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    4. LED驅動(dòng)電源新技術(shù)

      日期:2018-09-27 點(diǎn)擊::1776 次

      盡管led在過(guò)去十年中已經(jīng)有了顯著(zhù)的改進(jìn),但是驅動(dòng)技術(shù)并沒(méi)有跟上步伐,在某些方面,它是新應用的限制因素。尺寸是一個(gè)特殊的問(wèn)題。大幅增加開(kāi)關(guān)頻率有助于減小尺寸,但往往導致其他問(wèn)題或代價(jià)高昂。北歐電力轉換器公司的首席執行官米奇·麥德森解釋了他的公司如何克服這些障礙,并通過(guò)設計高頻率的LED驅動(dòng)器使其變得可行。

        傳統20 W驅動(dòng)電源的比較,其中無(wú)源器件構成大部分體積,開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz,而新型NPC技術(shù)為30 MHz

        LED技術(shù)革新了照明市場(chǎng)的效率,外形,壽命和控制能力,并繼續提供新的解決方案。LED驅動(dòng)在過(guò)去的十年里有了些許的改進(jìn)和優(yōu)化,但是根本的問(wèn)題仍然存在:自從1970年代引入開(kāi)關(guān)電源以來(lái),功率轉換技術(shù)基本上沒(méi)有改變。在尺寸、壽命和控制方面,LED已經(jīng)超過(guò)了驅動(dòng)它們的LED驅動(dòng)??s小這種差距的一種方法是大幅度提高開(kāi)關(guān)頻率。這個(gè)想法并不新穎,但以一種商業(yè)可行的方式實(shí)現的可能性卻是。增加開(kāi)關(guān)頻率的應用技術(shù)減少了無(wú)源儲能元件的尺寸。因此,它降低了尺寸、重量,從而降低了LED驅動(dòng)程序的成本,同時(shí)提高了可靠性和壽命。

        LED驅動(dòng)器引起的LED系統限制

        在過(guò)去的十年中,LED的功效已經(jīng)提高了很多倍,并且價(jià)格也受到了相應的影響,并且還將繼續下去。功效的提高導致功耗降低,因此降低了對冷卻的需求。所有這些都導致更小的燈具具有更高的設計自由度和更低的成本。然而,提供和控制LED所需的LED驅動(dòng)器沒(méi)有看到相同的重大改進(jìn)。

        首先,LED驅動(dòng)器的尺寸和形狀因子由所需的部件設定,例如無(wú)源儲能元件(電感器和電容器)。其次,所需組件的有限壽命限制了LED驅動(dòng)器的壽命和可靠性,導致它們成為L(cháng)ED系統故障的關(guān)鍵原因 - 并且通常早于用戶(hù)預期。第三,雖然LED驅動(dòng)器的成本隨著(zhù)數量的增加而減少,但進(jìn)一步降低成本受到銅等傳統組件的原材料的限制。因此,LED驅動(dòng)器需要新的創(chuàng )新以趕上LED的發(fā)展并滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

        LED驅動(dòng)器中無(wú)源元件的價(jià)值,尺寸和價(jià)格與開(kāi)關(guān)頻率成反比,開(kāi)關(guān)頻率的急劇增加將導致功率密度大大增加并降低成本。這個(gè)概念的好處是眾所周知的,同樣也是問(wèn)題所在。如下所述,增加的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )導致嚴重的開(kāi)關(guān)損耗,從而破壞硬開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電源(SMPS)的效率并導致系統故障。

        傳統技術(shù)

        第一款開(kāi)關(guān)電源是在20世紀70年代早期開(kāi)發(fā)的,從此成為電源和LED驅動(dòng)器的市場(chǎng)標準。在40多年的研發(fā)中,電源的效率和功率密度得到了提高,從那時(shí)起,隨著(zhù)技術(shù)的成熟和組件的優(yōu)化,電源的性能也得到了提升。然而,改善步伐大大減少。

        對于大多數LED驅動(dòng)器的功率水平,公布的一些最佳結果是效率約為95%,功率密度為0.88 W / cm 3。這些結果是在具有受控環(huán)境且不關(guān)注成本的實(shí)驗室中實(shí)現的。對于商業(yè)產(chǎn)品,接受較低的效率和功率密度以降低成本。

        大眾市場(chǎng)上一些最小的電源是Apple著(zhù)名的方糖筆記本電腦充電器。60W版本的功率密度為0.59W / cm。(包括外殼和插頭),效率為90%。對于USB充電器,效率和功率密度較低,效率約為75%,功率密度約為0.31 W / cm3。同樣的趨勢適用于具有差異的LED驅動(dòng)器,具體取決于功率水平,規格,性能和價(jià)格。在較低功率水平下效率和功率密度的下降部分是由于外殼,插頭,控制,啟動(dòng),保護和其他內務(wù)處理電路與功率水平無(wú)關(guān),部分原因是與價(jià)格的權衡。隨著(zhù)功率水平的提高,效率變得更加重要,通過(guò)提高效率,價(jià)格上漲通常更容易接受。

        開(kāi)關(guān)損耗會(huì )影響開(kāi)關(guān)頻率

        傳統的SMPS拓撲結構如降壓,升壓和反激是硬開(kāi)關(guān),這意味著(zhù)電路板上的MOSFET半導體在其上有電壓和/或電流通過(guò)時(shí)會(huì )切換。結果是每次導通時(shí)MOSFET中的能量都會(huì )耗散。這被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗。在傳統的轉換器中,開(kāi)關(guān)頻率被選擇作為效率(開(kāi)關(guān)損耗),尺寸和成本之間的折衷。在大多數商業(yè)產(chǎn)品中,選擇50-400 kHz范圍內的開(kāi)關(guān)頻率,因為這給出了公平的權衡。

        該頻率范圍內的典型SMPS如圖1所示。這里可以清楚地看到,無(wú)源儲能元件,電容器和磁性元件構成了大部分體積。物料清單(BOM)的細分通常會(huì )導致無(wú)源和有源組件之間的分別為60%和40%。因此,通過(guò)減少無(wú)源元件可以實(shí)現顯著(zhù)的尺寸和成本優(yōu)勢。由于這些元件的數值,尺寸和成本與開(kāi)關(guān)頻率成反比,直接的方法是將開(kāi)關(guān)頻率顯著(zhù)提高到MHz范圍,甚至達到甚高頻(VHF)范圍(30) -300 MHz)。然而,將頻率簡(jiǎn)單地增加到VHF范圍將使開(kāi)關(guān)損耗增加近1,000倍。

        為了避免開(kāi)關(guān)損耗并且能夠在保持高效率的同時(shí)增加頻率,必須使用新的拓撲結構。利用諧振轉換器,可以實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS),從而可以避免由寄生開(kāi)關(guān)電容引起的開(kāi)關(guān)損耗。存在三組諧振轉換器:串聯(lián)諧振,并聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振轉換器。

        串聯(lián)諧振轉換器具有最高的效率和最低的復雜性,但在輸出調節方面存在基本挑戰,特別是對于輕載和空載情況。

        并聯(lián)諧振轉換器具有更好的負載調節,但它們的諧振電流不隨輸出功率而變化。即使在輕負載時(shí)也會(huì )導致滿(mǎn)負載損耗,從而導致非常低的輕負載效率。

        串并聯(lián)諧振轉換器具有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振元件。這些元件可以平衡,以獲得串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振拓撲的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)顯著(zhù)降低其缺點(diǎn)。LLC轉換器是諧振轉換器最常用的拓撲結構。它可以設計為零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS),以減少開(kāi)關(guān)損耗并提高頻率。LLC轉換器通常用于降壓應用,從幾百伏到幾十伏,通常功率范圍為400-4000瓦[1]。

        自20世紀80年代以來(lái),已經(jīng)進(jìn)行了研究,將諧振RF放大器(逆變器)與整流器結合用于DC / DC轉換器[2,3]。利用這些類(lèi)型的轉換器,可以實(shí)現ZVS和/或零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。在這種情況下,當跨越/通過(guò)它的電壓和/或電流為零時(shí),MOSFET導通。從理論上講,如果切換是在瞬間和恰當的時(shí)間完成的,那么這應該可以消除開(kāi)關(guān)損耗。在實(shí)踐中,可以通過(guò)與理想情況的輕微偏差實(shí)現非常高的效率。

        VHF諧振轉換器

        在過(guò)去十年中,在VHF系列中運行的這類(lèi)轉換器的重點(diǎn)和研究已經(jīng)增加。進(jìn)入這個(gè)頻率范圍可以大大減少對被動(dòng)儲能和磁芯的需求。電解電容器可以用空心磁性元件和陶瓷電容器代替,從而最大限度地減小尺寸和價(jià)格,同時(shí)延長(cháng)使用壽命[4,5]。

        開(kāi)關(guān)頻率在30到300 MHz之間,選擇拓撲時(shí)的主要問(wèn)題是開(kāi)關(guān)損耗。由寄生輸出電容引起的MOSFET開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率線(xiàn)性增加,并成為這些頻率的主要損耗機制,如果拓撲結構沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。

        E類(lèi)

        大多數拓撲結構都來(lái)自E類(lèi)逆變器,它利用了設計中開(kāi)關(guān)的輸出電容,并確保在MOSFET導通之前電容完全放電。一些拓撲結構也可以實(shí)現零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。這消除了由例如MOSFET封裝中的寄生電感引起的損耗。盡管在功率轉換器中通常不是很大的損耗機制,但這導致電壓的導數在開(kāi)關(guān)實(shí)例(ZdVS或ZDS)處為零,因此是相關(guān)的。如果MOSFET沒(méi)有在正確的時(shí)間完全導通,它可以減少影響,因為它上面的電壓將在一段時(shí)間內接近零。

        基本的E類(lèi)轉換器是迄今為止最不復雜的拓撲結構,并且有很好的描述。在各個(gè)組件不會(huì )相互嚴重影響的情況下,可以使用簡(jiǎn)單的設計流程。逆變器僅由一個(gè)MOSFET,兩個(gè)電感器和一個(gè)電容器組成。它非常適合具有低輸入電壓的應用,但對于具有高輸入電壓的應用(例如電源),電壓應力是開(kāi)關(guān)上輸入電壓的3.5倍是這種拓撲結構的主要缺點(diǎn)。如果設計為在最佳情況下工作,則電感器對于限制瞬態(tài)響應和功率密度的任何拓撲結構而言是最大的。然而,逆變器可以設計成在較小的標稱(chēng)情況下操作,具有較小的電感器和較快的瞬態(tài)響應

        SEPIC轉換器可以看作E級轉換器的略微修改版本,原理圖中唯一的區別是諧振回路中的電感器被移除。這不僅減少了電感器的數量,而且其余兩個(gè)電感器也將小于E級(如果設計為接近最佳值)。然而,SEPIC的設計更復雜,因為逆變器和整流器不能單獨設計,因此所有部件相互影響。因此,使用SEPIC可以在效率,瞬態(tài)響應,尺寸和成本方面實(shí)現更好的性能,但設計更復雜。

        類(lèi)φ 2

        類(lèi)φ 2逆變器也是E級的改進(jìn)型,唯一的區別是增加了LC電路,通過(guò)使其更加梯形來(lái)降低MOSFET兩端的電壓。雖然這是降低電壓應力的好方法,但陡峭的電壓曲線(xiàn)需要更大的電流,使損耗大于E類(lèi)逆變器。雖然它有2個(gè)額外的元件,但與E類(lèi)逆變器相比,物理尺寸可以或多或少與電感器相同。由于較高的諧振電流,總損耗大于E類(lèi)逆變器。如果可以從另一類(lèi)MOSFET中進(jìn)行選擇,例如100 V器件而不是150 V器件,那么這可能是可以接受的,但如果不是這樣的話(huà)。E級或SEPIC是更好的選擇。

        DE

        類(lèi)DE逆變器是由與E類(lèi)逆變器相同數量的元件組成的半橋逆變器; 只有最大的電感被開(kāi)關(guān)取代。因此,該拓撲僅具有一個(gè)電感器,其同時(shí)小于其他拓撲中的任何電感器。MOSFET上的峰值電壓是迄今為止在任何逆變器中看到的最低電壓,電流也是最低的。

        類(lèi)φ 2逆變器是單開(kāi)關(guān)逆變具有最低電壓應力。該拓撲結構的電壓應力約為輸入電壓的2.5倍,是DE的2.5倍。這導致MOSFET的輸出電容中存儲的能量超過(guò)6倍。這是為了獲得ZVS而需要共振的最小能量。對于具有高輸入電壓的低功率應用(例如電源連接的SELV LED驅動(dòng)器),這因此設定諧振電流的量。此外類(lèi)φ 2具體地,甚至具有更多的諧振電流,由于3 次引入諧波以降低峰值電壓。避免開(kāi)關(guān)損耗并同時(shí)保持低諧振電流是實(shí)現高效率的關(guān)鍵[6]。因此,DE類(lèi)逆變器是具有實(shí)現最高效率的基本潛力的拓撲。

        因此,如果可以設計有效的高側柵極驅動(dòng),則DE逆變器優(yōu)于所有單開(kāi)關(guān)拓撲。

        VHF的技術(shù)優(yōu)勢

        移動(dòng)到更高頻率有幾個(gè)好處; 其主要優(yōu)點(diǎn)是小型化,可靠性/壽命和調光效率。

        小型化

        無(wú)源能量存儲元件構成SMPS的大部分體積。作為粗略平均值,這些組件構成體積的95%,有源組件與電阻器等一起構成剩余的5%。盡管開(kāi)關(guān)頻率的增加并未反映出尺寸減小的一對一,但將頻率從100 kHz增加到30 MHz將減少大約10倍。因此,整體SMPS將減少至原始體積的約15%。如圖4所示,其中以100 kHz工作的傳統20 W LED驅動(dòng)器與以30 MHz工作的20 W LED驅動(dòng)器進(jìn)行比較。

        可靠性

        LED系統故障的很大一部分是由LED驅動(dòng)器引起的; 一些人聲稱(chēng)占絕大多數。在大多數情況下,這是由于電解電容器,因為它們的壽命隨溫度大大降低,其中的液體蒸發(fā)。VHF對電容的需求減少消除(或顯著(zhù)降低)對電解電容器的需求,從而限制了這種故障原因。

        此外,對能量存儲的需求減少導致空心磁芯成為有芯磁性的可行替代方案。向空心磁場(chǎng)的轉變需要頻率的顯著(zhù)跳躍,因為沒(méi)有核心可以實(shí)現更小的每體積電感。如果頻率增加到VHF范圍,則空心和PCB嵌入式磁性元件成為可行的解決方案,因為這些頻率所需的電感可以在較小的物理尺寸下進(jìn)行,并且可以避免磁芯損耗[7]。這不僅顯著(zhù)降低了BOM,而且還提高了LED驅動(dòng)器的堅固性和機械穩定性,因為磁性元件具有最高的物理質(zhì)量并且對高溫敏感。

        高調光效率

        另一個(gè)強大的好處是提高調光效率。由于非常高的開(kāi)關(guān)頻率,可以在調光時(shí)調制整個(gè)轉換器,而不會(huì )引起可見(jiàn)的閃爍。通過(guò)這種方式,轉換器可以在最佳條件下開(kāi)啟并在最高效率下運行,也可以在低損耗下運行。這樣可以實(shí)現非常平坦的效率曲線(xiàn)。這可以用于在特定燈具中實(shí)現更高的調光效率,或者在更廣泛的燈具組中使用給定的驅動(dòng)器,同時(shí)實(shí)現所有的高效率。

        30 MHz下工作的圖示20 W室內驅動(dòng)器的調光效率。

        VHF LED驅動(dòng)器

        VHF功率轉換器的優(yōu)勢突破了功率轉換器的界限。然而,對傳統轉換器所做的權衡仍然是相關(guān)的,因為如果放寬其他參數的規格,仍然可以進(jìn)一步改進(jìn)一些參數。主要優(yōu)化參數通常是尺寸,效率,可靠性,成本和性能。特定的驅動(dòng)程序設計可以使用VHF的所有優(yōu)點(diǎn)來(lái)改進(jìn)一個(gè)或兩個(gè)參數,或者將改進(jìn)擴展到所有參數,如圖6中的蜘蛛網(wǎng)所示。

        在本節中,將介紹VHF LED驅動(dòng)器的兩個(gè)示例。這些驅動(dòng)器均基于DE級轉換器,主要針對尺寸(室內)或可靠性(室外)進(jìn)行了優(yōu)化。

        緊湊型室內驅動(dòng)

        20 W驅動(dòng)器針對室內燈具進(jìn)行了優(yōu)化,具有纖薄的外形,緊湊的外形,低成本和高調光效率。調光至10%時(shí),效率僅下降5%。

        該驅動(dòng)器的總體高度僅為6 mm。電解電容略高,但可以通過(guò)將其分成兩個(gè)更薄的版本或在PCB中切割來(lái)減少。另一種選擇是用陶瓷電容器替換電解電容器,如圖8所示。這增加了成本,但延長(cháng)了使用壽命并降低了高度。

        可靠的戶(hù)外駕駛員

        戶(hù)外照明的要求與室內照明不同。雖然尺寸仍然相關(guān),但由于更換故障驅動(dòng)器的成本,壽命和可靠性是關(guān)鍵參數。圖10中的60 W驅動(dòng)器針對此應用進(jìn)行了優(yōu)化。

        該驅動(dòng)器不含電解質(zhì),結合良好的電氣和熱設計,確保在75度TC時(shí)的使用壽命超過(guò)120,000小時(shí)。此外,它還具有8 kV / 4 kA共模和10 kV / 5kA差模的內置浪涌保護,以確保高可靠性和長(cháng)壽命。驅動(dòng)程序完全可編程,并具有所有標準控制接口。該驅動(dòng)器外形纖薄,僅25 mm,體積約為傳統SMPS最接近解決方案的一半。

        結論

        在尺寸和可靠性方面,LED驅動(dòng)器已成為L(cháng)ED照明的主要瓶頸之一。VHF LED驅動(dòng)器背后的技術(shù)為L(cháng)ED照明提供了基本優(yōu)勢,具有更小的外形,更高的可靠性和更高的調光曲線(xiàn)效率??梢哉{整給定駕駛員的設計以關(guān)注與給定照明應用相關(guān)的益處。

        隨著(zhù)傳統電源解決方案的發(fā)展停滯不前以及由于LED的改進(jìn)不斷提高的需求,下一代LED照明需要新的技術(shù)和解決方案。通過(guò)將射頻工業(yè)的電路與電力電子的設計方法結合起來(lái),可以設計新的VHF SMPS拓撲,有效地避免開(kāi)關(guān)損耗。在此基礎上,減少了被動(dòng)儲能元件的需求,使笨重的磁性元件和溫度敏感的電解電容器得以去除。


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