發(fā)布時(shí)間：2022-01-10 02:24

　　發(fā)光二極管（Light-emitting diode,LED）具有光效高、顯色性好、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛用于路燈、背光顯示、信息標(biāo)牌、汽車(chē)和建筑照明等領(lǐng)域。LED的照明質(zhì)量往往由LED驅(qū)動(dòng)電源的性能直接決定,所以LED驅(qū)動(dòng)電源必須具有高可靠性、高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步改善LED驅(qū)動(dòng)電源在寬范圍輸入電壓下的性能,提出了一種多模式寬范圍電壓輸入高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)器,本文主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,本文指出了在高輸入電壓下母線(xiàn)電壓高、在低輸入電壓下效率低、含有電解電容是制約LED驅(qū)動(dòng)電源性能的主要因素。此外,對(duì)現(xiàn)有LED驅(qū)動(dòng)器性能進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)它們均難以在寬范圍輸入電壓下實(shí)現(xiàn)高可靠性、高效率和低成本,為改善LED驅(qū)動(dòng)器在寬范圍輸入電壓下的性能提供基礎(chǔ)和方向。其次,針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器在高輸入電壓下工作時(shí)母線(xiàn)電壓高、器件電壓應(yīng)力大、開(kāi)關(guān)損耗高等問(wèn)題,所提多模式LED驅(qū)動(dòng)器工作于半壓輸入模式（Half Voltage Input Mode,HVIM）。雙向開(kāi)關(guān)斷開(kāi),高輸入電壓由輸入電容均分,有效地降低了母線(xiàn)電壓,從而提高了系統(tǒng)效率,降低了成本。此外,在討論了半壓輸... 

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【部分圖文】：

單級(jí)式AC-DC LED驅(qū)動(dòng)器

在單級(jí)式AC-DC LED驅(qū)動(dòng)電路中,會(huì)經(jīng)常采用降壓(Buck)和反激(Flyback)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以適應(yīng)中小功率場(chǎng)合的要求。但在具體應(yīng)用場(chǎng)合,兩者又有所區(qū)別:當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)需隔離時(shí),則降壓電路是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案,但降壓電路的輸出電壓受電路降壓特性所限只能低于輸入電壓峰值,從而限制了其應(yīng)用范圍;反激電路具有輸入與輸出相隔離的特性,故在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要隔離時(shí),應(yīng)首先選擇反激電路,此外反激電路可以通過(guò)調(diào)節(jié)匝數(shù)比來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電壓輸出,適用范圍更廣。基于反激電路的傳統(tǒng)單級(jí)式AC-DC LED驅(qū)動(dòng)器如圖1.3所示[13]。對(duì)于反激電路,如果要自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能,最簡(jiǎn)單直接的手段是使其在電流斷續(xù)模式中工作。但開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力較高是這種工作方式面臨的最突出的問(wèn)題,一方面不得不使用額定電壓更高的開(kāi)關(guān)管,這將導(dǎo)致系統(tǒng)成本的上升。另一方面這將導(dǎo)致較大的開(kāi)關(guān)損耗,系統(tǒng)效率偏低。因此常應(yīng)用于低功耗和對(duì)效率要求不高的場(chǎng)合。若要降低反激電路中開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力,可使其工作在電流連續(xù)模式,但該模式下輸入電流為非正弦曲線(xiàn),這意味著犧牲了系統(tǒng)的功率因數(shù)。此外,對(duì)于反激電路以及大多數(shù)的非隔離式電路,開(kāi)關(guān)管以硬開(kāi)關(guān)模式工作,系統(tǒng)效率因此降低。雖然已經(jīng)提出了一些新的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)如諧振軟開(kāi)關(guān)來(lái)克服這些問(wèn)題,但諧振單元的加入將導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加,而在小功率應(yīng)用場(chǎng)合首先考慮的是成本,因此單級(jí)式驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋺?yīng)用范圍有限。一般而言,研究者更傾向于添加變換器構(gòu)成多級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而不是僅使用只有一個(gè)變換器的單級(jí)式結(jié)構(gòu)。其中主要的原因是大多數(shù)情況下AC-DC LED驅(qū)動(dòng)電源需要同時(shí)滿(mǎn)足很多要求,比如功率因數(shù)校正、長(zhǎng)的系統(tǒng)使用壽命、各個(gè)LED支路間的電流均衡、避免產(chǎn)生頻閃和高效率,而僅通過(guò)單級(jí)式驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋪?lái)完成這些任務(wù)往往是十分困難的。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器而言,目前最迫切的任務(wù)是將長(zhǎng)的系統(tǒng)使用壽命和高效率結(jié)合在一起。AC-DC LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性受到很多條件制約,而電解電容由于壽命較短是最主要的因素。因此延長(zhǎng)LED驅(qū)動(dòng)器壽命最直接的方法就是使用薄膜電容來(lái)替代電解電容。但是薄膜電容亦有不可避免的缺點(diǎn),就是在與電解電容相同的容值和耐壓等條件下,體積過(guò)大。為了避免LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積過(guò)大,需要盡可能減小電容容值。文獻(xiàn)[14]中實(shí)現(xiàn)了在單級(jí)式LED驅(qū)動(dòng)器中使用薄膜電容,但是在系統(tǒng)的輸出電流中含有較大的電流紋波,這可能會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)光特性下降甚至產(chǎn)生頻閃。

目前最普遍的做法是使用兩級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的電路控制和延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壽命(使用薄膜電容代替電解電容)。一般而言,兩級(jí)式驅(qū)動(dòng)拓?fù)浒β室驍?shù)校正級(jí)和功率控制級(jí),第一級(jí)為功率因數(shù)校正級(jí),以改善系統(tǒng)功率因數(shù)為主,第二級(jí)為功率控制級(jí),通過(guò)一個(gè)DC/DC變換器來(lái)調(diào)節(jié)LED負(fù)載電流,如圖1.4所示。兩級(jí)獨(dú)立工作具有的優(yōu)勢(shì)是單級(jí)式驅(qū)動(dòng)拓?fù)錈o(wú)法比擬的,如前所述,不同于單級(jí)式驅(qū)動(dòng)電路中功率因數(shù)校正級(jí)的輸出直接加到LED負(fù)載上,兩級(jí)式電路中PFC輸出會(huì)經(jīng)過(guò)第二級(jí)調(diào)制到LED所需水平,可以增加母線(xiàn)電壓并允許出現(xiàn)更高的電壓紋波,因此可以極大地減小所需母線(xiàn)電容的容值,從而使用薄膜電容替代電解電容以延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命,與此同時(shí)還可以改善系統(tǒng)功率因數(shù)。但兩級(jí)式驅(qū)動(dòng)電路中第一級(jí)和第二級(jí)獨(dú)立工作,互不影響,每一級(jí)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的變換器,每一級(jí)都有專(zhuān)用的控制回路以及輔助電路,且開(kāi)關(guān)管和柵極驅(qū)動(dòng)器件數(shù)量增加,因此與單級(jí)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,兩級(jí)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本大大增加。此外,由于輸出功率需要經(jīng)過(guò)兩級(jí)處理,系統(tǒng)效率會(huì)相應(yīng)地降低。為了減小能量處理過(guò)程中的損耗,很多新的技術(shù)被提出并運(yùn)用到LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中以提高系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[15]中提出了一種基于半橋諧振變換器的兩級(jí)式LED驅(qū)動(dòng)器,文獻(xiàn)[16]中提出了一種基于CLCL電路的準(zhǔn)諧振單級(jí)式LED驅(qū)動(dòng)器,分別如圖1.5和圖1.6所示。與硬開(kāi)關(guān)變換器相比,文獻(xiàn)[15,16]中的兩種LED驅(qū)動(dòng)器均通過(guò)諧振方法使第二級(jí)開(kāi)關(guān)管零電壓導(dǎo)通,從而減少LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗,在一定程度上可提高效率。


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