基本信息
- 项目名称：
- 高品质高可靠大功率LED驱动电源系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品针对现有大功率LED驱动电源中存在效率低、寿命短、可靠性不高的问题，提出了一种高品质高可靠的大功率LED驱动电源系统。通过改进硬件设计及提出新的控制方法提高电源寿命；通过引入LLC电源拓扑、同步整流电路，并改进了开机浪涌抑制技术和LLC拓扑中的变压器设计，减少电源传输损耗以提高效率；提出的新型均流式LED阵列，大大提高了电源系统的可靠性。本产品节能环保，具有广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- LED灯以其高效节能的优势正逐步取代现有照明工具，但现有大功率LED驱动电源存在效率低、寿命短、可靠性不高的问题，限制了LED优势的发挥，阻碍了LED灯的推广应用。 本作品针对现有大功率LED驱动电源中存在的问题，提出了一种高品质高可靠的大功率LED驱动电源系统。通过改进硬件设计及提出新的控制方法，去除了限制驱动电源寿命的电解电容和光耦器件，使LED驱动电源的寿命从现有的1万小时增加到10万小时左右；通过引入LLC电源拓扑、同步整流电路，并改进了开机浪涌抑制技术和LLC拓扑中的变压器设计，使驱动电源系统的效率达到了92.7%，比国标“GB/T 24825-2009”中一类标准的88%高出了4.7个百分点；优化了LED灯的连接结构，使系统的可靠性提高了6倍以上。上述成果已获得2项实用新型专利，2项发明专利正处于公示阶段。 本作品具有长寿命、高效率、高可靠性的特点。一万台150W的本产品一年内较同功率的传统LED驱动电源，可节约电费24.7万元，减排二氧化碳269.7吨；另外可靠性的提高，可以减少维修成本与资源的浪费。本产品节能环保，具有广阔的应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 传统大功率LED驱动电源存在寿命短、效率低、可靠性差的缺陷，限制了LED灯节能高效等优势的发挥，严重制约了LED照明产业的发展。为此，本作品从寿命、效率、可靠性方面入手，开发出一款长寿命、高效率、高可靠性的LED驱动电源系统。 首先从改进传统大功率LED驱动电源的效率着手，通过在关键技术环节上的改进和创新，提高电源效率；然后集中从控制系统的角度去电解电容，从检测方法入手提出电流互感器替代光耦，提高寿命；最后从负载角度研究LED灯结构的可靠性。 创新点： 1)采用改进的浪涌抑制技术、分立变压器技术、同步整流技术，以提高LED驱动电源的效率。 2)采用数字控制PFC技术，解决了去除电解电容后功率因数下降的问题，并采用电流互感器替代光耦，以提高LED驱动电源的寿命。 3)设计了新型的LED灯均流阵列，提高了LED照明系统的可靠性。 关键技术： MOSFET与热敏电阻并联浪涌抑制技术；LLC谐振网络的分立式变压器设计技术；同步整流技术；一种适合集成的新型PFC控制技术；去光耦技术；新型LED均流阵列。 电压范围： 90~305 Vac 频率范围： 47~63 Hz输入电流： 1.5A Max (220 Vac) 效率： ≥92% 输出电压： 24 V 输出电流： 0-6.25A 额定功率： 150W
科学性、先进性
- 1）效率高：样机效率达92.7%，超过国家标准“GB/T24825-2009”规定一级隔离式LED驱动电源的效率——88%。 2）寿命长：本产品的LED驱动电源寿命能达到10万小时左右，而目前含电解电容的的驱动电源寿命平均只有1万小时，大大延长了LED驱动电源的寿命。 3）可靠性高：任意一个LED断路的情况下，均不会影响其他LED的正常工作，而且仅当超过6个（含6个）并联的LED同时发生断路，才会使其他LED全部熄灭，其可靠性是传统串联LED灯的6倍。 4）经济效益好：长寿命节约了成本，高效率减少了耗电量，节约了电费，高可靠性减少了维修费用等5）绿色环保：高功率因数控制技术大大减少了大功率LED驱动电源对电网的谐波污染，降低了驱动电源中各器件的限流要求，减少了材料的耗费。此外，效率的提高，减少了耗电量，降低了煤耗，减少了对环境的污染。 6）拥有自主知识产权：本课题已有2项实用新型专利被授权，2项发明专利在公示中。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室验证阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、图纸、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 输入接90~305V的交流电，输出端与LED灯负载相连即可。满载输出功率为150W。 1）开机浪涌电流抑制方案降低了电路损耗； 2）新型半桥LLC谐振电路，在获得相同功率输出的情况下，降低了主开关管的关断损耗和电源输入电路部分的损耗； 3）输出端同步整流电路将整流导通期间的损失降到最低； 4）新型PFC控制技术减小了输出纹波，提高了电源寿命； 5）无光耦的反馈设计提高了整机寿命； 6）均流式LED阵列负载提高了LED灯 可以在家用照明、街灯及停车灯、工作照明灯、景观照明、广告牌文字电路、液晶显示屏、建筑物照明等通用大功率照明市场的LED驱动电源系统中得到推广和应用。 假设一台本产品价格为300元，而一台普通LED驱动电源的价格为200元，在10万小时内，可以节约成本200*10-300=1700元；假设本产品每天工作10小时，相比一年可节省254度电，约合203元电费。可见，使用本作品的驱动电源可以节省1700元的成本费和每年203元的电费。
同类课题研究水平概述
- 系统效率方面，在大功率LED驱动的应用中，常采用隔离型拓扑结构来实现电源输入电压与输出之间的电气隔离。常用的隔离型拓扑有反激和半桥电路等。 寿命方面，驱动电源中寿命最短的元件是电解电容和光耦。目前做出无电解电容LED驱动电源方案的公司主要有深圳创意电子、西安明泰半导体、村田制作所等。其中，日本村田制作所采用自主研发的多层陶瓷电容(MLCC)替代电解电容；西安明泰半导体公司采用他们自己开发的120W无电解电容LED驱动器通过自主研发的MOSFET和肖特基二极管实现，工作寿命可达8万小时；创意电子基于日本Takion公司TK5401芯片，靠高电压功率MOS管及控制电路，代替电解电容，寿命可达4万小时以上，但是其适用范围只有3W~20W；汇洪电子提供的方案使用寿命超过4万小时，4W输出功率时效率只有85%±5%，功率因数为90%。可见，现有研究都是依靠自主研发的新型电容替代，或者研发高耐压水平的其他元件来实现去电解电容，这样做成本比较高，而且研制出来的产品功率级别都比较低，或者以降低效率和功率因数为代价。 光耦以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用，广泛用于隔离型LED电源的反馈控制回路中。然而，随着使用时间的增加，发光管会逐步老化，寿命较短。因此，目前国内外提出了很多无光耦反馈的方法。主要包括，原边检测法、变压器隔离反馈法等。 辅助绕组隔离检测法目前只是在小功率反激式拓扑且DCM模式下得到一定的应用，并不适合大功率LED驱动电源的应用；变压器隔离反馈法，虽然能够应用于大功率LED驱动电源，然而其所需的电路过于复杂，并且体积庞大、性能较差。 在可靠性方面，由于单颗LED的功率比较小，为到路灯照明要求，需使用多颗LED，这就涉及到多颗LED的排列方式问题。LED的排列方式有很多种，常见的排列方式有串联、并联和串并联连接。 由于单颗LED的电压较低，一般在3.0~4.2V之间，因此单纯的串联和并联连接在功率较大的场合几乎没有，多采用串并联或交叉连接结构。 对于串并联结构，当某一串中有一个LED发生断路时，与其串联的LED均熄灭，该LED灯可靠性不高；对于交叉式连接结构，其可靠性要比串并联结构明显更高，当随便哪个LED断路时，其他LED依然能亮，对灯的影响较小，但当与之并联的LED也发生短路时，整灯都熄灭，可靠性依然不高。
