多模式宽范围输入电压高效率无电解电容LED驱动器研究
发布时间：2022-01-10 02:24
发光二极管（Light-emitting diode,LED）具有光效高、显色性好、寿命长、绿色环保、响应速度快等诸多优点,广泛用于路灯、背光显示、信息标牌、汽车和建筑照明等领域。LED的照明质量往往由LED驱动电源的性能直接决定,所以LED驱动电源必须具有高可靠性、高效率、低成本等优点。为进一步改善LED驱动电源在宽范围输入电压下的性能,提出了一种多模式宽范围电压输入高效率无电解电容LED驱动器,本文主要研究内容如下:首先,本文指出了在高输入电压下母线电压高、在低输入电压下效率低、含有电解电容是制约LED驱动电源性能的主要因素。此外,对现有LED驱动器性能进行了对比,发现它们均难以在宽范围输入电压下实现高可靠性、高效率和低成本,为改善LED驱动器在宽范围输入电压下的性能提供基础和方向。其次,针对LED驱动器在高输入电压下工作时母线电压高、器件电压应力大、开关损耗高等问题,所提多模式LED驱动器工作于半压输入模式（Half Voltage Input Mode,HVIM）。双向开关断开,高输入电压由输入电容均分,有效地降低了母线电压,从而提高了系统效率,降低了成本。此外,在讨论了半压输...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单级式AC-DC LED驱动器
在单级式AC-DC LED驱动电路中,会经常采用降压(Buck)和反激(Flyback)两种拓扑结构以适应中小功率场合的要求。但在具体应用场合,两者又有所区别:当驱动系统无需隔离时,则降压电路是一个不错的解决方案,但降压电路的输出电压受电路降压特性所限只能低于输入电压峰值,从而限制了其应用范围;反激电路具有输入与输出相隔离的特性,故在驱动系统需要隔离时,应首先选择反激电路,此外反激电路可以通过调节匝数比来实现不同的电压输出,适用范围更广。基于反激电路的传统单级式AC-DC LED驱动器如图1.3所示[13]。对于反激电路,如果要自动实现功率因数校正功能,最简单直接的手段是使其在电流断续模式中工作。但开关管的电压应力较高是这种工作方式面临的最突出的问题,一方面不得不使用额定电压更高的开关管,这将导致系统成本的上升。另一方面这将导致较大的开关损耗,系统效率偏低。因此常应用于低功耗和对效率要求不高的场合。若要降低反激电路中开关管的电压应力,可使其工作在电流连续模式,但该模式下输入电流为非正弦曲线,这意味着牺牲了系统的功率因数。此外,对于反激电路以及大多数的非隔离式电路,开关管以硬开关模式工作,系统效率因此降低。虽然已经提出了一些新的软开关技术如谐振软开关来克服这些问题,但谐振单元的加入将导致系统成本增加,而在小功率应用场合首先考虑的是成本,因此单级式驱动拓扑应用范围有限。一般而言,研究者更倾向于添加变换器构成多级式拓扑结构而不是仅使用只有一个变换器的单级式结构。其中主要的原因是大多数情况下AC-DC LED驱动电源需要同时满足很多要求,比如功率因数校正、长的系统使用寿命、各个LED支路间的电流均衡、避免产生频闪和高效率,而仅通过单级式驱动拓扑来完成这些任务往往是十分困难的。对于LED驱动器而言,目前最迫切的任务是将长的系统使用寿命和高效率结合在一起。AC-DC LED驱动系统可靠性受到很多条件制约,而电解电容由于寿命较短是最主要的因素。因此延长LED驱动器寿命最直接的方法就是使用薄膜电容来替代电解电容。但是薄膜电容亦有不可避免的缺点,就是在与电解电容相同的容值和耐压等条件下,体积过大。为了避免LED驱动系统体积过大,需要尽可能减小电容容值。文献[14]中实现了在单级式LED驱动器中使用薄膜电容,但是在系统的输出电流中含有较大的电流纹波,这可能会导致LED发光特性下降甚至产生频闪。
目前最普遍的做法是使用两级结构来实现更为精准的电路控制和延长驱动系统寿命(使用薄膜电容代替电解电容)。一般而言,两级式驱动拓扑包含功率因数校正级和功率控制级,第一级为功率因数校正级,以改善系统功率因数为主,第二级为功率控制级,通过一个DC/DC变换器来调节LED负载电流,如图1.4所示。两级独立工作具有的优势是单级式驱动拓扑无法比拟的,如前所述,不同于单级式驱动电路中功率因数校正级的输出直接加到LED负载上,两级式电路中PFC输出会经过第二级调制到LED所需水平,可以增加母线电压并允许出现更高的电压纹波,因此可以极大地减小所需母线电容的容值,从而使用薄膜电容替代电解电容以延长系统寿命,与此同时还可以改善系统功率因数。但两级式驱动电路中第一级和第二级独立工作,互不影响,每一级相当于一个独立的变换器,每一级都有专用的控制回路以及辅助电路,且开关管和栅极驱动器件数量增加,因此与单级式驱动系统相比,两级式驱动系统成本大大增加。此外,由于输出功率需要经过两级处理,系统效率会相应地降低。为了减小能量处理过程中的损耗,很多新的技术被提出并运用到LED驱动系统中以提高系统效率。文献[15]中提出了一种基于半桥谐振变换器的两级式LED驱动器,文献[16]中提出了一种基于CLCL电路的准谐振单级式LED驱动器,分别如图1.5和图1.6所示。与硬开关变换器相比,文献[15,16]中的两种LED驱动器均通过谐振方法使第二级开关管零电压导通,从而减少LED驱动系统的开关损耗,在一定程度上可提高效率。
本文编号：3579880
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单级式AC-DC LED驱动器
在单级式AC-DC LED驱动电路中,会经常采用降压(Buck)和反激(Flyback)两种拓扑结构以适应中小功率场合的要求。但在具体应用场合,两者又有所区别:当驱动系统无需隔离时,则降压电路是一个不错的解决方案,但降压电路的输出电压受电路降压特性所限只能低于输入电压峰值,从而限制了其应用范围;反激电路具有输入与输出相隔离的特性,故在驱动系统需要隔离时,应首先选择反激电路,此外反激电路可以通过调节匝数比来实现不同的电压输出,适用范围更广。基于反激电路的传统单级式AC-DC LED驱动器如图1.3所示[13]。对于反激电路,如果要自动实现功率因数校正功能,最简单直接的手段是使其在电流断续模式中工作。但开关管的电压应力较高是这种工作方式面临的最突出的问题,一方面不得不使用额定电压更高的开关管,这将导致系统成本的上升。另一方面这将导致较大的开关损耗,系统效率偏低。因此常应用于低功耗和对效率要求不高的场合。若要降低反激电路中开关管的电压应力,可使其工作在电流连续模式,但该模式下输入电流为非正弦曲线,这意味着牺牲了系统的功率因数。此外,对于反激电路以及大多数的非隔离式电路,开关管以硬开关模式工作,系统效率因此降低。虽然已经提出了一些新的软开关技术如谐振软开关来克服这些问题,但谐振单元的加入将导致系统成本增加,而在小功率应用场合首先考虑的是成本,因此单级式驱动拓扑应用范围有限。一般而言,研究者更倾向于添加变换器构成多级式拓扑结构而不是仅使用只有一个变换器的单级式结构。其中主要的原因是大多数情况下AC-DC LED驱动电源需要同时满足很多要求,比如功率因数校正、长的系统使用寿命、各个LED支路间的电流均衡、避免产生频闪和高效率,而仅通过单级式驱动拓扑来完成这些任务往往是十分困难的。对于LED驱动器而言,目前最迫切的任务是将长的系统使用寿命和高效率结合在一起。AC-DC LED驱动系统可靠性受到很多条件制约,而电解电容由于寿命较短是最主要的因素。因此延长LED驱动器寿命最直接的方法就是使用薄膜电容来替代电解电容。但是薄膜电容亦有不可避免的缺点,就是在与电解电容相同的容值和耐压等条件下,体积过大。为了避免LED驱动系统体积过大,需要尽可能减小电容容值。文献[14]中实现了在单级式LED驱动器中使用薄膜电容,但是在系统的输出电流中含有较大的电流纹波,这可能会导致LED发光特性下降甚至产生频闪。
目前最普遍的做法是使用两级结构来实现更为精准的电路控制和延长驱动系统寿命(使用薄膜电容代替电解电容)。一般而言,两级式驱动拓扑包含功率因数校正级和功率控制级,第一级为功率因数校正级,以改善系统功率因数为主,第二级为功率控制级,通过一个DC/DC变换器来调节LED负载电流,如图1.4所示。两级独立工作具有的优势是单级式驱动拓扑无法比拟的,如前所述,不同于单级式驱动电路中功率因数校正级的输出直接加到LED负载上,两级式电路中PFC输出会经过第二级调制到LED所需水平,可以增加母线电压并允许出现更高的电压纹波,因此可以极大地减小所需母线电容的容值,从而使用薄膜电容替代电解电容以延长系统寿命,与此同时还可以改善系统功率因数。但两级式驱动电路中第一级和第二级独立工作,互不影响,每一级相当于一个独立的变换器,每一级都有专用的控制回路以及辅助电路,且开关管和栅极驱动器件数量增加,因此与单级式驱动系统相比,两级式驱动系统成本大大增加。此外,由于输出功率需要经过两级处理,系统效率会相应地降低。为了减小能量处理过程中的损耗,很多新的技术被提出并运用到LED驱动系统中以提高系统效率。文献[15]中提出了一种基于半桥谐振变换器的两级式LED驱动器,文献[16]中提出了一种基于CLCL电路的准谐振单级式LED驱动器,分别如图1.5和图1.6所示。与硬开关变换器相比,文献[15,16]中的两种LED驱动器均通过谐振方法使第二级开关管零电压导通,从而减少LED驱动系统的开关损耗,在一定程度上可提高效率。
本文编号：3579880
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