徐 超

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510800)

1 引言

LED即發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件。LED具有環(huán)保、節(jié)能、壽命長、抗震動沖擊等特性，已經(jīng)被迅速地應(yīng)用于各種背光、廣告燈、幕墻、路燈、節(jié)能燈、車燈等領(lǐng)域。由于LED驅(qū)動電源的品質(zhì)會直接影響LED照明產(chǎn)品的可靠性，而LED驅(qū)動電源又是目前整個LED照明系統(tǒng)中故障率最高的環(huán)節(jié)，因此伴隨LED應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，開發(fā)安全、可靠、高效、節(jié)能、體積小、壽命長、均流效果好的LED驅(qū)動電源成為必然的趨勢。

2 大功率LED的特性和驅(qū)動電源電路的基本結(jié)構(gòu)

2.1 大功率LED的特性

以LL-HP60EW為例，大功率LED的伏安特性模型可表示為:

其中 UT——LED的啟動電壓，UT=3.1V;

Rs——LED 的通態(tài)電阻，Rs=1.1Ω;

T——環(huán)境溫度;

TV——LED正向電壓的溫度系數(shù)，TV=2mV ℃。

由于單個LED的功率較小，一般多個串并聯(lián)使用。用20個參數(shù)一致的LED串聯(lián)為LED列，其靜態(tài)電阻為200Ω，動態(tài)電阻為22Ω。從LED的模型看，在LED正向?qū)ê笃湔螂妷旱募毿∽儎訉⒁餖ED電流的很大變化，并且環(huán)境溫度等因素也將影響LED的電氣性能。然而，LED的光輸出直接與LED的電流相關(guān)，所以LED的驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動時應(yīng)能控制LED電流的大小，否則，LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素的變化而變化，并且，若LED電流失控，LED長期工作在大電流下將影響LED的可靠性和壽命。

2.2 驅(qū)動電源電路的基本結(jié)構(gòu)

大功率LED與標(biāo)準(zhǔn)LED的差別在于它的輸出功率，傳統(tǒng)LED的輸出功率一般都限定在50mW以內(nèi);而大功率LED的輸出功率在1～5W［1］。根據(jù)電流的不同，LED的正向電壓處于2～4.5V之間，并且需要采用恒定電流來驅(qū)動，從而確保獲得所需要的發(fā)光亮度和色彩，其驅(qū)動電源電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大功率LED驅(qū)動電源的電路基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The circuit structure of high-power LED driving power

3 無源均流模塊電路分析

驅(qū)動大功率LED時，最好將LED采用多個串聯(lián)再并聯(lián)的方法［2］。為了保證各LED串聯(lián)能安全穩(wěn)定工作，可將驅(qū)動電源分為無源均流和有源均流兩種。無源均流和有源均流相比較，具有效率高、成本低、控制簡單的優(yōu)點，本文利用給每條LED串聯(lián)支路增加一個低值電容進行無源均流。

3.1 電容均流電路結(jié)構(gòu)

若半橋諧振變換器采用LLC電路，在每個支路串接一個低值電容Cb作為均流電容，起著阻抗作用，后級的整流采取了全橋整流，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 半橋LLC諧振變換器均流結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Half-bridge LLC resonant converter average-current structure

3.2 電容均流等效電路

電容均流諧振變換器等效電路如圖3所示。設(shè)變壓器副邊總電阻Re'，副邊電阻等效折算到原邊為R'，則有

由于認為均流電容只是高阻抗性，其電容值很小，其折算電容與諧振電容Cr不在同個級別，可認為均流電容的折算電容不影響諧振，可忽略計。但每個導(dǎo)通支路總電容Cb'的電抗是等效折算到原邊，則副邊總電阻Re'為

式 (2)、(3)中，n為變壓器變比，N為每半周發(fā)生均流支路數(shù)，Re為整流濾波模塊等效電阻，因均流電容Cb1=Cb2=… =Cbi=Cb，每個支路回路有兩個均流電容串聯(lián)，則C'b=Cb2。

圖3 電容均流諧振變換器等效電路(均流電容不影響諧振)Fig.3 Equivalent circuit of capacitance average-current resonant transformer

3.3 電容均流模塊工作原理

在半個周期里或是偶數(shù)條支路同時導(dǎo)通，或是奇數(shù)條支路同時導(dǎo)通，可任取其中兩條同時導(dǎo)通的支路進行分析，如1和3支路，其等效電路如圖4所示，支路阻抗矢量圖如圖5所示。

圖4 電容均流模塊等效結(jié)構(gòu)Fig.4 Equivalent module of capacitance average-current module

當(dāng)電路工作時，第1條支路和第3支路的電流比為

其中，Rei(i=1，2，…，n)為第 i條支路負載的交流等效電阻。

當(dāng)均流電容的交流阻抗遠大于負載的等效電阻時，可得

圖5 支路1和支路3阻抗向量圖Fig.5 Impedance vector of branch 1 and 2

代入式(4)，則有

當(dāng)C'b1=C'b3時，可得

式(7)說明在理想狀態(tài)下，兩個支路的電流相等，達到均流的效果。

若當(dāng)電容C'bi發(fā)生偏差或輸出負載的等效阻抗發(fā)生偏差時，則電流偏差珔X為

式中，s=1 (ωC'b1Re1)，C'b3=C'b1(1 ± α)，Re3=Re1(1 ±β)。

當(dāng) Cb1=Cb2= …Cbi=Cb，即 C'bi=Cb2，α =0 時，則有

由于變壓器副邊的輸出電流是按奇數(shù)、偶數(shù)分給各均流支路的。整流輸出Is(t)中的高頻成分被濾波電容 C0、C1、…、C2n濾去，只有直流分量流過負載 R1、R2、…、R2n，其值用 I0n表示，則有

式(10)中，I0n是 n=1、2、3、…、2n 條支路上負載兩端的電流幅值。

由式(10)知，流入每條支路整流模塊的電流幅值為 Is1n，則有

由于變壓器副邊的輸出電流是一定的，所以

(IT為變壓器副邊輸出總電流幅值)。當(dāng)均流電容電抗遠大于輸出負載的等效阻抗時，根據(jù)式(7)可得各負載的電流關(guān)系為

由式(12)、(13)、(14)得

由式(11)、(15)得

當(dāng)均流電容的電抗遠大于輸出負載的等效阻抗，從阻抗的向量圖顯示，每個等效電阻的交流電容C'bi(大小為兩個均流電容串聯(lián))的電抗幾乎相同的，此時在電壓相同的情況下，負載在一定范圍內(nèi)的差異變化，對電流的影響可以忽略，輸出電流可視為恒定。

由于均流電容的折算電容C'很小，對LLC諧振電路有一定的干擾，但影響不大，可以略去。

4 大功率LED均流驅(qū)動電源的設(shè)計

4.1 大功率LED均流驅(qū)動電源主電路(以6路為例)

6路LED均流驅(qū)動電源主電路包括:整流濾波電路、PFC電路、半橋LLC諧振變換器和均流電路，如圖6所示。相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求如下:輸入市電AC110V～270V，頻率在50Hz～60Hz之間;LLC諧振變壓器為理想變壓器，不考慮漏感，變比n=2∶1;LLC輸入額定電壓400V，輸出功率為230W;6路負載輸出，每路輸出350mA。

圖6 6路LED均流驅(qū)動電源主電路Fig.6 LED average-current main circuit of branch 6

4.2 PFC電路設(shè)計

本文所采用的功率因數(shù)校正(PFC)芯片為L6562，主電路如圖7所示，控制電路如圖8所示。

4.3 LLC諧振電路設(shè)計

本文選取L6599芯片作為諧振電路功率開關(guān)管MOSFET管的門極觸發(fā)信號，門極電壓為12V，采用半橋LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)。其中LLC的輸入技術(shù)參數(shù)來自上一級PFC的輸出，相關(guān)參數(shù)設(shè)計為:PFC輸出電壓(即LLC輸入)范圍:DC 361～439V;PFC額定輸出電壓(即 LLC額定輸入):DC 400V;變壓器(不考慮漏感)變比為:n=2∶1;LLC輸出功率:230W;LLC最大工作頻率:150KHz;諧振電感和勵磁電感比值:k=0.2，一般取值范圍為1 10 ～ 1 2。

圖7 PFC L6562主電路Fig.7 PFC L6562 main circuit

圖8 PFC L6562控制電路Fig.8 PFC L6562 control circuit

5 仿真實驗和分析

設(shè)置相關(guān)的電路參數(shù)(如表1)，各路LED等效電阻值分別以單個LED內(nèi)阻(11.5Ω)的50%發(fā)生變化，模擬每路LED發(fā)生故障時的短路或斷路現(xiàn)象，各路LED等效電阻基準(zhǔn)電阻為69Ω，電阻偏差范圍在－25% ～16.7%之間。按圖6所示的6路LED均流驅(qū)動電源主電路分別在“不接均流電容”和“接均流電容”狀態(tài)下進行仿真。仿真圖形分別如圖9至圖12所示，仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。

表1 仿真電路參數(shù)的設(shè)置Table 1 Simulation circuit parameter setting

從仿真實驗和表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知:當(dāng)大功率多路LED驅(qū)動電源采用整流濾波、PFC功率校正、LLC半橋諧振變換器時:

(1)不接均流電容 當(dāng)各路LED等效電阻值相等時，各路LED電流有效值Ij(稱為基準(zhǔn)電流有效值)均為 1.19389A，當(dāng) LED負載在 －25% ～16.7%變化時，電流有效值Ii與基準(zhǔn)電流值Ij最大偏差－24%，最小偏差是5.6%;

(2)串聯(lián)均流電容 當(dāng)各路LED等效電阻值相等時，各路LED電流有效值I'j(稱為基準(zhǔn)電流有效值)均為0.35470A，LED負載同樣在 －25% ～16.7%變化時，負載電流有效值I'i與基準(zhǔn)電流值I'j最大偏差是3.5%，最小偏差是0.5%。

由此可見，接上均流電容比不接上的均流效果好，且由于使用的元件少，損耗也小，此均流方法具有較高的效率。

圖9 不接均流電容 (Ro1～Ro6=69Ω)Fig.9 Capacitance average-current not connected(Ro1～Ro6=69Ω)

圖10 不接均流電容 (Ro1≠Ro2…≠Ro3)Fig.10 Capacitance average-current not connected(Ro1≠Ro2…≠Ro3)

圖11 接均流電容 (Ro1～Ro6=69Ω)Fig.11 Capacitance average-current connected(Ro1～Ro6=69Ω)

圖12 接均流電容 (Ro1≠Ro2…≠Ro3)Fig.12 Capacitance average-current connected(Ro1≠Ro2…≠Ro3)

表2 仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Simulation data statisticals

6 結(jié)論

由于節(jié)能和環(huán)保的要求，LED技術(shù)在照明行業(yè)的廣泛應(yīng)用是一個新趨勢。在眾多使用場合中，LED多以串并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)，易導(dǎo)致因個別LED出現(xiàn)短路或斷路現(xiàn)象而使驅(qū)動電源的負載發(fā)生變化，這時要求所連接的LED之間能重新分配電流，以免因電流過大擊穿。本文提出了一種使用市電的大功率多組LED無源均流驅(qū)動電源的電路方案，即當(dāng)大功率多路LED驅(qū)動電源采用LLC半橋諧振變換器時，在LED負載串聯(lián)均流電容。通過仿真實驗結(jié)果表明，在多路LED負載因個別短路或斷路原因發(fā)生負載變化時，各LED串之間能重新合理分配電流，并且電路具有效率高、成本低、控制簡單的優(yōu)點，適合用于大功率多組LED串并聯(lián)連結(jié)方式。

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