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  • LED驅動電源新技術

    日期:2018-09-27 點擊::205 次

    盡管led在過去十年中已經有了顯著的改進,但是驅動技術並沒有跟上步伐,在某些方麵,它是新應用的限製因素。尺寸是一個特殊的問題。大幅增加開關頻率有助於減小尺寸,但往往導致其他問題或代價高昂。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,並通過設計高頻率的LED驅動器使其變得可行。

      傳統20 W驅動電源的比較,其中無源器件構成大部分體積,開關頻率為100 kHz,而新型NPC技術為30 MHz

      LED技術革新了照明市場的效率,外形,壽命和控製能力,並繼續提供新的解決方案。LED驅動在過去的十年裏有了些許的改進和優化,但是根本的問題仍然存在:自從1970年代引入開關電源以來,功率轉換技術基本上沒有改變。在尺寸、壽命和控製方麵,LED已經超過了驅動它們的LED驅動。縮小這種差距的一種方法是大幅度提高開關頻率。這個想法並不新穎,但以一種商業可行的方式實現的可能性卻是。增加開關頻率的應用技術減少了無源儲能元件的尺寸。因此,它降低了尺寸、重量,從而降低了LED驅動程序的成本,同時提高了可靠性和壽命。

      LED驅動器引起的LED係統限製

      在過去的十年中,LED的功效已經提高了很多倍,並且價格也受到了相應的影響,並且還將繼續下去。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,提供和控製LED所需的LED驅動器沒有看到相同的重大改進。

      首先,LED驅動器的尺寸和形狀因子由所需的部件設定,例如無源儲能元件(電感器和電容器)。其次,所需組件的有限壽命限製了LED驅動器的壽命和可靠性,導致它們成為LED係統故障的關鍵原因 - 並且通常早於用戶預期。第三,雖然LED驅動器的成本隨著數量的增加而減少,但進一步降低成本受到銅等傳統組件的原材料的限製。因此,LED驅動器需要新的創新以趕上LED的發展並滿足市場需求。

      LED驅動器中無源元件的價值,尺寸和價格與開關頻率成反比,開關頻率的急劇增加將導致功率密度大大增加並降低成本。這個概念的好處是眾所周知的,同樣也是問題所在。如下所述,增加的開關頻率會導致嚴重的開關損耗,從而破壞硬開關開關電源(SMPS)的效率並導致係統故障。

      傳統技術

      第一款開關電源是在20世紀70年代早期開發的,從此成為電源和LED驅動器的市場標準。在40多年的研發中,電源的效率和功率密度得到了提高,從那時起,隨著技術的成熟和組件的優化,電源的性能也得到了提升。然而,改善步伐大大減少。

      對於大多數LED驅動器的功率水平,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境且不關注成本的實驗室中實現的。對於商業產品,接受較低的效率和功率密度以降低成本。

      大眾市場上一些最小的電源是Apple著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%。對於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。同樣的趨勢適用於具有差異的LED驅動器,具體取決於功率水平,規格,性能和價格。在較低功率水平下效率和功率密度的下降部分是由於外殼,插頭,控製,啟動,保護和其他內務處理電路與功率水平無關,部分原因是與價格的權衡。隨著功率水平的提高,效率變得更加重要,通過提高效率,價格上漲通常更容易接受。

      開關損耗會影響開關頻率

      傳統的SMPS拓撲結構如降壓,升壓和反激是硬開關,這意味著電路板上的MOSFET半導體在其上有電壓和/或電流通過時會切換。結果是每次導通時MOSFET中的能量都會耗散。這被稱為開關損耗。在傳統的轉換器中,開關頻率被選擇作為效率(開關損耗),尺寸和成本之間的折衷。在大多數商業產品中,選擇50-400 kHz範圍內的開關頻率,因為這給出了公平的權衡。

      該頻率範圍內的典型SMPS如圖1所示。這裏可以清楚地看到,無源儲能元件,電容器和磁性元件構成了大部分體積。物料清單(BOM)的細分通常會導致無源和有源組件之間的分別為60%和40%。因此,通過減少無源元件可以實現顯著的尺寸和成本優勢。由於這些元件的數值,尺寸和成本與開關頻率成反比,直接的方法是將開關頻率顯著提高到MHz範圍,甚至達到甚高頻(VHF)範圍(30) -300 MHz)。然而,將頻率簡單地增加到VHF範圍將使開關損耗增加近1,000倍。

      為了避免開關損耗並且能夠在保持高效率的同時增加頻率,必須使用新的拓撲結構。利用諧振轉換器,可以實現零電壓開關(ZVS),從而可以避免由寄生開關電容引起的開關損耗。存在三組諧振轉換器:串聯諧振,並聯諧振和串並聯諧振轉換器。

      串聯諧振轉換器具有最高的效率和最低的複雜性,但在輸出調節方麵存在基本挑戰,特別是對於輕載和空載情況。

      並聯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。即使在輕負載時也會導致滿負載損耗,從而導致非常低的輕負載效率。

      串並聯諧振轉換器具有串聯諧振和並聯諧振元件。這些元件可以平衡,以獲得串聯諧振和並聯諧振拓撲的優點,同時顯著降低其缺點。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關(ZVS),以減少開關損耗並提高頻率。LLC轉換器通常用於降壓應用,從幾百伏到幾十伏,通常功率範圍為400-4000瓦[1]。

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

      VHF諧振轉換器

      在過去十年中,在VHF係列中運行的這類轉換器的重點和研究已經增加。進入這個頻率範圍可以大大減少對被動儲能和磁芯的需求。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格,同時延長使用壽命[4,5]。

      開關頻率在30到300 MHz之間,選擇拓撲時的主要問題是開關損耗。由寄生輸出電容引起的MOSFET開關損耗隨開關頻率線性增加,並成為這些頻率的主要損耗機製,如果拓撲結構沒有考慮到這一點。

      E類

      大多數拓撲結構都來自E類逆變器,它利用了設計中開關的輸出電容,並確保在MOSFET導通之前電容完全放電。一些拓撲結構也可以實現零電流開關(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製,但這導致電壓的導數在開關實例(ZdVS或ZDS)處為零,因此是相關的。如果MOSFET沒有在正確的時間完全導通,它可以減少影響,因為它上麵的電壓將在一段時間內接近零。

      基本的E類轉換器是迄今為止最不複雜的拓撲結構,並且有很好的描述。在各個組件不會相互嚴重影響的情況下,可以使用簡單的設計流程。逆變器僅由一個MOSFET,兩個電感器和一個電容器組成。它非常適合具有低輸入電壓的應用,但對於具有高輸入電壓的應用(例如電源),電壓應力是開關上輸入電壓的3.5倍是這種拓撲結構的主要缺點。如果設計為在最佳情況下工作,則電感器對於限製瞬態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情況下操作,具有較小的電感器和較快的瞬態響應

      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,而且其餘兩個電感器也將小於E級(如果設計為接近最佳值)。然而,SEPIC的設計更複雜,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,瞬態響應,尺寸和成本方麵實現更好的性能,但設計更複雜。

      類φ 2

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

      DE

      類DE逆變器是由與E類逆變器相同數量的元件組成的半橋逆變器; 隻有最大的電感被開關取代。因此,該拓撲僅具有一個電感器,其同時小於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φ 2逆變器是單開關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6倍。這是為了獲得ZVS而需要共振的最小能量。對於具有高輸入電壓的低功率應用(例如電源連接的SELV LED驅動器),這因此設定諧振電流的量。此外類φ 2具體地,甚至具有更多的諧振電流,由於3 次引入諧波以降低峰值電壓。避免開關損耗並同時保持低諧振電流是實現高效率的關鍵[6]。因此,DE類逆變器是具有實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,則DE逆變器優於所有單開關拓撲。

      VHF的技術優勢

      移動到更高頻率有幾個好處; 其主要優點是小型化,可靠性/壽命和調光效率。

      小型化

      無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餘的5%。盡管開關頻率的增加並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驅動器與以30 MHz工作的20 W LED驅動器進行比較。

      可靠性

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

      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。向空心磁場的轉變需要頻率的顯著跳躍,因為沒有核心可以實現更小的每體積電感。如果頻率增加到VHF範圍,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行,並且可以避免磁芯損耗[7]。這不僅顯著降低了BOM,而且還提高了LED驅動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量並且對高溫敏感。

      高調光效率

      另一個強大的好處是提高調光效率。由於非常高的開關頻率,可以在調光時調製整個轉換器,而不會引起可見的閃爍。通過這種方式,轉換器可以在最佳條件下開啟並在最高效率下運行,也可以在低損耗下運行。這樣可以實現非常平坦的效率曲線。這可以用於在特定燈具中實現更高的調光效率,或者在更廣泛的燈具組中使用給定的驅動器,同時實現所有的高效率。

      30 MHz下工作的圖示20 W室內驅動器的調光效率。

      VHF LED驅動器

      VHF功率轉換器的優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的,因為如果放寬其他參數的規格,仍然可以進一步改進一些參數。主要優化參數通常是尺寸,效率,可靠性,成本和性能。特定的驅動程序設計可以使用VHF的所有優點來改進一個或兩個參數,或者將改進擴展到所有參數,如圖6中的蜘蛛網所示。

      在本節中,將介紹VHF LED驅動器的兩個示例。這些驅動器均基於DE級轉換器,主要針對尺寸(室內)或可靠性(室外)進行了優化。

      緊湊型室內驅動

      20 W驅動器針對室內燈具進行了優化,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,效率僅下降5%。

      該驅動器的總體高度僅為6 mm。電解電容略高,但可以通過將其分成兩個更薄的版本或在PCB中切割來減少。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,但延長了使用壽命並降低了高度。

      可靠的戶外駕駛員

      戶外照明的要求與室內照明不同。雖然尺寸仍然相關,但由於更換故障驅動器的成本,壽命和可靠性是關鍵參數。圖10中的60 W驅動器針對此應用進行了優化。

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

      結論

      在尺寸和可靠性方麵,LED驅動器已成為LED照明的主要瓶頸之一。VHF LED驅動器背後的技術為LED照明提供了基本優勢,具有更小的外形,更高的可靠性和更高的調光曲線效率。可以調整給定駕駛員的設計以關注與給定照明應用相關的益處。

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