LED产品的光效电功效率与功率因数.docx
- 文档编号:1935326
- 上传时间:2022-10-25
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:317.23KB
LED产品的光效电功效率与功率因数.docx
《LED产品的光效电功效率与功率因数.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《LED产品的光效电功效率与功率因数.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
LED产品的光效电功效率与功率因数
LED产品的光效电功效率和功率因数
作者:
spring 发布时间:
2012-5-1714:
48:
59 文章来源:
LED产品的光效电功效率和功率因数
一、前言
白色LED的发光效率在不断提高,超过100lm/W(与高效荧光灯相当)的产品也已亮相。
在照明器具上使用白色LED,由于照明灯具的电源适配器、灯光反射板及透镜等的损失,通常会使灯具效率低于单纯LED光源的效率,但最近已经出现号称器具效率达到100lm/W的LED照明器具。
那白色LED今后会实现何种程度的亮度,又会具备哪些特性?
必须研究购买适当的LED颗粒;必须研究灯具的总光效达到标准;必须研究尽量低的成本与尽量高的电功效率的制约;注意美国和欧盟对LED的PF值宽容的立场;推介一些切实可行的LED灯实例。
二、LED的光效日益提升是时代进步的必然
基于白色LED的蓝色LED芯片的能量转换效率(输出光能量与输入功率的比)现在已经达到了50%。
但能量转换效率不可能超过100%,因为存在物理极限。
就像半导体存储器在集成度的提高上存在极限一样,能量转换效率及白色LED的发光效率今后也不可能一直提高下去。
较为合理的看法是LED产品发光效率会在150-200lm/W之间,有较好的性价比。
今后重要的是如何在LED升温合理范围内保持高的发光效率。
LED存在向芯片输入的电流密度越高,发光效率反而出现衰退(Droop)现象。
虽然衰退现象无法消除,但却可以减轻。
衰退现象减轻了,在提高电流密度时亮度就会更高,也就是说,这样便可使相同亮度(光通量)时需要的LED芯片数量尽量少。
即:
如果原来使用了大量LED芯片,今后便可利用较少的LED芯片数量保持获得相同的光通量。
LED芯片的单位面积亮度(光通量)越高,亮度单价就越低,白色LED的成本竞争力也就越强。
能否提高这一成本竞争力,关键要看LED厂商的创新专利技术竞争力如何。
光衰现象越少,成本竞争力就会越高。
因为减少LED芯片的面积可降低芯片的成本,而且对顾客也有好处。
能够增加每个白色LED输入电流的话,便可提高每个LED的亮度,因此可使照明器具及LED背照灯光源使用的白色LED个数减少。
成本降低的话,对LED背照灯液晶电视及LED照明器具来讲的确是节能福音;LED成本降低也是时代进步之必然;LED价格由批量与光效所制约,所以LED灯产业是一个系统工程,需优化然后产业化。
注意LED的性价比
人为提升LED工作环境温度,导致LED光衰加大、寿命减短,这也是加速测试LED寿命对比的方法之一。
把LED灯置于“积分光球”内腔,测出LED发出的“光通量”单位,流明(LM)。
即作为分子与LED的电功率(单位/瓦)之比,就是LED的光效。
LED生产厂家,出厂前筛选出光效处于不同档次的LED产品,对应不同的价格。
这是一分钱一分货的道理。
如果你做LED灯只要亮、不用达标的话,就选用低价位低光效的LED产品。
如果做的LED产品要达到美国能源之星每瓦55流明的标准,则至少要采购每瓦80流明(LM)的LED。
LED本体光效每瓦流明,乘以“灯具的光效”(大约至左右),再乘以“灯电源适配器的电功效率”(大约至左右),估算出达标每瓦55流明以上的LED灯,要采购LED本体光效大约每瓦80流明的LED成本就合适了。
三、提升电功效率标志节能
前述LED灯电源适配器的电功效率,是LED实际得到的功率,与消耗输入电源功率之比,称为电功效率,常用拉丁字母来表示。
损耗功率的大部分,是电源适配器本身发热耗电,小部分是电磁干扰(EMC)消耗掉。
电力电子工程师的使命就是力求把减小,努力提升电功效率。
国际上一般认为达到以上才拿得出手,超过才是好产品,而超过才被认为是节能产品。
再一步深入探讨,它的主要组成有以下要点;
1、电源适配器产品内部集成电路的工作需耗电
选用微功耗的集成电路是第一关。
所以,选择节能的低功耗的集成电路是至关重要的。
无IC的自激式也是小功率LED灯优选拓扑之一。
2、电力电子开关工作时消耗功率
其中导通损耗
式中:
是开关管的电流的时间函数,是开关管的电压的时间函数,式中T是开关的周期。
提升电功效率节能措施
(1)尽量设计高压小电流负载,比低电压大电流负载为好,选用饱和导通内阻较小的开关管为好。
(2)最好的开关管是COOLMOSFET,同电压等级、同电流条件下,COOLMOSFET内阻比传统MOSFET内阻小得多。
其次是IGBT。
在频率不太高,开关功率不太大,可用低成本的双极型半导体开关管。
(3)必须让开关管处于“非通、则断”的开关状况,切忌让开关管落入放大区工作,在放大区的开关管损耗很大!
电力电子开关管在放大区之外的两个区:
截止区(OFF)有,无电流,因为零,无发烧;饱和区(ON)有,但电压很小,也不发烧。
驱动损耗?
?
电力电子开关管的驱动信号功率
对于双极型晶体管而言,驱动功率较大的内因是大电流开关工作状态时的电流放大倍数,远小于参数表格中小信号放大倍数,所以基极驱动电流较大。
如果工作频率固定,还可以用“谐振驱动”,利用谐振回路LC的“品质因数Q”,具有放大的作用,能够最大限度降低驱动信号功率。
但如果不是固定频率则不可以用揩振驱动,这时可以使用“源极开关驱动”方式来实现微功耗驱动。
例如:
QX9910等都是优秀的微功耗驱动IC,一下子把上述和大幅度降低了。
开关损耗
硬开关过程;从OFF?
ON或从ON?
OFF,实际上开关管工作点都掠过“放大区”才到达“截止区OFF”或者到达“饱和区ON”,就在“掠过”开关区的短时间内,是存在开关损耗的;
软开关过程;上述表达式中,或任为一零,其乘积必为零,这就是“软开关”的物理内涵。
有两个原则作为设计技巧使用:
电子开关“串联电感”,由于电感电流不可以突变,电子开关必然是ZCS零电流导通软开关;电子开关“并联电容”,由于电容电压不可以突变,电子开关必然是ZVS零电压截止软开关。
铁损与铜损
开关电源的铁损,是磁性材料磁化回线所包围的面积,正比例于铁损,磁性材料内部“磁畴”发生的“磁滞损耗”及“涡流损耗”,所以选择磁性材料的磁化回线所包围的面积愈小愈好,愈接近于矩形的小面积“矩形磁化回线”愈好。
开关电源的铜损,来自导线的直流电阻损耗,以及高频“趋肤效应”的高频损耗,所以用多股绝缘的导线(又称李兹线)铜单根导线绕组,可以有效降低高频损耗。
过去设计硅钢片的大型工频电力变压器,需考虑体积、重量和性价比。
有一个经验之谈,就是选择各参数优化到“铁损等于损”时,工频电力变压器有较高的效率、较小的体积、较轻的重量和较好的价比。
注意,那只是对50HZ/60HZ工频交流电源而言,且是硅钢片磁性材料的;而对于超过20KHZ的高频开关电源的电力电子变压器,或者电力电子功率电感而言,可选的磁材多种多样,可选导线也多种多样,高频波形与工频正弦波形有较大差异。
所以,就不要死守什么“铁损与铜损相等”的传统说法了,能在一定成本和体积的条件下,尽量提高电功效率才是硬道理。
电源拓扑
不同的开关电源拓扑的电功效率是有差别的。
相同的电源、负载,选择非隔离式拓扑时电功效率高于隔离式。
所以在安全条件许可的情况下,尽量选用非隔离式更有利于节能,除非订货指定才做隔离式拓扑产品。
电源电压愈接近负载电压时,会有较高的电功效率。
无论升压或降压,电压变比愈大,电功效率愈差。
所以,选合适的电源很重要。
采用BOOST升压拓扑时电功效率比其他拓扑的电功效率要高;尤其是用“无桥BOOST”的APFC更优异;10KW以上超大功率常用“三相无桥BOOST”的APFC其电功效率接近于1。
当采用BUCK降压拓扑时,由于电流波形畸变,导致电功效率变差。
因此,可用扫频仪分析找出谐波能量较大的若干个谐波频率,用高频谐L-C-D回路吸收一个或若干个频率的谐波能量,经整流把高频能量转化为直流能量回馈给直流母线,实现化害为利。
既能降低THD%,又提升电功效率η。
由BOOST及BUCK两大基本拓扑,可以转化为其它多种各有特色的开关电源拓扑,拓扑愈简单,其电功效率会比复杂拓扑效率愈高些。
输出电压、功率对效率的影响
输出电压低、输出功率小的LED灯如何提高电功效率?
(1)用电压与IC相适应的直流电源来点亮小功率LED灯有较高的效率。
例1:
用直流电源,经过QX5238(或QX5239)驱动15毫安(或20毫安)的三支路或四支路LED灯,其电源电压仅高于LED灯电源50毫伏时,有很高电功效率(超过且各并联支路电流精度优于±2%!
例2:
用太阳能光伏电池,白天给可充电电池(或超级电容)充电贮能,晚上自动点亮1-10个20毫安小电流LED草坪灯的专用芯片QX5232,其电功率优于。
例3:
输入直流电源2-7V,可选择输出电流,不加接任何外接元件,用于矿灯或手电筒的专用芯片QX7135是最简单的了,电功效率也优于。
例4:
适用于12-24V直流电源,用BOOST?
BUCK自动升降压拓扑点亮1-10W大功率LED灯的低压专用芯片QX5241,也是电功效率较高的范例。
(2)用工频50HZ/60HZ、电压80-270V交流电源的LED灯如何提高电功效率?
例5:
最简单的电容恒流交流LED灯是两只(或两串)LED灯彼此反向并联,串入一只限流电容,再串入一只负温度系数的热敏电阻(NCT)限制开灯峰值电流,交流电源正半波点亮其中一只(或一串)LED灯,交流电源负半波点亮反向并联的另一只(或一串)LED灯,闪烁频率100HZ须选用较长余辉时间的荧光粉配方的LED,可以做到人眼可以接受的微量闪烁。
接通电源点灯瞬间,负温度系数电阻NCT有较高阻值,限制起动电流,随后NCT电阻发热升温,NCT电阻值大幅度下降,整灯电功效率比较高。
例6:
用20KHZ廉价节能灯电子镇流器改造成为“高频电力电子变压器”,降压供电取代上述的限流电容及NCT电阻,仍用“反向并联”两只(或两串)LED来实现高频交流LED灯,因没有低压整流二极管的损耗问题,电功效率也较高,且完全看不出闪烁。
两只(或两串)彼此反向并联的LED灯,每只(或每串)LED只工作高频半波,所以LED的热量问题较易解决。
只是LED颗粒多了一倍,成本会高一些,但随着LED单价迅速下滑,今后可能是可接受性能价格比优选方案之一。
例7:
用便宜的低压低内阻场效应管同步整流来取代LED灯供电的整流二极管,是提升输出电压低输出功率小的LED灯电功效率的有效方法之一。
例8:
用源极驱动的低损耗IC(QX9910)非隔离式LED灯,电功效率超过可以实现。
详见后文范例。
四、LED灯的功率因数PF值问题
美国能源之星2009-11公告的LED灯泡标准中,一个巨大的进步是对PF值持十分宽容的态度:
5W以下LED灯的PF值不作任何要求,5W或以上的LED灯的功率因数只要求就达标了。
这不同于人们习惯节能荧光灯PF愈高愈好,究其原因是荧光灯特性是负电阻,荧光灯低气压电弧引发严重的EMC电磁干扰问题;而LED灯是正电阻器件,LED本身没有产生EMC电磁干扰的问题。
这样规定的目的是用最低成本来最大量化推销LED灯取代白炽灯实现全社会节能宗旨。
LED元件本身没有EMC电磁干扰问题,产生EMC的原因是为LED灯电流恒流而加的电力电子开关电源,每一次导通(ON)-每一次截止(OFF)的过渡过程及过程,引发EMC问题,才有PF功率因数敏感问题。
对于小功率的LED灯完全可以用“交流整流端填谷电路”来实现高可靠性无电解电容LED灯,取代有两个电解电容三个二极管和一个电阻的“直流填谷电路”,为的是提升可靠性,使LED电源的寿命配得上LED本身的长寿命。
对于要求功率较大、适
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- LED 产品 光效电 功效 功率因数