一种单级非隔离无电解电容LED驱动电源的研究.docx

1、宓信息括术20184第1文章编号:1009-2552（2。18）1。TO88-06DOl:1013274jcnkihdzj201810018一种单级非隔离无电解电容LED驱动电源的研究廖志凌诉顾赞。邱殿成（江苏大学电气信息工程学院i江苏镇江212000）摘要：传统LED驱动电源为了获得高功率因数需要采用电容来减小输出电流纹波R基于功率密度等方面的考虑府大电解电容被广泛采用野这种方式牺牲了LED驱动电源的使用寿命用文中提出了一种基Boon变换器和Buck变换器的交错并联单级型驱动电源野通过增大储能电容平均电压降低容值就不仅减小了驱动电源的体积。并且实现了功率因数校正由减小了输出电流两倍工频交流分

2、量R最主要的是实现了使用非电解薄膜电容代替了电解电容由延长了LED驱动电源的使用寿命用文中分析了所提出变换器的工作原理并设计了一台样机进行了实验验证冲关键词：LED驱动电源D单级R交错功率因数校正A无电解电容！恒流中图分类号TP391文献标识码A_AsinglestagetransformerlesselectrolyticcapacitorlessLEDdriverLIAOZhilingiGUYunc；rojliccapacitoraseneigystoragecomponents!whoselifebecomesthemainfactorlha:restrictthelifeofLEDdr

3、iveriandwillimilthepowerdensitytoiurlherimproving.Therefore!ahybridconverterbasedonBoostconverterandBuckconverierispresen:ed.Byincreasingtheaveragevoltageoitheenergystoragecapacitorfilcannolonlyremovetheelectrolyticcapaci:oribulalsoprolongtheservicelifeofiheLEDdriver.TheproposedLEDdriverachievesapow

4、erfactorcorrectionandreducesIhetwicefrequencyrippieinoutputcurrent.ThenIheoutputcurrentcanaImosloperateconstantly.Thispaperanajzes!heworkingprincipleofthisconverterandpresentsaprototypetogiveoutiheexpeiimentalresulls.Keywords：ligh:emittingdiodedrTerisinglesiagejpowerfactor）electrolyticcapacitoiless）

5、constantDUiH：ULLUlo引言发光二极管（LightingEm:tlingD:odeiLED）因节能环保、安全可靠、寿命长等方面的优点*并且比传统光源拥有更高的照明效率。正逐步取代传统灯具成为主要照明来源曰LED因本身的光学特性和热特性S须采用特定的恒流驱动电源VLED驱动电源成为目前电力电子行业的研究热点一月为了满足IEC61000-3-2的谐波要求和美国能源之星的标准m为减少对电网的污染iLED灯掣的驱动电源需实现功率因数校正（PowerFacIorCorreci（PFC）I当功率因数足接近li变化的瞬时输入功率与恒定的瞬时输出功率之间存在着功率差K将会引起输出电流纹波#需要采

6、用大容值的电解电容来消蜘”传统的电解电容的寿命仅5千小时左右B与LED本体810万小时的寿命相差较大U电容的寿命制约了LED驱动电源的使用寿命#为了解决LED驱动电源寿命受制于电容寿命的现状彳近年来专家学者做了广泛的研究主要的分为改进控制策略。和优化拓扑结构2刘收稿日期：2018-03-12作者简介：廖志凌（1971-）（男i博士i教授i研咒方向为太阳能光伏发电光伏并网逆变器控制技术等H文献8-9提出了改进控制驰动电源的策略向胆动电源的输入端寸注入3次或5次谐波电流小降低输入电流的峰的平均比值面来降低输入输出功率的不平衡用其缺点在于f该方法通过注入3次或5次的谐波电流换取电容容值的降低川牺牲了

7、功率因数在对功率因数要求普通的场合适用如文献1DT1提也了利甬脉冲电流驱动LED负载的控制方法R减小驱动电源输入端和输出端之间的功率脉动差值面降低辅助储能电容容值3该方法的缺点在于X脉动电流会对LED的光学特效产生影响#会有一定程度的频闪现象巾并含有较多二倍工频分量股文献12-15提出了优化电路拓扑的结构i通过增加辅助储能元件来处理输入和输出端之间的脉动功率J通过维持输入功率P：与输出功率P，间的功率差不变N增大电容的平均电压或增大纹波电压*达到减小储能电容容值的效果其基本方法是将输入和输出端功率之差0通过辅助的储能电路转移到辅助的储能元件上#达到平衡输入输出功率之差的目的t常采用储能电容或电

8、感作为辅助储能元件用增大储能电容上的电压纹波或者平均电压可以有效减小电容容值#从而可以用薄膜电容或者陶瓷电容代替电解电容W本文在上述文献的基础上*提出一种无电解电容LED驱动电源方案S该变换器为基于BoostFPC变换器和Buck变换器的交错并联型驱动电源#处理输出功率的Buck变换器工作在断续模式N无需使用复杂的控制电路杵可实现功率因数矫正功能#该驱动电源不仅功率因数较高寸输出电流也近似为恒定的直流月其储能电容容值较小&可用薄膜电容代替电解电容8储能电容处理全部功率目本文详细分析该变换器的工作原理*并对其进行实验验证其1无电解电容LED驱动电源工作原理图1给出了所提出的LED驱动电源的电路框

9、图*它由整流桥儿顶入泌波电81、输入滤波电容c和共用一个开关管的Boost和Buck变换器构成i其+：Boo$iPFC变换器由电感邪开关管Q】、二极管D待中袒能电容Cb构成JBUCk变换器由开关管Q1.电.秘L.毓DLD3和输出电容c，构成I中间帷电容Cb既是Boost变换器的输出电容*又为Buck变换器提供能量巾平衡了脉动的瞬时输入和恒定的瞬时输出间的功率差#下面分析其开关模态财在分析过程中假设：所有开关管和二极管均为理想器件i开关频率h远大于电网频奉仃图1无电解电容LED驱动电源的电路图 一个开关周期内巾储能电容以的电压Vcb保持不变旧输入电压V静保持不变开关管Q1导通时间占空比为DIiH

10、JJ8L1放欢占空比为D2S电捞L2做电占空比为D3i电感电流Bl濒工作时间占空比为D4)交错并联型BoostBuckLED驱动电源的电感L)以ft电娘L2工伟于DCM模式，11L1的故点占必纳D2I-D仃电芯L2的放电占窒比为D3D2cI-DII在半个工绍罔期内？它的工作模式可分为3个阶段f共由5种开美模；$炕成，其3个图2半个工频周期内各工作阶段1.1阶段1当整流后的输入电压vn(i)TU(t)时i驱动电源工作在阶段3N阶段3有四种工作模态:模态1、模态3、模态4、模态5N其中模态1、模态4及模态5与阶段B类似$在此不再赘述#模态M对应图3(c)IVL1(|)|-V(i(I)=i(I)(I

11、-I)(7)L1LH+L：1在阶段3中R由于Boost变换器的增益系数影响R此阶段中瞬时输入电压E无法为电感L以中间濒电容充电4储能电容为输出滤波电容及负载供能*电压持续下降月2特性分析2.1输入电感L1电流分析为使分析过程简化K假设:交流输入电压vin为理想正弦电压储能电容的电压方在一个开关周期中保持不变月拓扑正弦交流输入整流后的电压儿(【)为：T.“i)=Vlim|sinotI(8)式中fv心为输入电压幅值i3为输入电压角频率I在一个开关周期内,驱动电源电感L|的恤电流为:(lJ传统DCMBoosl变换器的占空比D为n-tTPr1sin2o|-Jjlv7(H)传统的DCMBm变换器具有较大

12、的二倍工频纹波i根据式(13)和式(14)可以推算iDiDf结合式(12)可以得知fBoost与Buck变换器交错并联后的改进型变换器的输出电流纹波较小巾改善了传统DCMBo变换器的缺点J2.2储能电容Cb电压分析储能电容电压、输出功率及时间的变化关系结合输入功率Ph和输出功率P,.之间的关系可以推导出储能电容容值为：Pb222sP,Cb_mnCb_mn)CbCb_iT(15)UcUD=/ucbmn-2$in2G)l)(、)式中Ua为储能电容Cb的峰值电压KAIM=u：m-ucLmJU为储能电容C&电压平均值(17)UcLmin+Ucim”r根据式(15)推算I要使储能电容容值有效降低R可采用

13、增大储能电容电压纹波或增大储能电容平均电ffil本文采用了两者结合的方式DCMf(th)(iin(oi-0112L】(T,n+%)UCiz(18)Li(t)=TV01T2off的平均电压以及电压纹波N使得储能电容容值有效降低M2.3功率因数分析根据式(9)与凶(1、)可以得：-v)!-0ViiM_V)一tbL.+L：(19)0(式中菖=amin(M)iLn为开关管Q导通时间Lu为开关管关断时间月将式(1。)式(11)式(19)代入式(12)可得：V芸Va【in+ViD_M-V。)+V!io_M式中llKL-L=L“Ll+L2)根据式(19)和式(20)中i可得所提出的LED驱动电源的功率因数为

14、：V2-V2ib*in_M1v!vnMPF=2Pn2!iin(：)V3in(2Ml)d(2H,l)in一。一1【.一.VI7_h炒Op1：iMnM/?en1g)IG(20)O(0Uh85V22恒定N3实验结果与分析为了验证所提出的LED驱动电源的正确性*搭建了一台样机N其主要参数如下:交流输入电压为110V-.220V/50Hzj负载采用4个白光LED串联输出电压为48VK输出电流平均值Io=400mAl辅-8h】0V范围内ifPF值均大于0.9Otf并且几乎保持助储能电容Cb为4.7uFj600V,输出滤波电容C为10yF/100Vi|电感的u为32同升关频率f,为100kHz#图6给出了2

15、20VAC输入下*输入电压及输入电流的实验波形月由图6可以看出I?输入电流可跟踪输入电压的变化N实现了功率因数校正功能#与分析结果基本吻合月-AarcsinK-KKJ),2|)n；aicsinv.:J.“/r+G-r+5%广亡式中F=VyJV京根据式(1?)和式(19崩通过计算可以得出PF值与交流输入电压及不同KL-L之向的关系曲戏H图5所示$在输入电11；保桥不变时iKL-L的tfl越小i与KL-L2.84Bt：在交流粉入0.980.920.900.960.9485110140170200230265图6交流输入电压叽、输入电流L,0.88图5PF值、交流输入及KL-L的关系图图7为储能电容

16、S电压和输出电流I。用储能电容电压周期呈现为两倍工频#用来储存和提供能量月输出电流近似恒定N两倍工频纹波很低中用图8给出了此驱动电源在满载时在各个输入下的PF值变换曲线月图中彳PF为功率因数巾u,n为输入电压用在整个输入电压范围内*PF值均大于0.94#4结束语朱文提出了一种交错并联型LED驱动电源*以解决传统LED驱动电源寿命、PF及输出纹波等方92结合式及式fu、晌和“为:2P0wCbBoosFBuck交错并联变换器中的Bo回路i结合了传统DCMBooji变换器具有较大输出纹波及升压的特征*为中间储能电容充电*增大了储能电容(遂、V-UOOZ)In(遂、V-UOOZ)Inf（4ms/格）S

17、/VU-OOZ)ES图7中间储能电容电压UD输出电流L图8PF随输入电压变化的曲线面的问题甘通过实验验证诉所提出的驱动电源可以达到较高功率因数并可有效地去除了电路中的电解电容K提升LED驱动电源的寿命W在一定程度上解决驱动电源与LED本体寿命不匹配的问题对参考文献：1ChaWooiuniChoYongwon!KwonJungmin.SinjltPowerCodverjionLEDBitkligktDriringSystemWiihHighPowerFatlorConlrolI.1EEETnns.Journa.o!DiiptyTechnologyon；10(5)：407-413.2 Almeid

18、aXCamponojaraDiDdhCostae:H,AlonjofMitchingLEDindDriierLifeSpans：AReviewoiDifferealTechniqueiJ.IEEEInd.Ejclron.Migon2015f9(2)：S6-472015.(3 HuiSYiQinYX.AjenerilpholoeledroibejtntlIheoiytorlightemillinIdiode(LED)J,IEEETrinsielionsonPoweiEltcironicj(2009124(S)：967-)976.4 Drb.eM；NarendrtnN.Impactofdimmin

19、gwh:teLEDj：Chiom8licilyshiftdue!odi:(eren!dmmingmelhod5J,Proc.SPIEl2005-5941(5941):291-299.5 1EC61000-3-2.Limiiiforharmoniccunenlemissions(equ.pmtnlinpulcurrenl16Aperphase)S).IECEledrolecbincalStandard(2009.6jHimedValipourfGhuemRenzUehiMohtmmadRenZolghidriiFickerFreeElectrolyticCtptcitorLhUniitria；i

20、nputOfflineLEDDriverWithRFCJ.IEEETrtnjactionsonPowerEeclronicson-2fl1631(9)：0885-8993.7 PACSL：Auminume.ecirojiiccapicilor&pp：calion;uideEBOLj.LibertfSC：CornellDubilier.blip：IIcatalogsAEippGUIDE.pdf.8 U.S.Depi.EneigNLifetimeofWhileLEDjitntrfyeificiencyandrenwableenergjC.Washing函iDCfUSAiSep.2009.9 Wan

21、gB(RuedXfYioK(eli).Amelhodofreducingibptiktoaieragertl:oofLEDcurrenlforeeclroiyliccipacitor,e$tACDCdriTtr$J.1EEETrmiatiionsofPowerElectronicson(2010(25(3)：592-601.10 GuL-RuanX(XuMieltl.Meansoleliminalinseecirolyiiccapicitor:nACDCpowersupp.iesforLEDligbtinguJ.IEEETrsnsacLoniofPowerEletlronicon2009(24(5)：1399-1408.11 ZhangFanj_hui(NiJianlunfYuYijie.HighpowtrItclorACDCLEDdriverwilhfilmcapat?.orJ.IEEETrmstctionsonPowerEedronitsonf2013(28(18):4831-B40.12 N：Jitnj