【原创】SiC功率器件的中小功率LED驱动电源及其拓扑分析

1. 经典中小功率LED驱动拓扑及其控制
据国际能源署(IEA)估计，全球消耗的电能中有19%是用于照明。因此，近年来，世界各国纷纷致力于以更高能效的方案来替代低能效的白炽灯光源。而随着发光二极管(LED) 在流明输出及光效方面持续快速进步，同时，平均每流明光输出的成本也在下降，再结合LED在高指向性、长寿命和低维护成本等方面的优势，LED照明 (也称固态照明，或SSL)成为一种极为引人注目的替代解决方案和绿色节能的热门课题。 其中,家庭和商业用LED照明(一般功率<25W)是目前市场需求最大和市场前景最被看好的LED照明应用。 针对该中小功率LED照明的驱动电源一般来说具有以下几点要求:
1. 高效率。 由于LED照明灯具工作温度很高(一般在50~80度), 所以要求LED驱动电源的功率器件工作温升较低, 这样一来,要求驱动电源的效率高来提高LED照明灯具的寿命。
2. 安全要求。目前各国都相应出台LED照明及其驱动电源的相关标准。下图给出了各国家的相关标准的标章。

图1 各国LED照明标准相应图标

其中,根据安全规定要求,对驱动电源来说,分为隔离式驱动和非隔离式驱动两种形式。图2是非隔离驱动的球泡灯结构。 非隔离式驱动电源的拓扑结构是非电气隔离的, 电源不能满足IEC60950和UL8750等安全标准要求, 并且LED驱动电源输出侧和LED灯珠铝基板也是原边初次侧。但是, 设计灯具时, 可以采用不易破损坚硬透镜并对散热器与驱动电源板进行隔离设计等方式满足安规要求。 非隔离LED驱动电源的特点是: 效率高(对于7W球泡等来说,可以做到85%~90%. 但需要额外的成本对LED驱动电源与外壳散热(人体可接触)进行隔离。图3是隔离式LED球泡灯结构。该隔离结构的LED驱动电源分为原边侧和副边侧, LED灯珠铝基板与LED驱动电源的副边相接, 并满足安全要求。所以, 不需要对透镜和散热器进行电气隔离。隔离式的LED照明特点是: 不需要额外设计在机械结构上满足安规要求, 7W球炮灯驱动效率一般在80%左右。

图2非隔离式驱动电源灯具结构

图3隔离式驱动电源灯具结构

1. 功率因数校正。为了促进节能，世界各地的政府机构或规范组织制定了不同LED照明规范，主要体现在对功率因数(PF)的要求方面。如欧盟的国际电工联盟(IEC)规定了功率大于25 W照明应用的总谐波失真性能，某些地区的其它国际标准也适用这规定。另外，美国能源部制定及发布了针对固态照明灯具的“能源之星”标准。这项自愿性标准包含针对常见住宅和商业照明灯具(如嵌灯、橱柜灯和台灯)的系列要求，涵盖最低流明输出、总体光效、可靠性目标、光色温及一系列其它关键系统级要求。值得注意的是，这个标准中并不直接包含电源能效要求，但包含功率因数要求，即不论是何种功率等级，住宅应用要求的PF大于0.7，商业应用要求的PF大于0.9，而集成LED灯光的要求是PF大于0.7。当然，并非所有国家都绝对强制要求在照明应用中改善功率因数，但作为LED驱动方案当然PF越高越好。
2. 虽然标准中并无要求，但兼容已有线路调光方案很重要。因此，应当针对三端双向可控硅开关器件(TRIAC)壁式调光器来优化设计。虽然, 人们对TIRAC调光进行了深入研究, 但目前市面上, 还没有哪一款方案可以兼容所有的调光器。 主要原因: LED驱动输入端是一个容性阻抗,TRIAC在启动过程中,电压和电流不是同步的,流过调光器电流会发生振荡或者电流低于TRIAC需要的阀锁电流,从而造成散烁的问题出现。目前, 两级结构 (Chopper + FLYBACK) 看来是一个不错的方案, 比如Iwatt IW3614等.但仍然需要不断完善, 并解决调光兼容性问题。
以下重点介绍两种典型的中小功率LED驱动电源拓扑。
o 隔离式原边控制技术单级FLYBACK电路

(a)

(b)
图4 两种采用原边控制技术的LED驱动电源方案

图5 采用德州仪器TPS92310原边控制技术实现的5W GU10 驱动电源
图4给出了两个市面上采用的原边控制技术实现单级FLYBACK实际原理图。其中(a)是德州仪器TPS92310 和(b)是Silergy (矽力杰半导体)的SY5810方案。 目前,还有国内还有上海晶丰明源半导体(BPS) BP3309及MPS MP4021 ,士兰微(Silan)电子等原边控制解决方案。
这些方案具有以下特点:
1. 采用原边控制技术,不需要对流过LED的输出电流进行直接采样,通过检测原边辅助绕组电压波形对输出电流进行恒流控制。通过原边控制, 可以实现宽输入电压范围(90V~254Vac)的输出电流恒流,不需要输出二次侧采样反馈和隔离光藕。 至于怎么实现原边控制的,可以参考相关IC的规格书,比如Silergy SY5810和SY5801A等。
2. 高功率因数校正技术。 由于该控制IC一般采用固定开通时间控制(Constant On-time)技术,可以实现高的功率因数校正, PF>0.95。 以下是为什么Constant On-time可以实现高的功率因数校正:




图6 Constant On-time 实现单级高功率因数校正

从上面推导公式可以看到: 当导通时间Ton在半个工频周期内是一个定值时,输入电流Iin和输入电压Vin是一个固定值的同比例关系, 这样输入电流和输入电压是同频同相的,实现高的功率因数校正。
1. FLYBACK电路工作在临界模式下面, 有利于实现零电压 (或者称为谷底)导通。 提高变换效率. 通常都是利用辅助绕组检测MOSFET Vds过零点电压,来实现过零点导通下一个周期的,这个技术在许多控制IC临界模式时,一般都会采用,技术比较成熟。
2. 为了实现快速启动,BPS晶丰明源半导体 提出了一新型控制IC BP3309。该IC控制实际也是采用固定导通时间临界模式, 所不同是: 它采用了一个内部集成的低压MOSFET与主功率MOSFET级联 (Cascode) 帮助电源快速启动。 通过控制内部集成MOSFET来控制外置主功率高压MOSFET的源级S, 实现功率转换。 以下图6是BPS技术说明。采用该Cascode 级联实现快速启动的固定导通时间临界模式单级FLYBACK电路. 这种Cascode级联FLYBACK技术在许多IC中采用, 比如TI UCC28610和TPS92210等。主要优点: 1. 可以帮助控制器快速启动; 2. 降低控制IC自身的功耗。

当然, 隔离式原边控制技术单级FLYBACK电路还具有以下挑战:
1. 输出电流恒流精度。由于没有直接对输出电流采样, 当输出负载或输入电压变化时, 怎么保证输出电流的恒流精度是一个很大挑战, 目前做的比较好的是: SY5810和MP4021, 量产条件下, 精度大约可以控制在+-5%以内。
2. 输出短路和开路保护。目前, 存在输出短路后, 输入功率过大的问题. 控制IC或多或少会有这方面的难题。
3. 由于采用单级FLYBACK方案, 输出纹波电流都比较大, 因此, 纹波过大, 可能会引起LED照明成像水波纹, 这在实际应用中是很难接受的, 国内很多客户为了降低成本,人为的减少输出滤波电容,或者宣称为无电解方案, 从而造成纹波很大, 高端客户很难接受。 目前, 日本等国已经提出如JEL 801 等标准,规定输出纹波比上输出平均电流必须小于1.3, 并且输出纹波频率大于100HZ。

o 非隔离式低端驱动BUCK电路
近来, 高压HVLED逐渐成为家用或商用LED的一个主要研究方向。 由于采用高压(一般100V以上)和低电流(<100mA) 的LED, LED驱动电源可以进一步提高效率, 减小LED照明灯具整体成本. HVLED在设计驱动电源时, 一般会采用非隔离的方式。同时, 非隔离结构便于对输入电压进行采样控制, 兼容不同调光器。

图7 低端驱动BUCK电路
图7是典型的低端驱动BUCK电路。 和传统BUCK电路相比, 主功率MOSFET处于低端与主控制IC共地, 使得MOSFET驱动电路不需要自举驱动电路对高端MOSFET驱动, 驱动比较传统BUCK简单. 。同时, 该低端BUCK电路的输出是浮地工作, 没有与控制IC共地。 这种控制IC主要工作在连续电流模或者临界电流模式下,有很多控制IC, 比如:Supertex HV9910和TI LM3445, LM3444等。 该电路最大优点就是成本低效率高, 7W球炮灯驱动电源效率可以达到90%以上。 但该电路存在以下不足:
1. PF值不高, 需要在输入整流桥后面加添谷无源PFC电路。如图8是采用HV9910带添谷PFC电路的原理图。该电路可以将PF值提高到0.85以上, 但是牺牲了部分效率。

图8 HV9910带添谷PFC低端BUCK电路
1. 输出浮地。使得输出LED的短路和开路保护相对比较难处理, 需要另外加采样保护电路。

1. 采用碳化硅二极管的非隔离式低端驱动BUCK驱动

为了进一步提高非隔离BUCK电路的效率和可靠性, 本文给出了采用Cree 新一代SiC(碳化硅)二极管实现高效率LED驱动方案, 并给出了一个7W A19球泡灯非隔离LED驱动设计实例。
如图9所示, 低端驱动 BUCK 工作在CCM(连续电流模式) 固定关断时间模式时, MOSFET和二极管工作在交替导通模式,当二极管关断和MOSFET开通过程中,由于传统Si材料二极管PN结具有反向恢复时间,带来反向恢复电流从二极管的阴极流过阳极,并流过功率MOSFET。这样一来, 产生很大的开关损耗, 降低了LED驱动电源的效率, 并在功率器件上产生较高的温升。为了提高效率, 本文提出了采用SiC二极管取代传统Si超快二极管提高LED驱动效率, 由于SiC肖特基二极管没有反向恢复电流, 可以降低开关过程中的损耗, 提高效率和LED系统可靠性。


图9 提出的LED驱动拓扑
表格1给出了SiC肖特基二极管与传统超快Si二极管的参数比较。
表1 SiC肖特基二极管与传统超快Si二极管的参数比较

为了验证SiC肖特基二极管对LED驱动电源效率的提升,本文研究了一款7WLED电源,其具体指标如下:
表2 7WLED驱动电源指标






图11 7W LED驱动电源原理图