TWI429315B - AC light emitting diode drive - Google Patents

Description

交流發光二極體驅動裝置

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。

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、冷陰極管等等，其體積大、壽命短、含汞不具環保，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(Light Emitting Diodes,LED)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；目前常用的是切換式轉換器；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91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容來實現)；參閱圖2，另一種路設計是交流電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V_f 為發光二極體的順向導通壓降、I_f 為發光二極體導通電流，上述二者的電流(V_in )及電壓(I_in )都必須大於其等效發光二極體燈串(LED strings)的壓降(V_D )，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，若串聯發光二極體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I₁ ,I₂ 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二極體電流諧波失真、產熱過高及利用效率不佳的問題。

本發明之目的，即在提供一種避免諧波失真、避免產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。

本發明交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，且無須複雜設計，可降低整個燈具的體積與成本，並提高燈具壽命。

有關本發明之前述及其他技術內容、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，在以下的說明內容中，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，交流發光二極體驅動裝置100包含一橋式整流器11、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S₁ 與第二開關S₂ ，需說明的是，本實施例中，開關模組13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 _i 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)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 Junction 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12調控i _b 進而調變i _c 以產生所需之電流源，v _b 為BJT基極之輸入訊號，v _Re 為R_e 電阻上的跨壓；由於雙極型電晶體之增益及v _be 易受溫度的影響而改變，故在此加入負回授電阻R_e 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13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，主要是用以產生導通或是截止的訊號M ₁ ~M _{N -1} ，與產生v _b 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LS₁ 、LS₂ 、LS₃ 為例說明，亦可採用二組發光二極體燈串，其控制原理類似，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t ₀ ~t ₈ 共可區分為八個區間，由於其動作對稱於時間點t ₄ ，故以下只分析時間點t ₀ ~t ₄ 區分的四個區間，而藉由如圖6之控制模組12的調控，可使得第一開關S₁ 與第二開關S₂ 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t₀ ~t₁ )：如圖9所示，第一開關S₁ 與第二開關S₂ 均截止，故沒有電流產生，如圖10之時間點t₀ ~t₁ 之區間的橋式整流電流之值為0。

第二區間(時間點t₁ ~t₂ )：如圖11所示，第一開關S₁ 導通但第二開關S₂ 截止，故電流流經發光二極體燈串LS₁ ，如圖10之時間點t₁ ~t₂ 之區間的電流。

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LS₁ 與LS₂ ，如圖10之時間點t₂ ~t₃ 之區間的電流。

第四區間(時間點t₃ ~t₄ )：如圖13所示，第一開關S₁ 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LS₁ 至LS₃ 之導通壓降，故電流流經發光二極體燈串LS₁ 、LS₂ 及LS₃ ，如圖10之時間點t₃ ~t₄ 之區間的橋式整流電流。

依據前述控制原理，增加可以導通/截止之控制開關S₁ 、S₂ …S_N-1 ，及發光二極體燈串(LED strings)LS₁ 、LS₂ …LS_N ，因此，可將此電路架構推廣至包含N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(a)~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v _i 有效值為110V、輸入電流i _i 有效值為350mA、頻率為50及60Hz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(a)為50Hz下輸入之交流電壓v _i 與輸入電流i _i 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(a)為60Hz下輸入之交流電壓v _i 與輸入電流i _i 之波形，圖16(b)為在60Hz下各次的電流諧波值(In/I1(%))，其電流總諧波失真為3.46%；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100，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(Power analyzer)；HP 3478a之電壓表33量測發光二極體模組2上的有效值跨壓；量測效率的方式，由功率分析儀32所得到有效電流值，將電壓表33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110V，量測輸入電壓與輸入電流i _i 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。第二階段：頻率為60Hz，輸入電壓有效值為110V，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v _i 有效值為110V下的電壓v _i 與電流i _i 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IEC 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，由圖19(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19(c)為頻率50Hz下，輸入電壓有效值為100V~120V下的用電效率曲線，由19(c)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20(a)為頻率60Hz下，輸入電壓有效值為110V下的電壓v _i 與電流i _i 波形，電流總諧波失真為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，使各次電流諧波失真皆符合IEC 61000-3-2 Class C limits規範；圖21(a)為頻率60Hz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60Hz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v _i 與電流i _i 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v _i 與電流i _i 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%。

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 _i 與電流i _i 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 _i 與電流i _i 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v _i 與電流i _i 之波形，圖26(b)為在50Hz下各次的電流諧波值，其電流總諧波失真為3.6%；圖27(a)為60Hz下輸入電壓v _i 與電流i _i 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100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，熱能過高的問題也可以相對的得到改善，也可提高發光二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規範為前提下去設計，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一單晶片中，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0.1秒~0.5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。

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內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內。

[習知]

91．．．發光二極體

92．．．橋式整流器

[本創作]

100．．．交流發光二極體驅動裝置

11．．．橋式整流器

12．．．控制模組

13．．．開關模組

14．．．可控電流源

2．．．發光二極體模組

i _i ．．．輸入電流

．．．橋式整流電流

LS₁ 、LS₂ 、LS₃ 、LS_N ．．．發光二極體燈串

M ₁ ~M _{N -1} ．．．脈寬調變訊號

R_e ．．．負回授電阻

S₁ ．．．第一開關

S₂ ．．．第二開關

S_N-1 ．．．控制開關

t ₀ ~t ₈ ．．．時間點

v _b ．．．BJT基極之輸入訊號

v _Re ．．．R_e 電阻上的跨壓

v _i ．．．交流電壓

．．．輸入電壓

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LS₁ ；

圖12是一控制示意圖，說明電流流經發光二極體燈串LS₁ 與LS₂ ；

圖13是一控制示意圖，說明電流流經發光二極體燈串LS₁ 、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下的模擬波形圖；

圖22至圖23為如圖14(a)之架構之模擬結果及數據；

圖24至圖25為如圖14(b)之架構之模擬結果及數據；及

圖26至圖27為如圖14(c)之架構之模擬結果及數據。

100．．．交流發光二極體驅動裝置

11．．．橋式整流器

12．．．控制模組

13．．．開關模組

14．．．可控電流源

2．．．發光二極體模組

i _c ．．．電流

i _i ．．．輸入電流

．．．橋式整流電流

M ₁ ~M _{N -1} ．．．脈寬調變訊號

v _b ．．．BJT基極之輸入訊號

v _Re ．．．R_e 電阻上的跨壓

v _i ．．．交流電壓

．．．輸入電壓

Claims (6)

1. 一種交流發光二極體驅動裝置，用以點亮一發光二極體模組，該發光二極體模組具有數個發光二極體，該交流發光二極體驅動裝置包含：一控制模組，控制各元件運作；一橋式整流器，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該控制模組；一可控電流源，受該控制模組控制，用以調控該驅動電力以產生所需之電流源；及一開關模組，受該控制模組控制，具有分別受控導通/截止的數個開關，該等開關的數量為發光二極體的數量減一個，且各該開關具有一電性連接於該控制模組的控制端、一電性連接於兩兩發光二極體之間的第一端，及一耦接於該可控電流源的第二端；藉此，該控制模組控制各該開關以令該驅動電力在每一操作週期的前半週期從全部截止開始而後使電流逐個流經各該發光二極體至各該發光二極體全部導通，且於該操作週期的後半週期逐個截止各該發光二極體的電流至全部截止。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體驅動裝置，其中，該橋式整流器產生之驅動電力經由該發光二極體模組及該開關模組後供給該可控電流源。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體驅動裝置，其中，該橋式整流器產生之驅動電力經由該可控電流源 調控該驅動電力產生一電流源，且該電流源經由該發光二極體模組供給該開關模組。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之交流發光二極體驅動裝置，其中，該橋式整流器產生之驅動電力經由該可控電流源調控該驅動電力產生一電流源，該電流源經由該開關模組供給該發光二極體模組。
5. 依據申請專利範圍第1至4項中的任一項所述之交流發光二極體驅動裝置，其中，該可控電流源係採一雙極型電晶體或可產生所需要的電流源之元件。
6. 依據申請專利範圍第1至4項中的任一項所述之交流發光二極體驅動裝置，其中，該發光二極體模組具有三個發光二極體，並藉由該控制模組之調控使得該第一開關與第二開關導通/截止，該控制模組調控的每一操作週期具有：一第一區間：於該第一區間時，該第一開關與該第二開關均截止，沒有電流產生；一第二區間：於該第二區間時，該第一開關導通但該第二開關截止，令電流流經該發光二極體模組的其中一個發光二極體；一第三區間：於該第三區間時，該第一開關截止但該第二開關導通，令電流流經該發光二極體模組的其中二個發光二極體；及一第四區間：於該第四區間時，該第一開關與該第二開關均截止，該輸入電壓大於該發光二極體模組之導通壓降，令電流流經該發光二極體模組的三個發光二極體。