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针对传统的LED 灯整流威廉希尔官方网站 的滤波电容使整流前端的交流输入电流波形变成尖脉冲,造成功率因数低、谐波成分增加等问题,提出了一种新型的AC LED 变换器拓扑威廉希尔官方网站 。分别对Buck PFC 功率因素校正威廉希尔官方网站 和LCC 威廉希尔官方网站 进行了详细的分析。分析了Buck PFC 威廉希尔官方网站 的工作原理、开关管工作频率和电容值的大小,同时理论和仿真分析了半桥威廉希尔官方网站 的工作原理和参数值的选择。最后通过实验验证了该威廉希尔官方网站 拓扑结构能提高功率因数。该威廉希尔官方网站 拓扑结构能克服传统整流威廉希尔官方网站 由于后端电容造成控制器使用寿命和谐波成分减小等问题。
传统的LED 灯恒流控制是通过AC/DC,再通过DC/DC变换器进行恒流控制,在AC/DC 变换器中,通常在整流威廉希尔官方网站 后面用滤波电容使输出的电压平滑,但是大电容的存在造成交流端的输入电流波形变成尖脉冲,而不再是正弦函数(降低功率因数)。基于以上LED 控制存在的缺陷,本文采用ACLED 变换器控制。DC LED 变换器中由于输入功率为脉动的,输出功率为恒定的,需要中间储能电容来平衡两者的差值,因此,储能电容一般值较大,并采用电解电容,但数值高的电解电容寿命远小于LED 的寿命,导致整体变换器的寿命降低。
如果采用AC LED,输入和输出功率都是脉动的,则需要的储能电容值较小,会提高整体变换器的寿命。现有AC LED灯威廉希尔官方网站 结构有串联结构,梯形结构和桥式结构。在AC LED 威廉希尔官方网站 结构中,当输入AC 源为电网电压220 V,50 Hz 时,若不串联限流电阻,则需要大量LED 灯串联以限制LED 电流,此时增大了总的开启电压导致功率因数很低。当串联限流电阻时,则需要串联的LED 数量减小,功率因数有所提高,但是因为限流电阻将导致效率降低。另外,当LED 工作频率为50 Hz 时,光源将明显产生闪烁现象;而工作频率为100 Hz 时,大部分人感觉不到灯光的闪烁情况。为了解决AC LED 存在的功率因数和效率低,以及提高负载结构所示的频率问题,本文提出了一种新型的AC LED 变换器拓扑威廉希尔官方网站 ,并对该拓扑威廉希尔官方网站 及控制方法进行分析和研究。
1 AC LED 灯的变换结构
图1 为所提出的AC LED 变换器结构图。vdc为220 V 交流电压经过不控整流的脉动电压,为了提高功率因数,本文采用Buck PFC 威廉希尔官方网站 来校正电流波形。Buck PFC 威廉希尔官方网站 输出电压经过半桥变换器转换成交流信号,作为后级LCC 威廉希尔官方网站 的输入电压,提供给负载LED 灯。因此,该拓扑威廉希尔官方网站 主要包括整流威廉希尔官方网站 、Buck PFC、半桥变换器和LCC 谐振威廉希尔官方网站 。从图1 中可以看出,C1和C2的取值很小能达到,因此,该电容对整个拓扑威廉希尔官方网站 的寿命没有影响;LCC 谐振威廉希尔官方网站 输入和输出交流电压的基波频率为100 Hz,从而负载LED 的电压频率也为100 Hz,该频率看不出电压的闪烁。
图1 新型的AC LED 变换器
1.1 Buck PFC 威廉希尔官方网站 参数的设定
在图1 中,如果整流后的输入电压为:
V 为正弦输入电压的有效值,则输入电流为:
I 为正弦输入电流的有效值。由变换器的输入电压和输出电压之间的关系可知:
将(2)带入(3),可得d(t)的表达式为:
联立(2)、(3)、(4)式可得:
所以电容纹波电流的有效值为:
对于双管正激威廉希尔官方网站 ,变压器原边电流和副边电流的关系如下:
首先设定主开关管频率为fs1=16.6 kHZ.因为电解电容影响变换器的使用寿命,因此尽量使得储能电容C1和C2小,取C1=C2=1 mF.当电感电流工作于连续导电模式(CCM 模式)下时,电流纹波大小为:
式中:D 为开关管S1的占空比,CCM 模式下D = Vce/Vdc.考虑到Vdc最大值为310 V,根据Buck PFC 威廉希尔官方网站 输出电压限制Vce峰值不宜超过220 V,设定电感电流纹波ΔI L1最大值不超过4A,则L1最佳参考值为:
考虑Buck PFC可以工作在断续导电模式(DCM)下,电感L1值可取0.865 mH.
1.2 LCC 参数的选择
下面我们分析LCC 参数的计算方法,通过开关管S2和S3互补导通,使得LCC 谐振威廉希尔官方网站 输入为交流,工作状态如图2 所示。
图2 LCC等效威廉希尔官方网站
根据其工作状态可得到LCC 等效威廉希尔官方网站 ,其中C=2 C1=2 C2,LED 用其等效模型代替。
Von为串联开启电压23.5V,Re为串联等效电阻7Ω。当输出电压Vo绝对值小于开启电压Von时,io=0,相当于空载情况,输入输出传递函数为:
当输出电压Vo绝对值大于开启电压Von时,负载等效为Ro,输入输出传递函数为:
根据负载特性,当|Vo|
当输出电压Vo绝对值大于开启电压Von时,同时希望Vo变化速度变慢使得LED持续导通,输入输出传递函数的增益也有所要求,增益值必须足够高使得输出电压可达到LED最高承受电压值。即:
式中:Vomax为输出电压的峰值,Vimax为|Vcc/2|的最大值。结合式(10)~(12)可得在满足式(13)等式条件下,根据式S95H的限制条件,可选择电感L2应小于0.45mH.
我们的设计目标为输出功率20W,输出最高峰值电压不超过34V.每串LED负载开启电压为23.5V,等效内阻为7Ω,流过最大峰值电流不超过1.5A.因此,选择电感r6值分别为50、100、150、200uH得到图3的仿真波形,根据增益和谐振频率限制条件,取L2=100uH,再由式(12)可得C2=133nF.
图3 带负载情况下带输入-输出传递函数Bode图
通过以上的理论分析,我们对图1中没有PFC校正威廉希尔官方网站
和有PFC校正威廉希尔官方网站
进行了仿真分析,如图4和图5所示。通过仿真分析可知,图1的拓扑威廉希尔官方网站
结构和参数的选择是可行的。
图4 无PFC的输入交流电压和交流电流仿真波形
图5 有PFC的输入交流电压和交流电流仿真波形
2 实验验证
根据前面的理论分析,我们制作了AC LED 灯的控制模块,其设计参数以仿真数据为依据,输入交流电压Vin为220V,S1开关频率为20 kHz,S2和S3开关频率为30 kHz;主功率电感L1为0.865 mH;谐振电感L2为0.1 mH,储能电容C1和C2都为1.2 mF;谐振电容C3为133 nF,开关管的PWM 信号由DSP 产生。图6 为在图1 中没有PFC 威廉希尔官方网站
时测试的电源输入端的交流电压和交流电流测试波形,图7 为有PFC 威廉希尔官方网站
时测试的电源输入端的交流电压和交流电流测试波形。
图6 没有PFC威廉希尔官方网站
时输入电压Vin和输入电流iin波形
图7 有PFC威廉希尔官方网站
时输入电压Vin和输入电流iin波形
3 结束语
本文针对传统的LED灯整流威廉希尔官方网站
的滤波电容使整流前端的交流输入电流波形变成尖脉冲,造成功率因数低、谐波成分增加等问题,提出了一种新型的AC LED 变换器拓扑威廉希尔官方网站
。通过对图1 新型的拓扑威廉希尔官方网站
理论分析,在LCC 威廉希尔官方网站
中的电容值较小,解决了传统整流威廉希尔官方网站
的大电容给LED 带来的使用寿命短的问题。本文还理论分析了Buck PFC 威廉希尔官方网站
参数值的选择,仿真分析了有功率因素校正威廉希尔官方网站
与没有功率因素校正威廉希尔官方网站
的输入电压和电流的相位关系,最后通过实验验证了本文提出的新型威廉希尔官方网站
拓扑结构的可行性。
责任编辑;zl
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