基于高频交流母线的模块化多路恒流LED驱动电源研究

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随着发光二极管(Light Emitting Diode,LED)在通用照明、道路照明、景观照明等照明应用场合的快速发展,作为发光二极管照明产品的核心部分,LED驱动电源在延长照明产品的寿命、降低维护成本、节约能源消耗方面发挥着至关重要的作用。LED驱动电源在上述的应用场合中需要实现三个功能:功率因数校正、输入和输出的电气隔离以及多通道恒流输出。为了提高照明系统的性能,除满足以上三项基本功能外,LED驱动电源还应具备低成本、高效率、高可靠性等优点。因此需要进一步探索和研究高效率、高功率密度、低成本的解决方案,最终得到结构更简单、可靠性更高的LED驱动电源,这不但有助于降低LED驱动成本、提高半导体照明驱动的可靠性,而且还可以延长半导体照明系统的使用寿命。为此,本论文做了以下几个方面的工作:首先,从单相功率因数校正及隔离型多路恒流DC/DC变换两个维度对研究现状进行了综述,由于推拉输出无桥Boost变换器拓扑结构简单、器件利用率高的优点,采用该结构以实现功率因数校正功能。为简化电路结构,在传统两级LED驱动电源架构基础上使得各路输出共用的部分尽可能多,由此提出了新型两级多路恒流输出LED驱动电源架构以及开关复用型单级多路恒流输出LED驱动电源架构。针对上述架构,由于无源谐振整流器具有高效率、高可靠、低成本、可灵活实现多路恒流输出的特点,论文对系列无源谐振恒流网络的工作原理及其性能进行分析与对比研究,再结合性能较优的谐振恒流网络构建无源谐振整流器。论文主要针对LCL-T无源谐振整流器开展了研究,对其中携带的高次谐波进行定量剖析,通过频域分析法给出输出电流的精确解,有助于研究高次谐波对输出电流精度的影响,为后续LED驱动电源的研究提供了理论基础。其次,论文对基于无源谐振整流器所构建的新型两级LED驱动电源进行了研究,前级拟采用上述推拉输出无桥Boost变换器,由于目前对其研究较为成熟,所以针对两级型LED驱动电源的研究重点主要在于后级DC/DC多路恒流变换器。基于上述高次谐波对无源谐振网络输出电流平均值影响的分析,本文构建了隔离型DC/DC多路恒流LED驱动电源,可工作在开环模式,控制简单可靠。但考虑到实际应用中输入电压的变化,提出了一种主从闭环控制策略。另外提出了一种参数设计方法可保证输出电流精度以及各开关管实现软开关。然后研究了谐振网络参数对输出电流大小的灵敏度,根据灵敏度分析结果来指导谐振元件选型。再搭建200W五路输出实验样机对理论分析特别是参数设计方法的正确性进行验证。另外针对开关复用型单级多路恒流输出LED驱动电源架构提出了无整流桥型单级全桥高频AC/AC谐振变换器,并且在工作模态和性能特点上进行了分析,根据分析的结果,在考虑到输入以及输出变化的情况下提出了一种参数设计方法,可在全输入输出范围内满足性能要求。同样地,搭建了功率为200W的实验样机对性能分析结果以及参数设计方法进行验证。最后,在上述单级LED驱动电源的研究基础上,为进一步简化电路结构,降低成本,提出了基于变电感控制方法的单级LED驱动电源架构,可固定占空比和频率,简化驱动和控制,有效减少谐振滤波网络。另外根据性能指标,对变换器各参数进行定量分析与设计,同时对其控制电路进行了设计和阐述,在固定占空比为0.5的情况下,考虑到Boost PFC单元储能电容电压限制,输入电压不宜过高,因此该结构适用于小功率应用场合。在此基础上,确定了较为完整的实验方案,搭建了功率75W的三路输出实验样机进行相关实验验证。总的来说,本论文所提出的两种LED驱动电源架构可适用于不同功率的应用场合,具有体积小、控制简单、可靠性高的优点,并且每增加一路输出只需增加一个无源谐振整流单元,可以根据需要灵活地实现多路恒流输出,是一种高效率、高功率密度、低成本的模块化方案,有望推动LED驱动电源模块化、标准化。
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