摘要：电解电容是影响AC-DC LED驱动电源寿命的主要元件，因此，消除电解电容技术成为LED驱动电源研究的关键点。本文基于控制策略、优化拓扑结构两方面详述AC-DC LED驱动电源消除电解电容技术的研究现状，总结出AC-DCLED驱动电源消除电解电容方法的基本思想。
关键词：AC-DC LED驱动；电源；消除电解电容
作为LED驱动电源领域的研究热点，消除电解电容技术是开发长寿命LED驱动电源的关键。本文分别从控制策略和优化拓扑结构两方面指出了消除电解电容的基本思路，并根据消除电解电容技术的性能特点，给出了应用意见与研究方向，为开发高效率无电解电容LED驱动电源的相关研究提供参考。
一、基于优化控制策略消除电解电容
1.谐波电流注入法
若输出功率po(t) =Po 恒定不变，减小输入功率pin(t)的脉动大小可以减小pin(t)-po(t)，进而减小ΔE（其中ΔE 为输入功率与输出功率在半个周期中的功率脉动差）。基于这种思路，采用谐波电流注入法减小输入功率的脉动，可实现消除电解电容的目的。
图1 谐波电流注入LED 驱动电源框图
图1 为恒流输出两级AC-DC LED驱动电源，由前级功率因数校正电路和后级DC-DC恒流调节器组成。与传统控制方式不同，为了减小输入功率脉动进而减小ΔE，谐波电流注入法通过优化功率因数校正电路的控制策略，在输入电流中注入一定量谐波电流，从而实现减小电容容值的目的。在输入电流中注入谐波虽然可以减小电容容值，但是需要进一步减小电容容值就需要提高注入谐波的幅值，而注入谐波幅值越大，功率因数PF就越小。IEC1000-3-2中要求输入功率大于25W的照明设备，注入的最大3次谐波应小于0.3I*PF，其中I*为基波电流标幺值，PF为驱动电源功率因数。所以，受相关标准对照明设备的规定限制，此类无电解电容LED驱动电源适用于小功率场合。
2.脉动电流驱动LED法
为减小pin(t)-po(t)，可以控制输出功率使其在输入功率的峰值处多消耗能量，在输入功率的谷值处少消耗或者不消耗能量。使得输出功率脉动尽量同步于输入功率的变化，从而可使用长寿命的低容值电容（如薄膜电容等）取代短寿命的电解电容。基于这种思路，可以使用频率为100Hz的PWM方波电流驱动LED芯片，使得输出功率同步于输入功率的变化，从而摆脱了驱动电源对电解电容的依赖。图2 所示为PWM 方波电流驱动LED 电源框图。
图2 PWM方波电流驱动LED 驱动电源框图
在实现方法上，方波电流驱动LED的电路由前级功率因数校正电路和后级DC-DC方波电流输出电路组成。这种级联形式的两级AC-DC LED驱动电源整机效率较低，并且当对LED进行深度PWM调光时，储能电容的纹波峰值电压将增高，纹波谷值电压降低。如果前级的PFC电路采用传统的Boost电路，当Boost电路的输出电压（储能电容上的电压）小于输入电压时，将会影响其正常工作，进而影响功率因数。
更值得注意的是，与恒流驱动LED不同，低频PWM方波电流驱动LED，需要全面考虑其对LED发光品质、可靠性和寿命的影响。同时也需要根据LED光-电-热理论，考虑低频PWM方波电流对LED光学性能（包括发光波长、发光强度、色温、发光效率、闪烁和散热等）和热性能（包括结温、热阻等）的影响，建立完善的低频PWM方波电流驱动LED的综合性能评价体系。
3.动态调节LED负载功率法
同样是为了在输入功率峰值处多消耗能量，在输入功率谷值处少消耗或者不消耗能量，可以通过动态调节负载功率大小实现。根据LED的模组特性，可以通过动态调节LED负载功率消除电解电容的方法。根据输入功率的变化动态调节LED负载功率使其同步于输入功率的变化，可以减小pin(t)-po(t)的值进而减小ΔE。这种方法不仅可以消除电解电容，而且可以在恒流驱动每一串LED的情况下实现功率因数校正。
为方便对LED负载进行动态功率调节，可以将LED负载分成多个模组，通过控制与每个模组相连的DC-DC恒流调节器的通断即可控制输出功率的大小。当输入功率增大，工作的LED模组就增加，输入电流也增大。
二、基于优化拓扑结构消除电解电容
基于优化拓扑结构的基本思路，结合各种PFC 变换器的特点，通过PFC 变换器和辅助网络组合和变形的推演思想可以衍生出不同拓扑的无电解电容LED 驱动电源。图3 所示为部分近年来提出的无电解电容AC-DC LED 驱动电源拓扑结构框图。
图3无电解电容AC-DC LED 驱动电源拓扑结构框图
1.并联辅助网络拓扑结构
虽然单级无电解电容驱动电源可以通过控制LED的平均电流来控制LED的光通量，但是由于没有电解电容，输出电流脉动大、峰值电流大，容易造成频闪和LED的损坏。为此，可以在PFC变换器输出端和LED负载之间并联一个双向变换
器，使其输入电流等于脉动电流中的2倍工频交流分量，这样LED的驱动电流为恒定电流（见图3a），该驱动电源只有储存在双向变换器的小部分功率经过了两次的能量变换，所以效率比级联的两极拓扑效率高；为了减小双向变换器输出侧的储能电容，储能电容设计为含有较大电压纹波的形式。为了提高双向变换器对2倍输入频率交流电流吸收的准确性，减小LED驱动电流脉动，可以采用基于电流基准的前馈控制策略优化该驱动电源的性能。同理，也可以在整流桥输出端和主DC-DC变换电路输入端之间并入双向变换器（见图3b)。双向变换器作用是：①对输入端的电流波形进行补偿，以实现高功率因数；②储能电容设计为含有较大电压纹波的形式，适时地吸收和释放功率，平衡输入、输出之间的瞬时功率以实现无电解电容。因为双向变换器的存在，可以通过在主DC-DC变换电路的输入电流中注入谐波解决输出端的电解电容问题，而不需要考虑功率因数的问题。该方案利用优化拓扑结构弥补了谐波电流注入控制方法消除电解电容受功率因数限制的缺陷，并且提高了效率，特别适合大功率场合下的多个LED负载公共适配驱动电源。
2.集成辅助网络拓扑结构
图3c 所示为基于PFC 电路糅合DC-DC 变换器组成的LED 驱动电源。PFC变换器工作在电流断续模式，实现功率因数校正；辅助网络中的储能电容设计为大电压纹波形式，当输入功率pin(t)高于输出功率po(t)时，多余的能量将存储于储能电容中；而当输入功率pin(t)低于输出功率po(t)时，不足的能量将由储能电容提供。通过调节DC-DC辅助网络的工作模式可以为LED提供恒定工作电流。该驱动电源同样只有小部分功率经过了两次的能量变换，所以效率比级联的两级拓扑效率高；同时，由于储能电容的电压纹波较大，需要的储能电容很小，可以采用其他类型的长寿命电容替代电解电容。
3.多端口输出拓扑结构
同样是基于减少能量变换环节和提高效率的思想，通过组合两个DC-DC变换器可以实现消除电解电容的目的。其实现框图见图3d,PFC变换器实现功率因数校正，DC-DC变换器通过变换小部分能量调节LED电流。由于储能电容设计为含有较大电压纹波的形式，所以PFC变换器输出端的大电压纹波若未消除将会会引发频闪问题，甚至损坏LED芯片。为了减小PFC变换器输出纹波对LED的影响，该方案通过控制DC-DC变换器的输出电压对PFC变换器的低频输出电压纹波进行反相补偿。该方案通过两个DC-DC变换器的组合优化，利用输出电压纹波反相补偿的方法消除了电解电容。
结论
消除电解电容技术作为目前LED驱动电源领域研究的热点，是开发优质LED驱动电源的关键。本文在系统地介绍近年来国内外AC-DC LED驱动电源消除电解电容技术研究进展的基础之上，结合现有消除电解电容技术，详细地分析了基于控制策略和优化拓扑结构消除电解电容技术的基本思路。
（1）基于优化控制策略减小输入、输出功率在半个工频周期中的功率脉动差思路，如输入谐波注入法、输出脉动电流驱动法或动态调节LED负载功率法。
（2）结合优化拓扑转换效率和增大储能电容电压纹波的思路可采用并联辅助网络、集成辅助网络或多端口输出拓扑结构。
参考文献：
[1]廖志凌,阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报,2006,21(9):106-111.
[2]徐殿国,张相军,刘晓胜,等.照明电子技术的发展现状与未来[J].电力电子技术,2007,41(10):2-9.
（下转第431页）
论文作者:李英
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：变换器论文; 电解电容论文; 电流论文; 功率论文; 电源论文; 拓扑论文; 功率因数论文; 《电力设备》2018年第16期论文;