方 煒，盛 超，劉曉東，劉宿城，戴 泉

（1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2.馬鞍山馬鋼第四鋼軋總廠設(shè)備保障部，馬鞍山 243000）

三相無電解電容LED電源

方 煒1，盛 超1，劉曉東1，劉宿城1，戴 泉2

（1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2.馬鞍山馬鋼第四鋼軋總廠設(shè)備保障部，馬鞍山 243000）

LED作為第4代光源具有其他光源所無法比擬的優(yōu)勢：高效，節(jié)能，長壽命等，但傳統(tǒng)的LED電源驅(qū)動中因普遍使用電解電容，大大縮短了整體LED照明的壽命。為提高LED電源的壽命，針對路燈等大功率照明應(yīng)用提出了一種三相無電解電容的LED驅(qū)動電源的設(shè)計方案。三相交流電作為輸入，利用三相電之間的相位差，通過驅(qū)動電路并行向LED供電，使LED獲得恒定的電流從而得到恒定光通量。根據(jù)疊加定理，給出了詳細的理論推導(dǎo)和證明，并使用Matlab/simulink軟件對于所提出的方法進行了仿真，仿真結(jié)果驗證了該設(shè)計方案在無電解電容的情況下能夠有效地驅(qū)動LED輸出恒定光通量。

LED驅(qū)動電源；無電解電容；三相恒流源；單相功率因數(shù)矯正器

引言

由于LED具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、高效率等諸多優(yōu)勢，因此得到了廣泛地應(yīng)用。為了匹配瞬時輸入輸出功率的不平衡，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動電源需要在輸出側(cè)配置一個大容量電解電容。但電解電容的平均壽命為10 000 h，遠小于LED燈管的平均使用壽命100 000 h，這無疑大大縮短了LED驅(qū)動電源的使用壽命［1］。因此，去除電解電容對于LED電源有著重要的實際意義。文獻［2-4］采用兩級式的拓撲結(jié)構(gòu)，通過增加PFC與DC/DC模塊間電容電壓的紋波，即可達到減小電容值的目的；但這種方法需要后級輸出定功率，且要求輸出電壓高，對于開關(guān)管的耐壓有一定要求。在輸入端加入一定量的3次、5次諧波，改變輸入的功率，使輸出功率變?yōu)楹愣}沖功率，這樣可以減小儲能電容的大?。?-6］，但這種方法在一定程度上降低了輸入的PF值，并帶來頻閃的問題；文獻［7］采用儲能電感來替代或者取消電解電容，但電感儲能不穩(wěn)定，且體積大，存在損耗；文獻［8-12］通過輔助電路或是增加功率耦合來平衡輸出功率，從而獲得恒定的輸出電流。這種方法在一定程度上減小了電解電容的大小，從而可以采用較長壽命的薄膜電容來取代電解電容。但在大功率的照明場合（如LED路燈，約120 W左右），所需平衡功率的電容值也會增大，因此上述方法適合小功率的LED照明場合。

本文提出了一種大功率三相無電解電容的LED驅(qū)動電源的設(shè)計方案。采用三相交流電路作為驅(qū)動電源的輸入，驅(qū)動三個單相PFC電路并行向LED供電，利用三相電路之間的相位差，通過功率疊加的方法，將三個單相PFC電路輸出電流中的交流分量彼此抵消，只保留恒定的輸出電流，從而使得LED得到穩(wěn)定的光通量。控制方法簡單，無頻閃現(xiàn)象，且保證了LED電源的高功率因數(shù)。所提出的設(shè)計方案在理論上可以去除輸出電容。最后的仿真結(jié)果也驗證了本文所提方案的正確性和有效性。

1 三相LED電源的工作原理

本文選用反激式功率變換器作為單相PFC電路拓撲，如圖1所示。單相PFC的輸入電流與電壓的波形如圖2所示，變壓器原邊、副邊電流波形如圖3所示。

圖1 反激式功率變換器Fig.1 Flyback type power converter

圖2 單相PFC的輸入電流與電壓的波形Fig.2 Waveforms of single-phase PFC input current and voltage

圖3 變壓器原邊、副邊電流波形Fig.3 Waveforms of transformer primary side current and vice side current

工作模態(tài)1：

當(dāng)開關(guān)Q開通時，變壓器原邊流過電流，由于二極管D，變壓器副邊中無電流通過。假設(shè)1個開關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓vin（t）不變，即

隨著變壓器原邊電感Lp上電流的增加 （見圖3），則變壓器原邊電流iLp的峰值電流 iLp_peak為

式中：Lp為變壓器原邊電感；D為占空比；T為開關(guān)周期。則變壓器原邊電流的平均值iLp_av為

由式（3）可得，當(dāng)占空比D一定時，變壓器原邊的輸入電流平均值跟輸入電壓成正比。在整流橋前級加入EMI濾波器（濾除因DCM PFC生成的電網(wǎng)側(cè)高次諧波）可以將斷續(xù)輸入電流變?yōu)檫B續(xù)平均輸入電流（見圖2），此時輸入電流與輸入電壓成正比，即功率因數(shù)為1。輸入功率pi可以表示為

工作模態(tài)2：

當(dāng)開關(guān)Q關(guān)斷時，由圖2所示原邊流過的電流此時為0，能量通過變壓器從原邊傳遞到副邊，副邊的電流從峰值開始減小至0。則變壓器副邊流過的電流is的峰值is_peak為

根據(jù)LED發(fā)光二極管的特性，近似認為變壓器副邊的端電壓Vo基本不變。變壓器副邊電流is從其峰值下降到0的時間tr為

由式（6）可以推出變壓器副邊的占空比Ds為

在一個開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)能量守恒定律，變壓器副邊的電流is的平均值is_av為

從式（8）可得，is＿av正比于sin2（ωt），即

式中，K0、K為常數(shù)。所以單相反激式PFC電路的輸出電流中含有2倍工頻波。

本文所提的設(shè)計方案就是將3個單相反激式PFC電路并聯(lián)連接，再連接LED負載，如圖4所示。根據(jù)疊加原理，3個單相反激式PFC電路輸出電流中的2倍工頻波將相互抵消。其工作原理如圖4。

經(jīng)過單相全橋的整流后，三相電源電壓uA、uB、uC分別為

圖4 三相無電解電容LED驅(qū)動電源原理Fig.4 Principle of three-phase LED drive power supply without electrolytic capacitor

由式（3）推導(dǎo)可得，輸入的三相電流iA、iB、iC分別為

由式（4）可得出三相電源各自的輸入功率pA、pB、pC分別為：

由式（8）可以得到流過LED負載的三相電流ia、ib、ic分別為

根據(jù)基爾霍夫電流定律，流過LED負載的電流是三相輸出電流之和為

化簡式（22），得

進而可得三相LED無電解電容電源的輸出電流為

即流過LED的電流為恒值，只受輸出占空比D信號的控制。因此只要保證3個單相PFC的占空比D信號相同且不變，就可以得到恒定的輸出電流。由以上分析可知，三個單相PFC可以在互不干涉的情況下單獨工作（即開關(guān)通斷信號沒有關(guān)系），只要他們的占空比D一致，就可以可保證LED的光通量恒定，且無頻閃現(xiàn)象。

2 三相電源的單相控制策略

本設(shè)計在保證高功率因數(shù)的情況下，使得3個單相PFC電路的輸出功率盡可能互相平衡，從而輸出交流分量互相抵消，達到輸出恒功率的目的。因此單相PFC電路的控制電路需要采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖5所示，外環(huán)穩(wěn)定控制單相PFC電路輸出電流的平均值，內(nèi)環(huán)實現(xiàn)功率因數(shù)校正。

圖5 單相PFC電路的反饋控制示意Fig.5 Sketch map of single-phase PFC circuit feedback control

本文所采用的反激式PFC電路拓撲結(jié)構(gòu)，由于拓撲自身的特性，其工作在DCM模式下，只需提供恒定的占空比信號，就可以讓電源的輸入工作在高功率因數(shù)的模式，所以可以采用單環(huán)控制策略，如圖6所示?？刂齐娐吠ㄟ^反激電路輸出的電感上的電流得到反饋信號，再經(jīng)過LC濾波后，與給定的Iref作比較，經(jīng)過補償?shù)玫津?qū)動信號，控制開關(guān)Q的通斷。

圖6 DCM反激拓撲的反饋控制示意Fig.6 Sketch map of DCM flyback topology of feedback control

3 實驗仿真

為了驗證本文所提設(shè)計方案的有效性和可行性，使用Matlab/Simulink對電源進行了仿真實驗。仿真中電源功率為70 W，各個單相PFC的輸入電壓為220 V，輸入頻率為50 Hz。LED負載兩端的電壓為100 V，電源的輸出電流為700 mA。以A相為例，仿真結(jié)果見圖7～圖9。

圖7 A相輸入電壓與輸入電流變形Fig.7 Waveforms of input voltage and inpout current of phase A

圖8 A相原邊電感電流波形Fig.8 Current waveform of phase A original side inductomce

圖9 諧波分析波形Fig.9 Harmonic analysis waveforms

圖7中，輸入電壓為正弦波，峰值為311 V/50 Hz；輸入電流為正弦波，峰值460 mA/50 Hz。由圖可見，輸入電流很好的跟蹤了輸入電壓，保證了電網(wǎng)的高功率因數(shù)。由圖8中輸入的三相變壓器A相原邊流過的電流可見，在DCM模式下，電流斷續(xù)地輸入給功率變換器。由圖9 A相的THD的分析圖可以看出，A相電路的THD為6.65%，諧波的含量很小，符合國家標準。

三相電路的副邊輸出電流波形如圖10所示。由圖可見，各相輸出電流波形相位上互差120°，且輸出各相的電流平均值約為240 mA。LED電源輸出的電流與電壓的波形如圖11所示。由圖可見，輸出電壓為恒定的100 V，輸出的電流為700 mA，紋波大約為5%。

圖10 三相輸出電流波形Fig.10 Waveforms of three-phase output current

由圖7，圖11可得到結(jié)論，三相無電解電容LED電源在保證各相高功率因數(shù)的情況下，輸出了恒定電流，從而保證LED燈輸出恒定的光通量。

圖11 LED電源輸出電流與電壓波形Fig.11 Output current and voltage waveforms of LED

4 結(jié)論

本文提出了一種無電解電容LED電源，該電源采用了三相電源驅(qū)動的方法，通過三相電源之間的功率平衡的關(guān)系達到去除電解電容的目的。使用了反激電源作為電路拓撲，驗證了所提出的設(shè)計方案。

本設(shè)計的優(yōu)點在于：

（1）電路可以只使用PFC單級電路，減小電路的復(fù)雜性，增加了效率；

（2）相比于其它方法，更適合大功率的LED照明場合。

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Three-phase LED Power Supply Without Electrolytic Capacitor

FANG Wei1，SHENG Chao1，LIU Xiaodong1，LIU Sucheng1，DAI Quan2
（1.School of Electrical＆Information Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243032，China；2.Equipment Support Department，the Fourth Steel Rolling Plant of Ma Steel，Maanshan 243000，China）

As the fourth generation light source，LED owns the advantages compared with other light sources：high efficiency，energy saving and long life.For the traditional LED power driven supply，the widespread use of electrolytic capacitors greatly reduces the life of LED lighting.To improve the life of the power supply of LED，the paper proposes a three-phase LED which drives the design without electrolytic capacitor in street lamps and other large power lighting applications.The three-phase electricity is the input.Using the phase difference among three phases power，LED is parallel powered by three-phase alternating current with the driving circuit.Therefore，LED can obtain constant flux.According to the superposition theory，the detailed theoretical derivations and proofs are given and the designed scheme is simulated by Matlab/Simulink software.Simulation results prove the designed strategy can effectively drive LED without electrolytic capacitor.

LED driver；electrolytic capacitor-less；three-phase constant current source；single phase power factor correction

方煒

吳劍

方煒（1977-），男，博士，副教授，研究方向：電力電子功率變換技術(shù)、非線性控制等，E-mail：fwei2k@163.com；

盛超（通信作者）（1986-），男，碩士生，研究方向：電力電子與LED驅(qū)動電源，E-mail：sscc9999@163.com；

劉曉東（1971-），男，博士，教授，研究方向：電力電子電路拓撲、功率變換器等，E-mail：liuxiaodong@ahut.edu.cn；

劉宿城（1981-），男，博士，講師，研究方向：電力電子功率變換技術(shù)，系統(tǒng)建模等，E-mail：liusucheng@ahut.edu.cn；

戴泉（1975-），男，高級工程師，研究方向：電氣傳動，E-mail：daiquan1018@so hu.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.2.27

：TM 46

：A

2014-12-15

國家自然科學(xué)基金項目（51207001）；安徽省自然科學(xué)基金項目（1308085ME66）

Project Supported by National Science Foundation of China（51207001）；Anhui Provincial Natural Science Foundation（1308085ME66）