一種基于重復(fù)控制的無(wú)電解電容 LED驅(qū)動(dòng)電源

楊明杰 廖建彬

摘要：LED 驅(qū)動(dòng)電源大多使用了容量較大的電解電容作為儲(chǔ)能濾波元件，然而其平均壽命遠(yuǎn)低于 LED 器件，限制了驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命和電源功率的進(jìn)一步提升。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了一種基于重復(fù)控制的無(wú)電解電容 LED驅(qū)動(dòng)電源，采用 Boost功率因數(shù)校正電路，提高輸入功率因數(shù)，此外，利用 Buck/Boost變換器進(jìn)行升壓儲(chǔ)能，并結(jié)合周期性重復(fù)控制算法，對(duì)儲(chǔ)能實(shí)施調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸入脈動(dòng)功率與輸出恒定功率之間的平衡，使負(fù)載 LED 獲得恒定電流。由于沒有采用大容量的電解電容，因而提高了 LED驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命。最后，搭建了一套基于重復(fù)控制算法的無(wú)電解電容 LED驅(qū)動(dòng)電源，測(cè)得輸入功率因數(shù)為0.97，恒定輸出的電流紋波系數(shù)為3%。

關(guān)鍵詞：LED驅(qū)動(dòng);功率因數(shù)校正;無(wú)電解電容;恒流

中圖分類號(hào)：TM46???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0068-03

An Electrolytic Capacitor-less LED Driver Based on Repetitive Control

Yang Mingjie ，Liao Jianbin

（Minnan University of Science and Technology， Shishi， Fujian 362700， China）

Abstract： Electrolytic capacitors with large capacity are often used as energy storage and filter elements for LED driver. However， its average life is far lower than that of LED devices， which will restrict the lifetime of driver and the further increment of power. In order to solve this problem， an electrolytic capacitor-less LED driver based on repetitive control was designed. Boost power factor correction circuit was used to improve the power factor of input. In addition， Buck/Boost converter was adopted to boost voltage for energy storage， combining with periodic repetitive control algorithm to adjust the energy storage， so as to achieve the balance between pulsating power of input and constant power of output， and obtain constant output current for LED loads. Since no electrolytic capacitor with large capacity was used， the lifetime of the LED driver was prolonged. Finally， a set of LED driver without electrolytic capacitor based on repetitive control algorithm was built. The test results show that power factor of the input is 0.97 and the ripple coefficient of direct current output is 3%.

Key words： LED driver; power factor correction （PFC）; electrolytic capacitor-free; constant output current

0 引言

發(fā)光二極管（Lighting Emitting Diode ，LED ）是一種新型的半導(dǎo)體冷光源，發(fā)光效率高、節(jié)能環(huán)保、可靠性高、壽命長(zhǎng)、體積小、成本低，在很多使用場(chǎng)合逐步替換傳統(tǒng)的白熾燈，有著巨大前景。同時(shí)，要求 LED 的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)當(dāng)具備高功率因數(shù)、高可靠性、長(zhǎng)壽命。目前，LED 驅(qū)動(dòng)電源大多使用了容量較大的電解電容作為儲(chǔ)能濾波元件，然而其平均壽命與半導(dǎo)體器件 LED 相比，相差懸殊，成為影響 LED 驅(qū)動(dòng)電源壽命的主要瓶頸，并且會(huì)限制電源功率的進(jìn)一步提高。因此，需要研制一種無(wú)電解電容的 LED 驅(qū)動(dòng)電源，延長(zhǎng) LED 驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命，并且校正功率因數(shù)，減小輸出電流的紋波，使得流過 LED 的電流近似恒定。

美國(guó)能源部（ DOE ）“能源之星”（ENERGYSTAR）固態(tài)照明（SSL）規(guī)范中規(guī)定，任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正（Power Factor Correct ，PFC）。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈，其中，住宅應(yīng)用的 LED 驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9。歐盟的 IEC61000-3-2諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中，則規(guī)定了功率大于25 W的照明應(yīng)用的功率因數(shù)須大于0.94[1-7]。

交流供電下，為滿足諧波要求，減少對(duì)電網(wǎng)的污染，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正[8-9]，常見的 LED 驅(qū)動(dòng)電源大多采用兩級(jí) APFC 電路，在輸入整流電路和負(fù)載 LED 之間，采用 DC/DC 變換電路，并采集電壓或電流構(gòu)成閉環(huán)控制，具有 PFC功能。此時(shí)，交流輸入電壓和電流具有相同相位，而整流電路輸出為兩倍工頻的脈動(dòng)功率，希望負(fù)載 LED 能夠獲得恒定直流功率，其大小與輸入功率平均值相等，這就要求交流輸入功率和直流輸出功率之間能夠通過中間環(huán)節(jié)加以平衡過渡，通常并入一個(gè)大容量的電解電容作為儲(chǔ)能元件[10-11]。然而，電解電容器的平均壽命通常約為5～10 kh ，遠(yuǎn)低于 LED 本身可持續(xù)工作達(dá)到80～100 kh的平均壽命，大大縮短了 LED 照明器具的使用壽命。并且電解電容體積較大，影響了 LED 驅(qū)動(dòng)電源的緊湊化。因此不用電解電容，實(shí)現(xiàn) AC/DC 功率變換，成為 LED 驅(qū)動(dòng)電源的一個(gè)研究方向。

喬之勇等[12]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外基于電容儲(chǔ)存和供給能量的本質(zhì)，一般采用增加電容電壓紋波法、三次諧波注入法以及功率解耦法，來(lái)減小或者去除電解電容，然而都或多或少地影響了輸出電壓和電流的波動(dòng)。

增加電解電容電壓的紋波，可以用容量小、壽命長(zhǎng)的薄膜電容或者瓷片電容替換電解電容。然而輸出電壓存在較大輸出紋波，適于對(duì)輸出電壓紋波要求不高的場(chǎng)合[1]。

在輸入電流中注入三次諧波的方案，為了減小電容，需要增大注入諧波的幅值，導(dǎo)致輸入功率因數(shù)降低，適于對(duì)功率因數(shù)要求不高的場(chǎng)合[1，4]。

功率解耦法，采用峰值電流拓?fù)淇刂撇呗?，能夠?dú)立控制輸出電流和電容電壓，通過 PWM 實(shí)現(xiàn)了較好的調(diào)光性能，但是輸出電流紋波大，影響負(fù)載的穩(wěn)定性[1]。

本文基于上述文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種基于重復(fù)控制的無(wú)電解電容 LED 驅(qū)動(dòng)電源，通過周期性重復(fù)控制的方法，驅(qū)動(dòng) Boost-Buck 電路，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容對(duì)脈動(dòng)功率的平衡，使負(fù)載 LED 獲得恒定電流;采用 Boost 功率因數(shù)校正電路，提高輸入功率因數(shù)。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 無(wú)電解電容 LED驅(qū)動(dòng)電源

基于重復(fù)控制的無(wú)電解電容 LED 驅(qū)動(dòng)電源如圖1所示。輸入交流電壓 ui 經(jīng)過整流橋 D1～D4后，由電感 L1和功率管 Q1構(gòu)成的 Boost 功率因數(shù)校正電路，提高輸入功率因數(shù)，再經(jīng)過輸出續(xù)流二極管 Dr 、輸出濾波電容 Co 和電感 Lo 向負(fù)載 LED 提供恒定電流 io ，此外，在 Co 兩端并聯(lián)了由電感 Lb 、功率管 Qs 1、Qs2和儲(chǔ)能電容 Cb 構(gòu)成的 Buck/ Boost 雙向功率變換器，用于平衡交流輸入和直流輸出的瞬時(shí)功率差。數(shù)字控制器 DSP2812采集 ui 、ii 、io ，結(jié)合重復(fù)控制算法，驅(qū)動(dòng) Q1、Qs 1、Qs2，使輸入電流和輸入電壓具有同相位，且穩(wěn)定輸出電流 io 。由于雙向功率變換器能夠提高 Cb 的平均電壓，從而減小 Cb 的容量，進(jìn)而能夠使用壽命長(zhǎng)、容量小的薄膜電容替代壽命短、容量大的電解電容，起到儲(chǔ)能的作用。由于整個(gè)電源沒有采用大容量的電解電容，因而提高了 LED 驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命。

2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)理想輸入功率因數(shù)為1，則角頻率為ω的交流電源的輸入電功率 Pi （t）為：

式中： Uim 為交流輸入電壓 ui 的峰值;Iim 為交流輸入電流 ii 的峰值。

負(fù)載 LED 獲得的恒定直流功率 Po 來(lái)自 Pi （t）的直流分量為：

而式（1） 中 Pi （t）的交流分量，則作為儲(chǔ)能電容 Cb 的充放電功率 Pcb （t）加以平衡，由式（1） 和式（2） 可得：

設(shè)電容 Cb 兩端的電壓 uCb（t）為：

式中：等號(hào)右邊第一項(xiàng) UCb 為 Cb 兩端電壓的直流分量;第二項(xiàng)ΔUCb? sin2ωt為 Cb 兩端電壓的交流分量。

由于 Cb 中儲(chǔ)存的電能 Ecb（t）為：

且 Cb 的充放電功率 Pcb（t）等于其儲(chǔ)存電能Ecb（t）對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為：

因此由式（3） ～（6）可得 Cb 的計(jì)算表達(dá)式為：

當(dāng)向負(fù)載 LED 提供的恒定直流功率 Po 恒定時(shí)，Cb 大小與ΔUCb 和 UCb 均成反比，因此，當(dāng)電容 Cb 選用壽命長(zhǎng)、容量小的薄膜電容，替代壽命短、容量大的電解電容時(shí)，應(yīng)當(dāng)增大ΔUCb 或 UCb 的值，即通過 Buck/Boost變換器提高儲(chǔ)能電容 Cb 的直流工作電壓，或增大電壓紋波的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此外，當(dāng)電感 L1工作在連續(xù)電流模式下，L1電感值的選取依據(jù)為[13] ：

式中： Uo 為輸出電壓的平均值; Io 為輸出電流的平均值;fs 為功率管 Q1的開關(guān)頻率;D 為功率管 Q1的占空比。

流過電感 L1的最大平均電流值 IL1avmax 為：

式中：Iomax 為負(fù)載電流的最大值。

電容 Co 的容量計(jì)算表達(dá)式為：

式中：ΔUopp 為輸出電壓 Uo 的紋波峰峰值。

導(dǎo)通時(shí)，功率管 Q1流過的最大電流有效值 IQ1rmsmax 的計(jì)算表達(dá)式為：

流過續(xù)流二極管 Dr 的最大電流有效值 IDrrmsmax 計(jì)算表達(dá)式為：

當(dāng) Q1關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管 Dr 承受最大電壓 UDmax 的計(jì)算表達(dá)式為：

式中： Uomax 為負(fù)載電壓的最大值。

以上推導(dǎo)并給出各項(xiàng)電路參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式，據(jù)此可以計(jì)算并選擇合適的元器件。

3 基于重復(fù)控制算法的控制策略

如圖2所示，采用了基于重復(fù)控制算法的控制策略，用于平衡輸入和輸出之間存在的脈動(dòng)功率，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和負(fù)載 LED 電流的恒定控制。其中的重復(fù)控制算法是一種基于內(nèi)模原理的周期性重復(fù)控制技術(shù)，不需要被控制對(duì)象的準(zhǔn)確模型，就能實(shí)現(xiàn)近似無(wú)靜差的跟蹤控制，且具有很好的魯棒性[5， 14]。

首先，通過比較電路獲得 ui 同相位的方波，經(jīng)過數(shù)字控制器的捕獲單元得到 ui 的相位θ和角頻率ω，從而計(jì)算生成同相位的輸入電流跟蹤參考信號(hào) ii*，并與電流霍爾采集得到的實(shí)際 ii 比較后，經(jīng)過 PI 計(jì)算瞬時(shí)調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)功率管 Q1使輸入電流接近理想正弦波[15]，并與輸入電壓保持同相，從而使輸入功率因數(shù)接近單位1;此外，輸出負(fù)載的電流設(shè)定值 Io*，與經(jīng)過 LPF 濾波的實(shí)際負(fù)載電流 io 的平均值 Io 進(jìn)行比較，得到的偏差經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)后，再與 ii*求偏差，獲得輸入和輸出電流的偏差，以此作為重復(fù)控制器的參考信號(hào)，經(jīng)過周期性重復(fù)控制算法后得到互補(bǔ)的 PWM 控制信號(hào)分別驅(qū)動(dòng) Qs 1、Qs2，使Buck/Boost 變換器對(duì)儲(chǔ)能電容 Cb 儲(chǔ)存的功率實(shí)施調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸入脈動(dòng)功率與輸出恒定功率之間的平衡，進(jìn)而較小輸出電流的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載 LED 的電流恒定。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于重復(fù)控制算法的控制策略，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間脈動(dòng)功率的平衡，達(dá)到負(fù)載 LED 電流的恒定控制，以及輸入功率因數(shù)的校正，搭建了一套 LED 驅(qū)動(dòng)電源原理樣機(jī)，如圖3所示。數(shù)字控制芯片的型號(hào)為 TMS320F2812，功率管 Q1、Qs 1、Qs2的型號(hào)為 SMK0765F。

LED 驅(qū)動(dòng)電源的主要電路參數(shù)如表1所示。表1? LED驅(qū)動(dòng)電源的電路參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，使用示波器測(cè)得輸入電壓 ui 、輸入電流 ii、輸出電流 io 的波形，如圖4所示。從波形圖中可以看出，交流輸入電壓 ui 和電流 ii 保持同相位，且均為正弦波，測(cè)得輸入功率因數(shù)為0.97。負(fù)載輸出電流 io 基本恒定，但存在小幅紋波，且紋波頻率為工頻的兩倍，測(cè)得輸出電流 io 的紋波系數(shù) rio=3%。輸入電壓 ui 的有效值 Ui=220 V ，輸入電流ii 有效值 Ii=0.63 A ，輸出電流io 的平均值Io=0.35 A，使用萬(wàn)用表測(cè)得輸出電壓平均值Uo=360.4 V，由此可計(jì)算得到輸入功率 Pi=138.6 W，輸出功率 Po= 126.14 W，主電路的功率傳輸效率η=91%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了LED驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)，并分析了減小儲(chǔ)能電容的容量，用小容量、長(zhǎng)壽命的薄膜電容替代大容量、短壽命的電解電容，可以通過Buck/Boost變換器提高儲(chǔ)能電容的直流工作電壓，或增大電壓紋波的方法來(lái)實(shí)現(xiàn);推導(dǎo)出各項(xiàng)電路參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式，并詳細(xì)闡述了基于重復(fù)控制算法的控制策略，實(shí)現(xiàn)了輸入脈動(dòng)功率與輸出恒定功率之間的平衡，使負(fù)載 LED 獲得恒定電流。采用Boost功率因數(shù)校正電路，提高輸入功率因數(shù);搭建了一套基于重復(fù)控制算法的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，測(cè)得輸入功率因數(shù)為0.97，恒定輸出的電流紋波系數(shù)為3%，主電路的功率傳輸效率η=91%。

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第一作者簡(jiǎn)介：楊明杰（1983-），男，福建晉江人，碩士，講師，研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字控制逆變電源。

（編輯：王智圣）