201125424 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種發光二極體驅動裝置，特別是指一 種避免諧波失真的交流發光二極體驅動裝置。 【先前技術】 近年來由於能源的問題日漸嚴重，故如何達到節能減碳 對於各國來講是相當重要的，傳統的照明設備有白熾燈泡、 鹵素燈、冷陰極管等專，其體積大、壽命短、含果不具環保， 且非常耗電，故逐漸被體積小、反應速度快、壽命長、省電 且具環保的高亮度發光二極體（Ught Emitting Di〇des，lFD) 所取代。 由於發光二極體具有單向導通的特性，故驅動方式必須 採直流驅動，市電輸入後必須要有交流/直流轉換器；目前 甲用的疋切換式轉換器；然而，若轉換器無功率因素修正 (PFC)的功能，則其功率因素值將會非常的低，若有功率因 素電路，則一般具有兩級轉換器，因此整體電路具有大電感 與大電容（電解電容）’造成整個燈具（Lamp Equipment)的體 積增加、重量變重、不易設計其外觀、成本增加、還有轉換 器的損失，並且所用的大電容大部分為電解電容，故轉換器 壽命必受其影響。 參閱圖1，傳統之發光二極體直接操作在交流電源（AC source)的其中一種電路設計是將發光二極體9丨排列成橋式 的架構，再配合適當的電阻R與電容c來實現（也可單獨使 用電阻或電谷來實現）；參閱圖2，另一種路設計是交流電 201125424 源會先經過橋式整流器92，之後在去驅動發光二極體91串 聯之陣列；上述兩種架構驅動發光二極體91皆無透過任何 轉換器（Converter)來將交流電轉換成穩定的直流電，在此操 作情形下的發光二極體被稱為交流發光二極體（AC LED)， 其可應用在一般照明、建築照明、街道照明等。 配合圖3，發光二極體特性曲線對應導通電壓電流關係 的波形中，其中的Vf為發光二極體的順向導通壓降、“為 發光二極體導通電流，上述二者的電流（Vin)及電壓（U都必 須大於其等效發光二極體燈串（LED strings)的壓降（VD)，發 光二極體91才會導通，因此兩種電路設計皆有電流總諧波 失真（THD)的問題’這是因為在相同的交流輸入電壓與固定 電阻下，若_聯發光二極體91之數量越多，其發光二極體 91之陣列等效壓降增加，則在電阻上面的損失較少，用電 效率提高，但電流諧波失真越高，造成功率因數下降、虛功 增加、還有額外的線路損失。 參閱圖4 ’另外就是產熱的問題’由相同平均電流I i 下不同數量的發光二極體之電流波形可知，在相同的輸入電 壓下改變電阻值得到相同的平均電流下，若其發光二極體陣 列的等效壓降越大，則代表流經發光二極體之電流峰值（CF) 越大’如同圖4之 <所示會有較大之峰值’與發光二極體陣 列等效壓降較小的相比，會產生更多的熱；另一方面，參閱 圖5’交流發光二極體（AC LED)的利用率亦不如在直流發光 二極體（DC LED)的利用率來的高。 因此，目前需改善的缺失為：在交流電源下操作之發光 201125424 二極體電流諧波失真、產熱過高及利用效率不佳的問題。 【發明内容】 本發明之目的，即在提供一種避免错波失真、避免度熱 過高及提高利用效率的交流發光二極體驅動裝置。 於是，本發明交流發光二極體驅動裝置包含一控制各元 件運作之控制模組、一將輸入之交流電壓及經過橋式整流產 生一驅動電力以供電給控制模組之橋式整流器、一受控制模 組控制調控驅動電力以產生所需之電流源的可控電流源及 一開關模組，該開關模組受該控制模組控制，具有分別受控 導通/截止的一第一開關及一第二開關，令該驅動電力流經 該發光二極體模組。 本發明父流發光二極體驅動裝置之功效在於：無須透過 任何轉換器，改善傳統交流發光二極體的高諧波失真問題與 低功率因素缺點、降低產熱及提昇利用效率，且無須複雜設 计，可降低整個燈具的體積與成本，並提高燈具壽命。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在以 下配合參考圖式之數個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚 的呈現。在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的 說明内容中，類似的元件是以相同的編號來表示。 需事先的是，現有克服諧波失真的方式皆是採用電感電 容（LC)濾波電路，本發明改以不同於電感電容濾波之電路設 計來克服諧波失真，詳述如下。 參閱圖6及圖7，本發明之較佳實施例中，交流發光二 5 201125424 極體驅動裝置100包含一橋式整流器n、一控制模組 (Control module) 12、一開關模組（Switch module) 13 及一可 控電流源（Controllable current source)14，並用以點亮一發 光二極體模組2 ;開關模組13具有一第一開關Si與第二開 關S2，需說明的是，本實施例中，開關模組丨3只有敘述兩 個開關是為了搭配三個發光二極體燈串（LED strings)以方 便說明本發明之主要電路動作原理，熟知本發明領域者當知 本發明之電路架構的觀念是可以推廣至應用在更多個發光 二極體燈串之驅動裝置。 橋式整流器11將輸入之交流電壓v;及經過橋式整流產 生一驅動電力（橋式整流電流$及輸入電壓5)後，分別提供 給發光二極體模組2及控制模組12，控制模組12分別控制 開關模組13與可控電流源14。 參閱圖8 ,可控電流源14在此採用雙極型電晶體 (Bipolar juncti0n Transistor，BJT)當作電流源，或其他可產 生所需要的電流源之元件亦可，藉由如圖6之控制模組j 2 調控h進而調變^以產生所需之電流源’〜為b JT基極 之輸入訊號，為1^電阻上的跨壓；由於雙極型電晶體之 增益及易受溫度的影響而改變，故在此加入負回授電阻 Re以穩定雙極型電晶體的運作。 參閱圖9，並配合圖6，發光二極體模組2與開關模組 13的動作主要係由如圖6之控制模組12來控制開關模組ι3 之導通/截止，由於控制模組12之電路只是來達成所需求之 動作，只要可以達成此需求之動作之控制電路均可，主要是 201125424 用以產生導通或是截止的訊號％〜^，與產生^訊號來控 制電流源用。參閱圖9及圖10,為了方便解釋本發明所提 之電路動作流程，採用三組發光二極體燈串LSi、lS2、lS3 為例說明，/亦可採用二組發光二極體料，纟㈣原理類 似，不以三組為限制；其中，電路之控制時序可分為數個動 作區間，主功率級之操作週期依據不同時間點共可區 分為八個區間，由於其動作對稱於時間點故以下只分析 時間點〜“區分的四個區間，而藉由如圖6之控制模組J 2 的調控，可使得第一開關Sl與第二開關&導通/截止，以得 到如圖10之電流波形，各區間說明如下。 第一區間（時間點t^ti):如圖9所示，第一開關\與 第二開關S2均截止，故沒有電流產生，如圖1〇之時間點t〇卟 之區間的橋式整流電流之值為〇。 第一區間（時間點t!〜t2):如圖1 1所示，第一開關導 通但第二開關S2截止’故電流流經發光二極體燈串LSi， 如圖10之時間點t!〜t2之區間的電流f。 第三區間（時間點t2〜t3):如圖12所示，第一開關S1截 止但第二開關S2導通，故電流流經發光二極體燈串LSl與 LS2，如圖10之時間點t2〜t3之區間的電流可。 第四區間（時間點〜u):如圖13所示，第一開關Si與 第二開關S2均截止，但因輸入電壓會大於發光二極體燈串 LS!至LS3之導通壓降，故電流流經發光二極體燈串LSi、 LS2及LS3,如圖1〇之時間點t3〜14之區間的橋式整流電流p 依據前述控制原理，增加可以導通/截止之控制開關 201125424
Si、S2…SN-】，及發光二極體燈串（LED strings) LSN，因此，可將此電路架構推廣至包含]^組發光二極體。 將圖6之電路設計更改發光二極體模組2、開關模組13 及可控電流源14之前後組合順序關係可得衍生型架構，如 圖14(&)~圖14(c)所示。 為證明本發明可有效的降低電流的總諧波失真與提高 功率因素，在此採用十個發光二極體燈串來進行模擬與實作 以作為驗證。 在此本較佳實施例使用Matlab軟體中之Simulink功能 來做模擬，模擬實作架構以輸入之交流電壓y，有效值為 11〇V、輸入電流（有效值為350mA、頻率為50及60ϊίζ及發 光二極體燈串為十組的條件下做模擬。 以圖6之架構來模擬，圖15(幻為5〇Ηζ下輸入之交流 電壓 ' 與輸入電流（之波形，圖15(b)為在50Hz下各次階數 (order)的電流諧波值，其電流總諧波失真為3 39%;圖16(&) 為60Hz下輸入之交流電壓v與輸入電流（之波形，圖16(b) 為在60Hz下各次的電流諧波值（In/11 (%))，其電流總諧波失 真為3·46°/〇 ;由前述可知’本創作各次電流諧波失真皆符合 IEC 61000-3-2 Class C limit 規範。 參閱圖17，利用圖6的交流發光二極體驅動裝置1〇〇， 配合一交流電源31、一功率分析儀32及一電壓表33實際 的量測波形與紀錄數據，以更進一步驗證所提系統架構之可 行性°功率分析儀32採用儀器為Voltech公司所製造之 PM1000+精密功率分析儀（p〇wer anaiyzer) ; HP 3478a 之電 201125424 堅表33量測發光—極體模組2上的有效值跨壓丨量測效率 的方式&功率刀析儀32所得到有效電流值將電壓表μ 量測的電壓有效值乘上電流有效值即為輸出功率，將輸出功 率除上由精密功率分析儀33所顯示的輸入功率即可得到系 統效率。 ’' 在此分為兩個階段來觀測實驗的結果·· 第一階段：頻率為50Hz，輸入電壓有效值為u〇v，量 測輸入電壓與輸人電U波形及此時的各次輸人電流諧 波，並且紀錄在輸入電壓有效值為1〇〇v〜12〇v的總電流諧 波失真變化曲線與功率因數曲線及用電效率曲線。第二階 段.頻率為60Hz，輸入電壓有效值為11〇v，量測輸入電壓 與輸入電流的波形及此時的各次輸入電流諧波，並且紀錄在 輸入電壓有效值為100V〜120V的總電流諧波失真變化曲線 與功率因數曲線及用電效率曲線。
第一階段：圖18(a)為頻率50Hz下，輸入交流電壓ν·有 效值為110V下的電壓v;與電流（波形，電流總諧波失真為 8.6%’圖18(b)為輸入電流諧波在各次階數下的關係，由圖 18(b)可知道本較佳實施例所提之方法可有效的改善電流總 諧波失真，使本創作各次電流諧波失真皆符合rEC 61000-3-2 Class C limit 規範；圖 19(a)為頻率 50Hz 下，輸 入電壓有效值為100V〜120V下的電流總電流諧波失真的變 化曲線’由圖19(a)可知道在輸入電壓增大時因為輸入電流 也增大的關係故其總諧波失真會下降；圖19(b)為頻率50Hz 下’輸入電壓有效值為100V〜120V下的功率因數曲線，由 201125424 圖可知道在輸人電料大時因為輸人電流也增大的關 係故其功率因素會上升；圖19⑷為頻率5〇Hz下輸入電 壓有效料⑽V〜120V下的用電效率曲線，由i 9⑷可知在 此範圍的輸入電壓下效率皆有88 5%以上。
第二階段：圖2G⑷為頻率刪2下，輸人電壓有效值 為U0V下的電壓Vi與電流（.波形，電^總諸波失真為 7.78%’圖20(b)為輸入電流諧波在各次階數下的關係由 圖13(b)可知冑本較佳實施例所提之方法可有效的改善電 流總諧波失真，使各次電流諧波失真皆符合IEC 61〇〇〇 3 2 Class C limits規範；圖21(a)為頻率6〇Hz下，輸入電壓有 效值為100V〜120V下的總電流諧波失真的變化曲線，由圖 21(a)可知道在輸入電壓增大時因為輸入電流也增大的關係 故其總諧波失真會下降；圖21(b)為頻率6〇Hz下，輸入電 壓有效值為100V-120V下的功率因數曲線，由圖21(b)可知 道在輸入電壓增大時因為輸入電流也增大的關係故其功率 因素會上升，圖21(c)為頻率60Hz下，輸入電壓有效值為 100V〜120V下的用電效率曲線，由圖21(c)可知在此範圍的 輸入電壓下效率皆有89.5%以上。 圖22至圖23為衍生架構一（如圖14(a))之模擬結果及 數據，圖22(a)為50Hz下輸入電壓'與電流心之波形，圖22(b) 為在50Hz下各次的電流諧波值，其電流總諧波失真為 2.94%;圖23(a)為60Hz下輸入電壓 '與電流々之波形，圖 23(b)為在60Hz下各次的電流諧波值，其電流總諧波失真為 3.04%。 10 201125424 圖24至圖25為衍生架構二（如圖14(b))之模擬結果及 數據，圖24(a)為50Hz下輸入電壓v,與電流之波形，圖24(b) 為在50Hz下各次的電流諧波值，其電流總諧波失真為 3.59%;圖25(a)為60Hz下輸入電壓v;與電流（之波形，圖 25(b)為在60Hz下各次的電流諧波值，其電流總諧波失真為 3.96%。 圖26至圖27為衍生架構三（如圖14(c))之模擬結果及 數據，圖26(a)為50Hz下輸入電壓Vi與電流之波形，圖26(b) 籲 為在50Hz下各次的電流諧波值，其電流總諸波失真為 3.6%;圖27(a)為60Hz下輸入電壓Vi與電流^之波形，圖27(b) 為在60Hz下各次的電流諧波值，其電流總諧波失真為 3.96%。 綜上所述，本發明之交流發光二極體驅動裝置1〇〇跳脫 了傳統的電源轉換器的觀念，可有效的改善電流諧波失真與 功率因數，熱此過南的問題也可以相對的得到改善，也可提 问發光一極體在交流驅動下的利用率，本發明之電路設計以 • 能積體化與能符合IEC61000-3-2 Class C規範為前提下去設 计，以達節能環保與實用的目地；除此之外，將發光二極體 燈串採用獨立包裝之發光二極體所構成，可將所有發光二極 體燈串置於-單晶片中，可降低發光二極體熱散熱不均的問 題。另外，由於人體視覺暫留為〇·〗秒〜〇5秒，故市電頻率 及所提之切換方法不易引起閃爍（Flicker)的問題，當未來將 所有發光二極體燈串置於一單晶片中並加裝適當的燈具 時，則無所謂閃爍的問題，故確實能達成本發明之目的。 201125424 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能 以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍 及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發 明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一電路圖’說明現有傳統交流發光二極體的一種 電路設計； 圖2是一電路圖，說明現有傳統交流發光二極體的另一 種電路設計； 圖3是一波形示意圖’說明發光二極體特性曲線對應 導通電壓電流關係； 圖4是一波形示意圖，說明相同平均電流下不同數量的 發光二極體之電流波形； 圖5是一波形示意圖’說明交流發光二極體與直流發光 二極體的利用率比較； 圖6是一電路方塊圖’說明本發明之交流發光二極體驅 動裝置之較佳實施例； 圖7是一電路圖，說明交流發光二極體驅動裝置之局部 電路； 圖8是一電路圖’說明交流發光二極體驅動裝置之可控 電流源； 圖9是一電路圖’說明交流發光二極體驅動裝置之電路 架構推廣至包含N組發光二極體； 圖10是一波形圖，說明交流發光二極體驅動裝置之操 12 201125424 作週期共可區分為八個區間； 圖11是一控制示意圖’說明電流流經發光二極體燈串 LS,; 圖12是一控制示意圖’說明電流流經發光二極體燈串 LSi 與 LS2 ; 圖13是一控制示意圖，說明電流流經發光二極體燈串 LS丨、LS2 及 LS3 ; 圖14(a)、圖14(b)及圖14(c)是說明更改發光二極體模 組、開關模組及可控電流源之前後組合順序關係之不同架構 的電路方塊圖； 圖15及圖16是以圖6之電路架構模擬之波形圖·， 圖17是以功率分析儀及電壓表量測波形以驗證所提系 統架構之可行性； ’ 圖18至圖21是利用如圖17之架構於不同測試條件 的模擬波形圖； 圖22至W 23為如圖14⑷之架構之模擬結果及數據； 圖24至圖25為如圖14⑻之架構之模擬結果及數據； 及， 圖26至圖27為如圖吻)之架構之模擬結果及數據。 13 201125424 【主要元件符號說明】 〔習 知〕 LS,、 LS2、LS3、LSn 91… ……發光二極體 ........發光二極體燈串 92·.· ……橋式整流器 Μ,〜Μ" ••脈寬調變訊號 〔本創作〕 Re' · ……負回授電阻 100 · ……交流發光二極體 S, ··· ……第一開關 驅動裝置 s2… ……第二開關 11 ··· ……橋式整流器 Sn- 1 —控制開關 12··· ......控制模組 〜t达 ......時間點 13... ……開關模組 …· BJT基極之輸入訊號 14·. ……可控電流源 VRe · ……Re電阻上的跨壓 2 ··_. ……發光二極體模組 Vi - ^ ……交流電壓 h ··* ......輸入電流 v,.... ……輸入電壓 ••橋式整bit電 14