大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法技术方案

本发明专利技术提供了一种大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法，针对大面积区域范围内LED照明系统的设计，LED灯具根据实际需求分散布置，并通过适当的串并联构成若干支路，驱动和控制装置集中于一处，便于管理和维护。采用三相工频交流电作为输入电源，将AC-DC矩阵变换器应用于大功率LED照明驱动系统中，摒除了电解电容，提高驱动器的工作寿命，同时可获得三相正弦的输入电流和单位功率因数。在AC-DC矩阵变换器的输出侧通过双管正激电路为每一个LED支路提供隔离的恒流电源；这些正激电路共享一个桥臂，减少开关管数量；采用微处理芯片实现AC-DC矩阵变换器和双管正激电路的调制，并实现各LED支路的恒流控制。

【技术实现步骤摘要】
大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法
本专利技术属于电力电子
，涉及一种大功率LED照明系统的驱动控制技术，特别是一种大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法。
技术介绍
近年来，节能减排一直是推动我国社会、经济可持续性发展的重要课题。由于照明耗电约占全国总用电量的10％～13％，所以照明节能是节能减排的重要组成部分。随着第三代半导体材料氮化镓的技术突破，高亮度发光二极管的问世和产业化带来了照明技术的一场革新，它以高效、节能、环保等传统照明光源无法比拟的优点，被公认为是21世纪最有价值的“绿色”光源，在不久的将来将取代白炽灯和荧光灯成为照明市场的主导产品。LED照明设备离不开相应的驱动系统。为实现LED持续的照明和稳定的光强，一般需要恒流控制。开关电源型LED驱动具有系统转换效率高而且能驱动多个串、并联LED的优点，适用于大功率LED照明的应用场合，近年来发展最为迅速，在市面上的产品也是种类最多、品种最全。基于电力电子技术的开关电源型驱动系统，可灵活调整拓扑结构和元件参数，以满足不同场合的实际应用需求，具有最广阔的市场应用前景。目前市面上可见的开关电源型LED驱动器，大多采用单相交流输入，经过PFC整流或不控整流得到直流电压，再经过一级DC/DC变换输出恒定的驱动电流。它们存在一个共同的不足，即需要一定容量的电解电容来实现整流，而电解电容的使用寿命不长，一般为数千个小时，远远低于LED本身数万个小时的使用寿命，使整套灯具不能发挥出其最优性能。因此，无电解电容的LED驱动解决方案正成为学术界讨论的热点问题之一，目前已提出的无电解电容解决方案有如下几种：1)在输入电流中注入三次、五次等谐波，可以减小输入、输出功率的不匹配程度，从而减小中间直流环节储能电容的大小，从而可以采用薄膜电容取代电解电容，薄膜电容的使用寿命远高于电解电容，但这种方案降低了输入电流的质量，无法满足相关的电气标准(IEC61000)；2)容许直流母线电压存在较大波动，并在控制时对后级DC/DC进行前馈补偿控制，也可以减小对储能电容大小的需求，但这种情况下，就要求开关管承受更大的电压应力，必须提高开关管的电压定额，这也意味着成本的增加；3)在直流母线引入一个双向功率变换器，用以吸收输入和输出侧不匹配的无功功率，使母线电容仅需滤波而无需储能，从而同样可以采用薄膜电容取代电解电容，但这种拓扑结构过于复杂，不利于工业生产。总而言之，虽然相关学者提出了多种无电解电容的解决方案，但也存在着各种各样的不足。此外，上述驱动方案，功率等级一般都在数瓦至数十瓦，主要是针对单一灯具的驱动控制，因此采用的都是单相交流输入。考虑到一些应用场合，如面积较大的厂房、大商场和大型地下车库的室内照明，大型广场的夜间景观照明等等，往往需要数量庞大的照明灯具，且需要统一的照明管理和亮度控制。在这些场合，可采用集中式的供电和驱动控制系统，即所有的LED灯具可根据实际需求分散配置于需要照明的区域内，而驱动和控制装置集中于一处，便于管理和维护。虽然单一灯具的功率很小，但采用集中供电后，驱动器的功率等级则相当可观，因此可采用三相工业用电作为输入电源，而功率变换拓扑可选择无电解电容的矩阵式变换器。矩阵变换器是已有多年研究历史的一种新型变换器，可实现任意多相之间的功率转换。AC-DC矩阵变换器，也就矩阵整流器，就可实现三相交流电与直流电的转换，其无电解电容的拓扑结构，非常适用于集中式大功率LED驱动系统，但目前工业界和学术界还未开展基于矩阵变换器的LED驱动器的相关研究，该解决方案在大面积区域照明的场合具有重要的应用价值。
技术实现思路
所要解决的技术问题：本专利技术针对市面上现有LED驱动系统的不足，从大面积区域照明应用场合的实际需求出发，提出了一种基于AC-DC矩阵变换器的集中式大功率LED驱动系统无电解电容解决方案。技术方案：为了实现以上功能，本专利技术提供了一种大面积区域内LED照明的集中供电系统，其特征在于：该系统的硬件结构包括交流输电线路、LED驱动控制器、直流输电线路和LED灯具；所述LED灯具根据实际照明需求排布在区域内的位置，LED灯具通过直流输电线路串并联成若干条支路接驳至LED驱动控制器的输出端；所述LED驱动控制器采用三相交流工频电源输入连接交流输电线路，其通过功率变换和对输出电流进行闭环控制，为所有LED灯具支路提供恒流电源，并实现各支路之间的均流控制。所述LED驱动控制器包括主功率电路和控制电路部分，具体的，主功率电路包括依次连接的电源、输入LC滤波器、AC-DC矩阵变换器和双管正激变换器；所述双管正激变换器包括m组双管正激电路，m为LED灯具支路的数量，每组电路均包含有两个半桥结构，其中，一个是由MOS管Gp和二极管Dp串联形成的半桥，MOS管Gp连接直流母线正极、二极管Dp连接直流母线负极，该半桥为每组支路的共享支路；另一个由二极管Dni和MOS管Gni构成的半桥为第i组，i＝1,2,...,m，双管正激电路的独立控制支路，二极管Dni连接直流母线正极、MOS管Gni连接直流母线负极；此外，所述双管正激变换器的每组双管正激电路还包含各自独立的正激变压器Ti、副边整流二极管DRi、续流二极管DFi和滤波电感Li；所述正激变压器Ti的一端连接在所属独立控制支路的中间点，另一端连接共享支路的中间点；所述副边整流二极管DRi和滤波电感Li串联在正激变压器Ti的输出端，所述续流二极管DFi的负极连接副边整流二极管DRi的负极和滤波电感Li，正极连接正激变压器Ti的输出端。所述AC-DC矩阵变换器采用由6个双向开关所组成的三相桥式结构，三相交流工频电源的每相经输入LC滤波器连接到AC-DC矩阵变换器的中间点；AC-DC矩阵变换器将三相输入电源转换为斩波状的直流电压为后级双管正激电路供电，同时在输入端获得三相正弦的输入电流和单位功率因数。所述控制电路部分包括微处理器和硬件连接线路，微处理器上设有显示设备，通过用户界面读取设备的工作状态，也可以设定各LED灯具支路的开关和亮度，控制电路与用户界面交互相关信息，根据用户设定和各LED灯具支路电流的反馈信息对主功率电路进行PWM调制，为每个LED支路供电。一种大面积区域内LED照明的集中供电系统的驱动方法，其特征在于：该系统的调制过程采用无零矢量的调制方式，在AC-DC矩阵变换器的输入端获得单位功率因数的正弦斩波电流，利用输入LC滤波器滤去除开关频率谐波；其次，m组双管正激电路的共享支路采用恒占空比调制，采用PI控制器调节各组的独立支路，实现各个LED灯具支路的恒流控制；在PWM调制过程中，双管正激电路的开关管调制与AC-DC矩阵变换器的空间矢量调制过程相配合，实现AC-DC矩阵变换器的零电流开关，从而进一步提高驱动系统的整机效率。有益效果：采用本方案为大面积区域照明系统供电，其优势在于：1)整个LED照明的集中供电系统摒弃了电解电容等储能元件，从而大幅提高了驱动器的使用寿命；2)采用基于AC-DC矩阵变换器的功率变换电路，可获得正弦的三相输入电流，谐波含量低，功率因数高；3)驱动器是LED照明系统中维护频率较高的部分，将整个区域LED照明的驱动器集中于一处，便于维护和管理；4)采用分布式驱动器(每一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大面积区域内LED照明的集中供电系统，其特征在于：该系统的硬件结构包括交流输电线路、LED驱动控制器、直流输电线路和LED灯具；所述LED灯具根据实际照明需求排布在区域内的位置，LED灯具通过直流输电线路串并联成若干条支路接驳至LED驱动控制器的输出端；所述LED驱动控制器采用三相交流工频电源输入连接交流输电线路，其通过功率变换和对输出电流进行闭环控制，为所有LED灯具支路提供恒流电源，并实现各支路之间的均流控制。

【技术特征摘要】
1.一种大面积区域内LED照明的集中供电系统，其特征在于：该系统的硬件结构包括交流输电线路、LED驱动控制器、直流输电线路和LED灯具；所述LED灯具根据实际照明需求排布在区域内的位置，LED灯具通过直流输电线路串并联成若干条支路接驳至LED驱动控制器的输出端；所述LED驱动控制器采用三相交流工频电源输入连接交流输电线路，其通过功率变换和对输出电流进行闭环控制，为所有LED灯具支路提供恒流电源，并实现各支路之间的均流控制；所述LED驱动控制器包括主功率电路和控制电路部分，具体的，主功率电路包括依次连接的电源、输入LC滤波器、AC-DC矩阵变换器和双管正激变换器；所述双管正激变换器包括m组双管正激电路，m为LED灯具支路的数量，每组电路均包含有两个半桥结构，其中，一个是由MOS管Gp和二极管Dp串联形成的半桥，MOS管Gp连接直流母线正极、二极管Dp连接直流母线负极，该半桥为每组支路的共享支路；另一个由二极管Dni和MOS管Gni构成的半桥为第i组，i=1,2,...,m，双管正激电路的独立控制支路，二极管Dni连接直流母线正极、MOS管Gni连接直流母线负极；此外，所述双管正激变换器的每组双管正激电路还包含各自独立的正激变压器Ti、副边整流二极管DRi、续流二极管DFi和滤波电感Li；所述正激变压器Ti的一端连接在所属独立控制支路的中间点，另一端连接共享支路的中间点；所述副边整流二极管DRi和滤波电感Li串联在正激变压器Ti的输出端，所述续流二极管DFi的负...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦显慧，石宝平，杨袁钰，周波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32