智能控制及在电力系统中的应用.doc

_ 智能控制及其在电力系统中的应用 课 程 名 称 智能控制及其在电力系统中的应用 专 业 电气工程 研 究 生 姓 名 学 号 任课教师姓名 2017年 6月26日精品资料高光效可独立调光的LED均流电路一、研究背景LED光源具有光效高和寿命长的特点，因此被广泛应用在家用、商业和工业等领域1。目前市场上大部分LED光源的单片封装功率为13W，这是由于大功率的单片封装难以解决其散热问题。因此，在大部分照明场合，如液晶背光源，街灯及普通照明等，需要同时使用多个LED光源才能满足照明强度要求，并且多个LED光源同时工作时，必须满足亮度均匀。而LED的输出光频谱、发光效率与LED的驱动电流直接相关，为满足亮度均匀要求，需保证流过每只LED的电流相等。最简单的方法是将多个LED灯串联连接，但串联连接的可靠性低，当任意一灯损坏时，整个LED支路无法工作，且串联个数有限，LED支路电压通常为几十伏，不超过安全电压限值。因此，大部分LED照明采用LED串并联相结合的方式。LED是半导体器件，其伏安特性符合指数关系，即电压的微小变化会造成电流的显著变化。LED导通电压除了受驱动电流影响，还受工作温度、时间及个体差异的影响。当多个LED支路并联于同一电压源时，由于导通电压存在差异，每个LED支路中的电流并不完全相等，电流大的支路的LED灯易发生光衰、老化加速甚至熄灭，降低了LED灯的寿命和可靠性。二、LED的特性简介目前LED的单片封装的功率一般是1-3W，大部分LED照明灯具采用LED串并联相结合的方式，驱动方式采用恒流驱动方式，必须保证流过每只LED的电流相等来满足照明亮度均匀。LED是半导体器件，其伏安特性符合指数关系，电压的微小变化会造成电流的显著变化。虽然单颗LED的功率不断提高，但在上述大功率LED照明领域，仍需采用多颗LED串联、并联或串并联组合。基于下述原因，LED宜采用恒流驱动已形成共识：1）LED的光通量、亮度等光度学指标与流过LED的平均电流基本呈线性关系；2）LED的正向电压与正向电流呈指数关系，很小的电压波动会导致电流出现较大波动；3）由于LED制造等的分散性，在正向电流相同的条件下，正向电压存在较大差异，甚至达到30%以上。LED串联可保证流过每个LED的正向电流相等，但太多的LED串联导致其驱动电压过高、可靠性降低，LED导通电压除了受驱动电流影响，还受工作温度、时间及个体差异的影响。当多个LED支路并联于同一电压源时，由于导通电压存在差异，每个LED支路中的电流并不完全相等，电流大的支路的LED灯易发生光衰、老化加速甚至熄灭，降低了LED灯的寿命和可靠性。图1 LED伏安特性曲线三、研究现状为了解决不均流问题，可给每个LED支路提供独立的电压源，每条支路电流由单独的变换器控制，电压源幅值等于LED导通压降，由LED电流和LED本身的特性决定，支路间互不影响，保证电流一致性。但该方法结构复杂，每个LED支路需要独立的电流控制和驱动电路，增加了成本。为简化均流电路结构，可采用自均流的电路拓扑来驱动LED。如：利用输出整流前的交流电流正负半周的电流相等的原理，自动实现均流。然而，这种方法需要将开关周期变为原来的两倍，增大了滤波器。另外，根据电磁耦合理论，采用耦合电感或变压器可实现电流自动均衡。但耦合元件的寄生参数影响了控制精度，且随着LED支路的增加，耦合电感的个数及电路的复杂程度呈指数倍增加。从功率变换结构上看，采用同一个电压源供电的结构是最简单的，但一个公共电压无法匹配不同压降的LED支路，因此需要额外的器件来吸收电压源与LED导通压降间的差异。在LED支路上串联电容，当每条支路的电容阻抗远大于该支路所有LED灯的等效内阻之和时，电流可实现自动平衡。由于引入电容会增加无功功率，因此需要选用电流应力更大的功率器件。在线性调制器的基础上加入了一种自适应的控制方法，自适应调整LED支路电压，减小线性电流调制器上的压降，从而减小其损耗。为进一步减小损耗，可以将线性调节器控制为开关模式，即采用PWM控制，通过调整每条支路开关器件的占空比，可以方便的实现电流平衡，该方式也被广泛应用于LED调光场合。然而，LED的发光效率与LED导通电流有关，只考虑平均电流的PWM均流控制没有考虑其对LED发光效率的影响。为提高LED灯的发光效率，本文介绍一种最小导通电流幅值反馈的PWM均流策略，在脉宽调制(PWM)均流的基础上，通过最小电流幅值反馈，调整LED支路供电电压的大小，使得LED并联支路中存在至少一条支路的均流占空比为1，其他支路的占空比尽可能大，提高LED光源的发光效率。另外，此电路在不增加额外电路和控制的基础上，可同时精确调光。 四、PWM均流下的LED发光效率优化PWM均流的核心思想是通过调节每条支路的占空比使得其平均电流相等，如图所示，N条LED支路并联连接于同一电压源Uo，每条支路串联连接一只均流开关管Q1,2.N，均流时的平均电流为ILED，对应的均流占空比分别为D1,2.N。由上式可知，PWM均流保证了平均电流相等，但对导通电流I1,2.N并未加以控制。UO应不小于任一支路的导通电压和，才能保证所有支路的LED导通。图2 PWM均流调制的LED驱动电路图3 N条LED直流电流示意图LED是非线性半导体器件，其典型的伏安特性如图3所示，在近似线性区内，导通电压的微小变化会引起LED电流的很大改变，因此，UO决定了LED支路导通电流的大小，UO增大会造成急剧增大。图4给出了LED输出光通量与驱动电流之间的关系，当工作在图3中的近似线性区内时，LED的导通电压变化相比于电流变化很小，可近似为恒定。此时，图4中曲线的斜率可近似反映出发光效率与导通电流之间的关系，当增大时，斜率下降，这是由于电流增大引起发热所影响的。因此，LED一般工作在器件手册推荐的电流值，如CREEXER白光系列的LED，推荐电流为350mA。相应地，UO应尽量接近LED工作在推荐电流值对应的导通电压和，使得I1,2.N接近推荐电流值，保证LED具有高的发光效率。图4 典型的LED输出光通量与导通电流关系曲线五、最小导通电流幅值反馈的功率控制策略图5最小导通电流幅值反馈的功率环控制电路上图给出了采用最小导通电流反馈控制的PWM均流电路的功率控制电路，每条支路连接均流开关管Q1,2.N和一个采样电阻RS，uG1,2.N驱动Q1,2.N，LED支路电流经过RS采样后，通过运算放大器放大k倍，得到的瞬时电流信号ui1,2.N。ui1,2.N经过峰值电流检测电路，得到各自的最小导通电流uP1,2.N。uiMIN与电流环基准信号UiREF分别连接电流环运放的两个端口，构成PI环调节其输出，随后与PWM锯齿波信号相交截，得到DPOWER调整LED驱动电路的输出UO。当ui1,2.NuP1,2.N，运放输出高电平，二极管导通，CP充电，直至ui1,2.N=uP1,2.N，二极管截止。RP用来释放电流尖峰或者干扰信号能量，保证uP1,2.N不受干扰信号或者电流尖峰影响，通常为几k，并不影响uP1,2.N。图6峰值电流检测电路uP1,2.N各自连接二极管的阴极，其阳极连接于同一点，通过电阻和辅助源UCC构成最小电流幅值检测电路。UF易随温度变化而变化,应取较大的放大系数k使，这样可以忽略UF由温度变化造成的压降变化对均流精度的影响。要使得发光效率高，N条LED支路中至少存在一条支路的占空比为1。假设第M条支路DM=1，则其导通电流最小，设为，此时，该支路的LED导通压降之和最大，则，因此，只需设置UiREF满足上式，LED驱动电路就可输出自调整的UO，保证各条LED支路以最优光效输出。6、 平均电流反馈的均流控制策略LED主功率电路控制采用导通电流反馈，而PWM均流控制的是平均电流，因此每条LED支路需要单独的平均电流反馈控制环路，如图8所示。图6中采样后的瞬时电流信号ui1、ui2,uiN，经过Rf和Cf构成的低通滤波器，将其PWM信号滤成平均量uavgi1,2.N，然后与均流基准信号UiSHARE1,2.N构成均流电流环，调制生成不同占空比的驱动信号uG1,2.N，驱动均流开关管Q1,2.N对于低通滤波器来说，Rf和Cf需满足频率要求，即PWM均流控制的是平均电流，因此每条LED支路需要单独的平均电流反馈控制环路，图中采样后的瞬时电流信号ui1、ui2,.,uiN，经过Rf和Cf构成的低通滤波器，将其PWM信号滤成平均量uavgi1,2.N，然后与均流基准信号UiSHARE1,2.N构成均流电流环，调制生成不同占空比的驱动信号uG1,2.N，驱动均流开关管Q1,2.N。Rf和Cf需满足频率要求，这种无法达到LED光效的最优输出，可以用于LED的调光控制。PWM调光具有光色稳定等优点，已被广泛应用在LED调光应用中，但增加了额外的控制电路和成本。在本文中，LED均流和调光均是控制其平均电流，因此，在PWM均流电路上可容