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交流LED驱动电源的研发及产业化-方田科技

来源:方田科技点击: 发布时间:2012-02-27 10:01

1、立项依据

1.1、项目的目的及意义

      随着大功率LED普遍在灯光装饰和照明中的普遍使用,大功率LED驱动显得越来越重要。用高压交流电驱动大功率LED需要解决降压和恒流问题,还要具备整个LED驱动器的可靠性,在LED绿色照明领域,要体现节能,又要具备较高的效率与功率因素等问题。在正常使用情况下LED的寿命很长,要使整个灯具寿命很长,要在电路设计时考虑整个LED驱动器的寿命等问题。在LED照明领域,要体现出节能和长寿命的特点,选择LED驱动器至关重要,没有好的驱动器的匹配,LED照明的优势无法体现。

1.2、国内外技术发展现状与趋势

      目前国外交流LED驱动电源的发展已经比较成熟,拥有高可靠性、高效率、高功率因素及长寿命等特点。唯一的缺点是价格很高,比一般的驱动电源贵3到4倍,增大了LED灯具的整体成本,很难大规模应用。

      国内大部分LED厂家都是通过外购电源的方式,真正自己开发生产LED驱动电源的少之又少。这些厂家大部分都是想投入少部分资金就马上回收,并且能够赢利。这就决定了他们不愿做长期的投入,就像电源,根本不想花钱订做一款。也就是这种快速组装,导致了目前LED灯具质量问题层出不穷的根本原因。目前国内开发LED驱动电源的厂家主要是专业生产电源的厂家,而且生产出来的只是通用的几种规格型号,根本没法匹配成千上万的LED灯具,自然各方面性能就达不到设计的要求。

1.3、项目的产业化前景分析

      电源是属于LED灯具的主要组成部分,它必须与LED灯一起使用。但是,项目的成功研发却大大提高了LED灯具的整体质量,从而提升了产品的竞争力。所以项目的产业化前景应该是LED灯的前景,而LED灯的发展前景是全世界都有共识的,它将是继白炽灯、荧光灯之后的“第三代”革命性光源,前景十分光明。

 

2、研究开发内容、方法、技术路线

2.1、主要研究内容

1)根据LED灯的工作特性设计,提高LED灯的可靠性。

      很多工程师认为350mA的LED一定要做到恒流350mA才行,700mA的LED一定要配700mA的驱动最佳。其实这种观点是错误的。在大功率LED应用中,LED能承受的电流与温度有一定的关系。我们在设计时,考虑到灯体有可能到达50度,在3W的LED驱动设计为600mA左右。

      另外,在实际应用中,电网的浪拥电压有可能存在。尤其在雷雨季节,雷电的浪拥电压会通过电线传导,在设计电源及LED灯具时,要考虑在整个产品上加上浪拥发生器,避免在异常时会造成一定的破坏。

2)提高电源的功率因素。

      功率因数是加在负载上的电压和电流波形之间的相角余弦(若电压波形与电流波形的相角差为φ,则cosφ便是电源的功率因数)。加在负载上的电压和电流波形之间存在相位差导致的结果之一是供电效率降低,即产生所要求的电力需要输入更大的电力。导致的另外一个结果而且是更严重的后果,那就是电压和电流的波形差产生过多的高次谐波。大量的高次谐波反馈到主输入线(电网),造成电网被高次谐波污染成为恶性事故的隐患。同时,这种高次谐波也会扰乱控制系统里的敏感低压电路。

      随着节能理念的深入人心,大功率LED的发展日趋成熟,“功率因素”的指标也被LED电源驱动行业提上议题,交流系统里实际功率等于是在功率乘以功率因素。目前,基本上所有的电源都有功率因素的指标,我国传统的节能灯功率因素为0.5,而我司研发的驱动器功率因素为大于0.90以上。

3)提高电源的效率。

      驱动电源的功耗包括由半导体开关、磁性元件和布线等的寄生电阻所产生的固定损耗以及进行开关操作时的开关损耗。对于固定损耗,由于它主要取决于元件自身的特性,因此需要通过元件技术的改进来予以抑制。在磁性元件方面,对于兼顾了集肤效应和邻近导线效应的低损耗绕线方法的研究由来已久。为了降低源自变压器漏感的开关浪涌所引起的开关损耗,人们开发出了具有浪涌能量再生功能的缓冲电路等新型电路技术。以下是提高开关电源效率的电路和系统方法:

      方法1:ZVS(零电压开关)、ZCS(零电流开关)等利用谐振开关来降低开关损耗。

      方法2:运用以有源箝位电路为代表的边缘谐振(Edge Resonance)来降低开关损耗。方法3:通过延展开关元件的导通时间以抑制峰值电流的方法来减少固定损耗。

      方法4:在低电压大电流的场合通过改善同步整流电路的方法来减少固定损耗。

      方法5:利用转换器的并联结构来减少固定损耗。

4)延长电源的使用寿命。

      大家都知道LED是半导体材料,在一定的条件下,寿命可达10万小时。而整个LED灯具如果要有如此长时间,那整个电源的结构要改变。传统电源在输入端都有高压电解电容,好的高压电容最长寿命不到一万小时,正常为4000小时与6000小时。在LED照明领域如果考虑传统的电源方式,显然它的寿命会很短,

      我们在设计时考虑该因素,在设计时采用金属电容,因为金属电容中无电解液,整个电容寿命达50000小时,通过这个的改变,我们新一代LED驱动至少能达到30000小时。从而符合整个LED灯具的需求。

2.2、拟解决的关键技术

      电源的可靠性主要受温度影响,过高的温度使得电源内部电解电容的寿命降低,从而使电源很快失效。可以说,电解电容是制约LED电源寿命的瓶颈。但好的高压电容最长寿命不到一万小时,正常为4000小时与6000小时。在LED照明领域如果考虑传统的电源方式,显然它的寿命会很短。所以如何通过新的设计来延长电容的寿命,是LED驱动电源的关键技术。

2.3、拟采用的方法、技术路线、工艺流程以及分步实施计划

      提高LED灯的整体质量,关键在于延长LED驱动电源的使用寿命,而电源的寿命与温度有很大的关系。所以关键在于如何减少电源的发热量和热管理。我们拟通过以下几步来达到减少电源发热目的:

      1)减少LED芯片的温升。因为目前LED灯具大部采用一体化的设计,电源的热量除了自身发热外还会由芯片传过来。所以通过减少LED芯片的温升可以间接降低电源的温度。

      2)提高电源的效率。电源本身发热的主要原因是自身元件消耗一定的功率,提高电源的效率就可以降低这些功率的消耗,从而减少电源的发热量。

      3)优化电路的布局设计,有利于热量的扩散。

      4)采用金属电容取代电解电容。

2.4、项目的特色和创新突破点

      1)设计创新

      我们颠覆了传统电源的设计思路,在设计时采用无电解电容设计,彻底消除制约电源寿命的瓶颈,大大延长电源的使用寿命。通过这一个改变,我们新一代的LED驱动至少能达到3万小时,从而符合LED灯具的整体寿命需求。

      2)技术创新

      我们的LED驱动是脉冲的恒流电源,其电流脉冲的频率和占空比可以调整。由于采用脉冲供电,LED处于间歇工作的状况,LED灯体温升比较慢,延长了大功率LED的使用寿命。另外,该驱动器是高频工作,充分利用了LED内萤光粉的余辉效应,不但不会有光的闪烁现象,还进一步提高了LED的发光效率。

      3)电路创新

      转换效率是驱动器的重要技术指标,它决定着产品的电源利用率,LED光源的优势是节能、高效,要充分发挥其性能,其驱动器也应该具备高效的性能,不能因为其驱动器的效率低下,而影响了整个产品的性能,这也将使LED照明产品的开发推广失去意义。电器的功率因数决定着电器对电网的影响,和电网线路的损耗,及对电网供电设备的要求。我司研发的驱动器最高转换效率可达94%,同时实现了功率因数大于0.9;而市面上其它同类产品则有的无法实现这两个指标中的任何一个,或者无法同时实现这两个指标。

2.5、项目完成后预期实现的技术、经济指标及社会和经济效益,对产业的带动和提升作用

      项目完成后将使目前的LED灯具拥有一颗强健的心脏,大大延长LED灯具的整体使用寿命,充分发势LED灯节能、环保、寿命长的优势。对于推动LED照明技术发展, 加快LED灯的普及步伐有着很重要的意义。

      LED灯本身拥有着很好的经济效益和社会效益,但是如果驱动器本身质量不过关,就会使LED本身的经济效益和社会效益大打折扣,甚至造成巨大的浪费。例如LED芯片的普遍寿命是5万小时,如果驱动器的的寿命只有1万小时,则灯的整体寿命也只有1万小时。与节能灯的使用寿命相差无几,但价格却是节能灯的几倍,这样的结果是很难让人接受的。这无形中是一种巨大的浪费,完全违背了当初提倡绿色节能环保的初衷。虽然LED驱动电源本身不会带来巨大的经济效益和社会效益,但是却维护了LED本身原有的经济和社会效益。从某种意义上来说等同于创造出这些效益。

 

      本信息由方田科技提供,严谨转载。

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