一種驅(qū)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(jìn)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(shù)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(dá)到80000- 100000 小時[2]。對于單級式的LED 驅(qū)動電源，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 照明需要一個功率因數(shù)校正變換器(Power Factor Correction, PFC)。當(dāng)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(qū)動電源整體壽命的主要元件。為了提高AC-DC LED 驅(qū)動電源的使用壽命，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，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(qū)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(qū)動LED 一般用于景觀或者街道照明，在一些對光源質(zhì)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(xiàn)[13]提出了一種無頻

　　閃無電解電容的AC-DC LED 驅(qū)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(gòu)成低通濾波器，以阻止開關(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(qū)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(cè)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(jìn)一步減小容值，可

　　以適當(dāng)提高Cdc 的直流平均電壓。

　　本文在無頻閃無電解電容AC-DC LED 驅(qū)動電源的基礎(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關(guān)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(qū)動電流發(fā)生了畸變。針對無頻閃無電解電容AC-DCLED 驅(qū)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(jìn)型的控制策略，降低直流側(cè)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(zhǔn)的能力，消除LED 電流的畸變。

　　2.無頻閃無電解電容AC-DC LED 驅(qū)動電源的基本概念

　　文獻(xiàn)[13]詳細(xì)分析了無頻閃無電解電容AC-DCLED 驅(qū)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(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(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：