高效單級(jí)變換式LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案(一)

0 引 言

隨著全球化石油燃料的日益耗盡，人們正在尋找新的替代能源，可再生能源如：風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能源等成為熱點(diǎn)。由于可再生能源的開發(fā)存在諸多經(jīng)濟(jì)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等不確定因素，所以各國(guó)政府都在積極發(fā)展LED照明產(chǎn)業(yè)，大力推廣LED路燈、隧道燈、球泡燈等照明產(chǎn)品的應(yīng)用研究，倡導(dǎo)產(chǎn)品降低能耗、提高效率、促進(jìn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新等工作?；贚ED發(fā)光器件的低壓特性，LED照明的核心部件LED驅(qū)動(dòng)電源的能效、功率因數(shù)、可靠性等性能成為L(zhǎng)ED光電照明產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

中國(guó)的國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T24825-2009"LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求"中規(guī)定：達(dá)到能效1級(jí)的隔離輸出式LED模塊控制裝置，電源效率應(yīng)不小于88%(P>25 W );電源產(chǎn)品電磁干擾(EMI)性能應(yīng)符合國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-2003/IEC61000-3-2:2001"電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值"和GB17743-2007"電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法"的相關(guān)要求。美國(guó)能源之星照明燈具規(guī)范(ENERGY STAR? Program RequirementsProduct Specification for Luminaires)中規(guī)定：商用照明燈具功率因數(shù)必須大于0.9.

LED光源與其它光源的主要區(qū)別在于LED光源需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的性能直接關(guān)系到LED光源的性能。在全球提倡"節(jié)能減排"和"綠色電子"的大背景下，如何設(shè)計(jì)一種高功率因數(shù)、低諧波電流的高效LED驅(qū)動(dòng)電源是當(dāng)今廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文提出一種采用功率因數(shù)校正(PFC)電路，臨界模式(boundary mode)的AC/DC單級(jí)反激式的電源供應(yīng)器拓?fù)?，通過正確設(shè)定相關(guān)參數(shù)，可在兼顧電源品質(zhì)與成本的情況下，有效提高能效、避免建筑物內(nèi)高次諧波電流造成的電源環(huán)境污染。

1 單級(jí)AC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

AC/DC反激式變換器，是采用臨界電流模式控制的Flyback變換電路，系統(tǒng)原理框圖如圖1.工作原理：開關(guān)管MOS驅(qū)動(dòng)著反激式儲(chǔ)能隔離變壓器T,MOS導(dǎo)通時(shí)變壓器T儲(chǔ)能，關(guān)斷時(shí)變壓器T次級(jí)繞組通過續(xù)流二極管釋放能量?？刂芃OS的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)輸入電流波形和輸出直流電壓或電流的穩(wěn)定控制，以保障輸入電流的正弦規(guī)律化和輸出直流特性的穩(wěn)定性。

圖1 AC/DC反激式變換器原理圖

電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 電路拓?fù)鋱D

圖2中：Lm為變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感，Lr為漏電感，初級(jí)電感LP=Lm+Lr,次級(jí)電感為L(zhǎng)S。

1.1 SPWM 調(diào)制原理

如圖2所示，市電經(jīng)全波整流，按市電半個(gè)周期波形圖分析，則正弦調(diào)制原理分析如圖3:IQ為MOS管在某一時(shí)刻的導(dǎo)通電流，IQ(sin)_PK是MOS的峰值電流，ID為次級(jí)二極管在MOS管關(guān)閉時(shí)刻的續(xù)流，ID(sin)_PK是二極管的峰值電流。

圖3 SPWM 調(diào)制圖

在調(diào)制波形示意圖里，采用電感電流回零后允許導(dǎo)通下一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖工作方式，以保障每個(gè)開關(guān)周期里T =TON+TOFF 。

如調(diào)制圖3,設(shè)市電輸入正弦波電壓：

Uin(t)=Uin_pksinωt

把市電輸入電壓離散化，則設(shè)第N 個(gè)點(diǎn)時(shí)，圖中△ABE所示，MOS導(dǎo)通，電壓與電感勵(lì)磁電流的關(guān)系如下：

若N 足夠大時(shí)，則電流、電壓等效為連續(xù)：

由上式可知：

假設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為常數(shù)：TON_N = 常數(shù)(const)，則上述MOS導(dǎo)通電流各點(diǎn)峰值IQ(sin)_pk組成的包絡(luò)就形成了正弦規(guī)律。

次級(jí)二極管瞬時(shí)峰值電流為ID(t)，根據(jù)勵(lì)磁電流引起的磁通不能突變?cè)瓌t可知：ID(t)=n IQ(t)=nIQ(sin)_pksinωt,且等式LP =n2 LS成立，其中參數(shù)n為變壓器的初、次級(jí)匝數(shù)比。[!--empirenews.page--]

根據(jù)變壓器伏秒平衡原則，在繞組次級(jí)伏秒規(guī)則如下：

式中，Uo是輸出直流電壓，UF是整流二極管正向?qū)▔航怠?/p>

且根據(jù)：T =TON+TOFF

設(shè)在第N 點(diǎn)對(duì)IQ(sin)_pk_N積分可得到其平均值，在圖3中三角形△CED中：

則市電輸入電流：

由上幾個(gè)等式可得到：

設(shè)：UR =n (Uo+UF)并定義：UR為反射電壓。

又設(shè)定電壓反射比為：

則可得輸入電流的表達(dá)式：

由輸入電流表達(dá)式可見：在開關(guān)管按恒定導(dǎo)通時(shí)，輸入電流也不是純凈正弦波，失真度THDI與Rvr密切相關(guān)，即THDI取決于輸出直流電壓和初次極匝數(shù)比n(這里n=N1/N2 )等。

根據(jù)上述表達(dá)式把輸入電流正弦波特性與Rvr關(guān)系式仿真繪圖，如圖4所示。由仿真輸出圖可知：Rvr數(shù)值越小時(shí)，輸入電流就越正弦，失真度就越小;反之則正弦特性越差。

圖4 正弦電流仿真圖

1.2 高功率因數(shù)輸入的器件優(yōu)化選擇原則

設(shè)定輸入電壓為純凈正弦波，輸入功率因數(shù)和諧波電流關(guān)系如下式：

式中，θ 為基波電壓與基波電流的相角差;這里可設(shè)cosθ=1 .把以上關(guān)系式按不同的Rvr值仿真，并把PF值和THDI值繪圖，如圖5、圖6所示，由關(guān)系圖可知：Rvr值越小對(duì)功率因數(shù)和諧波電流越好，但是從系統(tǒng)性價(jià)比來看，Rvr并非越小越好;這是因?yàn)椋河呻娏鞅磉_(dá)式可知，Rvr小就意味著反射電壓UR高，匝數(shù)比N要求也大，也就是說MOS關(guān)斷所承受的反峰電壓就高，而相對(duì)于二極管D反向電壓值要求反而小，反之若Rvr值過大，則PF值和THDI值差，但是對(duì)MOS電壓要求低而二極管耐壓則相對(duì)要求高，過度要求Rvr值對(duì)系統(tǒng)安全和器件優(yōu)化選擇是不利的，要從優(yōu)化系統(tǒng)性能與成本的角度出發(fā)去選擇N 值。