【導(dǎo)讀】全球化照明技術(shù)和固態(tài)照明技術(shù)的趨勢(shì)愈演愈烈，如今基于LED的固態(tài)照明的電抗特性引起的成本增多，使得功率因數(shù)產(chǎn)生不利影響，配送電流升高，電網(wǎng)承受的壓力增大。
監(jiān)管機(jī)構(gòu)一直在與公用事業(yè)公司合作制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制固態(tài)照明技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的影響。由于基于LED的固態(tài)照明可以極大地降低實(shí)際的功耗，因此可以顯著減少電網(wǎng)的碳排放量。但是，如果不對(duì)功率因數(shù)加以管理，電網(wǎng)仍將需要提供比實(shí)際負(fù)載所需高得多的功率級(jí)，從而抵消轉(zhuǎn)向固態(tài)照明所帶來(lái)的很大一部分好處。
以前的白熾燈具有近乎完美的功率因數(shù)。因此，與傳統(tǒng)的交直流電源相比，固態(tài)照明一直堅(jiān)持高得多的功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在大多數(shù)情況下，對(duì)于75W以下的電源來(lái)說(shuō)，它們不受任何功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制約。然而對(duì)固態(tài)照明而言，從低至5W甚至更低功率開(kāi)始就需要考慮功率因數(shù)限制了。
為了高效地設(shè)計(jì)基于LED的光源，設(shè)計(jì)師需要理解功率因素、LED驅(qū)動(dòng)器對(duì)功率因數(shù)的影響，以及在LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中集成經(jīng)濟(jì)有效的功率因數(shù)校正的不同技術(shù)。
功率因數(shù)
功率因數(shù)是指有功功率與視在功率的簡(jiǎn)單比值，沒(méi)有單位。有功功率是指在負(fù)載上使用的功率，測(cè)量單位是千瓦(kW)。視在功率是電網(wǎng)提供給系統(tǒng)負(fù)載的以伏-安(VA)為單位的測(cè)量功率。在一個(gè)高電抗系統(tǒng)中，具有角度參數(shù)的電流和電壓彼此可以高度不同相。這將導(dǎo)致電網(wǎng)需要在任何給定時(shí)間點(diǎn)提供比真正的有功功率大得多的無(wú)功功率。
圖1：有功功率(kW)與視在功率(kVA)的功率因數(shù)比值。
采用功率因數(shù)校正技術(shù)的固態(tài)照明可以減少?gòu)陌谉霟糇兊絃ED照明的影響，方法是給LED驅(qū)動(dòng)器增加相關(guān)的電路，校正電抗性輸入阻抗，從而將功率因數(shù)提高到接近于1。
LED驅(qū)動(dòng)器和功率因數(shù)校正
LED及其驅(qū)動(dòng)器具有非線性的阻抗，因此固有功率因數(shù)非常低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)器需要補(bǔ)償功率因數(shù)，盡可能將它提高到接近于1。對(duì)于工業(yè)倉(cāng)庫(kù)或大型商場(chǎng)來(lái)說(shuō)，只是考慮一盞LED燈及其對(duì)總功率因數(shù)的影響時(shí)，效果是很不明顯的，但在一個(gè)大型商業(yè)場(chǎng)所中所有照明單元的總和將顯著影響總的功率因數(shù)，因此需要實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單獨(dú)燈盞或驅(qū)動(dòng)這些燈的每個(gè)鎮(zhèn)流器進(jìn)行功率因數(shù)校正。
功率因數(shù)校正有有源和無(wú)源兩種方法。無(wú)源功率因數(shù)校正解決方案通常由無(wú)源輸入濾波器組成，提供一定程度的成本好處，但由于無(wú)源功率因數(shù)校正只是針對(duì)特定的輸入電壓和電流狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)這些條件改變時(shí)，功率因數(shù)還會(huì)下降。在可調(diào)光照明設(shè)備中，無(wú)源功率因數(shù)校正是不可接受的，因?yàn)樵跓舯K的整個(gè)亮度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)功率因數(shù)變化非常大。這時(shí)就需要采用有源功率因數(shù)校正，以便在各種負(fù)載和線路條件下足以保持高的功率因數(shù)。
借助有源功率因數(shù)校正，有使用主電源轉(zhuǎn)換電路補(bǔ)償功率因數(shù)的方法(單級(jí))，以及使用獨(dú)立的預(yù)調(diào)整器提供功率因數(shù)校正的方法(兩級(jí))。兩種方法都有各自的好處。最明顯的是，采用單級(jí)方法可以實(shí)現(xiàn)成本的最小化，因?yàn)椴糠止β室驍?shù)校正在主電源轉(zhuǎn)換電路中完成。判斷哪種拓?fù)渥钸m合最終應(yīng)用要求更深入地分析每種轉(zhuǎn)換器。
圖2：?jiǎn)渭?jí)和雙級(jí)功率因數(shù)校正架構(gòu)。
采用單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，主電源級(jí)電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換為可用的直流電壓和電流，再用于驅(qū)動(dòng)LED。由于只有一個(gè)電源級(jí)，主電源級(jí)的驅(qū)動(dòng)需要加以管理以便將功率因數(shù)增加到接近1。由于功率因數(shù)的測(cè)量取決于驅(qū)動(dòng)器輸入端相對(duì)主輸入電壓看起來(lái)有多線性，調(diào)制拓?fù)錄Q定了轉(zhuǎn)換器輸入阻抗相對(duì)主電源呈現(xiàn)什么樣的阻抗。
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最大化功率因數(shù)的最佳方法是使用固定導(dǎo)通時(shí)間方法，它能有效地創(chuàng)建電壓控制的電流源，或看起來(lái)高度阻性的輸入阻抗。經(jīng)過(guò)變壓器初級(jí)的峰值電流直接正比于初級(jí)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)通時(shí)間，因此這種方法本身就具有接近于1的高功率因數(shù)。雖然固定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)能夠提供高功率因數(shù)的好處，但權(quán)衡起來(lái)考慮經(jīng)常是不可接受的。正常工作于DCM模式時(shí)，峰值電流非常高，有兩個(gè)主要結(jié)果，即無(wú)源器件上有高應(yīng)力，LED上有大電流紋波。輸入電容上的高應(yīng)力可能降低這些關(guān)鍵元件的壽命，導(dǎo)致燈盞的工作壽命縮短。輸出上過(guò)大的電流紋波則會(huì)降低輸出光的質(zhì)量，因?yàn)檩敵鲭娙萆蠒?huì)流過(guò)紋波電流，輸出光將增加閃爍噪聲，并降低發(fā)光效率，增加自發(fā)熱損耗。
使用恒流模式工作代替固定導(dǎo)通時(shí)間可以減輕輸出紋波電流，減小電路中無(wú)源器件的應(yīng)力，但由于輸入阻抗固有的電抗特性，功率因數(shù)會(huì)顯著減小。
尋找結(jié)合了高功率因數(shù)和低紋波電流同時(shí)最大限度地減小對(duì)無(wú)源外部器件影響的替代方法是找到單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器最佳低成本解決方案的關(guān)鍵。
iW3626就是單級(jí)高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器例子，它不僅是高功率因數(shù)驅(qū)動(dòng)器，而且能夠最大程度地減小輸出紋波。實(shí)現(xiàn)技術(shù)位于數(shù)字引擎的核心，能夠通過(guò)監(jiān)視功率變壓器的初級(jí)監(jiān)視輸入電壓和電流以及輸出狀態(tài)。數(shù)字核心允許將驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)制到主要的功率晶體管，本例中是功率雙極面結(jié)型晶體管。本例中的專有調(diào)制技術(shù)允許最終用戶將想要的最小功率因數(shù)編程
