电力基础电路 3

现代电力电子电路·ModernPowerElectronicsCircuit第7章LED驱动技术目录7.1无电解电容的LED驱动电路7.2基于有源功率解耦的LED驱动电路7.3LED均流电路目录

7.1无电解电容的LED驱动电路

7.1.1输入电流注入谐波方案

7.1.2脉动电流驱动方案7.1.3输出功率动态调节方案传统LED驱动电路在交流供电场合，为满足功率因数要求，驱动器需要进行功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）采用电解电容来缓冲输入交变功率和输出直流功率间的不平衡电解电容寿命较短无法匹配LED驱动器的整体寿命传统单级式LED驱动器传统LED驱动电路LED驱动器的主要波形假设交流侧功率因数为1，输入电压、输入电流分别表示为（7.1）（7.2）瞬时输入功率pin(t)表达式为（7.3）平均输入功率等于输出功率（7.4）传统LED驱动电路LED驱动器的主要波形在[Tline/8，3Tline/8]时间段内Cb充入能量ΔE为：由上述两式可得Cb的容值计算公式为（7.5）ΔE也可表示为：（7.6）（7.7）改进措施影响储能电容Cb容值因素主要分为：1)输入和输出的能量脉动差ΔE2)容值与Ucb_ave和ΔUcb的乘积成反比消除或减少电解电容的方案:减小交流输入功率pin(t)脉动以减小ΔE增大直流输出功率Po脉动以减小ΔE增大储能电容Cb上的平均电压Ucb_ave增大储能电容Cb上的纹波电压ΔUcbLED驱动器的主要波形目录

7.1无电解电容的LED驱动电路

7.1.1输入电流注入谐波方案

7.1.2脉动电流驱动方案7.1.3输出功率动态调节方案输入电流注入谐波输入电流注入谐波方案为了减小输入功率pin(t)脉动，在输入电流中适当注入奇次谐波可减小输入功率脉动，从而减小储能电容Cb当输入电压为正弦波时，基波与3次、5次、7次谐波的瞬时输入功率波形如右图所示。在[Tline/8，3Tline/8]时段内，基波的瞬时功率大于输出功率；而在[3Tline/8，5Tline/8]时段内，基波的瞬时功率小于输出功率。三次谐波可以最大程度地抵消基波的瞬时输入功率脉动。输入电流注入谐波输入电流注入谐波方案随着I3*的增大，输入功率在半个工频周期内的脉动逐渐减小，也即储能电容在半个工频周期中需要储存的最大能量差减小，因而所需的电容量也减小，但I3*增大过多，反而又增大了输入功率脉动，因此，需要加入合适的I3*。输入电流叠加三次谐波后不再是正弦波，功率因数会随着注入三次谐波的增加而减小，牺牲了功率因数，仅适用于对功率因数要求低的场合。目录

7.1无电解电容的LED驱动电路

7.1.1输入电流注入谐波方案

7.1.2脉动电流驱动方案7.1.3输出功率动态调节方案脉动电流驱动直接使用含有两倍频脉动的电流驱动LED，输出功率中也包含两倍频纹波，可有效减少输入与输出功率脉动差

将导致LED产生频闪无电解电容的反激变换器目录

7.1无电解电容的LED驱动电路

7.1.1输入电流注入谐波方案

7.1.2脉动电流驱动方案

7.1.3输出功率动态调节方案输出功率动态调节动态增加或减少LED负载来减小甚至消除电解电容以ExClara公司开发的芯片EXC100为例，输入交流整流后，直接接入多串分段的LED芯片

（无须电解电容），使得

其输出电压保持为半个正

弦波的样子每串LED无法同时点亮存在100Hz/120Hz低频闪烁EXC100外围电路及典型波形目录

7.2基于有源功率解耦的LED驱动电路

7.2.1基于并联Ⅰ型RCC的LED驱动器

7.2.2基于并联Ⅱ型RCC的LED驱动器7.2.3基于串联Ⅰ型RCC的LED驱动器

7.2.4基于串联Ⅱ型RCC的LED驱动器基于有源功率解耦的LED驱动电路在电路中引入纹波抑制电路（RippleCancellationCircuit，RCC）作为储能单元，将交流侧的纹波功率转移至RCC中，有效实现功率解耦RCC的无源储能元件与负载实现了隔离，储能元件外特性不受LED负载限制消除电解电容，获得高功率因数基于并联Ⅰ型RCC的LED驱动器基于并联Ⅰ型RCC的LED驱动器RCC直接并联在PFC级输出端口，缓冲全部的二倍频纹波功率RCC和储能电容Cb设计为一个双向Buck-Boost变换器当pin(t)>Po，RCC为Boost电路，

给Cb充电当pin(t)<Po，RCC为Buck电路，Cb放电给LED负载基于并联Ⅰ型RCC的LED驱动器基于并联Ⅰ型RCC的LED驱动器此类驱动器中储能电容Cb上的直流电压Ucb_ave可增大；同时，储能电容Cb与负载隔离，电容上允许有较大的纹波ΔUcb，电容Cb的容值可以减小。需要注意的是，为使Buck-Boost双向变换器可以正常工作，需要保证Cb的最低电压高于Uo。基于并联Ⅱ型RCC的LED驱动器基于并联Ⅱ型RCC的LED驱动器以并联Ⅰ型RCC为基础，在PFC输出端口增加一个端口，形成第三端口当pin(t)>Po，PFC电路给

Cb充电当pin(t)<Po，Cb通过RCC电路放电给LED负载基于并联Ⅱ型RCC的LED驱动器当pin(t)<Po时，Cb释放能量，S3一直处于导通状态，S2用于控制为LED提供恒定工作电流当pin(t)>Po时，Cb处于充电状态，此时S2一直处于关断状态，S3用于控制为LED提供恒定工作电流典型电路及主要工作波形pin(t)<Po时的主要开关波形pin(t)<Po时的模态分析开关模态1[0,t1]t0时刻之前，ip和im都为零，Co向LED负载供电。t0时刻，S1导通，假设uin在一个开关周期内保持不变，则im从零开始线性增加pin(t)<Po时的主要开关波形开关模态2[t1,t2]t1时刻，S1关断，S2开通，S3一直处于开通状态，但此时没有电流流过S3。此时Cb放电，im继续线性增加pin(t)<Po时的模态分析pin(t)<Po时的主要开关波形开关模态3[t2,t3]t2时刻，S2关断，储存在变压器中的能量经二次整流电路向Co释放，t3时刻，iR降为0pin(t)<Po时的模态分析pin(t)<Po时的主要开关波形开关模态4[t3,t4]变压器一、二次侧绕组都没有电流流过，变压器被磁复位，只由Co向LED负载供电pin(t)<Po时的模态分析pin(t)>Po时的主要开关波形开关模态1、4与pin(t)<Po时类似在t1时刻，关断S1，开通S3，储存在变压器中的能量经二次整流电路向Co释放，t2时刻关断S3开关模态2[t1,t2]pin(t)>Po时的模态分析pin(t)>Po时的主要开关波形S3截止后，变压器中剩余的能量将通过一次绕组Np1和续流二极管Da1释放到Cb中，im线性下降且在t3时刻，im降为0开关模态3[t2,t3]pin(t)>Po时的模态分析基于串联Ⅰ型RCC的LED驱动器基于串联Ⅰ型RCC的LED驱动器将RCC的纹波抑制电容与储能电容串联，通过控制纹波抑制电容输出电压，补偿储能电容上的电压波动，从而实现功率解耦基于串联Ⅰ型RCC的LED驱动器主电路由一个Flyback构成，RCC选用一个全桥逆变电路，其输出电压uca为100/120Hz的交流电压，由于其端口流过的电流为LED的直流电流，因此理论上全桥逆变电路既不消耗功率也不吸收功率，可以保持Caux能量平衡。基于串联Ⅰ型RCC的LED驱动器基于串联Ⅰ型RCC的LED驱动器Ca上电压uca的交流分量与Cb上电压ucb纹波分量幅值相等、相位相反，实现纹波抑制。Cb上允许有较大的纹波电压ΔUcb，进而其容值可进一步减小。由于RCC的输出端口电压远低于单级PFC变换器的输出电压，RCC开关管承受较小的电压应力。基于串联Ⅰ型RCC的LED驱动器基于串联Ⅱ型RCC的LED驱动器基于串联Ⅱ型RCC的LED驱动器LED驱动器将pin(t)分为用于产生主输出Uo1的大部分直流功率和用于产生较小输出Uo2的小部分纹波功率通过控制纹波抑制电容Ca上的电压实现直流驱动LED增加电压钳位电路防止LED负载输出电压失控目录

7.3

LED均流电路

7.3.1有源均流技术

7.3.2无源均流技术7.2.3复合式无源均流技术带有平衡电路的LED支路在大功率应用场景下，LED采取串并联相结合的方式受工作时间、个体差异等因素影响，每个LED之间的伏安特性存在差异，进而导致每条LED支路中的电流并不完全相等通，降低了整体的寿命和可靠性在每条支路上串联一个平衡电路以实现均流LED均流电路目录

7.3

LED均流电路

7.3.1有源均流技术

7.3.2无源均流技术7.2.3复合式无源均流技术有源均流技术线性电流调节器两种电流调节器功率器件工作于线性状态补偿驱动电压与LED导通压降间的电压差实现均流开关模式电流调节器通过DC/DC变换器调节每路电流相较于线性电流调节器，其效率与成本较高有源均流技术PWM均流方案调节每条支路的占空比，

使得其平均电流相等PWM均流控制的LED驱动方案大导通电流会导致LED出现发热

问题，LED一般工作在器件手册

推荐的电流值，Uo应尽量接近其

对应的导通电压PWM均流方案发光效率优化原理温度为T0时，为保证所有LED支路

导通，使Uo=Uo1，此时A点导通电

流最小，设为IMIN，其导通占空比

最大，即为1不同温度下的一组LED伏安特性曲线温度升高为T1时，三条支路的工作

点由A~C变化为A1~C1，此时只要保证IMIN=ILED，即可保证各路LED最优效率输出PWM均流方案最小导通电流幅值反馈的功率控制策略最小导通电流幅值反馈的功率控制电路每条LED支路连接均流开关管S1,2,…,N和一个采样电阻RS对于UiREF的选取，应使至少一条支路占空比为1，导通电流幅值为IM目录

7.3

LED均流电路

7.3.1有源均流技术

7.3.2无源均流技术7.2.3复合式无源均流技术无源均流技术基于磁性元件的无源均流技术基于串联变压器的电流均衡方法基于变压器的无源均流技术采用匝数比相同的变压器，通过一次侧串联来实现多条LED支路电流均衡无源均流技术基于磁性元件的无源均流技术基于电感的无源均流技术基于电感的无源均流技术利用磁链平衡原理实现两条支路电流相等，两条支路上的LED导通电压差异由耦合电感来吸收无源均流技术基于电容的无源均流技术与利用耦合电感实现支路均流的原理类似，此方案利用电容电荷平衡原理来实现均流。在一个周期内，反并联的两条支路分别流过对称交流电流的正、负半周，同时轮流给电容进行充放电，由于电容在一个周期内电荷平衡，进而LED支路均流，支路间的电压差异由电容来承受电容电荷平衡实现两条LED支路均流基于电容的无源均流技术基于辅助开关的电容均流技术基于辅助开关的电容均流结构通过电容结合辅助开关搭建类似树状级联结构来实现偶数条支路均流在正半周期时，开通S1和S3，关断S2和S4，此时C3通过C2和#3LED支路连接在负半周期时，开通S2和S4，关断S1和S3，此时C3通过C1和#