智能控制及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、 智能控制及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 課 程 名 稱 智能控制及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 專 業(yè) 電氣工程 研 究 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 任課教師姓名 2017年 6月26日高光效可獨(dú)立調(diào)光的LED均流電路一、研究背景LED光源具有光效高和壽命長的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在家用、商業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域1。目前市場上大部分LED光源的單片封裝功率為13W，這是由于大功率的單片封裝難以解決其散熱問題。因此，在大部分照明場合，如液晶背光源，街燈及普通照明等，需要同時(shí)使用多個(gè)LED光源才能滿足照明強(qiáng)度要求，并且多個(gè)LED光源同時(shí)工作時(shí)，必須滿足亮度均勻。而LED的輸出光頻譜、發(fā)光效率與LED的驅(qū)動(dòng)電流直接相關(guān)，為滿足亮度

2、均勻要求，需保證流過每只LED的電流相等。最簡單的方法是將多個(gè)LED燈串聯(lián)連接，但串聯(lián)連接的可靠性低，當(dāng)任意一燈損壞時(shí)，整個(gè)LED支路無法工作，且串聯(lián)個(gè)數(shù)有限，LED支路電壓通常為幾十伏，不超過安全電壓限值。因此，大部分LED照明采用LED串并聯(lián)相結(jié)合的方式。LED是半導(dǎo)體器件，其伏安特性符合指數(shù)關(guān)系，即電壓的微小變化會(huì)造成電流的顯著變化。LED導(dǎo)通電壓除了受驅(qū)動(dòng)電流影響，還受工作溫度、時(shí)間及個(gè)體差異的影響。當(dāng)多個(gè)LED支路并聯(lián)于同一電壓源時(shí)，由于導(dǎo)通電壓存在差異，每個(gè)LED支路中的電流并不完全相等，電流大的支路的LED燈易發(fā)生光衰、老化加速甚至熄滅，降低了LED燈的壽命和可靠性。二、LED的

3、特性簡介目前LED的單片封裝的功率一般是1-3W，大部分LED照明燈具采用LED串并聯(lián)相結(jié)合的方式，驅(qū)動(dòng)方式采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，必須保證流過每只LED的電流相等來滿足照明亮度均勻。LED是半導(dǎo)體器件，其伏安特性符合指數(shù)關(guān)系，電壓的微小變化會(huì)造成電流的顯著變化。雖然單顆LED的功率不斷提高，但在上述大功率LED照明領(lǐng)域，仍需采用多顆LED串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合。基于下述原因，LED宜采用恒流驅(qū)動(dòng)已形成共識(shí)：1）LED的光通量、亮度等光度學(xué)指標(biāo)與流過LED的平均電流基本呈線性關(guān)系；2）LED的正向電壓與正向電流呈指數(shù)關(guān)系，很小的電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電流出現(xiàn)較大波動(dòng)；3）由于LED制造等的分散性，在正向電流

4、相同的條件下，正向電壓存在較大差異，甚至達(dá)到30%以上。LED串聯(lián)可保證流過每個(gè)LED的正向電流相等，但太多的LED串聯(lián)導(dǎo)致其驅(qū)動(dòng)電壓過高、可靠性降低，LED導(dǎo)通電壓除了受驅(qū)動(dòng)電流影響，還受工作溫度、時(shí)間及個(gè)體差異的影響。當(dāng)多個(gè)LED支路并聯(lián)于同一電壓源時(shí)，由于導(dǎo)通電壓存在差異，每個(gè)LED支路中的電流并不完全相等，電流大的支路的LED燈易發(fā)生光衰、老化加速甚至熄滅，降低了LED燈的壽命和可靠性。圖1 LED伏安特性曲線三、研究現(xiàn)狀為了解決不均流問題，可給每個(gè)LED支路提供獨(dú)立的電壓源，每條支路電流由單獨(dú)的變換器控制，電壓源幅值等于LED導(dǎo)通壓降，由LED電流和LED本身的特性決定，支路間互不影

5、響，保證電流一致性。但該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)LED支路需要獨(dú)立的電流控制和驅(qū)動(dòng)電路，增加了成本。為簡化均流電路結(jié)構(gòu)，可采用自均流的電路拓?fù)鋪眚?qū)動(dòng)LED。如：利用輸出整流前的交流電流正負(fù)半周的電流相等的原理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流。然而，這種方法需要將開關(guān)周期變?yōu)樵瓉淼膬杀?，增大了濾波器。另外，根據(jù)電磁耦合理論，采用耦合電感或變壓器可實(shí)現(xiàn)電流自動(dòng)均衡。但耦合元件的寄生參數(shù)影響了控制精度，且隨著LED支路的增加，耦合電感的個(gè)數(shù)及電路的復(fù)雜程度呈指數(shù)倍增加。從功率變換結(jié)構(gòu)上看，采用同一個(gè)電壓源供電的結(jié)構(gòu)是最簡單的，但一個(gè)公共電壓無法匹配不同壓降的LED支路，因此需要額外的器件來吸收電壓源與LED導(dǎo)通壓降間的差異

6、。在LED支路上串聯(lián)電容，當(dāng)每條支路的電容阻抗遠(yuǎn)大于該支路所有LED燈的等效內(nèi)阻之和時(shí)，電流可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡。由于引入電容會(huì)增加無功功率，因此需要選用電流應(yīng)力更大的功率器件。在線性調(diào)制器的基礎(chǔ)上加入了一種自適應(yīng)的控制方法，自適應(yīng)調(diào)整LED支路電壓，減小線性電流調(diào)制器上的壓降，從而減小其損耗。為進(jìn)一步減小損耗，可以將線性調(diào)節(jié)器控制為開關(guān)模式，即采用PWM控制，通過調(diào)整每條支路開關(guān)器件的占空比，可以方便的實(shí)現(xiàn)電流平衡，該方式也被廣泛應(yīng)用于LED調(diào)光場合。然而，LED的發(fā)光效率與LED導(dǎo)通電流有關(guān)，只考慮平均電流的PWM均流控制沒有考慮其對(duì)LED發(fā)光效率的影響。為提高LED燈的發(fā)光效率，本文介紹一種最

7、小導(dǎo)通電流幅值反饋的PWM均流策略，在脈寬調(diào)制(PWM)均流的基礎(chǔ)上，通過最小電流幅值反饋，調(diào)整LED支路供電電壓的大小，使得LED并聯(lián)支路中存在至少一條支路的均流占空比為1，其他支路的占空比盡可能大，提高LED光源的發(fā)光效率。另外，此電路在不增加額外電路和控制的基礎(chǔ)上，可同時(shí)精確調(diào)光。 四、PWM均流下的LED發(fā)光效率優(yōu)化PWM均流的核心思想是通過調(diào)節(jié)每條支路的占空比使得其平均電流相等，如圖所示，N條LED支路并聯(lián)連接于同一電壓源Uo，每條支路串聯(lián)連接一只均流開關(guān)管Q1,2.N，均流時(shí)的平均電流為ILED，對(duì)應(yīng)的均流占空比分別為D1,2.N。由上式可知，PWM均流保證了平均電流相等，但對(duì)導(dǎo)通

8、電流I1,2.N并未加以控制。UO應(yīng)不小于任一支路的導(dǎo)通電壓和，才能保證所有支路的LED導(dǎo)通。圖2 PWM均流調(diào)制的LED驅(qū)動(dòng)電路圖3 N條LED直流電流示意圖LED是非線性半導(dǎo)體器件，其典型的伏安特性如圖3所示，在近似線性區(qū)內(nèi)，導(dǎo)通電壓的微小變化會(huì)引起LED電流的很大改變，因此，UO決定了LED支路導(dǎo)通電流的大小，UO增大會(huì)造成急劇增大。圖4給出了LED輸出光通量與驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系，當(dāng)工作在圖3中的近似線性區(qū)內(nèi)時(shí)，LED的導(dǎo)通電壓變化相比于電流變化很小，可近似為恒定。此時(shí)，圖4中曲線的斜率可近似反映出發(fā)光效率與導(dǎo)通電流之間的關(guān)系，當(dāng)增大時(shí)，斜率下降，這是由于電流增大引起發(fā)熱所影響的。因此，

9、LED一般工作在器件手冊(cè)推薦的電流值，如CREEXER白光系列的LED，推薦電流為350mA。相應(yīng)地，UO應(yīng)盡量接近LED工作在推薦電流值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通電壓和，使得I1,2.N接近推薦電流值，保證LED具有高的發(fā)光效率。圖4 典型的LED輸出光通量與導(dǎo)通電流關(guān)系曲線五、最小導(dǎo)通電流幅值反饋的功率控制策略圖5最小導(dǎo)通電流幅值反饋的功率環(huán)控制電路上圖給出了采用最小導(dǎo)通電流反饋控制的PWM均流電路的功率控制電路，每條支路連接均流開關(guān)管Q1,2.N和一個(gè)采樣電阻RS，uG1,2.N驅(qū)動(dòng)Q1,2.N，LED支路電流經(jīng)過RS采樣后，通過運(yùn)算放大器放大k倍，得到的瞬時(shí)電流信號(hào)ui1,2.N。ui1,2.N經(jīng)過峰

10、值電流檢測電路，得到各自的最小導(dǎo)通電流uP1,2.N。uiMIN與電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)UiREF分別連接電流環(huán)運(yùn)放的兩個(gè)端口，構(gòu)成PI環(huán)調(diào)節(jié)其輸出，隨后與PWM鋸齒波信號(hào)相交截，得到DPOWER調(diào)整LED驅(qū)動(dòng)電路的輸出UO。當(dāng)ui1,2.N>uP1,2.N，運(yùn)放輸出高電平，二極管導(dǎo)通，CP充電，直至ui1,2.N=uP1,2.N，二極管截止。RP用來釋放電流尖峰或者干擾信號(hào)能量，保證uP1,2.N不受干擾信號(hào)或者電流尖峰影響，通常為幾k，并不影響uP1,2.N。圖6峰值電流檢測電路uP1,2.N各自連接二極管的陰極，其陽極連接于同一點(diǎn)，通過電阻和輔助源UCC構(gòu)成最小電流幅值檢測電路。UF易隨溫

11、度變化而變化,應(yīng)取較大的放大系數(shù)k使，這樣可以忽略UF由溫度變化造成的壓降變化對(duì)均流精度的影響。要使得發(fā)光效率高，N條LED支路中至少存在一條支路的占空比為1。假設(shè)第M條支路DM=1，則其導(dǎo)通電流最小，設(shè)為，此時(shí)，該支路的LED導(dǎo)通壓降之和最大，則，因此，只需設(shè)置UiREF滿足上式，LED驅(qū)動(dòng)電路就可輸出自調(diào)整的UO，保證各條LED支路以最優(yōu)光效輸出。6、 平均電流反饋的均流控制策略LED主功率電路控制采用導(dǎo)通電流反饋，而PWM均流控制的是平均電流，因此每條LED支路需要單獨(dú)的平均電流反饋控制環(huán)路，如圖8所示。圖6中采樣后的瞬時(shí)電流信號(hào)ui1、ui2,¼,uiN，經(jīng)過Rf和Cf構(gòu)成的

12、低通濾波器，將其PWM信號(hào)濾成平均量uavgi1,2.N，然后與均流基準(zhǔn)信號(hào)UiSHARE1,2.N構(gòu)成均流電流環(huán)，調(diào)制生成不同占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)uG1,2.N，驅(qū)動(dòng)均流開關(guān)管Q1,2.N對(duì)于低通濾波器來說，Rf和Cf需滿足頻率要求，即PWM均流控制的是平均電流，因此每條LED支路需要單獨(dú)的平均電流反饋控制環(huán)路，圖中采樣后的瞬時(shí)電流信號(hào)ui1、ui2,.,uiN，經(jīng)過Rf和Cf構(gòu)成的低通濾波器，將其PWM信號(hào)濾成平均量uavgi1,2.N，然后與均流基準(zhǔn)信號(hào)UiSHARE1,2.N構(gòu)成均流電流環(huán)，調(diào)制生成不同占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)uG1,2.N，驅(qū)動(dòng)均流開關(guān)管Q1,2.N。Rf和Cf需滿足頻率要求，這種無法達(dá)到LED光效的最優(yōu)輸出，可以用于LED的調(diào)光控制。PWM調(diào)光具有光色穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在LED調(diào)光應(yīng)用中，但增加了額外的控制電路和成本。在本