一種無頻閃無電解電容AC-DC LED 驅動電源中減小LED電流畸變的方法

　　1.引言

　　隨著世界各國在逐步禁止進口和銷售普通照明白熾燈，新型、綠色、高效、長壽命的LED 照明技術得到了空前的發(fā)展[1]。長壽命是LED 照明的最大優(yōu)點之一，它的平均使用壽命達到80000- 100000 小時[2]。對于單級式的LED 驅動電源，如果采用市電供電，為了達到高功率因數(shù)(Power Factor, PF)，滿足IEC61000-3-2的諧波要求[3]， LED 照明需要一個功率因數(shù)校正變換器(Power Factor Correction, PFC)。當功率因數(shù)為1 時，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形式，對于恒定輸出功率的LED，為了匹配瞬時輸入輸出功率的不平衡，需要一個儲能電容。儲能電容很大，大多選用電解電容，而電解電容的使用壽命只有10000 小時左右[4]，是影響LED 驅動電源整體壽命的主要元件。為了提高AC-DC LED 驅動電源的使用壽命，有必要去除電解電容。適當降低功率因數(shù)以減小輸入功率脈動，如在輸入電流中注入三次和五次諧波[5, 6]，這樣就可以減小儲能電容大小。采用脈動電流來驅動LED，這樣瞬時輸入和輸出功率相同或者接近，可以減小或者消除儲能電容[7-10]。脈動電流驅動LED 一般用于景觀或者街道照明，在一些對光源質量要求較高的場合并不適合。采用電感作為儲能元件可以代替或者減小儲能電容，但是電感的儲能密度較小，其體積較大，同時還會存在損耗[11]。增大儲能電容上電壓　波可以減小電容的容值[12-14]。文獻[13]提出了一種無頻

　　閃無電解電容的AC-DC LED 驅動電源，如圖1 所示。它由一個PFC 變換器、一個雙向變換器和一個CL 濾波器組成。其中電感Lo 與電容Co 構成低通濾波器，以阻止開關頻率及其倍數(shù)次的電流諧波流入LED，故此處的電容Co 并不承擔儲能作用，可以使用容量較小的薄膜電容或者瓷片電容，此時PFC 輸出電流i'o 含有兩倍輸入頻率的脈動電流。為了使LED 的驅動電流io為一個恒定的直流電流，在PFC 變換器的輸出端并聯(lián)了一個雙向變換器，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 照明的頻閃問題。雙向變換器的直流側電容Cdc 采用了儲能電容電壓大紋波減小容值的方法，在脈動電壓相同的情況下，為了進一步減小容值，可

　　以適當提高Cdc 的直流平均電壓。

　　本文在無頻閃無電解電容AC-DC LED 驅動電源的基礎上，分析了其雙向變換器直流側電容紋波給雙向變換器開關管的占空比帶來的非線性問題，由于傳統(tǒng)的線性控制方法無法提供這部分含量，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驅動電流發(fā)生了畸變。針對無頻閃無電解電容AC-DCLED 驅動電源中存在的問題，本文在雙向變換器中提出了一種改進型的控制策略，降低直流側電容紋波帶來非線性問題的影響，提高雙向變換器跟蹤正弦交流基準的能力，消除LED 電流的畸變。

　　2.無頻閃無電解電容AC-DC LED 驅動電源的基本概念

　　文獻[13]詳細分析了無頻閃無電解電容AC-DCLED 驅動電源的工作原理，本文只做簡單介紹。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到恒定平均值輸出的目的。從上面的分析可以看出，由于沒有電解電容，脈動電流中含有兩倍輸入頻率的交流分量，會引起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 中主要流過直流電流，其高頻電流紋波較小，因此可認為電容Co 兩端電壓即雙向變換器輸入側電壓等于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，需要保證直流側電容Cdc的最低電壓高于輸入端電壓Vo。電壓外環(huán)對直流側電容電壓的平均值進行控制，其輸出與給定的電流基準iref(通過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，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，那么反激變換器輸出端的電流進行分流，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)由于直流側電容電壓的平均值不變，占空比中的直流成分不隨負載發(fā)生變化;隨著負載的增加，電容的紋波增大，所需占空比的低頻成分會快速增加，這樣會使得線性電流調(diào)節(jié)器不足以提供這部分低頻成分，只能通過增大電流跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差來補償這些低頻成分，最終導致LED 的輸出電流畸變。如果負載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。在負載和直流側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)占空比的表達式設計非線性的控制器，在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，達到雙向變換器正弦電流基準的無差跟蹤，降低占空比非線性對LED 輸出電流的影響。

　　3.2 改進型控制策略的實現(xiàn)

　　變占空比控制的思想已經(jīng)應用于高功率因數(shù)的DCM PFC 變換器[15]，將此方法應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)，使雙向變換器開關管Q1 的占空比按照理論值變化，將會使雙向變換器直流側電容電壓按照理論形式變化，那么輸入電流也會以兩倍輸入頻率的交流基準變化。由于雙向變換器開關管Q1 和Q2 是互補導通的，那么為了實現(xiàn)簡單，這里選擇控制開關管Q2，由式(15)可以得到其占空比d'為：

　　4.仿真驗證

　　為了驗證改進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驅動電流的畸變，用Saber軟件搭建了一個采用改進型控制策略的無頻閃無電解電容AC-DC LED驅動電源。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型控制策略時滿載和半載下的仿真波形，此時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分別給出了改進前后滿載和半載輸出電流的頻譜，可以發(fā)現(xiàn)采用改進型的控制策略可以大大減小LED驅動電流中的低頻分量，抑制LED輸出電流的畸變，仿真結果驗證了此方法的正確性和有效性。

　　5.結論

　　本文對無頻閃無電解電容AC-DC LED 驅動電源

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

　　了直流側電容電壓紋波造成的雙向變換器非線性問

　　題，為了減小雙向變換器輸入電流對兩倍工頻交流電

　　流基準的跟蹤誤差，提出了一種改進型變占空比的非

　　線性控制策略，改善了原先LED 驅動電流畸變的問

　　題。

　　參考文獻

　　[1] Azevedo I, Morgan M, Morgan F. The transition to

　　solid-state lighting. Proceedings of IEEE, 2009, 97(3):

　　481–510.

　　[2] Useful Life: Understanding LM-80, Lumen maintenance,

　　and LED fixture lifetime. Available:

　　http://www.colorkinetics.com/support/whitepapers/LEDLi

　　fetime.pdf.

　　[3] Electromagnetic compatibility, Part 3, Section 2. Limits

　　for harmonic current emissions (equipment input

　　current≤16A per phase), IEC 61000-3-2.

　　[4] Aluminum electrolytic capacitor application guide.

　　Available:

　　http://www.cde.com/catalogs/AEappGUIDE.pdf.

　　[5] Wang B, Ruan X, Xu M, Yao K. A method of reducing the

　　peak-to-average ratio of LED current for electrolytic

　　capacitor-less ac/dc drivers. IEEE Trans. Power

　　Electronics, 2010, 25(3): 592–601.

　　[6] Gu L, Ruan X, Xu M, Yao K. Means of eliminating

　　electrolytic capacitor in AC/DC power supplies for LED

　　lightings. IEEE Trans. Power Electronics, 2009, 24(5):

　　1399–1408.

　　[7] Spiazzi G, Buso S, Meneghesso G. Analysis of a

　　high-power-factor electronic ballast for high brightness

　　light emitting diodes. Proc. IEEE Power Electron. Spec.

　　Conf. (PESC), 2005: 1494–1499.

　　[8] E. Mineiro S′a Jr., Postiglione C, Antunes F, Perin A. Low

　　cost ZVS PFC driver for power LEDs. Proc. IEEE Ind.

　　Electron. (IECON), 2009: 3551–3556.

　　[9] Pinto R, Cosetin M, Silva M, Denardin G, Fraytag J,

　　Campos A, Prado R. Compact emergency lamp using

　　power LEDs. Proc. IEEE Ind. Electron. (IECON), 2009:

　　3494–3499.

　　[10] 王蓓蓓. 無電解電容的高亮度LED驅動電源研究. [碩士

　　學位論文]. 南京航空航天大學, 2009.

　　[11] Ozpineci S, Tolbert L. Evaluation of a current source

　　active power filter to reduce the DC bus capacitor in a

　　hybrid electric vehicle traction drive. Proc. IEEE Energy

　　Convers. Congr. Expo. (ECCE), 2009: 1185–1190.

　　[12] Chen W, Hui R. Elimination of an electrolytic capacitor in

　　AC/DC light-emitting diode (LED) driver with high input

　　power factor and constant output current. IEEE Trans.

　　Power Electronics, 2012, 27(3): 1598–1607.

　　[13] Wang S, Ruan X, Yao K, Tan S-C, Yang Y, Ye Z. A

　　flicker-free electrolytic capacitor-less AC-DC LED driver.

IEEE Trans. Power E