201125424 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種發光二極體驅動裝置,特別是指一 種避免諧波失真的交流發光二極體驅動裝置。 【先前技術】 近年來由於能源的問題日漸嚴重,故如何達到節能減碳 對於各國來講是相當重要的,傳統的照明設備有白熾燈泡、 鹵素燈、冷陰極管等專,其體積大、壽命短、含果不具環保, 且非常耗電,故逐漸被體積小、反應速度快、壽命長、省電 且具環保的高亮度發光二極體(Ught Emitting Di〇des,lFD) 所取代。 由於發光二極體具有單向導通的特性,故驅動方式必須 採直流驅動,市電輸入後必須要有交流/直流轉換器;目前 甲用的疋切換式轉換器;然而,若轉換器無功率因素修正 (PFC)的功能,則其功率因素值將會非常的低,若有功率因 素電路,則一般具有兩級轉換器,因此整體電路具有大電感 與大電容(電解電容)’造成整個燈具(Lamp Equipment)的體 積增加、重量變重、不易設計其外觀、成本增加、還有轉換 器的損失,並且所用的大電容大部分為電解電容,故轉換器 壽命必受其影響。 參閱圖1,傳統之發光二極體直接操作在交流電源(AC source)的其中一種電路設計是將發光二極體9丨排列成橋式 的架構,再配合適當的電阻R與電容c來實現(也可單獨使 用電阻或電谷來實現);參閱圖2,另一種路設計是交流電 201125424 源會先經過橋式整流器92,之後在去驅動發光二極體91串 聯之陣列;上述兩種架構驅動發光二極體91皆無透過任何 轉換器(Converter)來將交流電轉換成穩定的直流電,在此操 作情形下的發光二極體被稱為交流發光二極體(AC LED), 其可應用在一般照明、建築照明、街道照明等。 配合圖3,發光二極體特性曲線對應導通電壓電流關係 的波形中,其中的Vf為發光二極體的順向導通壓降、“為 發光二極體導通電流,上述二者的電流(Vin)及電壓(U都必 須大於其等效發光二極體燈串(LED strings)的壓降(VD),發 光二極體91才會導通,因此兩種電路設計皆有電流總諧波 失真(THD)的問題’這是因為在相同的交流輸入電壓與固定 電阻下,若_聯發光二極體91之數量越多,其發光二極體 91之陣列等效壓降增加,則在電阻上面的損失較少,用電 效率提高,但電流諧波失真越高,造成功率因數下降、虛功 增加、還有額外的線路損失。 參閱圖4 ’另外就是產熱的問題’由相同平均電流I i 下不同數量的發光二極體之電流波形可知,在相同的輸入電 壓下改變電阻值得到相同的平均電流下,若其發光二極體陣 列的等效壓降越大,則代表流經發光二極體之電流峰值(CF) 越大’如同圖4之 <所示會有較大之峰值’與發光二極體陣 列等效壓降較小的相比,會產生更多的熱;另一方面,參閱 圖5’交流發光二極體(AC LED)的利用率亦不如在直流發光 二極體(DC LED)的利用率來的高。 因此,目前需改善的缺失為:在交流電源下操作之發光 201125424 二極體電流諧波失真、產熱過高及利用效率不佳的問題。 【發明内容】 本發明之目的,即在提供一種避免错波失真、避免度熱 過高及提高利用效率的交流發光二極體驅動裝置。 於是,本發明交流發光二極體驅動裝置包含一控制各元 件運作之控制模組、一將輸入之交流電壓及經過橋式整流產 生一驅動電力以供電給控制模組之橋式整流器、一受控制模 組控制調控驅動電力以產生所需之電流源的可控電流源及 一開關模組,該開關模組受該控制模組控制,具有分別受控 導通/截止的一第一開關及一第二開關,令該驅動電力流經 該發光二極體模組。 本發明父流發光二極體驅動裝置之功效在於:無須透過 任何轉換器,改善傳統交流發光二極體的高諧波失真問題與 低功率因素缺點、降低產熱及提昇利用效率,且無須複雜設 计,可降低整個燈具的體積與成本,並提高燈具壽命。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效,在以 下配合參考圖式之數個較佳實施例的詳細說明中,將可清楚 的呈現。在本發明被詳細描述之前,要注意的是,在以下的 說明内容中,類似的元件是以相同的編號來表示。 需事先的是,現有克服諧波失真的方式皆是採用電感電 容(LC)濾波電路,本發明改以不同於電感電容濾波之電路設 計來克服諧波失真,詳述如下。 參閱圖6及圖7,本發明之較佳實施例中,交流發光二 5 201125424 極體驅動裝置100包含一橋式整流器n、一控制模組 (Control module) 12、一開關模組(Switch module) 13 及一可 控電流源(Controllable current source)14,並用以點亮一發 光二極體模組2 ;開關模組13具有一第一開關Si與第二開 關S2,需說明的是,本實施例中,開關模組丨3只有敘述兩 個開關是為了搭配三個發光二極體燈串(LED strings)以方 便說明本發明之主要電路動作原理,熟知本發明領域者當知 本發明之電路架構的觀念是可以推廣至應用在更多個發光 二極體燈串之驅動裝置。 橋式整流器11將輸入之交流電壓v;及經過橋式整流產 生一驅動電力(橋式整流電流$及輸入電壓5)後,分別提供 給發光二極體模組2及控制模組12,控制模組12分別控制 開關模組13與可控電流源14。 參閱圖8 ,可控電流源14在此採用雙極型電晶體 (Bipolar juncti0n Transistor,BJT)當作電流源,或其他可產 生所需要的電流源之元件亦可,藉由如圖6之控制模組j 2 調控h進而調變^以產生所需之電流源’〜為b JT基極 之輸入訊號,為1^電阻上的跨壓;由於雙極型電晶體之 增益及易受溫度的影響而改變,故在此加入負回授電阻 Re以穩定雙極型電晶體的運作。 參閱圖9,並配合圖6,發光二極體模組2與開關模組 13的動作主要係由如圖6之控制模組12來控制開關模組ι3 之導通/截止,由於控制模組12之電路只是來達成所需求之 動作,只要可以達成此需求之動作之控制電路均可,主要是 201125424 用以產生導通或是截止的訊號%〜^,與產生^訊號來控 制電流源用。參閱圖9及圖10,為了方便解釋本發明所提 之電路動作流程,採用三組發光二極體燈串LSi、lS2、lS3 為例說明,/亦可採用二組發光二極體料,纟㈣原理類 似,不以三組為限制;其中,電路之控制時序可分為數個動 作區間,主功率級之操作週期依據不同時間點共可區 分為八個區間,由於其動作對稱於時間點故以下只分析 時間點〜“區分的四個區間,而藉由如圖6之控制模組J 2 的調控,可使得第一開關Sl與第二開關&導通/截止,以得 到如圖10之電流波形,各區間說明如下。 第一區間(時間點t^ti):如圖9所示,第一開關\與 第二開關S2均截止,故沒有電流產生,如圖1〇之時間點t〇卟 之區間的橋式整流電流之值為〇。 第一區間(時間點t!〜t2):如圖1 1所示,第一開關導 通但第二開關S2截止’故電流流經發光二極體燈串LSi, 如圖10之時間點t!〜t2之區間的電流f。 第三區間(時間點t2〜t3):如圖12所示,第一開關S1截 止但第二開關S2導通,故電流流經發光二極體燈串LSl與 LS2,如圖10之時間點t2〜t3之區間的電流可。 第四區間(時間點〜u):如圖13所示,第一開關Si與 第二開關S2均截止,但因輸入電壓會大於發光二極體燈串 LS!至LS3之導通壓降,故電流流經發光二極體燈串LSi、 LS2及LS3,如圖1〇之時間點t3〜14之區間的橋式整流電流p 依據前述控制原理,增加可以導通/截止之控制開關 201125424
Si、S2…SN-】,及發光二極體燈串(LED strings) LSN,因此,可將此電路架構推廣至包含]^組發光二極體。 將圖6之電路設計更改發光二極體模組2、開關模組13 及可控電流源14之前後組合順序關係可得衍生型架構,如 圖14(&)~圖14(c)所示。 為證明本發明可有效的降低電流的總諧波失真與提高 功率因素,在此採用十個發光二極體燈串來進行模擬與實作 以作為驗證。 在此本較佳實施例使用Matlab軟體中之Simulink功能 來做模擬,模擬實作架構以輸入之交流電壓y,有效值為 11〇V、輸入電流(有效值為350mA、頻率為50及60ϊίζ及發 光二極體燈串為十組的條件下做模擬。 以圖6之架構來模擬,圖15(幻為5〇Ηζ下輸入之交流 電壓 ' 與輸入電流(之波形,圖15(b)為在50Hz下各次階數 (order)的電流諧波值,其電流總諧波失真為3 39%;圖16(&) 為60Hz下輸入之交流電壓v與輸入電流(之波形,圖16(b) 為在60Hz下各次的電流諧波值(In/11 (%)),其電流總諧波失 真為3·46°/〇 ;由前述可知’本創作各次電流諧波失真皆符合 IEC 61000-3-2 Class C limit 規範。 參閱圖17,利用圖6的交流發光二極體驅動裝置1〇〇, 配合一交流電源31、一功率分析儀32及一電壓表33實際 的量測波形與紀錄數據,以更進一步驗證所提系統架構之可 行性°功率分析儀32採用儀器為Voltech公司所製造之 PM1000+精密功率分析儀(p〇wer anaiyzer) ; HP 3478a 之電 201125424 堅表33量測發光—極體模組2上的有效值跨壓丨量測效率 的方式&功率刀析儀32所得到有效電流值將電壓表μ 量測的電壓有效值乘上電流有效值即為輸出功率,將輸出功 率除上由精密功率分析儀33所顯示的輸入功率即可得到系 統效率。 ’' 在此分為兩個階段來觀測實驗的結果·· 第一階段:頻率為50Hz,輸入電壓有效值為u〇v,量 測輸入電壓與輸人電U波形及此時的各次輸人電流諧 波,並且紀錄在輸入電壓有效值為1〇〇v〜12〇v的總電流諧 波失真變化曲線與功率因數曲線及用電效率曲線。第二階 段.頻率為60Hz,輸入電壓有效值為11〇v,量測輸入電壓 與輸入電流的波形及此時的各次輸入電流諧波,並且紀錄在 輸入電壓有效值為100V〜120V的總電流諧波失真變化曲線 與功率因數曲線及用電效率曲線。
第一階段:圖18(a)為頻率50Hz下,輸入交流電壓ν·有 效值為110V下的電壓v;與電流(波形,電流總諧波失真為 8.6%’圖18(b)為輸入電流諧波在各次階數下的關係,由圖 18(b)可知道本較佳實施例所提之方法可有效的改善電流總 諧波失真,使本創作各次電流諧波失真皆符合rEC 61000-3-2 Class C limit 規範;圖 19(a)為頻率 50Hz 下,輸 入電壓有效值為100V〜120V下的電流總電流諧波失真的變 化曲線’由圖19(a)可知道在輸入電壓增大時因為輸入電流 也增大的關係故其總諧波失真會下降;圖19(b)為頻率50Hz 下’輸入電壓有效值為100V〜120V下的功率因數曲線,由 201125424 圖可知道在輸人電料大時因為輸人電流也增大的關 係故其功率因素會上升;圖19⑷為頻率5〇Hz下輸入電 壓有效料⑽V〜120V下的用電效率曲線,由i 9⑷可知在 此範圍的輸入電壓下效率皆有88 5%以上。
第二階段:圖2G⑷為頻率刪2下,輸人電壓有效值 為U0V下的電壓Vi與電流(.波形,電^總諸波失真為 7.78%’圖20(b)為輸入電流諧波在各次階數下的關係由 圖13(b)可知冑本較佳實施例所提之方法可有效的改善電 流總諧波失真,使各次電流諧波失真皆符合IEC 61〇〇〇 3 2 Class C limits規範;圖21(a)為頻率6〇Hz下,輸入電壓有 效值為100V〜120V下的總電流諧波失真的變化曲線,由圖 21(a)可知道在輸入電壓增大時因為輸入電流也增大的關係 故其總諧波失真會下降;圖21(b)為頻率6〇Hz下,輸入電 壓有效值為100V-120V下的功率因數曲線,由圖21(b)可知 道在輸入電壓增大時因為輸入電流也增大的關係故其功率 因素會上升,圖21(c)為頻率60Hz下,輸入電壓有效值為 100V〜120V下的用電效率曲線,由圖21(c)可知在此範圍的 輸入電壓下效率皆有89.5%以上。 圖22至圖23為衍生架構一(如圖14(a))之模擬結果及 數據,圖22(a)為50Hz下輸入電壓'與電流心之波形,圖22(b) 為在50Hz下各次的電流諧波值,其電流總諧波失真為 2.94%;圖23(a)為60Hz下輸入電壓 '與電流々之波形,圖 23(b)為在60Hz下各次的電流諧波值,其電流總諧波失真為 3.04%。 10 201125424 圖24至圖25為衍生架構二(如圖14(b))之模擬結果及 數據,圖24(a)為50Hz下輸入電壓v,與電流之波形,圖24(b) 為在50Hz下各次的電流諧波值,其電流總諧波失真為 3.59%;圖25(a)為60Hz下輸入電壓v;與電流(之波形,圖 25(b)為在60Hz下各次的電流諧波值,其電流總諧波失真為 3.96%。 圖26至圖27為衍生架構三(如圖14(c))之模擬結果及 數據,圖26(a)為50Hz下輸入電壓Vi與電流之波形,圖26(b) 籲 為在50Hz下各次的電流諧波值,其電流總諸波失真為 3.6%;圖27(a)為60Hz下輸入電壓Vi與電流^之波形,圖27(b) 為在60Hz下各次的電流諧波值,其電流總諧波失真為 3.96%。 綜上所述,本發明之交流發光二極體驅動裝置1〇〇跳脫 了傳統的電源轉換器的觀念,可有效的改善電流諧波失真與 功率因數,熱此過南的問題也可以相對的得到改善,也可提 问發光一極體在交流驅動下的利用率,本發明之電路設計以 • 能積體化與能符合IEC61000-3-2 Class C規範為前提下去設 计,以達節能環保與實用的目地;除此之外,將發光二極體 燈串採用獨立包裝之發光二極體所構成,可將所有發光二極 體燈串置於-單晶片中,可降低發光二極體熱散熱不均的問 題。另外,由於人體視覺暫留為〇·〗秒〜〇5秒,故市電頻率 及所提之切換方法不易引起閃爍(Flicker)的問題,當未來將 所有發光二極體燈串置於一單晶片中並加裝適當的燈具 時,則無所謂閃爍的問題,故確實能達成本發明之目的。 201125424 惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能 以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍 及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發 明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一電路圖’說明現有傳統交流發光二極體的一種 電路設計; 圖2是一電路圖,說明現有傳統交流發光二極體的另一 種電路設計; 圖3是一波形示意圖’說明發光二極體特性曲線對應 導通電壓電流關係; 圖4是一波形示意圖,說明相同平均電流下不同數量的 發光二極體之電流波形; 圖5是一波形示意圖’說明交流發光二極體與直流發光 二極體的利用率比較; 圖6是一電路方塊圖’說明本發明之交流發光二極體驅 動裝置之較佳實施例; 圖7是一電路圖,說明交流發光二極體驅動裝置之局部 電路; 圖8是一電路圖’說明交流發光二極體驅動裝置之可控 電流源; 圖9是一電路圖’說明交流發光二極體驅動裝置之電路 架構推廣至包含N組發光二極體; 圖10是一波形圖,說明交流發光二極體驅動裝置之操 12 201125424 作週期共可區分為八個區間; 圖11是一控制示意圖’說明電流流經發光二極體燈串 LS,; 圖12是一控制示意圖’說明電流流經發光二極體燈串 LSi 與 LS2 ; 圖13是一控制示意圖,說明電流流經發光二極體燈串 LS丨、LS2 及 LS3 ; 圖14(a)、圖14(b)及圖14(c)是說明更改發光二極體模 組、開關模組及可控電流源之前後組合順序關係之不同架構 的電路方塊圖; 圖15及圖16是以圖6之電路架構模擬之波形圖·, 圖17是以功率分析儀及電壓表量測波形以驗證所提系 統架構之可行性; ’ 圖18至圖21是利用如圖17之架構於不同測試條件 的模擬波形圖; 圖22至W 23為如圖14⑷之架構之模擬結果及數據; 圖24至圖25為如圖14⑻之架構之模擬結果及數據; 及, 圖26至圖27為如圖吻)之架構之模擬結果及數據。 13 201125424 【主要元件符號說明】 〔習 知〕 LS,、 LS2、LS3、LSn 91… ……發光二極體 ........發光二極體燈串 92·.· ……橋式整流器 Μ,〜Μ" ••脈寬調變訊號 〔本創作〕 Re' · ……負回授電阻 100 · ……交流發光二極體 S, ··· ……第一開關 驅動裝置 s2… ……第二開關 11 ··· ……橋式整流器 Sn- 1 —控制開關 12··· ......控制模組 〜t达 ......時間點 13... ……開關模組 …· BJT基極之輸入訊號 14·. ……可控電流源 VRe · ……Re電阻上的跨壓 2 ··_. ……發光二極體模組 Vi - ^ ……交流電壓 h ··* ......輸入電流 v,.... ……輸入電壓 ••橋式整bit電 14