一種無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源中減小LED電流畸變的方法

　　1.引言

　　隨著世界各國(guó)在逐步禁止進(jìn)口和銷(xiāo)售普通照明白熾燈，新型、綠色、高效、長(zhǎng)壽命的LED 照明技術(shù)得到了空前的發(fā)展[1]。長(zhǎng)壽命是LED 照明的最大優(yōu)點(diǎn)之一，它的平均使用壽命達(dá)到80000- 100000 小時(shí)[2]。對(duì)于單級(jí)式的LED 驅(qū)動(dòng)電源，如果采用市電供電，為了達(dá)到高功率因數(shù)(Power Factor, PF)，滿足IEC61000-3-2的諧波要求[3]， LED 照明需要一個(gè)功率因數(shù)校正變換器(Power Factor Correction, PFC)。當(dāng)功率因數(shù)為1 時(shí)，輸入電流為與輸入電壓同相位的正弦波，因此其輸入功率呈現(xiàn)兩倍輸入頻率的脈動(dòng)形式，對(duì)于恒定輸出功率的LED，為了匹配瞬時(shí)輸入輸出功率的不平衡，需要一個(gè)儲(chǔ)能電容。儲(chǔ)能電容很大，大多選用電解電容，而電解電容的使用壽命只有10000 小時(shí)左右[4]，是影響LED 驅(qū)動(dòng)電源整體壽命的主要元件。為了提高AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命，有必要去除電解電容。適當(dāng)降低功率因數(shù)以減小輸入功率脈動(dòng)，如在輸入電流中注入三次和五次諧波[5, 6]，這樣就可以減小儲(chǔ)能電容大小。采用脈動(dòng)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，這樣瞬時(shí)輸入和輸出功率相同或者接近，可以減小或者消除儲(chǔ)能電容[7-10]。脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)LED 一般用于景觀或者街道照明，在一些對(duì)光源質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合并不適合。采用電感作為儲(chǔ)能元件可以代替或者減小儲(chǔ)能電容，但是電感的儲(chǔ)能密度較小，其體積較大，同時(shí)還會(huì)存在損耗[11]。增大儲(chǔ)能電容上電壓　波可以減小電容的容值[12-14]。文獻(xiàn)[13]提出了一種無(wú)頻

　　閃無(wú)電解電容的AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源，如圖1 所示。它由一個(gè)PFC 變換器、一個(gè)雙向變換器和一個(gè)CL 濾波器組成。其中電感Lo 與電容Co 構(gòu)成低通濾波器，以阻止開(kāi)關(guān)頻率及其倍數(shù)次的電流諧波流入LED，故此處的電容Co 并不承擔(dān)儲(chǔ)能作用，可以使用容量較小的薄膜電容或者瓷片電容，此時(shí)PFC 輸出電流i'o 含有兩倍輸入頻率的脈動(dòng)電流。為了使LED 的驅(qū)動(dòng)電流io為一個(gè)恒定的直流電流，在PFC 變換器的輸出端并聯(lián)了一個(gè)雙向變換器，并使雙向變換器的輸入電流ib 等于PFC 輸出電流中兩倍輸入頻率的交流分量，這樣就解決了LED 照明的頻閃問(wèn)題。雙向變換器的直流側(cè)電容Cdc 采用了儲(chǔ)能電容電壓大紋波減小容值的方法，在脈動(dòng)電壓相同的情況下，為了進(jìn)一步減小容值，可

　　以適當(dāng)提高Cdc 的直流平均電壓。

　　本文在無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源的基礎(chǔ)上，分析了其雙向變換器直流側(cè)電容紋波給雙向變換器開(kāi)關(guān)管的占空比帶來(lái)的非線性問(wèn)題，由于傳統(tǒng)的線性控制方法無(wú)法提供這部分含量，最終體現(xiàn)在增大了雙向變換器電流跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差上，使得LED驅(qū)動(dòng)電流發(fā)生了畸變。針對(duì)無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DCLED 驅(qū)動(dòng)電源中存在的問(wèn)題，本文在雙向變換器中提出了一種改進(jìn)型的控制策略，降低直流側(cè)電容紋波帶來(lái)非線性問(wèn)題的影響，提高雙向變換器跟蹤正弦交流基準(zhǔn)的能力，消除LED 電流的畸變。

　　2.無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源的基本概念

　　文獻(xiàn)[13]詳細(xì)分析了無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DCLED 驅(qū)動(dòng)電源的工作原理，本文只做簡(jiǎn)單介紹。這里的PFC 變換器采用電流斷續(xù)模式(DiscontinuousCurrent Mode, DCM)的反激變換器，如圖2 所示。

　　反激變換器采用平均電流控制以達(dá)到恒定平均值輸出的目的。從上面的分析可以看出，由于沒(méi)有電解電容，脈動(dòng)電流中含有兩倍輸入頻率的交流分量，會(huì)引起LED 發(fā)光的頻閃。為此，在反激變換器的濾波電容Co 上并聯(lián)一個(gè)雙向變換器， 本文采用的是Buck/Boost 雙向變換器，如圖3 所示。加入雙向變換器后，Lo 中主要流過(guò)直流電流，其高頻電流紋波較小，因此可認(rèn)為電容Co 兩端電壓即雙向變換器輸入側(cè)電壓等于LED 兩端電壓Vo。

　　雙向變換器采用雙閉環(huán)控制。為了使Buck/Boost雙向變換器可以正常工作，需要保證直流側(cè)電容Cdc的最低電壓高于輸入端電壓Vo。電壓外環(huán)對(duì)直流側(cè)電容電壓的平均值進(jìn)行控制，其輸出與給定的電流基準(zhǔn)iref(通過(guò)采樣反激變換器副邊電流濾波得到其兩倍輸入頻率的交流分量)按比例系數(shù)k 相加后作為電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)，電流內(nèi)環(huán)采用平均電流控制，使雙向變換器的輸入電流平均值跟蹤電流基準(zhǔn)，那么反激變換器輸出端的電流進(jìn)行分流，兩倍輸入頻率的交流分量流入了雙向變換器，由式(4)得：

　　發(fā)現(xiàn)由于直流側(cè)電容電壓的平均值不變，占空比中的直流成分不隨負(fù)載發(fā)生變化;隨著負(fù)載的增加，電容的紋波增大，所需占空比的低頻成分會(huì)快速增加，這樣會(huì)使得線性電流調(diào)節(jié)器不足以提供這部分低頻成分，只能通過(guò)增大電流跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)補(bǔ)償這些低頻成分，最終導(dǎo)致LED 的輸出電流畸變。如果負(fù)載Po=Pmax，那么做出滿載情況下不同電容容值下占空比各次諧波幅值的變化情況，如圖7 所示。在負(fù)載和直流側(cè)電容電壓恒定的情況下，隨著電容的減小，占空比低頻分量迅速增大，因此可以考慮根據(jù)占空比的表達(dá)式設(shè)計(jì)非線性的控制器，在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，達(dá)到雙向變換器正弦電流基準(zhǔn)的無(wú)差跟蹤，降低占空比非線性對(duì)LED 輸出電流的影響。

　　3.2 改進(jìn)型控制策略的實(shí)現(xiàn)

　　變占空比控制的思想已經(jīng)應(yīng)用于高功率因數(shù)的DCM PFC 變換器[15]，將此方法應(yīng)用于雙向變器的控制電路中。觀察式(15)，如果在工頻周期內(nèi)，使雙向變換器開(kāi)關(guān)管Q1 的占空比按照理論值變化，將會(huì)使雙向變換器直流側(cè)電容電壓按照理論形式變化，那么輸入電流也會(huì)以兩倍輸入頻率的交流基準(zhǔn)變化。由于雙向變換器開(kāi)關(guān)管Q1 和Q2 是互補(bǔ)導(dǎo)通的，那么為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，這里選擇控制開(kāi)關(guān)管Q2，由式(15)可以得到其占空比d'為：

　　4.仿真驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證改進(jìn)型控制策略可以減小雙向變換器電流跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差，減小LED驅(qū)動(dòng)電流的畸變，用Saber軟件搭建了一個(gè)采用改進(jìn)型控制策略的無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED驅(qū)動(dòng)電源。其主要參數(shù)如下：交流輸入電壓為220 VAC/50Hz，滿載輸出平均電流Io=0.7A，輸出電壓Vo=48V，雙向變換器電感為1.4mH，直流側(cè)電容為4.7μF，其電壓的平均值為150V，鋸齒波幅值Vm=3V。圖9和圖10分別給出了滿載和半載情況下濾除高頻分量的副邊電流、雙向變換器的電感電流、LED輸出電流和儲(chǔ)能電容電壓的仿真波形?？梢园l(fā)現(xiàn)滿載　輸出電流的峰峰值為110mA，是平均值700mA的15.7%;半載時(shí)輸出電流的峰峰值為22mA是平均值350mA的6.3%，LED輸出電流畸變程度較大。

　　圖11和圖12分別給出了采用改進(jìn)型控制策略時(shí)滿載和半載下的仿真波形，此時(shí)滿載情況下輸出電流的峰峰值為13mA，是平均值的1.9%;半載情況下輸出電流的峰峰值為7mA，是平均值的2.0%。圖13和圖14分別給出了改進(jìn)前后滿載和半載輸出電流的頻譜，可以發(fā)現(xiàn)采用改進(jìn)型的控制策略可以大大減小LED驅(qū)動(dòng)電流中的低頻分量，抑制LED輸出電流的畸變，仿真結(jié)果驗(yàn)證了此方法的正確性和有效性。

　　5.結(jié)論

　　本文對(duì)無(wú)頻閃無(wú)電解電容AC-DC LED 驅(qū)動(dòng)電源

　　中的Buck/Boost 型雙向變換器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析，分析

　　了直流側(cè)電容電壓紋波造成的雙向變換器非線性問(wèn)

　　題，為了減小雙向變換器輸入電流對(duì)兩倍工頻交流電

　　流基準(zhǔn)的跟蹤誤差，提出了一種改進(jìn)型變占空比的非

　　線性控制策略，改善了原先LED 驅(qū)動(dòng)電流畸變的問(wèn)

　　題。

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