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CN110959309A - 无源三相发光二极管驱动器 - Google Patents

无源三相发光二极管驱动器 Download PDF

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CN110959309A
CN110959309A CN201780093125.5A CN201780093125A CN110959309A CN 110959309 A CN110959309 A CN 110959309A CN 201780093125 A CN201780093125 A CN 201780093125A CN 110959309 A CN110959309 A CN 110959309A
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CN
China
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inductor
phase
terminal
capacitor
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Application number
CN201780093125.5A
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许树源
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University of Hong Kong HKU
Original Assignee
University of Hong Kong HKU
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Abstract

三相LED驱动器可包括：一输入电压(100)，其具有第一相电压(V_1)、第二相电压(V_2)和第三相电压(V_3)；一输入电感器(300)，其连接到所述输入电压；一输入电容器(200)，其连接在所述输入电压和所述输入电感器之间；一整流器(400)，其连接到所述输入电感器并具有第一端子(A)和第二端子(B)；一第一电容器(C1)，其连接在所述整流器的所述第一端子和所述第二端子之间；以及一滤波器(Lo)，其连接到所述整流器的所述第一端子。

Description

无源三相发光二极管驱动器
背景技术
大多数LED驱动器基于传统的开关式电力电子技术。诸如逆向、正向或升压转换器的功率转换器已经被用作用于驱动LED负载的受控电流源。一个示例是ST微电子LED升压控制器7708，其使用具有用于向LED负载供电的控制器的升压功率转换器。传统的开关式功率转换器需要复杂的电路，例如控制集成电路、用于缓冲电能的电解电容器和用于控制有功功率开关(例如功率金氧半电晶体(power mosfets)[1]和[2])。对电解电容器的要求使得这种方法不可靠，因为电解电容器的寿命对温度高度敏感。温度每升高10℃，电解电容器的寿命将会缩短一半。这是大多数需要电解电容器的电子LED驱动器在室内应用时通常为3至5年的原因。对于室外应用，电子LED驱动器因其对闪电和宽温度变化的易损性而被众所周知。
发明内容
本发明的实施例提供一种新颖且有利的无源三相LED驱动器，其包括一二极管整流器、用于平滑二极管整流器的输出电压纹波的一非电解电容器，以及用于减小输出电流纹波的一输出电流滤波器。因此，本发明的实施例的无源三相LED驱动器在没有主动控制电源开关、栅极驱动电路、电解电容器和控制集成电路的情况下操作。
在本发明的一实施例中，一种三相LED驱动器可包括：一输入电压，其具有第一相电压、第二相电压和第三相电压；一输入电感器，其连接到所述输入电压；一输入电容器，其连接在所述输入电压和所述输入电感器之间；一整流器，其连接到所述输入电感器并具有第一端子和第二端子；一第一电容器，其连接在所述整流器的所述第一端子和所述第二端子之间；一滤波器，其连接到所述整流器的所述第一端子。
在本发明的另一实施例中，一种多相无源LED驱动器可包括：一输入电压，其具有一多相电压；一输入LCL电路，其连接到所述输入电压；一整流器，其连接到所述输入LCL电路并具有第一端子和第二端子；一第一电容器，其通过所述第一端子和所述第二端子并联连接到所述整流器；以及一过滤器，其连接到所述整流器的所述第一端子。
在本发明的实施例中，单相系统的输入脉动功率问题可通过使用平衡的3相系统来解决。这些实施例包括可驱动至少一个LED器件的3相无源LED驱动器的示意图的示例。对于高功率应用，多个LED可串联连接以形成LED串。在必要的情况下，若干LED串可被连接到所提出的LED驱动器的多个输出端子，以便增加输出负载功率。
附图说明
图1示出了无源LED驱动系统。
图2示出了图1的无源LED驱动系统的输入电压(Vs)、输入电流(Is)、输入功率(Vs*Is)和输出电流(Io)的波形。
图3示出了用于根据本发明第一实施例的用于LED系统的三相无源LED驱动器。
图4示出了根据本发明第二实施例的三相无源LED驱动器。
图5(a)示出了在一个相电压断开的情况下的三相无源LED驱动器。
图5(b)示出了图5(a)的等效电路。
图6示出了图3的三相无源LED驱动器的输入相功率、总输入功率和输出电流纹波的模拟波形。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种新颖且有利的无源三相LED驱动器，其包括二极管整流器、用于平滑二极管整流器的输出电压纹波的非电解电容器，以及用于减小输出电流纹波的输出电流滤波器。
无源LED驱动器先前已经由发明人在“无源LED照明设备的操作的装置和方法”[3]中提出，并且图1示出了无源LED驱动系统。参考图1，无源LED驱动系统使用单相输入电压，因此如果输入功率具有大于0.9(其为法规要求)的高功率因数，则输入功率是脉动的。在不使用电解电容器来缓冲电能的情况下，单相无源LED驱动系统需要相对大的交流(ac)输入电感Ls和相对大的直流(dc)输出电感Lo，以便减少LED的输出电流纹波和闪烁效应。
图1的140W单相无源LED驱动系统的示例可被设计用于230V、50Hz的电力系统。图2示出了图1的单相无源LED驱动系统的典型输入电压、输入电流、输入脉动功率和输出电流纹波。参考图2，输入功率是脉动的。对于在闪烁不存在的情况下理想地消耗恒定功率的输出LED负载，必须需要能量存储元件以便缓冲输入脉动功率与恒定负载功率之间的瞬时功率差。这就是为什么300mH的大输入电感Ls和300mH的大输出电感Lo被用在该单相LED驱动系统中的原因。输出电流具有直流分量和交流纹波。在该实施例中，平均直流电流约为0.87A且输出电流纹波约为0.2A。
对于一般的街道照明系统，小电流纹波可为可接受的，因为当电流纹波与平均直流电流相比小时，人眼不能注意到闪烁。然而，对于在体育场和机场中所使用的照明系统，闪烁必须被大大地减少或甚至消除，因为现场直播摄像机和监控摄像机能够检测闪烁。因此，需要进一步扩展无源LED驱动器方案以进一步减少无源LED系统中的闪烁。
在本发明的实施例中，闪烁可通过使用三相输入电压来解决。此外，本发明的三相无源LED驱动器抵抗闪点和可变温度是稳健的，并且提供高能量效率。图3示出了根据本发明第一实施例的用于LED系统的三相无源LED驱动器。参考图3，三相无源LED驱动器可包括输入电压100、连接到输入电压100的输入电感器300、连接在输入电压100和输入电感器300之间的输入电容器200、连接到输入电感器300并且具有第一端子A和第二端子B的整流器400、连接在整流器400的第一端子A和第二端子B之间的第一电容器C1，以及连接到整流器400的第一端子A的滤波器Lo。
输入电压100可包括第一相电压V_1、第二相电压V_2和第三相电压V_3。也就是说，输入电压100提供三相输入电压，但不限于此。
输入电感器300可包括耦合到第一相电压V_1的第一输入电感器L1、耦合到第二相电压V_2的第二输入电感器L2，以及耦合到第三相电压V_3的第三输入电感器L3。第一输入电感器至第三输入电感器V_1-V_3限制整流器400的输入电流，并因此限制整流器400的输出电流和被配置为通过第三端子C连接到滤波器Lo的LED负载500的功率。此外，第一输入电感器至第三输入电感器L1-L3过滤整流器400的输入电流中的谐波，从而改善输入电流的失真系数。
输入电容器200可包括连接在第一输入电感器L1和第二输入电感器L2之间的第一输入电容器Cpl、连接在第二输入电感器L2和第三输入电感器L3之间的第二输入电容器Cp2，以及连接在第三输入电感器L3和第一输入电感器L1之间的第三输入电容器Cp3。此外，第一输入电容器Cpl被连接在第一相电压V_1和第二相电压V_2之间，第二输入电容器Cp2被连接在第二相电压V_2和第三相电压V_3之间，以及第三输入电容器Cp3被连接在第三相电压V_3和第一相电压V_1之间。第一输入电容器至第三输入电容器Cpl-Cp3是非电解电容器，并且校正三相无源LED驱动器的输入功率因数。
整流器400可包括耦合到第一输入电感器L1的第一整流器420、耦合到第二输入电感器L2的第二整流器440和耦合到第三输入电感器L3的第三整流器460。第一整流器至第三整流器420、440和460在第一端子A和第二端子B之间彼此并联连接。因此，整流器400将作为交流电流的输入电流转换为作为直流电流的输出电流。即，整流器400通过第一端子A提供直流输出电压Vdc和直流输出电流Idc。
具体地，第一整流器420包括连接在第一输入电感器L1和第一端子A之间的第一二极管421以及连接在第一电感器L1和第二端子B之间的第二二极管423。第一二极管421的阳极连接到第一输入电感器L1，第一二极管421的阴极连接到第一端子A。第二二极管423的阴极连接到第一输入电感器L1，而第二二极管423的阳极连接到第二端子B。类似地，第二整流器440包括第三二极管441和第四二极管443，第三二极管441的阳极连接到第二输入电感器L2，且阴极连接到第一端子A，第四二极管443的阴极连接到第二输入电感器L2，且阳极连接到第二端子B。第三整流器460包括连接在第三输入电感器L3和第一端子A之间的第五二极管461以及连接在第三输入电感器L3和第二端子B之间的第六二极管463。
第一电容器C1连接在第一端子A和第二端子B之间。即，第一电容器C1并联连接到整流器400，从而平滑整流器400的直流输出电压Vdc的输出电压纹波。第一电容器C1是非电解电容器，从而提供长寿命和对温度的稳健性(robustness)。
滤波器Lo被连接到整流器400的第一端子A，从而减小直流输出电流Idc的输出电流纹波和LED负载500的闪烁。滤波器Lo由输出电感器构成。
三相无源LED驱动器还可包括连接在第三端子C和第二端子B之间的第二电容器C2。第二电容器C2也被并联连接到LED负载500，从而在LED负载500被移除的情况下为直流输出电流Idc提供导电通路。
一般来说，在3相二极管整流器的输出中的平均直流输出电压Vdc可被表示为：
Figure BDA0002364912370000051
其中，VLL是3相电压源的线间电压，ω是角频率(即2πf和f为电源频率)，L是输入电感器的电感，而Idc是3相二极管整流器的直流输出电流。重要的是要注意，每相中的输入电感不是电压源电抗。它是一个物理电感器，专门设计用来限制电流，从而限制进入LED负载的功率。
直流输出电压Vdc由LED负载两端的导通电压(on-stage voltage)确定。如果导电LED封装两端的电压为Vd且存在串联连接以形成LED串的N个相同LED封装，则该LED串两端的总电压适当地为：
Vdc＝NVd (2)
例如，如果每个LED封装两端的电压是6V并且存在串联连接以形成LED串的20个LED封装，则该LED串两端的总电压是120V。如果存在M个并联LED串，且每个LED串中的电流为Id，则所需的总电流(Idc)为：
Idc＝MId (3)
总LED负载功率为Pdc：
pdc＝VdcIdc＝MNVdId (4)
每相的输入电感可通过重排方程(1)而被确定：
Figure BDA0002364912370000052
利用参数Cp1＝Cp2＝Cp3＝20uF，L1＝L2＝L3＝300mH，Cl＝100uF，Lo＝100mH和C2＝1uF,对具有3个LED串(具有167V的相等串电压)的250W无源LED系统进行了模拟。注意，输出电感现在是100mH，其仅仅是图1中的单相LED系统中的输出电感的三分之一。
图4示出了根据本发明第二实施例的三相无源LED驱动器。参考图4，三相无源LED驱动器的输入侧可利用输入LCL电路170和功率因数校正电容器来修改，输入LCL电路170包括被分成两相的每个相的输入电感器。输入LCL电路170包括连接到输入电压100的前置电感器150、连接到前置电感器150的输入电容器200，以及连接在输入电容器200和整流器400之间的输入电感器。在该布置中，输入LCL电路170用作(1)输入滤波器、(2)功率因数校正电路和(3)用于LED负载500的电流和功率限制电路。LED负载500包括至少一个LED，并且可由一个或多个LED串组成。通常，如果使用并联LED串，则电流平衡电路600可被添加。在图4的实施例中，小串联电阻器R1被放置在第一LED串中。这些小串联电阻器可减少并联LED串之间的电流不平衡。
图5(a)示出了在一个相电压断开的情况下的三相无源LED驱动器，而图5(b)示出了图5(a)的等效电路。如图5(a)和图5(b)所示，如果一个相电压从所提出的3相电路断开，则LED驱动器仍然能够像由3相电源的线间电压馈电的单相电路那样运行。该操作类似于单相无源LED驱动器[3]，只是系统的输入电压为线间电压。所提出的由3相电源和2相电源馈电的3相LED驱动器之间的差异在于LED负载中的电流纹波。当由3相电源馈电时，LED电流纹波将非常小，因此闪烁效应是可忽略的。当由2相电源馈电时，LED电流纹波将增加，除非使用更大的输入电感器(L1、L2和L3)。
材料和方法
本文提及或引用的所有专利、专利申请、临时申请和出版物(包括所述有附图和表格)在不与本说明书的明确教导相矛盾的程度上通过引用全部并入本文。
以下是说明实施本发明的步骤的实施例。这些示例不应被解释为限制性的。除非另有说明，所有百分比均为重量，所有溶剂混合物比例均为体积。
示例1—三相LED驱动器
三相LED驱动器可包括：具有第一相电压、第二相电压和第三相电压的输入电压；连接到输入电压的输入电感器；连接在输入电压和输入电感器之间的输入电容器；连接到输入电感器并具有第一端子和第二端子的整流器；连接在整流器的第一端子和第二端子之间的第一电容器；以及连接到整流器的第一端子的滤波器。
利用参数Cp1＝Cp2＝Cp3＝20uF、L1＝L2＝L3＝300mH、Cl＝100uF、Lo＝100mH和C2＝1uF对具有3个LED串(具有167V的相等串电压)的250W无源LED系统进行了模拟。图6示出了图3的三相无源LED驱动器的输入相功率、总输入功率和输出电流纹波的模拟波形。输出电感Lo现在是100mH，其仅仅是图1中的单相LED系统中的输出电感的三分之一。
参考模拟单相无源LED驱动器的图2和模拟三相无源LED驱动器的图6，可以看出，单相系统中的输入功率纹波为270W，而三相系统的输入功率纹波基本上被减小到仅35W。这种输入功率纹波的减少是由于使用了具有120度位移的3个单相功率。此外，输入功率纹波的巨大减小使得输出电感(用作输出电流的滤波器)的大小能够相应减小。三相系统中的输出电感Lo仅为100mH，而单相系统的输出电感器Lo为300mH。此外，用于0.87A的平均直流电流(即，纹波与直流电流之比为0.23)的单相系统中的输出电流纹波为204mA，而用于1.47A的平均直流电流(即，纹波与直流电流之比为0.003)的三相系统中的输出电流纹波仅为5mA。由于闪烁效应和纹波与DC电流之比成比例，所以三相无源LED驱动器的使用可实质上将LED电流纹波和闪烁效应减小到可忽略的水平。
与先前所开发的单相无源LED驱动器相比，本发明中的三相无源LED驱动器具有以下优点：更适合于高功率(例如，>1000W)应用；小得多的输入功率变化以及因此更小的能量存储要求；小得多的输出电流纹波以及因此可忽略的闪烁；以及在二极管整流器的输出中的更小的滤波电感。
应当理解，在此描述的示例和实施例仅用于说明的目的，并且本领域技术人员将根据其提出各种修改或改变，并且这些修改或改变将被包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。另外，本文公开的任何发明或其实施例的任何要素或限制可以与本文公开的任何和/或所有其他元素或限制(单独地或以任何组合)或任何其他发明或其实施例结合，并且所有这些组合被预期具有本发明的范围但不限于此。
参考文献
[1]中国专利申请号201110062099“一种多通道多相驱动的LED电源”。
[2]John C.W.Lam,Praveen K.Jain，“具有高频脉冲输出电流的高功率因数、无电解电容器交流输入LED驱动器拓扑结构(A High Power Factor,Electrolytic Capacitor-Less AC-Input LED Driver Topology With High Frequency Pulsating OutputCurrent)”，IEEE电力电子学期刊，第30卷，第2期，2015年2月。
[3]Ron Shu Yuen Hui，“无源LED照明设备和操作方法设备”，美国专利号8,482,214。

Claims (31)

1.一种三相无源LED驱动系统，包括：
一三相二极管整流器，其用于将输入交流电流转换成输出直流电流；
一用于每一相的输入电感器，其用于限制一LED负载的输入电流、输出电流和功率，并且过滤所述输入电流中的谐波，用于改善所述输入电流的失真系数；
一非电解电容器，其用于平滑所述二极管整流器的输出电压纹波；
一输出电流滤波器，其用于减少输出电流纹波和所述LED负载的闪烁；
一小型非电解电容器，其用于在所述LED负载被移除的情况下为所述输出电流提供一导电通路；以及
多个非电解电容器，其用于校正所述三相无源LED驱动系统的输入功率因数。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括作为所述LED负载的至少一个LED。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述LED负载被连接到所述三相无源LED驱动器的多个输出端子，并且被布置为包括串联连接的多个LED的单个串的形式，或者被布置为并联连接的多个LED串的形式。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括连接到所述并联LED串的电流平衡电路，用于减少所述并联LED串之间的电流不平衡。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括连接到所述输入电感器和所述多个非电解电容器的多个前置电感器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统用于在三相电源的一个相电压断开的情况下向所述LED负载供电。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统在无主动控制的电源开关的情况下运行。
8.一种三相发光二极管(LED)驱动器，包括：
一输入电压，其具有第一相电压、第二相电压和第三相电压；
一输入电感器，其连接到所述输入电压；
一输入电容器，其连接在所述输入电压和所述输入电感器之间；
一整流器，其连接到所述输入电感器并具有第一端子和第二端子；
一第一电容器，其连接在所述整流器的所述第一端子和所述第二端子之间；以及
一滤波器，其连接到所述整流器的所述第一端子。
9.根据权利要求8所述的三相LED驱动器，其中，所述第一电容器是非电解电容器。
10.根据权利要求9所述的三相LED驱动器，其中，所述输入电感器包括耦合到所述第一相电压的一第一输入电感器、耦合到所述第二相电压的一第二输入电感器和耦合到所述第三相电压的一第三输入电感器。
11.根据权利要求10所述的三相LED驱动器，其中，所述整流器包括耦合到所述第一输入电感器的一第一整流器、耦合到所述第二输入电感器的一第二整流器和耦合到所述第三输入电感器的一第三整流器。
12.根据权利要求11所述的三相LED驱动器，其中，所述第一整流器、所述第二整流器和所述第三整流器在所述第一端子和所述第二端子之间彼此并联连接。
13.根据权利要求12所述的三相LED驱动器，其中，所述输入电容器包括连接在所述第一输入电感器和所述第二输入电感器之间的一第一输入电容器、连接在所述第二输入电感器和所述第三输入电感器之间的一第二输入电容器，以及连接在所述第三输入电感器和所述第一输入电感器之间的一第三输入电容器。
14.根据权利要求13所述的三相LED驱动器，其中，所述第一输入电容器、所述第二输入电容器和所述第三输入电容器是非电解电容器。
15.根据权利要求12所述的三相LED驱动器，其中，所述输入电容器包括连接在所述第一相电压和所述第二相电压之间的一第一输入电容器、连接在所述第二相电压和所述第三相电压之间的一第二输入电容器，以及连接在所述第三相电压和所述第一相电压之间的一第三输入电容器。
16.根据权利要求12所述的三相LED驱动器，其中，所述第一整流器包括连接在所述第一输入电感器和所述第一端子之间的一第一二极管以及连接在所述第一输入电感器和所述第二端子之间的一第二二极管，所述第二整流器包括连接在所述第二输入电感器和所述第一端子之间的一第三二极管以及连接在所述第二输入电感器和所述第二端子之间的一第四二极管，以及所述第三整流器包括连接在所述第三输入电感器和所述第一端子之间的一第五二极管以及连接在所述第三输入电感器和所述第二端子之间的一第六二极管。
17.根据权利要求8所述的三相LED驱动器，还包括通过第三端子连接到所述滤波器并连接到所述第二端子的一第二电容器。
18.根据权利要求17所述的三相LED驱动器，其中，所述第二电容器是非电解电容器。
19.根据权利要求17所述的三相LED驱动器，还包括在所述第三端子和所述第二端子之间的一负载，其中所述负载和所述第二电容器彼此并联连接。
20.根据权利要求19所述的三相LED驱动器，还包括串联连接到所述负载的一电阻器。
21.根据权利要求17所述的三相LED驱动器，还包括连接在所述输入电压和所述输入电容器之间的一预置电感器。
22.一种多相无源发光二极管(LED)驱动器，包括：
一输入电压，其具有一多相电压；
一输入LCL电路，其连接到所述输入电压；
一整流器，其连接到所述输入LCL电路并具有第一端子和第二端子；
一第一电容器，其通过所述第一端子和所述第二端子并联连接到所述整流器；以及
一过滤器，其连接到所述整流器的所述第一端子。
23.根据权利要求22所述的多相无源LED驱动器，还包括通过第三端子连接到所述滤波器并连接到所述第二端子的一第二电容器。
24.根据权利要求23所述的多相无源LED驱动器，其中，所述第三端子和所述第二端子被配置为连接到一LED负载。
25.根据权利要求24所述的多相无源LED驱动器，其中，所述LED负载是多个并联LED串。
26.根据权利要求25所述的多相无源LED驱动器，还包括在所述多个并联LED串和所述第二端子之间的电流平衡电路。
27.根据权利要求26所述的多相无源LED驱动器，其中，所述电流平衡电路包括一电阻器。
28.根据权利要求24所述的多相无源LED驱动器，其中，所述输入LCL电路包括连接到所述输入电压的一前置电感器、连接到所述前置电感器的一输入电容器，以及连接在所述输入电容器和所述整流器之间的一输入电感器。
29.根据权利要求28所述的多相无源LED驱动器，其中，所述前置电感器包括耦合到所述输入电压的第一相的一第一前置电感器、耦合到所述输入电压的第二相的一第二前置电感器，以及耦合到所述输入电压的第三相的一第三前置电感器。
30.根据权利要求29所述的多相无源LED驱动器，其中，所述输入电容器包括连接在所述第一前置电感器和所述第二前置电感器之间的一第一输入电容器、连接在所述第二前置电感器和所述第三前置电感器之间的一第二输入电容器，以及连接在所述第三前置电感器和所述第一前置电感器之间的一第三输入电容器。
31.根据权利要求30所述的多相无源LED驱动器，其中，所述输入电感器包括连接到所述第一前置电感器的一第一输入电感器、连接到所述第二前置电感器的一第二输入电感器，以及连接到所述第三前置电感器的一第三输入电感器。
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