基于能量平衡的交流LED驅(qū)動策略

陳 威 劉 冬 葉少士

（1. 浙江網(wǎng)新聯(lián)合工程有限公司，杭州 310051；2. 諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)有限公司，杭州 310053）

經(jīng)過 40余年的發(fā)展，LED作為新一代綠色、節(jié)能、長壽命的高效光源已經(jīng)在世界范圍內(nèi)迅速普及[1-9]。傳統(tǒng)的 LED需要提供合適的直流電才能正常發(fā)光工作，因而一般需在供電端的工頻市電與LED負(fù)載之間加入一個AC-DC變流器模塊[3]。然而該變流器的使用，不但增加了LED燈具的體積和成本，而且由于交直流轉(zhuǎn)換中的損耗帶來了LED整體光效降低。另外，該變流器的壽命也遠(yuǎn)不及LED的實(shí)際使用壽命，成為妨礙LED燈具進(jìn)一步推廣的主要桎梏[7]。為了解決上述難題，采用交流直接供電的交流LED技術(shù)近年來得到廣泛關(guān)注[3,5,7]。最新研究成果表明，采用將交流LED分段分時導(dǎo)通技術(shù)可有效解決因線性驅(qū)動技術(shù)導(dǎo)致的低功率因數(shù)和高電流諧波問題，并且開通時大為減小的沖擊電流可有效延長交流LED使用壽命[10-11]。但交流LED分段后每段的能量均衡問題一直得不到有效解決，引起交流LED單段之間的壽命差異，進(jìn)而影響燈具的整體設(shè)計(jì)壽命[11]。

本文在交流LED分段線性控制的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化單段交流LED的導(dǎo)通時間，達(dá)到每段交流LED之間的能量平衡，從而起到保證燈具設(shè)計(jì)使用壽命的效果。

1 基于能量平衡的交流LED線性驅(qū)動策略

一般而言，交流LED需要分成兩組，分別工作于交流市電的正負(fù)半周。但因這兩組電路結(jié)構(gòu)和工作原理均完全相同，出于簡化的目的，在分析中可將這兩個模塊合二為一，用一個整流橋預(yù)先處理交流電壓，如圖1所示。該電路將一個交流LED模塊分為 4段，分別以 LED1至 LED4表示，同時每段LED分別和可控制的開關(guān)管并聯(lián)，以達(dá)到高功率因數(shù)的目的[5]。在以圖 2為代表的經(jīng)典控制策略中，每段LED開通的時間各自并不一致，開通時間最長的 LED1段成為了整體壽命的短板，燈具的設(shè)計(jì)使用壽命明顯小于預(yù)期。

圖1 改進(jìn)型交流LED線性驅(qū)動電路

圖2 經(jīng)典交流LED分段控制策略

為了解決這一問題，圖3給出了改進(jìn)后的控制策略，該策略的核心是分別找到LED1至LED4各段的最佳導(dǎo)通和關(guān)斷時間，將總的開通時間加以優(yōu)化，以達(dá)到每段LED之間的能量平衡目的。不難發(fā)現(xiàn)，在各段能量平衡時，圖3中的開通時間點(diǎn)t0至t3必然相對于關(guān)斷時間點(diǎn)t4至t7關(guān)于坐標(biāo)軸π/2軸對稱。即需要滿足下式：

圖3 基于能量平衡的改進(jìn)控制策略

因而只要求出各段的最佳開通時間點(diǎn)t0至t3即可。

交流正弦電壓波的時間點(diǎn)和瞬間電壓值是一一對應(yīng)的，各段的最佳開通時間可以簡單等效于求出各段開通的最佳電壓點(diǎn)。顯見，因線性電路的能量損耗特點(diǎn)，為了達(dá)到能量的最佳利用，對于 LED1段，開通點(diǎn)的理想電壓vL1即是本段LED的開啟閾值電壓。同理，LED4段的開通點(diǎn)理想電壓 vL4即是LED1至LED4開通的壓降之和，即開通時間點(diǎn)t0和t3是由LED分段的本征開通特性決定的。因此，問題可轉(zhuǎn)化為求出最優(yōu)化的開通時間點(diǎn) t1和 t2，即最優(yōu)化的開通點(diǎn)電壓vL2和vL3。而這兩個電壓可以根據(jù)對單段 LED在一半市電周期內(nèi)的能量積分求解得出。

假設(shè)：①文中使用的LED為理想非線性器件；②輸入交流電為理想正弦波，則1—4段LED的半交流周期能量分別為

式中，ELED為單段LED的半交流周期能量；vLED為單段LED的導(dǎo)通壓降；iLED為單段LED的瞬時正弦導(dǎo)通電流。tNon和tNoff分別對應(yīng)當(dāng)前 LED段的開通和關(guān)斷時刻點(diǎn)。

即有

式中，Ipeak為 LED的半交流周期電流峰值；ω為輸入交流電壓頻率。

根據(jù)ELED1=ELED2=ELED3=ELED4，由式（1）—式（7）得

代入vL1至vL4，設(shè)輸入電壓峰值為vp，則式（8）可改寫為

以單段LED導(dǎo)通電壓為60V為例，圖4是按照式（9）給出的vL2和vL3之間的具體關(guān)系曲線。圖4曲線上的任意一點(diǎn)即可滿足ELED1=ELED2=ELED3=ELED4的能量平衡目的。

圖4 滿足能量平衡下的vL2和vL3曲線

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，按圖1構(gòu)建了一臺樣機(jī)，該樣機(jī)的參數(shù)見表1。

表1 主要器件參數(shù)

圖5給出了按照上述策略控制的樣機(jī)關(guān)鍵參數(shù)波形。vrec是整流后的輸入交流電壓波形。irec是交流周期內(nèi)的4段LED電流之和。vLED1至vLED4分別是四段LED的瞬時電壓波形。因?yàn)閱味蜭ED的開通電壓為60V左右，所以LED1段和LED4段的開通時間分別設(shè)置在單段導(dǎo)通電壓（60V）和四段導(dǎo)通電壓之和（240V）處。LED2段和LED3段的開通時刻對應(yīng)的交流電壓需要滿足式（9）之規(guī)定，根據(jù)圖4所示，選取為160V和205V。LED1—LED4的實(shí)際關(guān)斷時刻分別滿足式（1）的約束。圖6是在一個交流周期下，對4段LED分別計(jì)算能量的結(jié)果對比。易見在總輸出能量相同的前提下，改進(jìn)后的控制策略能做到每段LED的能量平衡，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 各段LED開通時間點(diǎn)和電壓波形

圖6 兩種控制策略的效果對比

3 結(jié)論

本文提出一種基于發(fā)光能量平衡的交流 LED分段控制策略，在每個交流周期內(nèi)，根據(jù)優(yōu)化算法分別將4段LED的導(dǎo)通時間加以控制，以達(dá)到在各段LED的實(shí)際發(fā)光能量平衡的效果，從而延長LED燈具的實(shí)際使用壽命。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和結(jié)果證明了優(yōu)化算法的正確性和所提控制策略的可行性，具有工程應(yīng)用價值。

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