大面積區(qū)域內(nèi)led照明的集中供電系統(tǒng)及其驅(qū)動方法
【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)動方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，節(jié)能減排一直是推動我國社會、經(jīng)濟可持續(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，被公認為是21世紀(jì)最有 價值的"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)動系統(tǒng)。為實現(xiàn)L邸持續(xù)的照明和穩(wěn)定的光強，一般 需要恒流控制。開關(guān)電源型L邸驅(qū)動具有系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高而且能驅(qū)動多個串、并聯(lián)LED的 優(yōu)點，適用于大功率L邸照明的應(yīng)用場合，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)動系統(tǒng)，可靈活調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu)和元件參 數(shù)，W滿足不同場合的實際應(yīng)用需求，具有最廣闊的市場應(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DC/DC變換輸出恒定的驅(qū)動電流。它們存在一個共 同的不足，即需要一定容量的電解電容來實現(xiàn)整流，而電解電容的使用壽命不長，一般為數(shù) 千個小時，遠遠低于L邸本身數(shù)萬個小時的使用壽命，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)動解決方案正成為學(xué)術(shù)界討論的熱點問題之一，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，并在控制時對 后級DC/DC進行前饋補償控制，也可W減小對儲能電容大小的需求，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能，從而同樣可W采用薄膜電容取代電解電容，但該種拓撲結(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)動方案，功率等級一般都在數(shù)瓦至數(shù)十瓦，主要是針對單一燈具的 驅(qū)動控制，因此采用的都是單相交流輸入?？紤]到一些應(yīng)用場合，如面積較大的廠房、大商 場和大型地下車庫的室內(nèi)照明，大型廣場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。在該些場合，可采用集中式的供電和驅(qū)動控制系 統(tǒng)，即所有的L邸燈具可根據(jù)實際需求分散配置于需要照明的區(qū)域內(nèi)，而驅(qū)動和控制裝置 集中于一處，便于管理和維護。雖然單一燈具的功率很小，但采用集中供電后，驅(qū)動器的功 率等級則相當(dāng)可觀，因此可采用=相工業(yè)用電作為輸入電源，而功率變換拓撲可選擇無電 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，就可實現(xiàn)=相交流電與直流電的轉(zhuǎn)換，其無電解 電容的拓撲結(jié)構(gòu)，非常適用于集中式大功率L邸驅(qū)動系統(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)動器的相關(guān)研究，該解決方案在大面積區(qū)域照明的場合具有重 要的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 所要解決的技術(shù)問題：
[000引本發(fā)明針對市面上現(xiàn)有L邸驅(qū)動系統(tǒng)的不足，從大面積區(qū)域照明應(yīng)用場合的實際 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)動系統(tǒng)無電解電容解 決方案。
[0009] 技術(shù)方案：
[0010] 為了實現(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)動控制器、直流輸電線路和LED 燈具；所述L邸燈具根據(jù)實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)動控制器的輸出端；所述L邸驅(qū)動控制器采用=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輸出電流進行閉環(huán)控制，為所有LED 燈具支路提供恒流電源，并實現(xiàn)各支路之間的均流控制。
[0011] 所述L邸驅(qū)動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 均包含有兩個半橋結(jié)構(gòu)，其中，一個是由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連接直流母線負極，該半橋為每組支路的共享支路；另一個由二 極管Dm和MOS管G構(gòu)成的半橋為第i組，i = 1，2,. . .，m，雙管正激電路的獨立控制支路， 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 屬獨立控制支路的中間點，另一端連接共享支路的中間點；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的負極連接副邊整流二極管D M 的負極和濾波電感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；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雙管正激電路供電，同時在輸入端獲得=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主功率電路進 行PWM調(diào)制，為每個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)各組的獨立支路，實現(xiàn)各個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，實現(xiàn)AC-DC矩陣變換器的零電流開關(guān)，從而進一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的整機效率。
[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)勢在于；1)整個L邸照明的集中 供電系統(tǒng)擬棄了電解電容等儲能元件，從而大幅提高了驅(qū)動器的使用壽命；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)動器是L邸照明系統(tǒng)中維護頻率較高的部分，將整個區(qū)域L邸照明的驅(qū)動器集中于一 處，便于維護和管理；4)采用分布式驅(qū)動器（每一單個燈具配備一個驅(qū)動器），一般來說，每 個燈具至少需要兩個開關(guān)管，一個完成PFC控制，一個完成DC/DC變換，而本方案中每個LED 支路只需增加一個開關(guān)管，電路其他部分每個支路均可共享，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實現(xiàn)零電流