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基于不同驱动条件下白光LED照明频闪问题的研究[1]

《照明工程学报》2010-2012年优秀论文评选 优秀奖

2013-8-21  来源:照明工程学报  作者:杨光  有5180人阅读

目前,随着白光LED 性能的快速提升,白光LED 照明具有了更大的应用优势。然而,由于白光LED 的光输出特性对驱动电源电流输出特性的强烈依赖性,以及在不同的驱动条件下白光LED 的光输出具有的频闪问题,

  1 前言

  白光LED 主要特点是: 低电压、小体积、高效率、绿色环保和超长寿命。目前以白光LED 作为照明光源的研发势头强劲,新产品层出不穷,在一定范围内获得了积极的推广和应用。相对于以白炽灯、高低压气体放电灯为代表的常规成熟的照明光源,虽然业界对白光LED 照明光源的研究在不断的深入,然而由于白光LED 是具有μs 级的快速响应、可以工作于直流及单向高频脉冲电流条件下的电流型器件,作为照明光源应用时就少有常规光源的发光“惰性”,可能造成较为严重的光输出频闪问题而影响正常的使用,在此有必要就不同驱动条件下的白光LED 照明光源的频闪问题给予足够的重视,以期更好地满足多种照明现场的要求,获得更为广泛的实际应用。

  2 白光LED 的驱动及频闪特性

  目前商品化的、大量应用的白光LED 的制备原理都是采用蓝光LED 激发黄光荧光粉YAG: Ce 来获得白光输出的。其白光输出的效率与蓝光LED 的出光效率、荧光粉的效率以及相互间的匹配都有直接的关系。由于白光LED 是具有μs 级的快速响应的、可以工作于直流及单向高频脉冲电流条件下的电流型器件,因此作为照明发光器件可能会造成较为严重的光输出频闪问题。为了分析起见,搭建了如图1 所示的测试电路,测试了LED 在直流线性和交流市电驱动条件下的电流及光输出特性。

        

  ( 1) 直流线性驱动

  线性稳压( 稳流) 电源驱动,是一种最为早期的驱动形式[图2 ( a) ,( b) ]。由于LED 为电流器件,光输出特性直接响应于驱动电流的特性,因此采用线性稳压( 稳流) 电源驱动的LED 的光输出没有频闪现象,为一平滑的直线,详见图2 ( c) 所示( 图2 中上线为光输出,下线为驱动电流,下同) 。

  

  ( 2) 工频交流市电驱动

  由于交流市电具有的普遍性和经济性,直接采用工频50Hz 交流市电来驱动LED 是一种较为实用的驱动方式。由于LED 的特性是必须工作于单向电流( 含脉动电流) 的条件下,因此工频交流市电驱动的电路构成目的是使得流过LED 的正向电流为单向的且具有一定的恒流特性,主要有以下几种形式:

  1) 工频交流半波驱动

  工频交流半波驱动的特点就是单个LED 流过的是单向脉动正弦半波电流,具体的电路构成主要有:

  A. 二极管导向:

  二极管导向的特点是: 采用一定的规格的整流二极管D 来进行反向电流阻断,使得流过LED 的电流为正向脉动正弦半波电流,具体电路见图3 ( a) 。

  B. 二极管旁路:

  二极管旁路的特点是: 采用一定的规格的整流二极管D 来进行反向电流的旁路,保证流过LED 的电流为正向脉动的正弦半波电流,具体电路见图3( b) 。

  C. 双LED 并联

  双LED 并联就是: 采用反向并联的同类型LED,使其分别工作于电流的正反向,即自动进行电流导向,使得流过单个LED 的电流为正向脉动正弦半波电流,总体上提高了电流的利用效率,整体的光输出提高了一倍。具体电路见图3 c 所示。以上采用工频交流半波驱动的LED 电流及光输出见图3d 所示。

  

  2) 工频交流全波驱动

  工频交流全波驱动可以提高单个LED 的光输出效率,主要是采用全波整流器将工频交流电流转换为单向脉动直流,使得LED 流过的是单向脉动正弦全波电流。具体电路、电流及光输出特性分别见图4 的( a) , ( b) 所示( 图4 ( b) 中存在的死区电流是由于LED 具有的最小导通电压所造成的) 。

 

  按照光源频闪波动深度的计算公式:

  

  来分析,无论是采用正弦半波还是正弦全波工频交流电流来驱动LED,其光输出的波动是非常大的,频闪的波动深度高达100% ,将导致照明光源的品质较差。对于要求高品质照明的场合是无法正常使用的,因此不能作为主流的照明驱动形式,只是一种简易的、过渡的方式。

  ( 3) 高频开关恒流源驱动:

  由于开关电源的高频化可以带来一系列的优势,并且技术也成熟,因此目前主流的LED 照明驱动方式均为采用高频化的电源变换方式,其输出为含有周期性脉动成分的稳定电流。依据不同的电路拓扑方式,输出的电流脉动成分的大小也不相同。LED高频恒流驱动电源的典型架构主要有: 降压变换器、升压变换器( 电感升压和开关电容) 和升降压变换器。按照输入与输出的电气是否直接连接又分为隔离式和非隔离式两大类[1]。由于电路的架构不同,因此输出的电流波形也五花八门、种类繁多。为了归类的说明问题, 仍然采用图1 所示的测试电路,通过模拟高频开关恒流源的电流输出来测试LED 电流及光输出特性,并且在测试中流过LED 的正向电流的平均值保持不变。为此分别测试了在不同波形、不同频率和不同输出电流脉动条件下的LED高频驱动电流及光输出特性。

  1) 不同波形驱动条件下的光输出

  对于不同波形驱动条件下的LED 光输出特性的测试,是在保持驱动电流平均值不变的前提下分别采用频率为30kHz 的正弦全波( 倍频) 、脉动直流、三角波及方波电流来完成的,得到的实际波形见图5 ( a) ~ ( d) 所示。

  图5 LED 在不同波形驱动条件的光输出

  由图5 ( a) ~ ( d) 的比较可见: 总体上LED的光输出很好的响应于驱动电流的波形,具有不同深度的频闪效应。分析并归纳如下:

  A. LED 的光输出波动程度与其驱动电流的脉动程度直接有关,脉动成分越大光输出的波动也越大,频闪也越厉害;

  B. 在四种不同波形电流的驱动中,方波电流驱动( 相当于LED 运行在PWM 调光模式) 的频闪深度最大( > 95% ) , 三角波电流驱动次之( ~80% ) ,正弦全波电流驱动再次之( ~ 65% ) ,含有脉动的直流驱动为最小( < 10% ) ;

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