替電容進(jìn)行儲能;在現(xiàn)有電路拓?fù)渲屑尤胼o助電路;加入功率解耦電路。

4.1 增大電壓紋波ΔVC

根據(jù)前面分析的結(jié)論(2)，適當(dāng)?shù)卦龃箅妷杭y波，即可減小電容值，用其他電容代替電解電容。文獻(xiàn)［4］率先提出了這種方法，并給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程。經(jīng)過推導(dǎo)，可以得到電容兩端電壓平均值、最大值、最小值以及電容值之間的關(guān)系，并以此作為電路參數(shù)設(shè)計(jì)的參考。式中，Vm_max表示輸入電壓最大值。

如圖4所示，當(dāng)電容最小值小于整流后的輸入電壓時，電路將不能正常工作。因此，利用此方法實(shí)現(xiàn)無電解電容時，電容兩端電壓不能過于小。

圖4 電容兩端電壓與輸入電壓圖Fig.4 Waveforms of voltage of capacitor and input voltage

4.2 減小ΔE

根據(jù)前面分析的結(jié)論(3)，可以知道減小ΔE，即可減小所需的電容值。文獻(xiàn)［4］首次提出了向輸入電流注入三次諧波的方法。

注入諧波之前，輸入功率與輸出功率之間的差值為:

向輸入電流注入三次諧波后，輸入電流表達(dá)式為:

隨著輸入電流的變化，輸入功率也會發(fā)生相應(yīng)的變化:

此時，輸入功率與輸出功率差值為:

式中，tc表示穿過1的時刻。將式(15)代入式(16)，可以得到:

在文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)上，用類似的方法，文獻(xiàn)［5］又提出了向輸入電流同時注入3次諧波和5次諧波的方法，減小輸出電流的峰均比。但是注入諧波的幅值會影響系統(tǒng)的性能，文獻(xiàn)［6］詳細(xì)闡述了選擇合適的諧波幅值的方法。

實(shí)際上，除了可以向輸入電流注入諧波以減小輸入功率與輸出功率差值外，向輸出電流注入諧波［7］也能達(dá)到同樣的目的。

向輸出電流注入諧波后，可以使LED負(fù)載在輸入功率的最大值附近消耗更多能量，在輸入功率最小值附近消耗較少能量，以此減小輸入功率與輸出功率之間的差值。

4.3 用電感代替電解電容儲能

對于電流驅(qū)動型LED，要求驅(qū)動電源輸出恒定電流，但通常用的PFC電路，屬于恒壓輸出結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［8］利用對偶原理，用Buck電路作為PFC電路，提出了用電感代替電解電容儲能的電路拓?fù)?，如圖5所示。該電路不僅結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，還能通過調(diào)節(jié)Buck電路的占空比方便地調(diào)節(jié)輸出電流大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)光。但是由于采用電感作為儲能元件，因此電感的電感量很大，電感體積增大，驅(qū)動電源的體積也相應(yīng)增大，功率密度降低。基于上述特性，此拓?fù)渲贿m用于對可靠性要求較高且對體積要求較低的場合。

圖5 文獻(xiàn)［8］提出的拓?fù)銯ig.5 Topology proposed in ref.［8］

4.4 增加輔助電路

文獻(xiàn)［9］提出了如圖6所示的電路拓?fù)?。該拓?fù)洳捎梅逯惦娏骺刂疲脭?shù)字控制實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)頻率變化。其最大特點(diǎn)是在輸出端采用了Buck－Boost電路結(jié)構(gòu)。

圖6 文獻(xiàn)［9］提出的拓?fù)銯ig.6 Topology proposed in ref.［9］

文獻(xiàn)［10］提出了如圖7所示的拓?fù)?，該拓?fù)潆m然結(jié)構(gòu)簡單，但是需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)無電解電容化。

圖7 文獻(xiàn)［10］提出的拓?fù)銯ig.7 Topology proposed in ref.［10］

結(jié)合LED的光－電－熱原理［11，12］，文獻(xiàn)［13］提出了如圖8所示的電路拓?fù)洌撏負(fù)渫耆蔁o源元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高。但是此電路拓?fù)溆捎谛枰姼芯哂休^大的電感量，因此造成電源體積增大，功率密度降低。此電路中的填谷電路與通常用于提高電路的功率因數(shù)的填谷電路不同，它在電路中的作用是降低輸出電壓紋波，以此減小輸出濾波電感的體積。

圖8 文獻(xiàn)［13］提出的拓?fù)銯ig.8 Topology proposed in ref.［13］

文獻(xiàn)［13］作者在圖8所示拓?fù)涞幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一系列類似的電路拓?fù)洌⑺鼈兊男阅苓M(jìn)行了比較［14］。這類電路都具有體積大、功率密度低的缺陷，只適合用在對體積要求低的場合。

文獻(xiàn)［15］在文獻(xiàn)［16］的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了如圖9所示的電路。

圖9 文獻(xiàn)［15］提出的拓?fù)銯ig.9 Topology proposed in ref.［15］

該電路在輸出端采用twin－bus buck電路結(jié)構(gòu)，效率和功率因數(shù)都較高。

在圖9所示拓?fù)涞幕A(chǔ)上，文獻(xiàn)［15］作者進(jìn)一步提出了如圖10所示的電路［17］。

圖10 文獻(xiàn)［17］提出的拓?fù)銯ig.10 Topology proposed in ref.［17］

該拓?fù)渑c圖9拓?fù)湎啾龋嗔颂罟入娐方Y(jié)構(gòu)。加入填谷電路后，有效地阻斷了低頻諧波回路，并降低了嵌入電容和輸出二極管的電壓應(yīng)力。

通過將Boost電路和反激變換器結(jié)合在一起，文獻(xiàn)［18］提出如圖11所示的電路拓?fù)?。該電路設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)為:式中，C為電容的容值，其中變化的參數(shù)為Po。可以看出，當(dāng)Po較小時，所需的電容值也相應(yīng)變小。因此，此電路拓?fù)渲贿m用于很小功率的場合。

圖11 文獻(xiàn)［18］提出的拓?fù)銯ig.11 Topology proposed in ref.［18］

文獻(xiàn)［19］提出了由功率因數(shù)校正、不對稱半橋和同步整流三級電路構(gòu)成的電路拓?fù)?。該拓?fù)洳粌H具有電路輸出電壓低，輸出電流大，不含低頻紋波的優(yōu)勢，而且在輸入電壓或者負(fù)載變化時，電路可以不受干擾，保持正常工作。此外該拓?fù)溥€實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，能量損耗小，效率可達(dá)90%以上。

文獻(xiàn)［20］提出了一種適用于路燈照明的無電解電容LED驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)洳捎萌夒娐方Y(jié)構(gòu)，其中第一級電路為常見的用Boost電路構(gòu)成的PFC電路，第二級為電子變壓器，第三級為TIBUCK電路。

除了上述方法之外，還可通過利用多個小電容并聯(lián)［21］，避免使用大電解電容。

4.5 添加功率解耦電路

除上述方法之外，利用功率解耦技術(shù)［25］也可以實(shí)現(xiàn)無電解電容。根據(jù)前面的分析式(4)，可得:令式中，pD(t)為功率解耦電路的功率。則

式(22)可以通過圖12清晰地反映出來。功率解耦電路添加方法有兩種，如圖13所示。文獻(xiàn)［22］提出了如圖14所示的電路拓?fù)?。該拓?fù)湓诜醇ぷ儞Q器的輸出端并聯(lián)一個雙buck－boost電路，實(shí)現(xiàn)功率解耦。

文獻(xiàn)［23］提出了如圖15所示的電路拓?fù)洹?/p>

該拓?fù)湓诜醇ぷ儞Q器的輸入端加上功率解耦電路。電路中開關(guān)管工作過程為:主關(guān)管Q1保持恒定頻率和恒定占空比工作。當(dāng)輸入功率大于輸出功率時，開關(guān)管Q2保持關(guān)閉，開關(guān)管Q3工作。當(dāng)輸入功率小于輸出功率時，開關(guān)管Q2工作，開關(guān)管Q3一直導(dǎo)通。

圖12功率關(guān)系圖Fig.12 Waveforms of different power

圖13添加功率解耦電路后的電路結(jié)構(gòu)Fig.13 Schematic diagram of driver with power decoupling circuit

圖14 文獻(xiàn)［22］提出的拓?fù)銯ig.14 Topology proposed in ref.［22］

圖15 文獻(xiàn)［23］提出的拓?fù)銯ig.15 Topology proposed in ref.［23］

5 結(jié)論

本文詳細(xì)剖析了無電解電容LED驅(qū)動電源的現(xiàn)有研究技術(shù)，并將上述新拓?fù)鋸碾娐方Y(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、電路體積、功率因數(shù)、效率等方面進(jìn)行了比較，如表2所示;將上述通過減小ΔE和增大ΔV實(shí)現(xiàn)無電解電容的方法進(jìn)行了比較，如表3所示。

表2 不同新拓?fù)湫阅鼙容^Tab.2 Performance comparison of various topologies

表3 減小ΔE和增大ΔV方法性能比較Tab.3 Performance comparison ofmethods of reducingΔE and increasingΔV

通過比較可以看出目前還沒有一種完美的技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動電源無電解電容化。向輸入電流注入諧波的方法［4－6］雖然實(shí)現(xiàn)了無電解電容化，但是降低了電路的功率因數(shù)。向輸出電流注入諧波的方法［7］雖然提高了電路的功率因數(shù)，但是其輸出電流為PWM波形，而用PWM波形電流驅(qū)動LED會降低LED的發(fā)光效率［24］。不同新拓?fù)渲校械碾娐冯m然可靠性高，但是體積增大;有的電路雖然性能穩(wěn)定，但是只適用于小功率等級;有的電路效率高，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

在未來應(yīng)用中，考慮到從控制電路角度出發(fā)，向電路中注入電流諧波可能會對電網(wǎng)造成不可與之的干擾，因此應(yīng)該盡量尋求使用新電路拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)LED驅(qū)動電源的無電解電容化，功率解耦技術(shù)將在構(gòu)造無電解電容驅(qū)動電源過程中得到進(jìn)一步應(yīng)用。

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