Elektrolitik kapasitör olmadan LED sürücü gücünün sabit akım ve dalgalanma kontrolü
0 Önsöz
Aydınlatma LED'leri, düşük güç tüketimi, uzun ömür, çevre üzerinde çok az etki ve yüksek verimlilik gibi avantajlara sahiptir ve LED teknolojisini giderek daha popüler hale getirir. Güç dönüştürücülerinde, elektrolitik kapasitörler daha düşük maliyete ve mükemmel performansa sahiptir ve genellikle anlık giriş ve çıkış gücünü dengelemek için kullanılır. Bununla birlikte, elektrolitik kapasitörler diğer cihazlara göre daha kısa hizmet ömrüne sahiptir.Çalışmalar göstermiştir ki, LED sürücü güç arızaları arasında, elektrolitik kapasitör arızası en yaygın arızadır.Elektrolitik kapasitörlerin ömrü genellikle her zaman bir güç kaynağı olan 5000 saat / 105 'dir. Ürün ömrünün darboğazı. Bu nedenle elektrolitik kondansatör, LED aydınlatma cihazının beklenen ömrünü sağlamak için çok önemlidir. Bu nedenle, büyük hacimli, kısa ömürlü elektrolitik kapasitörlerin çıkarılması için çeşitli çözümler önerilmiştir. Bununla birlikte, dönüştürücünün çıkış düğümünde 120 Hz'lik bir dalgalanma akımı oluşur.120 Hz dalgalanma bileşenini azaltmak için paralel bir LC filtresi kullanılabilir. İçerisindeki elektrolitik kondansatör sadece maliyeti artırmakla kalmaz, aynı zamanda baskılı devre kartında çok fazla yer gerektirir. Mevcut teknolojiler şunları içerir: (1) Tahrik güç kaynağının giriş akımı dalga şeklini modüle etmek, giriş titreşim gücünün tepe / ortalama oranını azaltarak giriş ve çıkış gücü dengesizliğini azaltmak; (2) Büyük endüktans ve daha büyük boyutlu ince filmler kullanmak Kondansatör, giriş ve çıkış gücü arasındaki farkı dengelemek için kullanılır.Belirli bir etki elde edilmiş olmasına rağmen, pasif enerji depolama elemanı büyük ve ağırdır; (3) Dalgalanmayı arttırın ve üçüncü ve beşinci harmonikleri giriş akımına ekleyin. Dalga, elektrolitik kapasitörlerin çıkarılması amacına ulaşmak için. Bu yöntemler, mevcut kontrol veya güç devrelerinde yapılan iyileştirmelerdir ve fikirleri kabaca iki kategoriye ayrılabilir: biri orijinal topolojiyi korumak ve kontrol yöntemini geliştirmek; diğeri ise yeni bir devre topolojisi oluşturmaktır.
PFC (Güç Faktörü Düzeltme) ve DC-DC dönüşümünün eşzamanlılığını sağlamak ve tek aşamalı bir güç kaynağı altında düşük frekanslarda üretilen titreme olayını gidermek için, bazı insanlar enerji depolama cihazları önermişlerdir. Büyük kapasiteli enerji depolama kapasitörlerini değiştirmek için çift yönlü dönüştürücüler kullanın. Bu şemanın dezavantajı, çıktı enerjisinin çıktıya gönderilmeden önce üç kez dönüştürülmesidir. Diğerleri, güç faktörünü ve gerekli çıktı kapasitansını dengeleyen bir tasarım önerdiler. Ancak bu çözüm, giriş akımı harmoniklerinden ve güç faktörü performansından ödün vererek amacına ulaşır. Literatürde, çoklu anahtarlara sahip tek aşamalı bir topoloji kullanılmış, PFC dönüştürücünün darbeli akımındaki AC bileşenini emmek için çıkış aşamasında çift yönlü bir buck-boost devresi kullanılmış ve anahtarlama, güç devresinde çoklu hızlı kurtarma diyotları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Teknoloji, literatür, akuple indüktörler kullanan PFC teknolojisini tartışır.PFC anahtarının PFC indüktör akımını ve LED akımını idare etmesi gerekir ve anahtarın çok büyük akımlara ve gerilimlere dayanması gerekir, bu da verimliliği çok düşük yapar. Bu makale, elektrolitik kapasitörler olmadan, çift yönlü bir Buck-Boost dalgalanma akımı eleme devresi kullanan, küçük kapasiteli bir film kapasitör kullanan bir geri dönüş dönüştürücü şeması önermektedir, ayrıca çıkış dalgalanma akımını çok küçük hale getirir ve çift yönlü Buck-Boost dönüştürücü, çıkışı korumak için girişi ayarlar. Güç sabittir.
Şekil 1'de gösterildiği gibi, Q2 anahtarı geri dönüş dönüştürücüsünün PFC işlevini gerçekleştirmek için DCM modunda çalışmasını sağlar; Q1 ve Q3 birbirini tamamlar. L1 ve C1, çift yönlü buck-boost dönüştürücünün depolama aygıtı olarak kullanılır ve C2 ve L2, çıkış akımının yüksek frekanslı filtresini oluşturur. Bunlar arasında, Lm birincil sargı tarafı endüktansıdır.Bu bağlı endüktans, devrenin anahtar bileşenidir.İki ana işlevi vardır: (1) Dalgalanmayı azaltmak için gerekli enerjinin bir kısmını bir hat çevriminde DC bara kapasitörüne geri gönderir. Dalga bastırma kondansatörü; (2) Seri bağlanmış endüktans Lm ve anahtar Q2, LED'in çıkış ucunda yüksek frekanslı atımlı bir akım sağlar. Giriş gücü Pimi, çıkış gücü Po'dan düşük olduğunda, çalışma prensibi dört duruma bölünebilir. Giriş gücü Pimi, çıkış gücü Po'dan daha yüksek olduğunda, çalışma prensibi, giriş gücü Pinin, iL1 akımının ters yönde akması dışında, çıkış gücü Po'dan daha düşük olduğu duruma benzer.
Giriş voltajının:
Bir anahtarlama döngüsünde, dönüştürücü dört anahtarlama moduna sahiptir ve çalışma koşulları aşağıda açıklanmıştır.
Durum 1: t = t0 olduğunda, Q2 ve Q3'ü açın, Q1'i kapatın, giriş enerjisi Vin Lm'de saklanır ve ardından CO, LB ve LED'e enerji verir, bu durum t = t1, Q2'yi kapattığında sona erer.
Durum 2: t = t1, Q2'yi kapatın, Q3'ü açık tutun, Q1'i kapatın ve DS de açıkken, Lm'de depolanan enerji CO, LB ve LED'e bırakılır, bu durum t = t2'de Lm'dir. Tamamen boşaldığında biter.
Durum 3: t = t2 olduğunda, Q3'ü açık tutun, Q1 ve Q2'yi kapalı tutun, CO enerjiyi LB ve LED'e bırakır, bu durum t = t3, Q3'ü kapattığında ve Q2'yi açtığında sona erer.
Durum 4: t = t3 olduğunda, Q3'ü açık tutun, Q2 ve Q1'i kapalı tutun, CO enerjiyi LB ve LED'e bırakır, bu durum t = t4, Q3'ü kapattığında ve Q1'i açtığında sona erer.
2 Elektrolitik kapasitörsüz uygulama
Tek aşamalı güç kaynağı yüksek bir güç faktörüne ulaştığında, LED güç kaynağının giriş ucu ile çıkış ucu arasında bir enerji dengesi olacaktır. Enerjideki bu farklılığa uyum sağlamak için büyük kapasiteli bir kondansatör vazgeçilmezdir.Elektrolitik kondansatörün ömrü, LED güç kaynağının ömrünü büyük ölçüde sınırlar, bu nedenle elektrolitik kondansatörün ortadan kaldırılması çok anlamlıdır.
Şekil 2, yarım hat döngüsü sırasında güç kaynağının giriş ve çıkış tarafları arasındaki enerji dengesizliğini göstermektedir. Bu enerji dengesizliği, PFC'nin çıkışındaki düşük frekanslı dalgalanma akımı ile gösterilir. LED güç kaynağının neredeyse tüm enerjisi Vo1'den çıkar. Enerji dengesizliği ile voltaj dalgalanması arasındaki ilişki denklem (4) ile ifade edilebilir:
Çıkış gücü 10 W olan bir güç kaynağı için, 60 Hz hat frekansında yarım döngüdeki dengesiz enerji Eimbalance 0,0273 J'dir. Vo1, 9 VP-P'lik düşük frekanslı bir dalgalanma voltajına izin verir, bu nedenle gerekli çıkış kapasitansı 55 F'den az olabilir. Bu kapasitör, elektrolitik kapasitörler yerine seramik kapasitörler kullanabilir. Önceki deneyde, bunun yerine üç adet 20 F seramik kapasitör kullanılabilir ve çıkış voltajı Vo1 ucuna bağlanabilir.
3 Giriş akımı analizi ve devre özellikleri
Devrenin giriş ucunda PFC, Lm aracılığıyla kesintili çalışma modunda (DCM) kontrol edilir. Temel olarak, D2 diyotundan geçen akım, DC bara voltajı vdc zarfı değiştikçe değişecektir. Giriş gerilimi tepe değerini ve hat frekansını temsil eden Vp ve fL ile, düzeltme gerilimi vr denklem (6) ile temsil edilir. Boşaltma kısmı görev oranı d denklem (7) ile verilmiştir.
D2 üzerinden ortalama akım denklem (8) ile verilir, ipk2 denklem (9) ile verilir ve ortalama giriş akımı, giriş akımının şeklinin Vp ve Vdc oranından etkilendiğini gösteren denklem (10) ile verilebilir. Vdc, Vp'ye yaklaştığında, çıkış akımı daha fazla bozulur.
Denklemden (11), FET voltajının Vdc'nin ve dönüşüm oranının (n2 / n1) bir fonksiyonu olduğunu görebiliriz. Giriş doğrusal akımının dalga biçimi Vdc'nin bir fonksiyonudur. Şekil 4'te gösterildiği gibi, n2 / n1 arttığında, vds ve pk azalır Vdc, Vp'ye yakın olduğunda, uygun bir n2 / n1 değeri ve Vdc'nin Vp'ye oranının seçilmesi gerekir. Şekil 1'de, C2 bir enerji depolama kapasitörüdür ve kapasitör C1, yüksek frekanslı bir filtre kapasitördür. C2 yüksek voltaj tarafına hareket ettiğinden, ön konvertörün yüksek giriş empedansı ve C2 ile Lsec arasındaki sürekli enerji alışverişi nedeniyle C2'nin ihtiyaç duyduğu enerji büyük ölçüde azaltılabilir, bu nedenle küçük kapasitanslı C2 kondansatörü kullanılabilir. Bu, film kapasitörlerinin enerji depolama kapasitörleri olarak kullanılmasına izin verir.
C2'den geçen voltaj giriş voltajına yükseldiğinden, C2'den geçen eşdeğer yük empedansı büyür. C2'deki enerji değişim miktarı denklem (12) ile verilir, burada Vdc, max ve Vdc, min Vdc'nin maksimum ve minimum değerleridir. Benzer şekilde, E denklem (13) ile verilir. Formül (12) ve formül (13) birleştirilerek formül (14) elde edilir ve devrenin verimliliğidir. Denklemden (14), aynı ortalama giriş gerilimi altında, Vdc arttırılırsa C2 kapasitansının azaltılabileceği görülebilir. Denklem (14), tasarım devresindeki kapasitörün değerini belirleyecektir.
Tasarım devresinin çıkış ucunda, iLo'da CCM'nin sağlanmasını sağlamak için minimum L0 değeri denklem (15) ile hesaplanabilir, iLo ortalama çıkış akımıdır.
4 Deneysel araştırma
Şekil 5, güç kaynağı girişinin voltaj ve akım değerlerini açıklamaktadır PFC devresinin çıkış voltajı VO1 ile dalgalanma iptal devresinin çıkış VO3 arasındaki düşük frekans iptali daha iyidir. VO1'deki ilk dalgalanma, VP-P tarafından belirlenir. Dalgalanmayı ortadan kaldırdıktan sonra, LED üzerindeki dalgalanma voltajı 0,75 V'a düşmüştür. Dalgalanma akımı ve verimliliği, geleneksel buck-boost LED güç kaynağına kıyasla büyük ölçüde iyileştirildi ve çıktı kapasitans değeri büyük ölçüde azaltıldı.
Güç kaynağından çıkan voltaj ve akım değerleri Şekil 6'da gösterilmektedir. Şekil 6'dan görülebileceği gibi, geleneksel buck-boost LED güç kaynağının dalgalanma akımı 250 mA kadar yüksektir. Dalgalanma iptal teknolojisi altında, düşük frekanslı dalgalanma akımı 20 mA'ya düşürüldü. Dalgalanma bastırma oranı yaklaşık 12,5 kat daha kötüdür.
5. Sonuç
Bu makale, darbeli akım sürücü teknolojisine sahip basit bir yüksek güç faktörlü LED güç kaynağı topolojisi önermektedir. Herhangi bir elektrolitik kapasitör ve karmaşık kontrol yöntemi kullanmadan, bu makalede önerilen tek anahtarlı devre, ışık yayan diyotun düşük frekanslı dalgalanma akımını da azaltabilir. Önerilen topolojide, PFC işlevini gerçekleştirmek ve çıktı için yüksek frekanslı atımlı akım sağlamak için bir bağlı indüktör kullanılır. Bu makale, önerilen devrenin ayrıntılı bir açıklamasını, çalışma prensibini ve teorik analizini sağlar. Son olarak, 10 W, 50 V-0,2 A deneysel bir prototip, planın uygulanabilirliğini kanıtladı.
Referanslar
WANG B, RUAN X, YAO K ve diğerleri.Elektrolitik kapasitörsüz AC-DC sürücüler için LED Akımının tepe / ortalama oranını düşürmek için bir yöntem. IEEE Trans. Power Electron, 2010, 25 (3): 592 -601.
WANG S, RUAN X, YAO K, vd. Titreşimsiz elektrolitik kapasitörsüz AC-DC LED sürücüsü. IEEE Trans. Power Electron, 2012, 27 (11): 4540-4548.
CHEN W, HUI SY R.Yüksek giriş güç faktörüne ve sabit çıkış akımına sahip AC / DC ışık yayan diyot (LED) sürücüsünde elektrolitik kapasitörün ortadan kaldırılması IEEE Trans.Power Electron, 2012, 27 (3): 1598-1607 .
ALMEIDA PS, SOARES G M, PINTO D P, ve diğerleri.Elektrolitik kapasitörler olmadan çevrimdışı bir LED sürücü olarak entegre SEPIC buck-boost dönüştürücü. Proc.IEEE Ann. Conf. IEEE Ind. Electron. 2012: 4551-4556.
MA H, LAI J S, FENG Q ve diğerleri.LED aydınlatma uygulaması için elektrolitik kapasitörsüz yeni bir vadi dolgulu SEPIC'den türetilmiş güç kaynağı IEEE Trans. Power Electron, 2012, 27 (6): 3057-3074.
JIRASEREEAMONKUL K, BOONYAROONATE I, CHAM-NONGTHAI K, ve diğerleri Güç kaynağı elemanının Proc. IEEE TENCON Bölge 10, 2005: 1-4'te Power-FactorCorrection'da uygulanması.
ALMEIDA PS, SOARES G M, BRAGA H A C. Proc. IEEE / IAS Int. Conf. Ind. Appl., 2012: 1-7'de tek bir anahtar kullanan PWM karartma ve güç faktörü düzeltmeli çevrimdışı geri dönüş LED sürücüsü.
MA H, YU W, ZHENG C, vd., Proc. Energy Convers. Congr. Expo., 2011: 2288-2295'te PWM karartma LED aydınlatma uygulaması için elektrolitik kondansatörsüz evrensel girişli yüksek güç faktörlü PFC ön regülatörü.
RYU M, KIM J, BAEK J, ve diğerleri.Elektrolitik kapasitörsüz AC-DC sürücülerinde akım trafosunu kullanan yeni çok kanallı LED sürüş yöntemleri. Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo., 2012: 23612367.
LI S, TAN S C, HUI S Y R, vd.Proc. IEEE Energy Convers.Congr. Expo., 2013: 3102-3109'da LED Balastlarının gözden geçirilmesi ve sınıflandırılması.
HU Q, ZANE R. Seri giriş dönüştürücü modüllerine dayalı çevrimdışı LED sürücülerinde gerekli enerji depolamasının en aza indirilmesi IEEE Trans. Power Electron., 2011, 26 (5): 2887-2895.
ATHLAYE P, HARRIS M, NEGLEY G. Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo., 2012: 2385-2391'de yüksek performanslı yüksek voltajlı LED armatürleri için iki aşamalı bir LED sürücü.
CHENG C A, CHENG H L, CHANG C H, et al. Araya giren PFC özelliğine sahip sokak aydınlatma uygulamaları için tek aşamalı bir LED sürücü. Yeni Nesil Elektronik (ISNE), 2013 IEEE Uluslararası Sempozyumu.
CHENG C A, CHUNG T Y, YANG F L. Yüksek PF'li sokak aydınlatma uygulamaları için tek aşamalı bir LED sürücü. Endüstriyel Elektronik (ISIE), 2013 IEEE International Symposium on.
WANG Y J, GUAN Y S, ZHANG X J, ve diğerleri.Düşük veri yolu voltajına sahip tek aşamalı LED sürücü.Electronics Letters, 2013, 49 (7): 455-457.
WANG S, RUAN X B, YAO K, vd. Titreşimsiz elektrolitik kapasitörsüz AC-DC LED sürücü Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2012, 27 (11): 4540-4548.
HU Q C, ZANE R. Seri giriş dönüştürücü modüllerine dayalı olarak çevrimdışı LED sürücülerinde gerekli enerji depolamasının en aza indirilmesi Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2011, 26 (10): 2887-2895.
yazar bilgileri:
Chen Chunkai, Li Yinlong
(Elektronik ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Tianjin Politeknik Üniversitesi, Tianjin 300387)
