CN104661405B - 大面积区域内led照明的集中供电系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法，针对大面积区域范围内LED照明系统的设计，LED灯具根据实际需求分散布置，并通过适当的串并联构成若干支路，驱动和控制装置集中于一处，便于管理和维护。采用三相工频交流电作为输入电源，将AC‑DC矩阵变换器应用于大功率LED照明驱动系统中，摒除了电解电容，提高驱动器的工作寿命，同时可获得三相正弦的输入电流和单位功率因数。在AC‑DC矩阵变换器的输出侧通过双管正激电路为每一个LED支路提供隔离的恒流电源；这些正激电路共享一个桥臂，减少开关管数量；采用微处理芯片实现AC‑DC矩阵变换器和双管正激电路的调制，并实现各LED支路的恒流控制。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种大功率LED照明系统的驱动控制技术，特别是一种大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法。
背景技术
近年来，节能减排一直是推动我国社会、经济可持续性发展的重要课题。由于照明耗电约占全国总用电量的10％～13％，所以照明节能是节能减排的重要组成部分。随着第三代半导体材料氮化镓的技术突破，高亮度发光二极管的问世和产业化带来了照明技术的一场革新，它以高效、节能、环保等传统照明光源无法比拟的优点，被公认为是21世纪最有价值的“绿色”光源，在不久的将来将取代白炽灯和荧光灯成为照明市场的主导产品。
LED照明设备离不开相应的驱动系统。为实现LED持续的照明和稳定的光强，一般需要恒流控制。开关电源型LED驱动具有系统转换效率高而且能驱动多个串、并联LED的优点，适用于大功率LED照明的应用场合，近年来发展最为迅速，在市面上的产品也是种类最多、品种最全。基于电力电子技术的开关电源型驱动系统，可灵活调整拓扑结构和元件参数，以满足不同场合的实际应用需求，具有最广阔的市场应用前景。
目前市面上可见的开关电源型LED驱动器，大多采用单相交流输入，经过PFC整流或不控整流得到直流电压，再经过一级DC/DC变换输出恒定的驱动电流。它们存在一个共同的不足，即需要一定容量的电解电容来实现整流，而电解电容的使用寿命不长，一般为数千个小时，远远低于LED本身数万个小时的使用寿命，使整套灯具不能发挥出其最优性能。因此，无电解电容的LED驱动解决方案正成为学术界讨论的热点问题之一，目前已提出的无电解电容解决方案有如下几种：1)在输入电流中注入三次、五次等谐波，可以减小输入、输出功率的不匹配程度，从而减小中间直流环节储能电容的大小，从而可以采用薄膜电容取代电解电容，薄膜电容的使用寿命远高于电解电容，但这种方案降低了输入电流的质量，无法满足相关的电气标准(IEC61000)；2)容许直流母线电压存在较大波动，并在控制时对后级DC/DC进行前馈补偿控制，也可以减小对储能电容大小的需求，但这种情况下，就要求开关管承受更大的电压应力，必须提高开关管的电压定额，这也意味着成本的增加；3)在直流母线引入一个双向功率变换器，用以吸收输入和输出侧不匹配的无功功率，使母线电容仅需滤波而无需储能，从而同样可以采用薄膜电容取代电解电容，但这种拓扑结构过于复杂，不利于工业生产。
总而言之，虽然相关学者提出了多种无电解电容的解决方案，但也存在着各种各样的不足。此外，上述驱动方案，功率等级一般都在数瓦至数十瓦，主要是针对单一灯具的驱动控制，因此采用的都是单相交流输入。考虑到一些应用场合，如面积较大的厂房、大商场和大型地下车库的室内照明，大型广场的夜间景观照明等等，往往需要数量庞大的照明灯具，且需要统一的照明管理和亮度控制。在这些场合，可采用集中式的供电和驱动控制系统，即所有的LED灯具可根据实际需求分散配置于需要照明的区域内，而驱动和控制装置集中于一处，便于管理和维护。虽然单一灯具的功率很小，但采用集中供电后，驱动器的功率等级则相当可观，因此可采用三相工业用电作为输入电源，而功率变换拓扑可选择无电解电容的矩阵式变换器。
矩阵变换器是已有多年研究历史的一种新型变换器，可实现任意多相之间的功率转换。AC-DC矩阵变换器，也就矩阵整流器，就可实现三相交流电与直流电的转换，其无电解电容的拓扑结构，非常适用于集中式大功率LED驱动系统，但目前工业界和学术界还未开展基于矩阵变换器的LED驱动器的相关研究，该解决方案在大面积区域照明的场合具有重要的应用价值。
发明内容
所要解决的技术问题：
本发明针对市面上现有LED驱动系统的不足，从大面积区域照明应用场合的实际需求出发，提出了一种基于AC-DC矩阵变换器的集中式大功率LED驱动系统无电解电容解决方案。
技术方案：
为了实现以上功能，本发明提供了一种大面积区域内LED照明的集中供电系统，其特征在于：该系统的硬件结构包括交流输电线路、LED驱动控制器、直流输电线路和LED灯具；所述LED灯具根据实际照明需求排布在区域内的位置，LED灯具通过直流输电线路串并联成若干条支路接驳至LED驱动控制器的输出端；所述LED驱动控制器采用三相交流工频电源输入连接交流输电线路，其通过功率变换和对输出电流进行闭环控制，为所有LED灯具支路提供恒流电源，并实现各支路之间的均流控制。
所述LED驱动控制器包括主功率电路和控制电路部分，具体的，主功率电路包括依次连接的电源、输入LC滤波器、AC-DC矩阵变换器和双管正激变换器；
所述双管正激变换器包括m组双管正激电路，m为LED灯具支路的数量，每组电路均包含有两个半桥结构，其中，一个是由MOS管Gp和二极管Dp串联形成的半桥，MOS管Gp连接直流母线正极、二极管Dp连接直流母线负极，该半桥为每组支路的共享支路；另一个由二极管Dni和MOS管Gni构成的半桥为第i组，i＝1,2,...,m，双管正激电路的独立控制支路，二极管Dni连接直流母线正极、MOS管Gni连接直流母线负极；
此外，所述双管正激变换器的每组双管正激电路还包含各自独立的正激变压器Ti、副边整流二极管DRi、续流二极管DFi和滤波电感Li；所述正激变压器Ti的一端连接在所属独立控制支路的中间点，另一端连接共享支路的中间点；所述副边整流二极管DRi和滤波电感Li串联在正激变压器Ti的输出端，所述续流二极管DFi的负极连接副边整流二极管DRi的负极和滤波电感Li，正极连接正激变压器Ti的输出端。
所述AC-DC矩阵变换器采用由6个双向开关所组成的三相桥式结构，三相交流工频电源的每相经输入LC滤波器连接到AC-DC矩阵变换器的中间点；AC-DC矩阵变换器将三相输入电源转换为斩波状的直流电压为后级双管正激电路供电，同时在输入端获得三相正弦的输入电流和单位功率因数。
所述控制电路部分包括微处理器和硬件连接线路，微处理器上设有显示设备，通过用户界面读取设备的工作状态，也可以设定各LED灯具支路的开关和亮度，控制电路与用户界面交互相关信息，根据用户设定和各LED灯具支路电流的反馈信息对主功率电路进行PWM调制，为每个LED支路供电。
一种大面积区域内LED照明的集中供电系统的驱动方法，其特征在于：该系统的调制过程采用无零矢量的调制方式，在AC-DC矩阵变换器的输入端获得单位功率因数的正弦斩波电流，利用输入LC滤波器滤去除开关频率谐波；其次，m组双管正激电路的共享支路采用恒占空比调制，采用PI控制器调节各组的独立支路，实现各个LED灯具支路的恒流控制；在PWM调制过程中，双管正激电路的开关管调制与AC-DC矩阵变换器的空间矢量调制过程相配合，实现AC-DC矩阵变换器的零电流开关，从而进一步提高驱动系统的整机效率。
有益效果：
采用本方案为大面积区域照明系统供电，其优势在于：1)整个LED照明的集中供电系统摒弃了电解电容等储能元件，从而大幅提高了驱动器的使用寿命；2)采用基于AC-DC矩阵变换器的功率变换电路，可获得正弦的三相输入电流，谐波含量低，功率因数高；3)驱动器是LED照明系统中维护频率较高的部分，将整个区域LED照明的驱动器集中于一处，便于维护和管理；4)采用分布式驱动器(每一单个灯具配备一个驱动器)，一般来说，每个灯具至少需要两个开关管，一个完成PFC控制，一个完成DC/DC变换，而本方案中每个LED支路只需增加一个开关管，电路其他部分每个支路均可共享，且无需电解电容，因此照明面积越大，LED支路数越多，则本方案的相对成本就越低；5)通过优化控制，主功率电路部分开关管可以实现零电流开关，整机效率高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1大面积区域内LED照明的集中供电系统示意图；
图2大面积区域内LED照明的集中供电系统中驱动控制器示意图；
图3大面积区域内LED照明的集中供电系统中主功率电路拓扑结构示意图；
图4AC-DC矩阵变换器的空间矢量调制示意图；
图5AC-DC矩阵变换器与双管正激电路相配合的调制示意图。
具体实施方式
本发明提供一种大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1，本发明提供一种针对大面积范围区域(如大面积厂房、商场和地下车库等)内LED照明的集中式供电系统，其硬件设备主要包括三相交流输电线缆、LED驱动控制器、直流输电线路和大量LED发光组件(灯具)。该方案中，LED灯具由技术人员根据用户的需求和实际应用场合的地形特征，适当地分散配置于需要照明的地方，并通过串并联构成若干LED灯串的支路。在本案例中，所有的LED灯被分为m组分支，每组分支由数量相等的LED灯珠串联而成。每组LED分支都通过直流输电线路接驳至LED驱动控制器，而所有LED分支的驱动电路集中于LED驱动控制器内，后者可就近置放于阴凉干燥之处。理论上，线缆和LED灯珠本体发生故障的概率远低于LED驱动器发生故障的概率，因此本方案中LED驱动器集中于一处的拓扑结构便于照明系统的整体控制管理、亮度调节和检修维护。
请参考图2，本发明所提出的LED照明系统的集中式供电系统的驱动管理解决方案中，LED驱动控制器是关键部件，主要包含用户控制和管理界面、基于微处理器的控制电路和主功率电路。通过用户界面可以读取设备的工作状态，也可以设定各个LED支路的开关和亮度，控制电路与用户界面交互相关信息，根据用户的设定信息和各支路电流的反馈信息对主功率电路进行PWM调制，为每个LED支路供电。
LED驱动控制器的主功率电路在控制电路的调制下，将三相输入电源转换为m组相互隔离的直流恒流电源，为前述m组LED分支供电。请参考图3，LED驱动控制器的主功率电路由AC-DC矩阵变换器、m组双管正激电路和输入LC滤波器构成。由于双管正激电路存在磁场能量回馈的情况，因此AC-DC矩阵变换器可以采用由6个双向开关SAp、SAn、SBp、SBn、SCp和SCn所组成的拓扑结构。各组双管正激电路存在较大的相似性，均包含有两个半桥结构，其中由MOS管Gp和二极管Dp构成的半桥为每组电路的共享支路，由二极管Dni和MOS管Gni构成的半桥为第i组(i＝1,2,...,m)双管正激电路的独立控制支路，此外还包含各自独立的正激变压器Ti、副边整流二极管DRi、续流二极管DFi和滤波电感Li。这样将m组双管正激变换电路的一部分进行共用，而保留其他需要独立控制的电路部分，可减少开关管数量、提高资源利用率、减小体积、降低成本，同时仍可维持各支路控制的独立性。
与现有文献中的一般做法相同，本案例中，对AC-DC矩阵变换器同样采用基于输入电流的空间矢量调制算法。图4显示了输入电流空间矢量调制示意图，空间矢量所处的平面被划分为编号I、II～VI的6个扇区，位于扇区分界线上的II、III～IVI为固定电流矢量，分别代表AC-DC矩阵变换器的一种开关状态，图中标注了这种对应关系，如矢量II的开关状态矩阵为表示开关管SAp和SCn开通，其他开关管关断的状态；I*为矢量调制的期望值，通过给与I*相邻的两个固定矢量分配适当的占空比以合成期望的矢量，θ为I*与其中一个相邻固定矢量的夹角，以扇区VI为例，用于矢量合成的两个矢量为II和IVI，θ为I*与IVI的夹角，而II和IVI的占空比分别为σ1和σ2，其计算公式如下：
由于0<θ<π/3，故σ1与σ2之和小于1，调制周期的剩余时间为零矢量时间，其占空比为σ0＝1-σ1-σ2，采用无零矢量调试方式，可减少开关次数，降低开关损耗，因此可将这段占空比分配给矢量II和IVI，本案例中采用平均分配的方式，即II和IVI的占空比分别修正为σ1′和σ′2，其计算公式如下：
表1显示了在空间矢量的6个扇区内，AC-DC矩阵变换器6个开关管的占空比。如扇区I中，开关管SAp常开，SAn、SBp和SCp常关，仅有SBn和SCn进行PWM调制，其调制占空比分别为σ′2和σ′1。
表1
为LED提供恒流电源的m组双管正激电路，其调制过程必须与AC-DC矩阵变换器的调制相配合。以第1组双管正激电路为例，正激变压器T1的原边电压由共用支路(Gp/Dp)及其独立控制支路(Gn1/Dn1)的输出电压决定，通过调整两个支路开关管的占空比，可调整原边电压的平均值大小，从而间接控制了副边输出电流的大小。一般来说，为保证正激变换器的有效磁复位，双管正激电路的占空比应小于0.5，因此可设定双管正激两个开关管的占空比为固定值0.5，通过移相控制调整原边输出电压和副边输出的LED驱动电流大小。设第1组双管正激电路原边输出电压的占空比为δ1(0<δ1<0.5)，并以AC-DC矩阵变换器的空间矢量调制位于扇区I的情况为例，则第1组双管正激电路与AC-DC矩阵变换器相互配合的调制过程如图5所示：其横轴表示当前调制周期所经历的时间，并对时间做标幺化处理，即0<tN<1，tN＝t/Ts，t和Ts分别表示实际时间和调制周期长度；纵轴表示各个开关管的驱动波形，0表示关断，1表示开通。参考图5，AC-DC矩阵变换器的开关管SAp常开，SAn、SBp和SCp常关，SBn在t0(＝0)时刻关断、tσ(＝σ′1)时刻开通，SCn在t0时刻开通、tσ时刻关断；双管正激电路的共享支路开关管Gp的驱动波形为两段分离的脉冲，其第一段脉冲的上升沿和下降沿分别位于tp1(＝0.25σ0)和tp2(＝0.25σ0+0.5σ1)时刻，占空比为0.5σ1，第二段脉冲的上升沿和下降沿分别位于tp3(＝0.75σ0+σ1)和tp4(＝0.75σ0+σ1+0.5σ2)时刻，占空比为0.5σ2；第一组双管正激电路的独立控制支路开关管Gn1的驱动波形也是两段分离的脉冲，其第一段脉冲的上升沿和下降沿分别位于tn1(＝0.25σ0+0.5σ1-σ1δ1)和tn2(＝0.25σ0+σ1-σ1δ1)时刻，占空比为0.5σ1，第二段脉冲的上升沿和下降沿分别位tn3(＝0.75σ0+σ1+0.5σ2-σ2δ1)和tn4(＝0.75σ0+σ1+σ2-σ2δ1)时刻，占空比为0.5σ2。第2～m组双管正激电路的独立控制支路开关管的调制方式与第1组相似，只需根据其各自原边输出电压占空比δi(i＝2,...,m)来调整各个支路开关管的移相时刻。由于移相控制方式可以保证有效磁复位，因此在AC-DC矩阵变换器需要进行开关管切换的tσ时刻，m组双管正激电路的原边电流均为零，从而此时AC-DC矩阵变换器的开关切换为零电流关断和零电流开通。
LED的发光度对电流的变化很敏感，因此对所有m组双管正激电路均需要采用恒流控制，本案例中采用数字PI控制器调节输出电流，由于PI控制器的设计和实现方式已有很多现成文献介绍可供技术人员参考，此处不再赘述。
通过上述的硬件拓扑结构和控制方式，可以实现本发明的技术方案，即实现在大面积区域范围内LED照明的集中式供电系统和照明管理解决方案。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种大面积区域内LED照明的集中供电系统，其特征在于：该系统的硬件结构包括交流输电线路、LED驱动控制器、直流输电线路和LED灯具；所述LED灯具根据实际照明需求排布在区域内的位置，LED灯具通过直流输电线路串并联成若干条支路接驳至LED驱动控制器的输出端；所述LED驱动控制器采用三相交流工频电源输入连接交流输电线路，其通过功率变换和对输出电流进行闭环控制，为所有LED灯具支路提供恒流电源，并实现各支路之间的均流控制；
所述LED驱动控制器包括主功率电路和控制电路部分，具体的，主功率电路包括依次连接的电源、输入LC滤波器、AC-DC矩阵变换器和双管正激变换器；
所述双管正激变换器包括m组双管正激电路，m为LED灯具支路的数量，每组电路均包含有两个半桥结构，其中，一个是由MOS管G p和二极管D p串联形成的半桥，MOS管G p连接直流母线正极、二极管D p连接直流母线负极，该半桥为每组支路的共享支路；另一个由二极管D ni 和MOS管G ni 构成的半桥为第i组，i=1,2,...,m， 双管正激电路的独立控制支路，二极管D ni 连接直流母线正极、MOS管G ni 连接直流母线负极；
此外，所述双管正激变换器的每组双管正激电路还包含各自独立的正激变压器T i 、副边整流二极管D Ri 、续流二极管D Fi 和滤波电感L i ；所述正激变压器T i 的一端连接在所属独立控制支路的中间点，另一端连接共享支路的中间点；所述副边整流二极管D Ri 和滤波电感L i 串联在正激变压器T i 的输出端，所述续流二极管D Fi 的负极连接副边整流二极管D Ri 的负极和滤波电感L i ，正极连接正激变压器T i 的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种大面积区域内LED照明的集中供电系统，其特征在于：所述AC-DC矩阵变换器采用由6个双向开关所组成的三相桥式结构，三相交流工频电源的每相经输入LC滤波器连接到AC-DC矩阵变换器的中间点；AC-DC矩阵变换器将三相输入电源转换为斩波状的直流电压为后级双管正激电路供电，同时在输入端获得三相正弦的输入电流和单位功率因数。
3.根据权利要求1所述的一种大面积区域内LED照明的集中供电系统，其特征在于：所述控制电路部分包括微处理器和硬件连接线路，微处理器上设有显示设备，通过用户界面读取设备的工作状态，也可以设定各LED灯具支路的开关和亮度，控制电路与用户界面交互相关信息，根据用户设定和各LED灯具支路电流的反馈信息对主功率电路进行PWM调制，为每个LED支路供电。
4.一种如权利要求1所述的大面积区域内LED照明的集中供电系统的驱动方法，其特征在于：该系统的调制过程采用无零矢量的调制方式，在AC-DC矩阵变换器的输入端获得单位功率因数的正弦斩波电流，利用输入LC滤波器滤去除开关频率谐波；其次，m组双管正激电路的共享支路采用恒占空比调制，采用PI控制器调节各组的独立支路，实现各个LED灯具支路的恒流控制；在PWM调制过程中，双管正激电路的开关管调制与AC-DC矩阵变换器的空间矢量调制过程相配合，实现AC-DC矩阵变换器的零电流开关，从而进一步提高驱动系统的整机效率。
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