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《西南交通大学》 2012年
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单相离线式高亮度LED照明驱动的研究与设计

马红波  
【摘要】:随着能源危机和气候变暖问题日趋严重,节能已经成为全球普遍关注的话题。照明是人类电能消耗的重要方面,约占世界总能耗的20%,成为节能的关键。相较于传统照明光源,高亮度发光二极管(High-Brightness Light-Emitting-Diodes, HB-LEDs)以其高光效、长寿命、环保、体积紧促等诸多优点,已经成为替代白炽灯和荧光灯的最佳照明技术。 LED的光通量与通过其的平均电流成正比,因此必须采用恒流驱动。由于封装技术和散热的限制,单个LED的光通量或功率较弱,仅仅几瓦。为了获取足够的光通量,必须并联多串LED。 PET (General Photo-electro-thermal Theory)理论研究表明:对于相同的功率等级,多个低功率LED组成的分布式系统优于高功率LED组成的集中式系统。另一方面,LED是低压直流器件,无法直接与交流电网相连,必须通过电力电子驱动装置进行电能转换。这就要求LED照明驱动必须具有较高的功率因数和低的输入电流谐波以兼容诸如IEC61000-3-2和Energy Star等相关国际标准。此外还必须最大化提高效率、延长寿命和降低成本,以匹配LED光源高光效、长寿命的优点。另外,为了获取进一步的功率节省和适用不同的应用环境,PWM调光也成为LED照明系统必需的基本功能之一 当前大量的LED照明驱动研究主要集中在提高功率因数和控制LED电流的方面。因此,如何同时实现LED驱动的高效率、高功率因数、长寿命、低成本、PWM调光便成为保证LED灯具照明品质及整机性能的关键。为此,本学位论文以研究实现高效率、长寿命、高功率因数、低成本和PWM调光的LED照明驱动为目标,从系统架构、电路拓扑、控制策略等角度对LED照明驱动进行了深入研究和探讨。 首先,系统架构方面,传统LED照明驱动采用多级级联结构,不但电路复杂、成本较高,而且效率较低,为此论文提出了一种非级联的Twin-Bus驱动结构。该结构通过前级AC/DC变换器产生两个Twin-Bus电压源,并配以具有Twin-Bus输入的后级电流调节器,降低了功率的处理次数,因此可以在不增加系统成本的前提下,大大提高整个驱动的效率。基于此架构,本文研究提出了一种与之匹配的后级开关型电流调节器拓扑:Twin-Bus Buck变换器。在介绍Twin-Bus驱动架构的同时,详细讨论了基于Twin-Bus Buck变换器的调光策略。实验结果证明,在1MHz的开关频率下,从10W到满载100W的负载范围内,Twin-Bus Buck型电流调节器的效率均在98%以上,峰值效率高达98.8%。 然后,针对传统AC/DC LED照明驱动中大容值电解电容寿命短的问题,以SEPICAC/DC变换器为突破口,提出了无电解电容的SEPIC-derived AC/DC变换器。该电路形式上与SEPIC变换器相同,但通过特殊的DCM工作模式使得SEPIC电路的中间电容电压不再跟随输入电压,而具有功率解耦的作用。同时通过增大电容纹波的方法,降低了电容的容值,从而消除了短寿命的电解电容,延长了LED驱动的寿命。进一步,引入填谷电路,提出了Valley Filled SEPIC-derived AC/DC变换器。与传统填谷电路改进功率因数和降低输出电压纹波不同的是,该变换器中填谷电路不但可以减小解耦电容的尺寸,而且可以降低输出二极管的电压应力和输出电压纹波。基于CV2为电容尺寸衡量指标,在相同的功率因数和输出电压纹波下,可将电容的尺寸减小为原来的1/4。 针对传统的AC/DC LED照明驱动中二极管整流桥影响变换器效率的缺陷,在对无桥AC/DC变换器进行述评的基础上,将图腾(Totem-pole)式无桥结构引入上述两种SEPIC-derived AC/DC变换器,提出了两种新型无桥式SEPIC-derived AC/DC变换器。相较于传统AC/DC变换器,无桥电路的电流通路拥有较少的开关数,因此能够大大降低损耗,实现变换效率的最大化和成本的最低化。 上述所研究的四种无电解电容的AC/DC变换器具有很强的普适性,不仅适用于传统级联结构,也适用于Twin-Bus架构,不但可以独立的驱动单串LED,也可以配合电流调节器,驱动多串LED。 最后,对大于75W的高功率LED照明驱动进行研究。基于75W以上的应用场合,业内普遍采用Boost PFC级联LLC谐振变换器外加多个电流调节器的三级级联方案。虽然该方案可以实现各级电路的最优设计,实现高的电路性能;但是由于较多的级数,导致电路和控制过于复杂、成本较高。为此,本文通过共用开关管的方法,将Boost PFC和LLC谐振变换器集成在在一起,提出了一种新型的单级软开关无桥AC/DC变换电路,该电路具有如下优点:(1)对于级联结构,可将驱动级数降为2级,降低了成本。如果配以Twin-Bus架构,整个驱动将不足1.5级。(2)基于增大电压纹波法,同样可消除电解电容。论文第七章详细讨论的该电路的工作原理和设计考虑。实验室完成的100W原理样机的测试效率高达94%,证明电路的高效性。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM923.34

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