王雙喜,葉家星,晏建宇,劉高山
(汕頭大學(xué) 工學(xué)院,廣東 汕頭 515000)
照明作為電能消耗的重要方式,每年消耗全球近20%的電能。相比傳統(tǒng)光源,LED具有節(jié)能環(huán)保、光效高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是21世紀(jì)最有潛力的照明光源。據(jù)報(bào)道[1],2013年全球LED產(chǎn)值相比2012年有近12%的增長(zhǎng),從中可以看出LED產(chǎn)業(yè)強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。
一般地,額定功率在1W以上的LED稱(chēng)為大功率LED,目前大功率LED多應(yīng)用在軍事、航海、遠(yuǎn)洋漁業(yè)以及廣場(chǎng)照明等領(lǐng)域。LED燈具由LED光源、散熱器和驅(qū)動(dòng)電源組成,LED驅(qū)動(dòng)電源作為L(zhǎng)ED燈具重要部件,它的性能影響整個(gè)LED燈具的發(fā)光效果和可靠程度。目前,小功率LED驅(qū)動(dòng)電源發(fā)展得比較成熟,但在大功率LED照明領(lǐng)域,由于發(fā)展時(shí)間較短,驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)成為目前大功率LED的短板。因而,開(kāi)展大功率LED驅(qū)動(dòng)電源的研究,開(kāi)發(fā)高效的、長(zhǎng)壽命的驅(qū)動(dòng)電源對(duì)大功率LED行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。
LED的材料主要為Ⅲ-Ⅴ族元素組成的化合物,如GaAs、GaAsP、AlGaInP等[2]。通過(guò)不同的工藝,使N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體結(jié)合,在結(jié)合邊界形成PN結(jié),當(dāng)所加的正向電壓超過(guò)PN結(jié)的勢(shì)壘時(shí),PN結(jié)導(dǎo)通,空穴與電子結(jié)合,并把多余的能量以光子的形式發(fā)射出去,同時(shí)產(chǎn)生熱量。
圖1所示為L(zhǎng)ED伏安特性曲線,可以看出當(dāng)外加正向電壓從0開(kāi)始往上遞增時(shí),通入LED的電流隨電壓的增加而緩慢增加,直到電壓達(dá)到閾值VF0后,LED開(kāi)始發(fā)光,電流隨電壓的增加而快速增加,并成指數(shù)關(guān)系[3]。
圖1 LED伏安特性曲線Fig.1 Current voltage characteristic of LED
要使LED處于正常工作狀態(tài),必須在LED兩端加上足夠大的正向電壓,但不能過(guò)大,以免產(chǎn)生的電流過(guò)大損壞LED。對(duì)于普通的LED,其正向工作電流一般為幾十毫安,正向壓降為1.4~3V,而大功率LED的工作電流可以達(dá)到幾百毫安,甚至達(dá)到安級(jí),正向壓降為3~4V。
LED驅(qū)動(dòng)方式必須符合LED特有的電學(xué)特性,按輸出驅(qū)動(dòng)方式可以分為穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng),穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)指的是電源輸出電壓穩(wěn)定不變,電流隨負(fù)載的改變而改變的驅(qū)動(dòng)方式,使用穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)方式的成本較低,但為L(zhǎng)ED供電時(shí)需要穩(wěn)定輸出的電壓值和控制連接的LED個(gè)數(shù)和方式,所以穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)一般使用在對(duì)LED光源要求不高的場(chǎng)合。恒流驅(qū)動(dòng)指的是輸出的電流恒定不變,而電壓隨著負(fù)載的變化而變化的驅(qū)動(dòng)方式,由于LED是電流型器件,恒流驅(qū)動(dòng)是比較理想的驅(qū)動(dòng)方式,但使用恒流驅(qū)動(dòng)的成本要比穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)高。
按驅(qū)動(dòng)電壓可以分為低電壓驅(qū)動(dòng)、過(guò)渡電壓驅(qū)動(dòng)、高電壓驅(qū)動(dòng)和市電驅(qū)動(dòng)[4]。而大功率LED一般是作為照明燈具光源,所以使用市電驅(qū)動(dòng)的情況居多。
針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)方式,LED驅(qū)動(dòng)電源的電路結(jié)構(gòu)可以分為電阻限流電路、線性調(diào)節(jié)器、開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器三種。
電阻限流電路工作原理是通過(guò)改變可變電阻的阻值來(lái)改變其分壓值,從而改變LED接入的電壓,圖2為電阻限流電路工作原理圖。通過(guò)這種方式,一方面可以調(diào)節(jié)LED的亮度,另一方面,當(dāng)LED數(shù)量增加或者減少時(shí),通過(guò)改變可變電阻RP的阻值,能使LED繼續(xù)正常工作[5]。
圖2 電阻限流電路Fig.2 Resistance current limiting circuit
使用電阻限流電路作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng),其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用,成本低廉,但這種驅(qū)動(dòng)方式存在一定的問(wèn)題:
(1)當(dāng)輸入電壓較大,而負(fù)載較小時(shí),可變電阻器上功耗較大,降低電路的效率;
(2)當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),不能通過(guò)自身調(diào)節(jié)來(lái)穩(wěn)定波動(dòng),這樣會(huì)引起LED的亮度、光通量的變化。所以電阻限流的驅(qū)動(dòng)方式一般用在功率較低,顯色性要求不高的場(chǎng)合。
線性調(diào)節(jié)器可以分為并聯(lián)線性調(diào)節(jié)器和串聯(lián)線性調(diào)節(jié)器[6]。并聯(lián)線性調(diào)節(jié)器原理圖如圖3所示,從圖中可以看出,晶體管VT與LED負(fù)載并聯(lián)。其工作原理是,通過(guò)采樣點(diǎn)電壓與基準(zhǔn)電壓Vref比較控制晶體管的阻值,調(diào)整接入電路電阻的總阻值,通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)的效果。
線性調(diào)節(jié)器可以看成改良后的電阻限流電路,但還存在一定的局限性。表1[7]為5V/10A、15V/10A、30V/10A三種規(guī)格線性調(diào)節(jié)器的具體參數(shù),從表中可以看出,在線性調(diào)節(jié)器中,晶體管的損耗較大,并且隨輸出功率的上升而上升。為了改進(jìn)線性調(diào)節(jié)器,鄭堯等[8]提出了一種的新型魯棒性頻率補(bǔ)償方法,通過(guò)改變零極點(diǎn)值和加入新的負(fù)反饋回路,取消外接電容,使得線性調(diào)節(jié)器芯片的面積大大的縮小,并且提高了電路的響應(yīng)速度。但晶體管上功率損耗的問(wèn)題并沒(méi)有解決。
圖3 并聯(lián)線性調(diào)節(jié)器Fig.3 Parallel linear regulator
表1 線性調(diào)節(jié)器具體參數(shù)Table 1 Concrete parameter of linear regulator
開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器一般使用晶體管作為開(kāi)關(guān)管,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通與截止時(shí)間和開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制負(fù)載的電流,圖4為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器原理圖。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器可以分為升壓(Boost)調(diào)節(jié)器、降壓(Buck)調(diào)節(jié)器、降壓-升壓(Boost-Buck)調(diào)節(jié)器、反激式調(diào)節(jié)器、單端初級(jí)電感變換器等[9],以下介紹幾種在大功率LED中使用的較多的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。
圖4 開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器Fig.4 Switching regulator
3.3.1 Boost調(diào)節(jié)器
Boost調(diào)節(jié)器由開(kāi)關(guān)管VT、開(kāi)關(guān)二極管VD、電感L和電容C組成,其中開(kāi)關(guān)管VT由開(kāi)關(guān)控制器控制。圖5所示為Boost調(diào)節(jié)器原理圖。
圖5 Boost調(diào)節(jié)器Fig.5 Boost regulator
令輸入電壓為VI,輸出電壓為Vo,開(kāi)關(guān)管VT的導(dǎo)通時(shí)間為ton,占空比為D,則輸入與輸出電壓有以下關(guān)系:
(1)
從式(1)可以看出,輸出電壓Vo的大小由輸入電壓VI與占空比D決定,因此通過(guò)控制占空比D的大小可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制,從而調(diào)節(jié)LED的亮度。在實(shí)際應(yīng)用中,往往通過(guò)對(duì)LED的工作電流進(jìn)行采樣來(lái)控制占空比D,占空比的改變反作用于輸出電流,達(dá)到自調(diào)控目的[10]。在市電供電的情況中,使用Boost調(diào)節(jié)器做主電路的驅(qū)動(dòng)電源,輸出電壓高達(dá)到400V,一般來(lái)說(shuō)大功率LED光源組并不需要400V的高壓,因此需要在后級(jí)加入一個(gè)DC/DC的轉(zhuǎn)換器來(lái)為L(zhǎng)ED提供合適的電壓。
在Boost調(diào)節(jié)器的研究當(dāng)中,Clark CW等[11]把數(shù)字DCM檢測(cè)技術(shù)和混合傳導(dǎo)控制技術(shù)應(yīng)用在Boost調(diào)節(jié)器上,通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)處理器中的集成乘法器簡(jiǎn)化了現(xiàn)有DCM和零電流檢測(cè)方法,大大的降低電路成本,有效地抑制電路的諧波,使得總諧波失真降低了40.2%,功率因數(shù)提高了1.5%。
胡瑋等[12]提出了一種含回路二極管雙Boost PFC電路,在含回路二極管雙Boost PFC拓?fù)渲惺褂脽o(wú)體二極管的IGBT作為開(kāi)關(guān)管,大大降低輸入電壓采樣和電感電流采樣難度,并且有效地降低共模噪音。
3.3.2 Buck調(diào)節(jié)器
Buck調(diào)節(jié)器與Boost調(diào)節(jié)器類(lèi)似,同樣由開(kāi)關(guān)管VT、開(kāi)關(guān)二極管VD、電感L、電容C組成,但其工作原理并不相同。圖6為Buck調(diào)節(jié)器原理圖。
圖6 Buck調(diào)節(jié)器Fig.6 Buck regulator
其輸入電壓VI與輸出電壓Vo有以下關(guān)系:
Vo=D×VI
(2)
從式(2)可以看出,輸出電壓VO小于輸入電壓VI,所以Buck調(diào)節(jié)器起到降壓的作用,如今使用的LED燈具多為市電供電,需要降壓驅(qū)動(dòng),使用Buck調(diào)節(jié)器適合使用市電供電的LED驅(qū)動(dòng)[13]。
與Boost調(diào)節(jié)器相同,電路中通過(guò)采樣LED的電流來(lái)控制占空比D,從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電流和調(diào)節(jié)LED亮度的目的。針對(duì)Boost調(diào)節(jié)器輸出電壓高,電路復(fù)雜等問(wèn)題,陳兵等[14]提出了一種基于單周控制技術(shù)的Buck-PFC變換器,該變換器以Buck調(diào)節(jié)器作為主電路,當(dāng)接入市電時(shí),通過(guò)降壓輸出可以直接供給LED使用的電壓,由于電路使用單周控制技術(shù),所以可以去除電壓傳感器和乘法器,大大的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。
為了進(jìn)一步提高Buck調(diào)節(jié)器的功率因數(shù),Xie等[15]提出了一種改進(jìn)型的Buck電路,通過(guò)在電路中加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)和兩個(gè)二極管,解決了傳統(tǒng)Buck調(diào)節(jié)器存在輸入電流死區(qū)的問(wèn)題。
3.3.3 Boost-Buck調(diào)節(jié)器
Boost-Buck調(diào)節(jié)器是由Boost調(diào)節(jié)器和Buck調(diào)節(jié)器組合而成的,因此Boost-Buck調(diào)節(jié)器上存在兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VT1和VT2和兩個(gè)電感L1和L2。當(dāng)Boost-Buck調(diào)節(jié)器工作時(shí),開(kāi)關(guān)管VT1和VT2同時(shí)工作,并且是同時(shí)導(dǎo)通和截止,而電感L1和L2同時(shí)為L(zhǎng)ED供電,所以可以把VT1和VT2用一個(gè)開(kāi)關(guān)管VT代替,L1和L2也可以用一個(gè)電感L來(lái)代替,因此可以把Boost-Buck調(diào)節(jié)器化簡(jiǎn)成圖7的原理圖。
圖7 Boost-Buck調(diào)節(jié)器Fig.7 Boost-Buck regulator
在Boost-Buck調(diào)節(jié)器中,開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)間為ton,對(duì)應(yīng)占空比為D1,開(kāi)關(guān)管VT截止時(shí)間為toff,對(duì)應(yīng)toff與開(kāi)關(guān)周期T的比值為D2。則輸入電壓VI與輸出電壓Vo有以下關(guān)系:
(3)
由式(3)可知,當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間ton比截止時(shí)間toff長(zhǎng),D1大于D2,輸出電壓VO高于輸入電壓VI,調(diào)節(jié)器處于升壓模式,同理,當(dāng)截止時(shí)間toff比導(dǎo)通時(shí)間ton長(zhǎng),輸出電壓VO低于輸入電壓VI,調(diào)節(jié)器處于降壓模式。由此可知,在開(kāi)關(guān)的周期不變的情況下,通過(guò)改變導(dǎo)通時(shí)間ton,就可以切換調(diào)節(jié)器的工作模式[16]。
Boost-Buck調(diào)節(jié)器電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化Boost-Buck調(diào)節(jié)器,Zhang Fei等[17]在分析單相PFC變換器輸出電壓紋波的基礎(chǔ)上,提出了輸出電壓紋波反饋控制算法,通過(guò)計(jì)算得到輸出電壓紋波值來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整電流控制環(huán)的補(bǔ)償系數(shù),電路中不需要增加硬件電路,大大簡(jiǎn)化了電路的結(jié)構(gòu)。
3.3.4 反激式調(diào)節(jié)器
與上述的變換器不同,反激式調(diào)節(jié)器屬于隔離式電路,通過(guò)變壓器使得輸入輸出端在電器上隔離。圖8所示為反激式調(diào)節(jié)器原理圖,當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí),次級(jí)上的二極管截止,負(fù)載由電容C供電,初級(jí)的電流上升,電能轉(zhuǎn)換成磁能;開(kāi)關(guān)管VT截止時(shí),次級(jí)上的二極管導(dǎo)通,初級(jí)上磁能轉(zhuǎn)換成LED所需的電能[18]。
圖8 反激式調(diào)節(jié)器Fig.8 Flyback regulator
表2[19]為12V和24V反激式穩(wěn)壓變換器的具體參數(shù),從表中可以看出,得益于開(kāi)關(guān)管的調(diào)節(jié)作用,使得輸出能在廣電壓輸入的情況下保持穩(wěn)定的輸出。
表2 反激式變換器具體參數(shù)Table 2 Concrete parameter of Flyback Converter
對(duì)比非隔離式結(jié)構(gòu)的變換器,隔離式的結(jié)構(gòu)使得反激式變換器輸入端不受負(fù)載波動(dòng)的影響,但會(huì)降低電路的整體效率,還增大電源的體積[20]。針對(duì)這些問(wèn)題,Wu Xinke等[21]提出了一種雙通道諧振反激式驅(qū)動(dòng)電源,電源的效率得到很大的提高,并在電路中加入均流變壓器,使得雙通道輸出電流誤差少于1%。
在Hangseok Choi等[22]的研究當(dāng)中,提出了一種雙開(kāi)關(guān)反激式調(diào)節(jié)器,雙開(kāi)關(guān)的加入形成一個(gè)能源循環(huán)電路,使得變壓器漏感中的能量通過(guò)循環(huán)回路返回輸入端,大大地提高電路的效率。
在三種驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)渲校娮柘蘖麟娐放c線性調(diào)節(jié)器的工作原理類(lèi)似,都通過(guò)改變器件的阻值來(lái)達(dá)到限流的效果,但無(wú)論是電阻限流電路種的限流電阻,還是線性調(diào)節(jié)器中的晶體管都會(huì)帶來(lái)巨大的功率損耗,這并不符合LED節(jié)能的特點(diǎn),相比而言開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中的晶體管通過(guò)高頻的導(dǎo)通與閉合,降低電流導(dǎo)通時(shí)間,從而提高電路的效率,并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)晶體管的占空比來(lái)穩(wěn)定輸出量,所以在大功率LED照明領(lǐng)域使用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器來(lái)做驅(qū)動(dòng)電源的主電路是最佳的選擇。
小功率LED在液晶面板、手機(jī)背光源等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍,相應(yīng)的小功率驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)也十分成熟,但是在汽車(chē)用燈和商用光源等需要使用大功率LED的領(lǐng)域傳統(tǒng)光源還是占優(yōu)勢(shì)。大功率LED驅(qū)動(dòng)電源存在壽命短、穩(wěn)定性不高、功率因數(shù)低等問(wèn)題,多數(shù)大功率LED燈具在使用兩年后就會(huì)出現(xiàn)光衰、驅(qū)動(dòng)損壞而無(wú)法工作等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者都在針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究,WANG Shu等[23]通過(guò)外加硬件電路代替電解電容,開(kāi)發(fā)了無(wú)電解電容無(wú)頻閃的LED驅(qū)動(dòng)電源;湯守至等[24]提出通過(guò)滑模變結(jié)構(gòu)控制方法提高開(kāi)關(guān)變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和電路的穩(wěn)定性。開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命、高效率驅(qū)動(dòng)電源是未來(lái)大功率LED取代傳統(tǒng)大功率鹵素?zé)粽彰鞯年P(guān)鍵所在。
致謝:感謝汕頭大學(xué)科研啟動(dòng)基金(NTF12001)的支持,感謝廣東愛(ài)華新光電科技有限公司有關(guān)專(zhuān)家的無(wú)私幫助。同時(shí)感謝《照明工程學(xué)報(bào)》編輯們和評(píng)審專(zhuān)家們給予的中肯意見(jiàn)。
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