王雙喜，葉家星，晏建宇，劉高山

(汕頭大學 工學院，廣東 汕頭 515000)

引言

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、無污染等優(yōu)點，被認為是21世紀最有潛力的照明光源。據(jù)報道[1]，2013年全球LED產(chǎn)值相比2012年有近12%的增長，從中可以看出LED產(chǎn)業(yè)強勁的發(fā)展勢頭。

一般地，額定功率在1W以上的LED稱為大功率LED，目前大功率LED多應用在軍事、航海、遠洋漁業(yè)以及廣場照明等領域。LED燈具由LED光源、散熱器和驅(qū)動電源組成，LED驅(qū)動電源作為LED燈具重要部件，它的性能影響整個LED燈具的發(fā)光效果和可靠程度。目前，小功率LED驅(qū)動電源發(fā)展得比較成熟，但在大功率LED照明領域，由于發(fā)展時間較短，驅(qū)動電源技術成為目前大功率LED的短板。因而，開展大功率LED驅(qū)動電源的研究，開發(fā)高效的、長壽命的驅(qū)動電源對大功率LED行業(yè)的發(fā)展至關重要。

1 大功率LED特性

LED的材料主要為Ⅲ-Ⅴ族元素組成的化合物，如GaAs、GaAsP、AlGaInP等[2]。通過不同的工藝，使N型半導體與P型半導體結合，在結合邊界形成PN結，當所加的正向電壓超過PN結的勢壘時，PN結導通，空穴與電子結合，并把多余的能量以光子的形式發(fā)射出去，同時產(chǎn)生熱量。

圖1所示為LED伏安特性曲線，可以看出當外加正向電壓從0開始往上遞增時，通入LED的電流隨電壓的增加而緩慢增加，直到電壓達到閾值VF0后，LED開始發(fā)光，電流隨電壓的增加而快速增加，并成指數(shù)關系[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，但不能過大，以免產(chǎn)生的電流過大損壞LED。對于普通的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的工作電流可以達到幾百毫安，甚至達到安級，正向壓降為3～4V。

2 大功率LED驅(qū)動方式

LED驅(qū)動方式必須符合LED特有的電學特性，按輸出驅(qū)動方式可以分為穩(wěn)壓驅(qū)動和恒流驅(qū)動，穩(wěn)壓驅(qū)動指的是電源輸出電壓穩(wěn)定不變，電流隨負載的改變而改變的驅(qū)動方式，使用穩(wěn)壓驅(qū)動方式的成本較低，但為LED供電時需要穩(wěn)定輸出的電壓值和控制連接的LED個數(shù)和方式，所以穩(wěn)壓驅(qū)動一般使用在對LED光源要求不高的場合。恒流驅(qū)動指的是輸出的電流恒定不變，而電壓隨著負載的變化而變化的驅(qū)動方式，由于LED是電流型器件，恒流驅(qū)動是比較理想的驅(qū)動方式，但使用恒流驅(qū)動的成本要比穩(wěn)壓驅(qū)動高。

按驅(qū)動電壓可以分為低電壓驅(qū)動、過渡電壓驅(qū)動、高電壓驅(qū)動和市電驅(qū)動[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)動的情況居多。

3 大功率LED驅(qū)動電路

針對不同的驅(qū)動方式，LED驅(qū)動電源的電路結構可以分為電阻限流電路、線性調(diào)節(jié)器、開關調(diào)節(jié)器三種。

3.1 電阻限流電路

電阻限流電路工作原理是通過改變可變電阻的阻值來改變其分壓值，從而改變LED接入的電壓，圖2為電阻限流電路工作原理圖。通過這種方式，一方面可以調(diào)節(jié)LED的亮度，另一方面，當LED數(shù)量增加或者減少時，通過改變可變電阻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LED的驅(qū)動，其優(yōu)點是簡單易用，成本低廉，但這種驅(qū)動方式存在一定的問題：

(1)當輸入電壓較大，而負載較小時，可變電阻器上功耗較大，降低電路的效率；

(2)當輸入電壓發(fā)生波動時，不能通過自身調(diào)節(jié)來穩(wěn)定波動，這樣會引起LED的亮度、光通量的變化。所以電阻限流的驅(qū)動方式一般用在功率較低，顯色性要求不高的場合。

3.2 線性調(diào)節(jié)器

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負載并聯(lián)。其工作原理是，通過采樣點電壓與基準電壓Vref比較控制晶體管的阻值，調(diào)整接入電路電阻的總阻值，通過這種方式可以實現(xiàn)穩(wěn)定波動的效果。

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償方法，通過改變零極點值和加入新的負反饋回路，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速度。但晶體管上功率損耗的問題并沒有解決。

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

3.3 開關調(diào)節(jié)器

開關調(diào)節(jié)器一般使用晶體管作為開關管，通過控制開關管導通與截止時間和開關頻率來控制負載的電流，圖4為開關調(diào)節(jié)器原理圖。開關調(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中使用的較多的開關調(diào)節(jié)器。

圖4 開關調(diào)節(jié)器Fig.4 Switching regulator

3.3.1 Boost調(diào)節(jié)器

Boost調(diào)節(jié)器由開關管VT、開關二極管VD、電感L和電容C組成，其中開關管VT由開關控制器控制。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，開關管VT的導通時間為ton，占空比為D，則輸入與輸出電壓有以下關系：

(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，因此通過控制占空比D的大小可以實現(xiàn)輸出電壓的控制，從而調(diào)節(jié)LED的亮度。在實際應用中，往往通過對LED的工作電流進行采樣來控制占空比D，占空比的改變反作用于輸出電流，達到自調(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)動電源，輸出電壓高達到400V，一般來說大功率LED光源組并不需要400V的高壓，因此需要在后級加入一個DC/DC的轉(zhuǎn)換器來為LED提供合適的電壓。

在Boost調(diào)節(jié)器的研究當中，Clark CW等[11]把數(shù)字DCM檢測技術和混合傳導控制技術應用在Boost調(diào)節(jié)器上，通過使用數(shù)字信號處理器中的集成乘法器簡化了現(xiàn)有DCM和零電流檢測方法，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拓撲中使用無體二極管的IGBT作為開關管，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)器類似，同樣由開關管VT、開關二極管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，使用Buck調(diào)節(jié)器適合使用市電供電的LED驅(qū)動[13]。

與Boost調(diào)節(jié)器相同，電路中通過采樣LED的電流來控制占空比D，從而達到穩(wěn)定輸出電流和調(diào)節(jié)LED亮度的目的。針對Boost調(diào)節(jié)器輸出電壓高，電路復雜等問題，陳兵等[14]提出了一種基于單周控制技術的Buck-PFC變換器，該變換器以Buck調(diào)節(jié)器作為主電路，當接入市電時，通過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，所以可以去除電壓傳感器和乘法器，大大的簡化電路結構。

為了進一步提高Buck調(diào)節(jié)器的功率因數(shù)，Xie等[15]提出了一種改進型的Buck電路，通過在電路中加入一個輔助開關和兩個二極管，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)器上存在兩個開關管VT1和VT2和兩個電感L1和L2。當Boost-Buck調(diào)節(jié)器工作時，開關管VT1和VT2同時工作，并且是同時導通和截止，而電感L1和L2同時為LED供電，所以可以把VT1和VT2用一個開關管VT代替，L1和L2也可以用一個電感L來代替，因此可以把Boost-Buck調(diào)節(jié)器化簡成圖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，開關管VT導通時間為ton，對應占空比為D1，開關管VT截止時間為toff，對應toff與開關周期T的比值為D2。則輸入電壓VI與輸出電壓Vo有以下關系：

(3)

由式(3)可知，當導通時間ton比截止時間toff長，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，當截止時間toff比導通時間ton長，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，在開關的周期不變的情況下，通過改變導通時間ton，就可以切換調(diào)節(jié)器的工作模式[16]。

Boost-Buck調(diào)節(jié)器電路結構較為復雜，為了簡化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上，提出了輸出電壓紋波反饋控制算法，通過計算得到輸出電壓紋波值來實時調(diào)整電流控制環(huán)的補償系數(shù)，電路中不需要增加硬件電路，大大簡化了電路的結構。

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，當開關管VT導通時，次級上的二極管截止，負載由電容C供電，初級的電流上升，電能轉(zhuǎn)換成磁能；開關管VT截止時，次級上的二極管導通，初級上磁能轉(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，得益于開關管的調(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

對比非隔離式結構的變換器，隔離式的結構使得反激式變換器輸入端不受負載波動的影響，但會降低電路的整體效率，還增大電源的體積[20]。針對這些問題，Wu Xinke等[21]提出了一種雙通道諧振反激式驅(qū)動電源，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]的研究當中，提出了一種雙開關反激式調(diào)節(jié)器，雙開關的加入形成一個能源循環(huán)電路，使得變壓器漏感中的能量通過循環(huán)回路返回輸入端，大大地提高電路的效率。

在三種驅(qū)動電源拓撲中，電阻限流電路與線性調(diào)節(jié)器的工作原理類似，都通過改變器件的阻值來達到限流的效果，但無論是電阻限流電路種的限流電阻，還是線性調(diào)節(jié)器中的晶體管都會帶來巨大的功率損耗，這并不符合LED節(jié)能的特點，相比而言開關調(diào)節(jié)器中的晶體管通過高頻的導通與閉合，降低電流導通時間，從而提高電路的效率，并且可以通過調(diào)節(jié)晶體管的占空比來穩(wěn)定輸出量，所以在大功率LED照明領域使用開關調(diào)節(jié)器來做驅(qū)動電源的主電路是最佳的選擇。

4 結束語

小功率LED在液晶面板、手機背光源等領域的應用已經(jīng)十分普遍，相應的小功率驅(qū)動電源技術也十分成熟，但是在汽車用燈和商用光源等需要使用大功率LED的領域傳統(tǒng)光源還是占優(yōu)勢。大功率LED驅(qū)動電源存在壽命短、穩(wěn)定性不高、功率因數(shù)低等問題，多數(shù)大功率LED燈具在使用兩年后就會出現(xiàn)光衰、驅(qū)動損壞而無法工作等問題。國內(nèi)有很多學者都在針對這些問題進行研究，WANG Shu等[23]通過外加硬件電路代替電解電容，開發(fā)了無電解電容無頻閃的LED驅(qū)動電源；湯守至等[24]提出通過滑模變結構控制方法提高開關變換器的動態(tài)響應速度和電路的穩(wěn)定性。開發(fā)長壽命、高效率驅(qū)動電源是未來大功率LED取代傳統(tǒng)大功率鹵素燈照明的關鍵所在。

致謝：感謝汕頭大學科研啟動基金(NTF12001)的支持，感謝廣東愛華新光電科技有限公司有關專家的無私幫助。同時感謝《照明工程學報》編輯們和評審專家們給予的中肯意見。

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