大面積區(qū)域內(nèi)led照明的集中供電系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種大功率L邸照明系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)， 特別是一種大面積區(qū)域內(nèi)L邸照明的集中供電系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，節(jié)能減排一直是推動(dòng)我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展的重要課題。由于照明 耗電約占全國總用電量的10%~13%，所W照明節(jié)能是節(jié)能減排的重要組成部分。隨著第 =代半導(dǎo)體材料氮化嫁的技術(shù)突破，高亮度發(fā)光二極管的問世和產(chǎn)業(yè)化帶來了照明技術(shù)的 一場(chǎng)革新，它W高效、節(jié)能、環(huán)保等傳統(tǒng)照明光源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最有 價(jià)值的"綠色"光源，在不久的將來將取代白巧燈和巧光燈成為照明市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。
[0003] L邸照明設(shè)備離不開相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)L邸持續(xù)的照明和穩(wěn)定的光強(qiáng)，一般 需要恒流控制。開關(guān)電源型L邸驅(qū)動(dòng)具有系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高而且能驅(qū)動(dòng)多個(gè)串、并聯(lián)LED的 優(yōu)點(diǎn)，適用于大功率L邸照明的應(yīng)用場(chǎng)合，近年來發(fā)展最為迅速，在市面上的產(chǎn)品也是種類 最多、品種最全?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的開關(guān)電源型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可靈活調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件參 數(shù)，W滿足不同場(chǎng)合的實(shí)際應(yīng)用需求，具有最廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
[0004] 目前市面上可見的開關(guān)電源型L邸驅(qū)動(dòng)器，大多采用單相交流輸入，經(jīng)過PFC整流 或不控整流得到直流電壓，再經(jīng)過一級(jí)DC/DC變換輸出恒定的驅(qū)動(dòng)電流。它們存在一個(gè)共 同的不足，即需要一定容量的電解電容來實(shí)現(xiàn)整流，而電解電容的使用壽命不長，一般為數(shù) 千個(gè)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于L邸本身數(shù)萬個(gè)小時(shí)的使用壽命，使整套燈具不能發(fā)揮出其最優(yōu)性能。 因此，無電解電容的L邸驅(qū)動(dòng)解決方案正成為學(xué)術(shù)界討論的熱點(diǎn)問題之一，目前已提出的 無電解電容解決方案有如下幾種；1)在輸入電流中注入=次、五次等諧波，可W減小輸入、 輸出功率的不匹配程度，從而減小中間直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能電容的大小，從而可W采用薄膜電容 取代電解電容，薄膜電容的使用壽命遠(yuǎn)高于電解電容，但該種方案降低了輸入電流的質(zhì)量， 無法滿足相關(guān)的電氣標(biāo)準(zhǔn)（IEC61000) ;2)容許直流母線電壓存在較大波動(dòng)，并在控制時(shí)對(duì) 后級(jí)DC/DC進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制，也可W減小對(duì)儲(chǔ)能電容大小的需求，但該種情況下，就要求 開關(guān)管承受更大的電壓應(yīng)力，必須提高開關(guān)管的電壓定額，該也意味著成本的增加；3)在 直流母線引入一個(gè)雙向功率變換器，用W吸收輸入和輸出側(cè)不匹配的無功功率，使母線電 容僅需濾波而無需儲(chǔ)能，從而同樣可W采用薄膜電容取代電解電容，但該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過于 復(fù)雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)。
[0005] 總而言之，雖然相關(guān)學(xué)者提出了多種無電解電容的解決方案，但也存在著各種各 樣的不足。此外，上述驅(qū)動(dòng)方案，功率等級(jí)一般都在數(shù)瓦至數(shù)十瓦，主要是針對(duì)單一燈具的 驅(qū)動(dòng)控制，因此采用的都是單相交流輸入?？紤]到一些應(yīng)用場(chǎng)合，如面積較大的廠房、大商 場(chǎng)和大型地下車庫的室內(nèi)照明，大型廣場(chǎng)的夜間景觀照明等等，往往需要數(shù)量龐大的照明 燈具，且需要統(tǒng)一的照明管理和亮度控制。在該些場(chǎng)合，可采用集中式的供電和驅(qū)動(dòng)控制系 統(tǒng)，即所有的L邸燈具可根據(jù)實(shí)際需求分散配置于需要照明的區(qū)域內(nèi)，而驅(qū)動(dòng)和控制裝置 集中于一處，便于管理和維護(hù)。雖然單一燈具的功率很小，但采用集中供電后，驅(qū)動(dòng)器的功 率等級(jí)則相當(dāng)可觀，因此可采用=相工業(yè)用電作為輸入電源，而功率變換拓?fù)淇蛇x擇無電 解電容的矩陣式變換器。
[0006] 矩陣變換器是已有多年研究歷史的一種新型變換器，可實(shí)現(xiàn)任意多相之間的功率 轉(zhuǎn)換。AC-DC矩陣變換器，也就矩陣整流器，就可實(shí)現(xiàn)=相交流電與直流電的轉(zhuǎn)換，其無電解 電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適用于集中式大功率L邸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界還未開 展基于矩陣變換器的L邸驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)研究，該解決方案在大面積區(qū)域照明的場(chǎng)合具有重 要的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 所要解決的技術(shù)問題：
[000引本發(fā)明針對(duì)市面上現(xiàn)有L邸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不足，從大面積區(qū)域照明應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)際 需求出發(fā)，提出了一種基于AC-DC矩陣變換器的集中式大功率L邸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無電解電容解 決方案。
[0009] 技術(shù)方案：
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)W上功能，本發(fā)明提供了一種大面積區(qū)域內(nèi)L邸照明的集中供電系統(tǒng)， 其特征在于；該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括交流輸電線路、L邸驅(qū)動(dòng)控制器、直流輸電線路和LED 燈具；所述L邸燈具根據(jù)實(shí)際照明需求排布在區(qū)域內(nèi)的位置，L邸燈具通過直流輸電線路 串并聯(lián)成若干條支路接駁至L邸驅(qū)動(dòng)控制器的輸出端；所述L邸驅(qū)動(dòng)控制器采用=相交流 工頻電源輸入連接交流輸電線路，其通過功率變換和對(duì)輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，為所有LED 燈具支路提供恒流電源，并實(shí)現(xiàn)各支路之間的均流控制。
[0011] 所述L邸驅(qū)動(dòng)控制器包括主功率電路和控制電路部分，具體的，主功率電路包括 依次連接的電源、輸入LC濾波器、AC-DC矩陣變換器和雙管正激變換器；
[0012] 所述雙管正激變換器包括m組雙管正激電路，m為L邸燈具支路的數(shù)量，每組電路 均包含有兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，其中，一個(gè)是由MOS管Gp和二極管Dp串聯(lián)形成的半橋，MOS管Gp連 接直流母線正極、二極管Dp連接直流母線負(fù)極，該半橋?yàn)槊拷M支路的共享支路；另一個(gè)由二 極管Dm和MOS管G構(gòu)成的半橋?yàn)榈趇組，i = 1，2,. . .，m，雙管正激電路的獨(dú)立控制支路， 二極管Dm連接直流母線正極、MOS管G M連接直流母線負(fù)極；
[0013] 此外，所述雙管正激變換器的每組雙管正激電路還包含各自獨(dú)立的正激變壓器 Ti、副邊整流二極管也、續(xù)流二極管恥和濾波電感L 所述正激變壓器T i的一端連接在所 屬獨(dú)立控制支路的中間點(diǎn)，另一端連接共享支路的中間點(diǎn)；所述副邊整流二極管Dm和濾波 電感Li串聯(lián)在正激變壓器T i的輸出端，所述續(xù)流二極管D M的負(fù)極連接副邊整流二極管D M 的負(fù)極和濾波電感Li，正極連接正激變壓器Ti的輸出端。
[0014] 所述AC-DC矩陣變換器采用由6個(gè)雙向開關(guān)所組成的S相橋式結(jié)構(gòu)，立相交流工 頻電源的每相經(jīng)輸入LC濾波器連接到AC-DC矩陣變換器的中間點(diǎn)；AC-DC矩陣變換器將S 相輸入電源轉(zhuǎn)換為斬波狀的直流電壓為后級(jí)雙管正激電路供電，同時(shí)在輸入端獲得=相正 弦的輸入電流和單位功率因數(shù)。
[0015] 所述控制電路部分包括微處理器和硬件連接線路，微處理器上設(shè)有顯示設(shè)備，通 過用戶界面讀取設(shè)備的工作狀態(tài)，也可W設(shè)定各L邸燈具支路的開關(guān)和亮度，控制電路與 用戶界面交互相關(guān)信息，根據(jù)用戶設(shè)定和各L邸燈具支路電流的反饋信息對(duì)主功率電路進(jìn) 行PWM調(diào)制，為每個(gè)LED支路供電。
[0016] -種大面積區(qū)域內(nèi)LED照明的集中供電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于：該系統(tǒng)的 調(diào)制過程采用無零矢量的調(diào)制方式，在AC-DC矩陣變換器的輸入端獲得單位功率因數(shù)的正 弦斬波電流，利用輸入LC濾波器濾去除開關(guān)頻率諧波；其次，m組雙管正激電路的共享支路 采用恒占空比調(diào)制，采用PI控制器調(diào)節(jié)各組的獨(dú)立支路，實(shí)現(xiàn)各個(gè)L邸燈具支路的恒流控 制；在PWM調(diào)制過程中，雙管正激電路的開關(guān)管調(diào)制與AC-DC矩陣變換器的空間矢量調(diào)制過 程相配合，實(shí)現(xiàn)AC-DC矩陣變換器的零電流開關(guān)，從而進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整機(jī)效率。
[0017] 有益效果；
[001引采用本方案為大面積區(qū)域照明系統(tǒng)供電，其優(yōu)勢(shì)在于；1)整個(gè)L邸照明的集中 供電系統(tǒng)擬棄了電解電容等儲(chǔ)能元件，從而大幅提高了驅(qū)動(dòng)器的使用壽命；2)采用基于 AC-DC矩陣變換器的功率變換電路，可獲得正弦的S相輸入電流，諧波含量低，功率因數(shù)高； 3)驅(qū)動(dòng)器是L邸照明系統(tǒng)中維護(hù)頻率較高的部分，將整個(gè)區(qū)域L邸照明的驅(qū)動(dòng)器集中于一 處，便于維護(hù)和管理；4)采用分布式驅(qū)動(dòng)器（每一單個(gè)燈具配備一個(gè)驅(qū)動(dòng)器），一般來說，每 個(gè)燈具至少需要兩個(gè)開關(guān)管，一個(gè)完成PFC控制，一個(gè)完成DC/DC變換，而本方案中每個(gè)LED 支路只需增加一個(gè)開關(guān)管，電路其他部分每個(gè)支路均可共享，且無需電解電容，因此照明面 積越大，LED支路數(shù)越多，則本方案的相對(duì)成本就越低；5)通過優(yōu)化控制，主功率電路部分 開關(guān)管可W實(shí)現(xiàn)零電流