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光電/顯示技術  

為SSL LED設計選擇最佳PFC解決方案

上網時間: 2015年03月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:固態照明  功率因素  功率因素校正  總諧波失真  SSL 

作者:Hubie Notohamiprodjo,iWatt固態照明產品行銷總監

照明佔據全球電力消耗約17.5%。隨著全球從白熾燈轉向固態照明(SSL)技術,引起全球公共事業和政府監管機構的高度關注,因為如此龐大的消費群體轉換成固態照明將增加基礎設施的成本。這是由於以LED為基礎的固態照明具有電抗特性,導致不利於功率因素(PF)的更高電流配送,從而對電網提出更高的要求。

監管機構持續與電力公司合作制訂嚴格的標準,以期控制固態照明技術對電網的影響(圖1)。基於LED的固態照明能夠大幅降低實際功耗,從而顯著減少電網的碳排放量。然而,如果不對功率因素加以管理,電網仍然需要提供比實際負載所需更高的功率級,因而折衷了轉向固態照明所帶來的明顯優勢。

圖1:針對功率因素和總諧波失真的地區標準。
圖1:針對功率因素和總諧波失真的地區標準。

以前的白熾燈泡具有近乎完美的功率因素。因此,相較於傳統的AC/DC電源,固態照明一直堅持更高的功率因素標準。在大多數情況下,對於75W以下的電源來說,並不受任何形式的功率因素標準限制。然而,對於固態照明而言,從低至5W或更低功率開始就必須考慮功率因素規定了。

為了高效率地設計基於LED的光源,設計者必須瞭解功率因素、LED驅動器對功率因素的影響,以及在LED驅動器設計中能更具成本效益地整合功率因素校正(PFC)的不同技術。

功率因素

功率因素是指有效功率與視在功率(總耗電量)的簡單比值,沒有單位。有效功率是指負載使用的功率,測量單位是千瓦(kW)。視在功率則是電網提供給系統負載的測量功率,以伏-安培(VA)為單位。在一個高電抗系統中,具有角度參數的電流和電壓彼此可以高度不同相。這將導致電網需要在提供更大的無功功率,以便能在任何特定時間供應真正有效功率。

圖2:有效功率(kW)與無功功率(kVA)的功率因素比值。
圖2:有效功率(kW)與無功功率(kVA)的功率因素比值。

採用PFC技術的固態照明有助於減少從白熾燈變換成LED照明的影響,其方式是為LED驅動器增加相關的電路,校正電抗線性輸入阻抗,從而將功率因素提高到接近於1。

LED驅動器和功率因素校正

LED及其驅動器都具有非線性阻抗,導致固有的功率因素非常低。為了解決這個問題,驅動器需要補償功率因素,盡可能將它提高到接近於1。對於工業倉儲或大型商場來說,只是考慮一盞LED燈及其對總功率因素的影響時,效果並不明顯,但在一個大型商業場所中所有照明單元總和將顯著影響總功率因素,因此必須分別針對每個燈或驅動這些燈的每個整流器進行功率因素校正。

功率因素校正有主動和被動兩種方法。被動的PFC解決方案通常由被動輸入濾波器組成,可提供成本優點,但由於被動PFC只是針對特定的輸入電壓和電流狀態進行最佳化,當這些條件改變時,功率因素還會降低。在可調光照明設備中,被動PFC是不被接受的,因為在燈的整個亮度調節範圍內功率因素變化非常大。這時就需要採用主動PFC,以便在各種負載和線路條件下仍足以保持較高的功率因素。

主動PFC可提供使用主電源轉換電路補償功率因素的方法(單級),以及使用獨立型預調節器提供PFC的方法(雙級)。兩種方法都有各自的好處。最明顯的是採用單級方法可使成本降至最低,因為一部份的PFC任務可在主電源轉換電路中完成。透過更深入地分析每一種轉換器,有助於判斷哪一種拓撲最適合終端應用需求。

圖3:單級和雙級PFC架構。
圖3:單級和雙級PFC架構。

採用單級LED驅動器時,主電源級電路將輸入電壓轉換為可用的DC電壓和電流,用於驅動LED。由於只有一個電源級,驅動主電源級必須能將功率因素增加到接近於1。由於功率因素的測量取決於驅動器輸入端相對於主輸入電壓的線性度,調節拓撲決定了轉換器輸入阻抗相對於主電源所呈現的阻抗。

最大化功率因素的最佳方法是使用固定導通時間的方法,它能有效地建立一個由電壓控制的電流源,或看起來高度阻性的輸入阻抗。流經變壓器初級側的峰值電流與初級驅動的導通時間成正比,因此這種方法本身就具有接近於1的高功率因素。雖然固定導通時間架構提供高功率因素的好處,但權衡折衷後經常不被接受。正常作業於DCM模式時,峰值電流非常高,並帶來兩個主要的結果,即被動元件上具有高應力,以及LED上存在大電流紋波。輸入電容器上的高應力可能降低這些關鍵元件的壽命,導致燈具的工作壽命縮短。輸出上過大的電流紋波則會降低光輸出的品質,因為輸出電容器上流過紋波電流,輸出光將增加閃爍雜訊,並降低發光效率,以及增加了自發熱損耗。

使用?流模式作業取代固定導通時間,能夠緩減輸出的紋波電流,以及減少電路中被動元件的應力,但由於輸入阻抗固有的電抗特性,功率因素會顯著減少。

找到一種結合高功率因素和低紋波電流、同時又能大幅減少對被動外部元件影響的替代方案,是為單級LED驅動器實現最佳低成本解決方案的關鍵。

iW3626(圖4)就是單級高功率因素LED驅動器的例子,它結合了高功率因素驅動器以及使少輸出紋波最小化的性能。建置技術位於數位引擎的核心,能夠透過監測功率變壓器的初級側監測輸入電壓和電流以及輸出狀態。數位核心可調變驅動訊號至主要的功率電晶體,在此例中的是功率雙載子接面電晶體。在範例中的專有調變技術可讓終端用戶將想要的最小功率因素編程為0.7、0.8或0.9,或根本沒有功率因素。與最小功率因素一起出現的還有相應的輸出紋波。這種靈活性可讓設計者針對輸出紋波(不帶PFC)或針對功率因素(帶適度輸出紋波)最佳化電路,或針對平衡的高功率因素和低輸出紋波設計實現最佳化電路。

圖4:iW3626單級不可調光的PFC LED驅動器。
圖4:iW3626單級不可調光的PFC LED驅動器。

固態照明的另一項重要的LED驅動器特性是總諧波失真(THD),它同樣受到圖1所示的國際照明標準管制。一般來說,當總諧波失真很小時,功率因素通常很高(>0.9)。但在採用單級轉換技術時,通常必須在輸出紋波、總諧波失真和功率因素之間進行權衡。iW3626整合了低輸出紋波和高功率因素,對於大多數應用來說,其總諧波失真也在可接受的水準。美國市場對於總諧波失真特別感興趣,歐洲則用IEC61000-3-2標準規定對電源的諧波要求。當終端應用要求低總諧波失真、高功率因素以及低輸出紋波時,可以採用兩級方法實現。

單級和雙級方法的最大區別在於後者明顯增加了第二級轉換電路。額外的轉換級電路可在儘量減少總諧波失真的同時實現PFC。初始轉換級不僅從主輸出電壓中移除線路頻率,從光源輸出中去除了閃爍雜訊,並為整合調光技術和減少突波電流增加了靈活性,使輸入端的被動元件受益。雙級方法中的第一級可以使用升壓轉換器或簡單的斬波電路。相較於簡單的斬波電路,完整的升壓轉換器可在更寬廣的線路電壓範圍內提供更高的效率、更高的PFC以及更低的總諧波失真。

iW3630正是採用雙級LED驅動器以實現要求高功率因素(>0.95)、低總諧波失真(<15%)和低輸出紋波的照明應用範例 (圖5)。第一級電路是一個完整升壓轉換器,作業於?定導通時間架構,可以最最佳化功率因素以及最小化總諧波失真。這一級電路將主電壓轉換為中間電壓,並為主電壓和頻率的輸出進行去耦。

第二級主電源轉換電路隨即將中間電壓轉換為驅動LED用的DC電壓和電流。該級電路可以是隔離型或非隔離型電路,取決於終端應用的需求。採用iW3630,無論是隔離還是非隔離的應用,都不需要光學回饋元件,因為主回饋源於變壓器的初級側,使用的是iWatt的PrimeAccurate技術。

圖5:帶0V至10V調光介面的iW3630雙級PFC控制器,適於商業固態照明應用。
圖5:帶0V至10V調光介面的iW3630雙級PFC控制器,適於商業固態照明應用。

結語

隨著更多法規對固態照明提出了功率因素要求,設計者必須在驅動器設計中採用PFC電路。瞭解基於目標照明應用的最終要求可確定需要實現的PFC類型。不管是針對住宅照明採用以成本為導向的單級驅動解決方案,還是專為商業和工業應用設計以性能為導向的雙級驅動解決方案,如今都有成熟的驅動器技術協助實現更加光明、更加綠色的未來。

(參考原文:Power Factor and Solid State Lighting - Implications, Complications and Resolutions,by Hubie Notohamiprodjo)





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