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提高LED灯具转换效率技术
——广东德洛斯照明工业有限公司 刘优明
2017-10-24 14:57:36  作者:  来源:中国设计师网  
  •   目前,全球能源危机日趋严重,但是由于人类生活需求的增长,用电量仍然在不断增加。据可靠统计,仅照明用电量已占全球发电量的20%左右,因此,提高照明电器的用电效率是节能降耗行之有效的方法之一。取代白炽灯、荧光灯、节能灯的高效率第四代照明灯具是什么?业界给出的答案就是LED照明。LED照明以其发光效率高、使用寿命长、节能、环保等优点成为了电光源的后起之秀,应用前景非常广阔。那么如何真正提高LED照明系统的能源利用效率,以促进实现绿色环保照明呢?这必然涉及到LED灯具转换效率技术问题,因此,进一步提高LED灯具照明的转换效率,已成为提升LED节能优势的重要课题。本文将从电路和系统的角度,对改善LED灯具的转换效率,开展一些粗浅的分析,与同行交流。
    关键字: LED

  1 设计者提高 LED 灯具效率的常见办法

  LED 灯具的损耗包括由 LED 模块用交流电子控制器装置、LED 灯珠、透镜、DC-DC 恒流驱动、磁性元件、线材、和电路布线寄生阻抗等等的固定损耗,对 LED 灯具转换效率损耗最大是 LED 模块用交流电子控制器装置、LED 灯珠和透镜。对于固定损耗,由于主要取决于设计者选型设计时考虑材料自身的特性,因此主要需要通过提高LED模块用交流电子控制器装置效率、LED灯珠光效提高和透镜材质的改进来改善,最终达到满足提高LED灯具效率目的。在LED模块用交流电子控制器装置设计效率提高方面考虑主要是电路方案、优化关键元器件参数、磁性元件选择,磁性元件兼顾集肤效应和邻近导线效应的低损耗绕线方法的研究由来已久。为了降低源自高频变压器漏感的开关脉冲所引起的开关损耗,人们研发出来了具有浪涌能量再生功能的缓冲电路等新型电路技术。以下是举例提高 LED 模块用交流电子控制器装置效率的电路和系统方法:

  (1)零电流开关(ZCS)电路、零电压开关(ZVS)是利用谐振开关技术降低开关损耗的方法;

  (2)通过延展功率器件的开关导通时间以抑制峰值电流的方法来减少固定损耗;

  (3)运用已有源箝位电路为代表的边缘谐振(Edge Resonance)来降低开关损耗;

  (4)通过利用转换器的并联结构来减少固定损耗;

  (5)在低电压大电流的场合通过同步整流电路的方法来减少固定损耗;

  (6)优化关键元器件来减少固定损耗。

  其中,第一种办法对于降低功率器件开关损耗极为有效,但是主要问题是因峰值电流和峰值电压所导致的固定损耗将会增加。第二种办法中,利用抽头电感器(Tap Inductor)方式是相当有效的,它能够减轻由漏感所引起的尖峰现象。第三种方法是为解决该问题而开发的有源缓冲器(Active Snubber),是一种极

  为实用的ZVS方式;但是,由功率小条件下的无功电流所引发的效率下降问题却是其一大缺陷。第四种办法,设计既可将整个转换器电路进行并联,也可像电流倍增器(Current Doubler)那样部分采用并联结构。第五种方法,两段式结构是实现同步整流电路高效工作的方法之一,它采用接近 0.5 的固定时间比率(Time Ratio),并由前段的转换器来进行输出电压控制。它一反“两段式结构将导致效率下降”这一传统思维模式,在低电压大电流的场合很有效。至于第六种方法,满足客户要求和结合系统成本找到设计的重点所在和各种折衷,获得一个最优化的设计。

  在 LED 灯具 LED 模块用交流电子控制器装置领域中,设计者们常把功率因素,效率和总谐波失真设置为主要性能指标,大多设计者选用临界导电模式(CRM)来设计,CRM 基本原理图如1。

图1 CRM 基本原理

  基本的CRM PFC电路转换器是参用一种相类似于如图1所示的控制方案。乘法器的一个输入端口是经桥式电路整流的输入交流线路电压的参考比例版本,另一端乘法器具有低频极点的误差放大器向参考乘法器提供一个误差信号。此乘法器输出是误差放大器的相似交流输入端的全波整流正弦波形和直流信号的乘积。乘法器内部输出的信号也是经增益系数变换后的全波整流正弦波波形,并且被当作输入电压的参考信号。此信号的幅度经调整后就可以保持正确的平均功率输出,从而使得输出电压能保持其稳压值。输出电流整形电路强制电流跟随乘法器的波形,尽管线路频率电流信号(检测后)是参考幅度的一半。电流整形网络的基本功能如下:在图2的波形中,Vref 是乘法器的输出信号。此信号被送到信号比较器的一个输入电压端口,还有另一个信号比较器输入端口则连接到电流的波形。当功率开关接通时,电感电流斜升,直到分路上的信号达到Vref 的电压电平。在此点上,信号比较器会改变状态并关断功率开关。关断开关后,输出电流斜降直到降为零。零电流检测输出电路并测量电感两端的电压,当电流达到零时,它也降到零。在此点上,功率开关管开关接通,电流将再次斜升。这种电路控制方式叫做临界导电。

图2 CRM波形

  下面将用80W LED道路隧道照明,利用优化关键元器件参数来达到提高效率办法进行简要阐述。

  2 优化关键元器件参数

  2.1 MOSFET功率开关管

  应该仔细选择 MOSFET功率开关管Q1以避免高功率损耗。损耗通常取决于功率开关管的均方根电流、占空比、功率管的开关频率、上升时间和下降时间。这些参数分为两种损耗类型:开关功率管的导电损耗和开关功率管的开关损耗。对于CRM工作的应用,MOSFET功率开关管导通时的开关损耗都已被最小化,这原因是因为电流在MOSFET导通时为零。因此,重点应放在怎样将功率开关管导电损耗最小化。所以,选择过程基于MOSFET功率开关管的三个关键的参数:功率开关管的导通电阻(RDS(on)均方根电流和漏-源电压)。功率开关管的最大漏极——源极电压可以通过以下方程式:

        

  Vds由桥式整流电路整流输入电压与反射输出电压和高频变压器的漏感电压之和来决定。其中Np/Ns是高频变压器的初级对次级的匝数比,Ip是高频变压器初级电流,Lp(漏)是高频变压器初级绕组漏感,Cp是高频变压器的初级绕组寄生电容(一般为1.0nF左右),而Coss是MOSFET输出电容(一般为400pF左右)。本次举例80W(灯珠8串10并,灯珠每颗按照3V来计算,灯具端输出电压为24V,输出电流3.33A)设计Vds =1.414x264Vac+24/6x24V+60V左右=529.29V,所以,MOSFET功率开关管选用市场常用的600V就满足了,这样 MOSFET 功率开关管可以选用比较小的导通电阻RDS(on)来电源提高效率。在这里说明一下,MOSFET功率开关管的导通电阻与Vds电压成正比,即功率开关管Vds电压越高导通电阻RDS(on)越大,功率开关管Vds电压越小导通电阻RDS(on)越小,大家可以在功率器件厂商中查询。

  2.2 输出二极管

  选择二极管时有两个选项:超快速二极管和肖特基二极管。在选择高频变压器后款的输出整流二极管器时必须考虑使效率最大化和使功率损耗最小化。要重点考虑的最重要的参数是二极管正向电流IF、反向电压VR和正向电压VF。二极管必须能够承受为负载供电所需要的最大电流,并且能承受二极管的高反向电压从而不致被烧毁。二极管 IF 应至少小于或等于平均输出电流。而二极管 VR 应大于反射到次级与输出电压的输入电压之和:

        

  举例,80W(输出24V/3.33A)的输出二极管VR>24+1.414×264×6/24= 117.32V,选择IF20A,VR200V超快速二极管。

  2.3 高频变压器

  高频变压器选择大的匝数比会产生一个低次级电压,而且减小次级开关二极管在截止状态中的电压应力。因此可以选用一个反向电压额定值(VR)低的输出整流二极管。这点对设计者来说很重要,因为VR较低的二极管它本身的正向压降(VF)也就越小。开关二极管的损耗和IF×VF成正比,这有助于使得开关二极管的功率损耗最小化。也从另一方面考虑,高频变压器中的小匝数比亦有许多优点,其中最显著的一点优点就是成本和尺寸优势。通常设计者会试图将匝数比保持在20:1以下,从而使高频变压器具有合理的尺寸和适当的成本。其次,高频变压器匝数比小意味着只有一小部分输出电压被反射回高频变压器的初级,例如:在这个设计中12V/匝×7匝=84V。另外,由于导线的电容耦合,初级漏感将随着匝数的增加而增加,并同时增加功率开关管MOSFET漏极上的电压振铃幅度。由于功率开关管MOSFET所承受的电压是整流输入电压加上反射电压和漏感脉冲电压,因此建议设计者将匝数比保持最小。

  高频变压器匝数比的一级近似可以从下图中获得。它描述了功率开关管 MOSFET的最大期望漏——源电压(Vds )(不包括漏感贡献)和次级电压与高频变压器匝数比的关系。这可以让用户通过选择正确的匝数比来减小功率开关管 MOSFET和输出二极管中的功率的损耗。所选择高频变压器的匝数比应能将漏——源电压保持在一个合理的水平。

  再次重申说明,对于比较低的功率开关管MOSFET的V DS ,可以选择RDS(on)较低的功率开关管MOSFET,从而其导电损耗也会更低些。功率开关管MOSFET的 VDS漏-源电压越小,RDS(on)也越小。图3中所示的VDS期望值不包括高频变压器初级漏感所产生的电压振铃。漏感贡献在更高匝数比条件下更差。因此,在选择功率开关管MOSFET的VDS额定值时需要保持一定程度的安全余量。建议设计者选择所产生的VDS小于530V或者落于图3参考点左侧的匝数比。本设计选用使用 VDS额定值为600V的功率开关管MOSFET。这可以有70V的余量设计,设计经验告诉我在最高输入电压和最大输出负载情况下留50V的余量就已经保险了,功率开关管 MOSFET 在温度越高的情况下,VDS额定值会越高,也就是说灯具发热后,功率开关管MOSFE的实际VDS耐压值比VDS额定值高,大批量验证都没有问题,因为功率开关管MOSFET的工作温度与VDS成正比,即LED灯具LED 模块用交流电子控制器装置工作后温度上升,电路应用中MOSFET的VDSS电压已大于规格书中标称VDSS电压,这样同时保持一个低的RDS(on),参见功率开关管MOSFET部分。如果MOSFET电压振铃越来严重,则需要使用阻尼器来保护功率开关管,但这样会降低效率,因为吸收电压尖峰的同时阻尼器(RCD)会散发热量,需要合理的计算。在选择输出二极管时,最小的正向电压将产生最小的功率耗散(忽略开关损耗)。因为正向电压的大小和反向电压额定值直接相关,所以挑选VR小的二极管有助于降低损耗。最小的VR可以通过较小的匝数比获得。

图3 匝比

  3 结语

  总之,随着城市现代化建设步伐不断加快,对城市道路照明及城市亮化工程需求也更大,而能源的供需矛盾也越来越突出,节电节能、绿色照明的要求越来越迫切,越来越高LED灯具效率已成为市场所需,优化灯具系统各个环节设计参数来提高灯具效率尤其重要。为了能够让LED灯具在人们今后的生活中发挥更多的作用,必须要更加深入的研究提高LED照明灯具高光效技术,达到节能环保目的。

  作者简介:

  刘优明,男,1977 年生,开发部经理。研究领域:电子技术及LED灯具驱动设计技术。

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