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【特约】LED驱动及控制研究新进展[1]

2014-5-4  来源:(复旦大学电光源研究所 上海200433)  作者:江磊 刘木清  有6027人阅读

本文从拓扑研究、可靠性研究、可控性研究这三个角度对目前LED驱动及控制领域最新的一些研究进展做了简单的回顾与介绍。文章重点介绍了离线式开关驱动器、非开关驱动器、无电解电容驱动、LED多路恒流/均流驱动、LED调光及LED智能照明控制系统等几个方面,并提出了总结与期望。

  0 前言

  近年来,随着LED技术的飞速发展,LED应用进入了一个繁荣的新时期。驱动技术作为LED应用不可缺少的一个环节,越来越多地受到了人们的关注[1]。LED类似二极管的伏安特性、长寿命、高光效、可控性强等特点对驱动电源提出了有别传统开关电源的若干新要求[2]。本文将针对这些要求分别从驱动电源的拓扑、可靠性及可控性三个方面对业内研究的一些新进展做大致介绍。

  1 LED驱动拓扑新研究

  LED作为一种固态光源,其类似二极管的电气特性决定了需采用恒流电路对其进行驱动。而驱动电路的好坏直接影响整个光源系统的效率和寿命。因此,开发和改良LED驱动电路是业界研究的一个重点方向。驱动电路输入可为直流或交流,这里我们主要讨论针对交流输入,即离线式驱动器的研究进展情况。

  1.1 离线式开关驱动器研究

  离线式开关驱动器是指从交流电网上获得电压,驱动LED负载的开关电源,其一般具有效率高、电气隔离等优点。从拓扑上进行分类,可分为正激式(Forward)、反激式(Flyback)、半桥式(Half Bridge)、全桥式(Full Bridge)、半桥LLC谐振式(LLC Resonant Half Bridge)等。目前,市场上应用较广的离线式LED开关驱动器主要以反激式和半桥LLC谐振式为主。其中,反激式拓扑由于其电路简单、成本低、效率较高的特点,受到中小功率应用的青睐。而半桥LLC谐振式拓扑凭借非常高的效率及功率密度、良好的输出特性和电磁兼容性而被大规模地应用于大功率LED驱动器上。

  针对现有拓扑结构的改良,研究的热点主要集中在对效率、功率因数的提高和结构的简化上。

  反激式驱动器通过变压器传递能量,由于无法做到原副边绕组完全耦合,漏感上的能量无法有效传递,从而造成了损耗。有文献[3]提出了一种较为新颖实用的解决方法,通过将buck-boost电路与反激电路进行整合,通过buck-boost电路保证较高的功率因数,同时循环利用漏感能量,提升了效率。由于漏感能量被吸收,进一步减轻了开关管关断时的电压应力,可谓一举三得。文中针对265V输入下8W的应用实现了0.95的功率因数和90%的效率。

  图1 循环利用漏感能量以实现高效率和高功率因数的电路原理图

  文献[4]同样是利用buck-boost电路进行功率因数校正,其通过两级结构,结合零电压开关技术,实现了效率的提升。文中针对60W应用实现了0.99的功率因数和93%的效率。

  图2 零电压开关高效率高功率因数电路原理图

  此外,作为电磁兼容性的重要部分,实现高功率因数也是研究的热点[5],相关的创新性的控制方式和结构研究层出不穷[6][7][8],为反激式驱动器实现功率因数校正提供了较为广泛的解决方案。

  在传统隔离型反激式驱动器应用中,光耦一直被用作原副边的电气隔离和信号反馈。近年来,很多相关研究关注于如何实现原边控制,从而取消光耦,减小驱动器的体积,降低成本,提高可靠性,从而在小功率的应用中显示出优势[9][10][11]。

  针对半桥等拓扑结构,有学者针对现有拓扑进行了分析和比较[12]。文献[13]提出并分析了一种非对称半桥式结构,一方面,通过对变压器次级绕组的非对称设计,减小了励磁电流的平均值,从而降低了导通损耗。另一方面,通过零电压开关技术,降低了开关管和二极管的开关损耗,从而实现了较高的效率。在此基础上,另有一些文献进行了相关的研究工作[14][15]。

  图3 减小变压器励磁电流平均值的非对称半桥拓扑

  在LED驱动应用的新拓扑研究方面,J. Marcos Alonso等人提出了一种较为新颖的双buck-boost(IDBB)拓扑结构[16][17]。通过单个开关管控制级联的buck-boost电路,使其分别工作DCM和CCM模式,从而实现较高的功率因数和较小的输出电容。但是,由于能量在多次转移中损耗较大,系统效率并不高。Douglas Camponogara 等人在此基础上进行了一定的改良,提出了一种优化的级联方式,减少了经过两次转移的能量比例,从而提高了系统效率[18]。经过优化后的系统在75W负载下效率达到94%,较原有85%的效率有了较大幅度的提升。

  图4 IDBB型驱动电路原理图

  图5 一种改良后的的IDBB驱动原理图

  1.2 非开关驱动器研究

  为避免使用复杂的开关电路,从而降低成本,提高系统的可靠性,用交流电源直接驱动LED也是目前的一个研究的热点,也有相关文献对交流电驱动下的LED特性进行了研究[19]。

  传统交流直接驱动LED往往采用两种方式,一种采用两组LED反向并联而成,两组芯片分别工作在交流电的正负半周期;另一种通过整流桥进行半波整流后接LED负载。这两种电路负载调整率较差,由于LED导通时间较短,普遍存在功率因数低、存在频闪、无法进行可控硅调光等问题,前者由于每组LED仅导通半周期,还面临成本较高的问题。

  图6 传统交流直接驱动LED的两种方式

  通过桥式整流结构的交直流LED设计[20],可以使大多数LED芯片处于工作状态,提高了LED芯片的使用率。结合恒流二极管的使用,对LED电流进行限制,可以进一步提高系统的可靠性。

  图7 结合恒流二极管的桥式整流结构的交直流LED应用

  分段式LED控制是一种较为新颖和有效的技术,可以极大地改善AC LED应用中出现的LED导通时间较短、谐波含量高、功率因数因数较低等问题,目前市场上也已出现相关成熟的驱动产品[21]。文献[22]中提出了一种基于FPGA的分段式AC LED控制方法,通过检测AC电源端的线电压,控制LED负载中导通的LED颗数,延长导通角,使其模拟电阻负载特性,从而达到降低谐波,提高功率因数的目的,更好地兼容可控硅调光。

  图8 分段式AC LED控制结构框图

  此外,无源谐振式LED驱动器[23]、开关斩波-线性恒流驱动器[24]等驱动器都具有各自的特点,前者通过谐振网络的设计,在保证平均电流恒定的基础上,实现了较高的效率和可靠性;后者以低成本实现恒流驱动,都具有一定的实用性。

  图9 无源谐振式LED驱动器原理图

  针对AC LED 50Hz或100Hz电压周期可能带来的频闪问题,一种有效的方法是在LED器件层面,采用长余辉荧光粉,可以在交流电周期变化时,利用亮度的延迟变化弥补LED芯片不发光所带来的发光间断,从而解决发光频闪[25]。

  2 LED驱动可靠性相关研究

  LED光源的另一大特点是长寿命,这就要求LED驱动器能够尽可能保证系统的可靠性,实现高的MTBF。

  2.1 无电解电容驱动研究

  电解电容一般被用于驱动输入储能、平衡瞬时功率和输出滤波。由于其寿命相对较短,如何改进电路结构,减少甚至消除电解电容的使用便成为了LED驱动领域一个热门的研究方向。下面简单罗列近期的一些相关研究进展。

  早期的研究多以谐波注入和脉动电流输出的方式为主[26],对功率因数和输出电流有影响,应用具有一定的局限性。文献[27]中提出了一种方法,增大储能电容上的电压纹波,在实现高功率因数的同时保证了恒流输出。

  Shu Wang等人提出了一种有源滤波电路[28],一方面通过CL滤波器阻止开关产生的高次电流谐波流入LED,另一方面通过双向变换器进行电流的缓冲分配,使LED负载上仅流过直流分量,从而在不使用电解电容的条件下避免了脉动电流造成的闪烁问题。在此基础上,杨洋等人提出了一种基于电流基准的前馈控制策略[29],结合双闭环中电流调节器的输出和电流基准前馈量计算双向变换器理想的占空比,控制其输入电流为两倍输入频率的交流电流,以避免LED驱动电流畸变引起的频闪。

  图10 有源滤波型无电解电容电路原理图

  马红波等人提出了一种基于SEPIC电路的无电解电容改进型方案[30],利用增大纹波法降低了输出电容值,并在此基础上将填谷电路和电流断续模式引入SEPIC电路[31],通过中间电容实现功率平衡,从而减小了所需的输出电容。利用填谷电路的特点,降低了中间电容和二极管的电压应力。

  图11 基于SEPIC电路的无电解电容方案原理图

  图12 带填谷电路的SEPIC型无电解电容方案原理图

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