基于单级PFC无频闪无电解电容的LED电源驱动设计

2016-10-12王克峰郑杜成

电源学报 2016年3期

关键词：功率因数控制策略电容

王克峰，郑杜成，马　悦，程　红

（中国矿业大学（北京）机电信息工程学院，北京100083）

基于单级PFC无频闪无电解电容的LED电源驱动设计

王克峰，郑杜成，马悦，程红

（中国矿业大学（北京）机电信息工程学院，北京100083）

在矿用大功率照明应用中，电解电容将指数级降低驱动电路寿命。通过分析Boost-Flyback不同电压下的不同工作状态及其约束条件，提出基于电压的分段控制策略，建立了不同电压下的动态小信号模型。最后通过仿真验证了此控制策略下单级PFC去除电解电容的可行性。

LED；无频闪；单级PFC变换器；无电解电容

引言

发光二极管LED（light emitting diode）是继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后的第4代照明光源，它具有效率高、寿命长、体积小、色彩丰富、可动态控制等优点，越来越被广泛应用于矿用照明、医疗和交通领域［1］。

在交流供电场合，为了达到高功率因数PF（power factor），满足IEC61000-3-2的谐波要求，LED驱动电源需要实现功率因数校正PFC（power fac-tor correction）功能。当功率因数为1时，输入电流为与输入电压同相位的正弦波，其输入功率呈现2倍输入频率的脉动形式，而LED的输出功率为平直功率。为了匹配瞬时输入输出功率的不平衡，需要一个容量较大的储能电容，该电容一般选用电解电容。电解电容的使用寿命只有10 000 h左右，远低于LED 80～100 kh的长寿命，是影响LED驱动电源整体寿命的主要元件。而其他种类电容的耐压值和容值一般较小，无法简单替换电解电容［4-5］。所以研究如何利用其他类型电容替代LED灯具的电解电容，实现大功率灯具电压电流稳定和功率因素校正功能对于矿井照明具有重大的意义。

1　频闪问题分析

结合LED驱动电源电路，如图1所示，对无电解电容拓扑的频闪问题进行简单分析［6-7］。

图1　AC/DC LED驱动电源Fig.1　AC/DC LED driver

对电路做出如下假设：

（1）输入交流电压为

式中：Vin为交流输入电压幅值；ωin为交流输入电压的角频率，ωin=2π/Tline；Tline为交流输入电压的周期。

（2）输出电压已经稳定；

（3）已实现功率因数校正；

（4）无大容值电容进行能量缓冲，且忽略损耗，即瞬时输入功率Pin（t）近似等于瞬时输出功率Pout（t）。则输入电流可表示为

式中，Iin为输入电流幅值。由式（1）和式（2）可得瞬时输出功率为

则瞬时输出电流io为

式中：Vo为输出电压的平均值。由式（4）可知如若不对整个拓扑进行恒流控制，则输出电流会含有两倍输入频率的交流分量，这将引起LED的频闪问题。则电容传输的能量为

式中：C为电容容值；Vc1和Vc2为不同时刻电容的电压值。则由式（5）可看出在电压差相同的情况下，传输的能量与电容容值成正比。由于其他种类的电容耐压值450 V下最大容值大约为3.3 μF，是1 000 μF电解电容的1/300。则每个工频周期小容值电容相同压降下传输和存储的能量也是电解电容的1/300。

所以如何利用小容值电容缓冲的少量能量，既实现拓扑基本功能，也实现输出功率均衡，成为解决频闪问题的关键。

2　无电解电容单级PFC的工作原理分析和建模

2.1电容容值约束条件分析

单级PFC拓扑如图2所示。

图2　单级PFC拓扑Fig.2　Single-stage PFC topology

由于本文采用的是小容值电容，不能直接假设电容电压稳定且足够大。需要对电容容值的选取进行计算。由式（3）可得平均功率表达式为

式中：Pout为输出平均功率；Pin为输入平均功率。则电容C1上的瞬时功率可以表示为

式中，PC1（t）为电容C1的瞬时功率。则电容C1上的瞬时能量可以表示为

式中：vc1（t）为电容C1的瞬时电压值；vc1-min为电容C1的电压最小值，由第2级最小输入电压决定；vc1-max为电容C1的电压最大值，由IGBT的耐压值和电容耐压值决定。则C1在不同的电路参数下对应的电容值为

式中：RL为LED的等效电阻；Ts为开关频率。

2.2断续模式约束条件分析

假设L1和高频变压器均工作在断续的模式下，且高频变压器电流降为零的时间比L1电流降为0的时间长。则电路参数的约束条件［8］为

由约束条件可以发现，任意L1都无法满足Vin的所有范围。所以当Vin输入过小时需要改变控制策略。

2.3峰值电流的小信号建模

当输入电压足够大时，在斜波补偿控制策略下，拓扑的3个工作模态［9-11］如图3～图5所示。

（1）t∈［0，D1Ts］模态1

图3　单级PFC拓扑的工作模态1Fig.3　Operating mode one of single-state PFC topology

模态1的状态方程为

（2）t∈［D1Ts，（D1+D2）Ts］模态2

图4　单级PFC拓扑的工作模态2Fig.4　Operating mode two of single-state PFC topology

模态2的状态方程为

（3）t∈［（D1+D2）Ts，（D1+D2+D3）Ts］模态3

图5　单级PFC拓扑的工作模态3Fig.5　Operating mode three of single-state PFC topology

模态3的状态方程为

式中：D1为开通占空比；D2为L1电流从峰值降为0的占空比；D3为变压器电流从峰值降为0的占空比。

利用周期平均建模法和峰值电流控制可以得到最终的控制输出传递函数，即

由式（14）可以看出，系统的动态特性与占空比没有关系，与输入电压Vin成正比。那么当输入电压为0时，控制输出传递函数也为0。而即使输入电压为0，如果电容仍有能量，那么单级PFC电路也可以靠电容的储能来输出功率，从而调节输出（相应电容值可以参考式（9）选取），所以当输入电压过小时，此种建模方式并不适合。

为了更形象地解释这个问题，在斜波补偿的控制策略下利用图6解释问题产生的根本原因。在斜波补偿控制策略下，斜波的斜率一般是根据电路的需求实现确定的，如果输入电压减少过多，断续模式下输入电流斜率也随之成比例减少。当输入电压过小时，电流近似为0无法和斜波曲线重合，导致开关管一直导通，由于电容仍有能量储存，会导致输出电压突然增高，无法控制，出现如图7所示电压尖峰。即输入电压过低时此种策略不能正常工作［12］。

图6　峰值电流控制的问题图解Fig.6　Problem solution of peak current control

图7　峰值电流控制下的尖峰电压Fig.7　Peak voltage under peak current control

3　控制策略分析

当输入电压足够大时，采用传统的双闭环控制并加入适当的调节网络，可以实现PFC和恒流功能。控制框图如图8所示。

图8　双闭环控制框图Fig.8　Block diagram of double closed-loop system control

当输入电压过小并不适用此控制策略。由前面论述可知，Uc1稳定足够大，则占空比的突然增大将使输出电压出现尖峰。此时采取简单恒流控制。而由于电容C1最小电压足够大，且输入电流足够小，所以可以忽略功率因数校正问题。此时控制对象的传递函数可由传统反激电源断续的动态小信号模型计算方法计算得出［9］，即

其控制框图如图9所示。

图9　恒流控制框图Fig.9　Block diagram of constant current control

4　仿真验证

本文以Simulink为平台搭建仿真电路，其主要电路参数如表1所示。

表1　无电解电容单级PFC参数Tab.1　Parameters of LED Electrolytic capacitorless PFC

分别对Gvd（s）和Gic（s）进行PI补偿器设计后，可得系统的开环伯德图如图10和图11所示。截止频率均设在500 Hz左右，裕度均为50°左右。

图10　双闭环控制下的开环伯德图Fig.10　Bode plot of double closed-loop control

图11　恒流控制下的开环伯德图Fig.11　Bode plot of constant current control

仿真波形如图12所示。由图可见，经Simulink仿真验证，可以达到输出恒流和PFC较正功能。

图12　仿真波形Fig.12　Simulation waveforms

由图可以看出，输出电流波动在0.98～1.02 A之间波动。经Simulink的FFT分析可得到输入电流的畸变率为31%，即功率因数为91.2%，仿真证明采用此控制策略的AC-DC电路可以利用小容值的其他类型电容替代电解电容，并实现LED恒流驱动并实现功率因数90%以上。与传统的AC-DC电路相比，增加了驱动电路的寿命，更适合在矿井的高温条件下长时间工作。

5　结语

本文对无闪频无电解电容AC/DC LED驱动电源中的单级PFC结构进行了模态分析和建模，验证了在电容值选取正确的情况下，依旧可以采用传统的双闭环结构进行恒流控制。分析了低输入电压情况下，双闭环结构的不适用原因，并采用了改变控制策略的方法，实现在所有输入电压范围内均能实现恒流控制，并实现功率因数90%以上。

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A Flicker-free Electrolytic Capacitor-less LED Driver Based on Single-stage PFC Converter

WANG Kefeng，ZHENG Ducheng，MA Yue，CHENG Hong
（School of Mechanical Electronic&Information Engineering，China University of Mining &Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

Electrolytic capacitors would make the life of drivers decrease，and so removing the electrolytic capacitors can increase the life of drivers in the application of lighting under the mine.The boost-flyback single-stage power factor correction（PFC）converter works in different ways under different voltages，so different contol strategies can be used with the aim of eliminating electrolytic capacitors and correcting power factor.Simulation results are presented to verify the effectiveness of the improved control scheme.

light emitting diode（LED）；flicker-free；single-stage power factor correction（PFC）converter；electrolytic capacitor-less