正弦波交流LED PWM调光器研[2]

　　另外，相控调光器输出电压波形在触发点处有一个很陡的前沿，电压从零跳变到输入值。如果灯具是电容性负载时，由于电容器两端电压不能突变，电路中会产生峰值很高的浪涌电流，这种浪涌电流将产生电磁干扰( EMI) ，引起电网质量下降，甚至会干扰附近的其他电子设备[5]。为了减少其电磁干扰，需要在负载电路中串联一个体积较大的电感线圈，使被斩波后的输出波形前沿变缓。为了降低浪涌电流，文献[4]提出了在相控调光器中，由可关断器件MOSFET 或IGBT 取代可控硅，其工作原理与可控硅相控调光原理相反，这种调光方法又称为后沿相控调光。当输入电压过零时，立即触发导通开关管，输出电压由零开始上升，导通一段时间后，即导通角为( β) 时，控制电路关断开关管，由于输出电压和电流在变化过程中，不存在向上的突变，这种后沿相位调光器最大限度地降低了浪涌电流，输出电流波形比较平滑。后沿相位调光器的输出电压由式( 3) 给出:

　　后沿相控调光器输出电压与前沿相位调光器控制过程相反，导通角( β) 越大，输出电压Vout越大，亦越接近于输入电压Vin。开关器件关断瞬间，电流突然断续，di /dt 将会很大，如果电路中没有设计续流回路，将其直接应用于电感性负载时，会引起严重后果，但后沿相控调光器与容性负载有极好的适应性。所以，在实际相控调光电路中为降低di /dt 和dv /dt，必须在开关电路中加入RC 缓冲吸收电路，以降低电磁干扰。

　　由上分析可知，相控调光器的本质是斩波降压，其输出波形明显变形，且产生大量谐波电流。由公式( 2) 和( 4) 可知，相控调光器的功率因数低，如果前沿相控调光器触发相控角( α) 接近( π) ，或后沿相控调光器导通角( β) 接近( 0) ，功率因数更低。当( α = β = 90°) 时，即在输入正弦波电压最大峰值处导通，在这种情况下，谐波电流最严重，应用中需要在负载电路中串联一个体积较大的滤波电感。

　　3 PWM 调光器

　　PWM 调光器是在小段时间内启动—停止、重新启动—停止，断续给负载LED 供电，这个启动和重新启动循环的频率必须快于人眼可以感知的速度，以免出现光闪烁。LED 的发光强度与通过LED 的电流大小成正比，即与调光器输出电流波形的占空比成正比，可有式( 5) 给出。

　　这里，Iin是流过LED 的额定电流，Iout是调光器输出平均电流，D 是占空比，T 是开关周期，ton是导通时间，toff是关断时间。

　　图3 是PWM 调光器基本电路，主电路开关器件由两个功率MOSFET 反串联组成，两个MOSFET开关管T1 和T2 反串联，它们的源极s1 和s2，栅极( 控制极) g1 和g2 分别并联在一起，可以用一路PWM 信号控制其导通或关断，D1 和D2 是两个MOSFET 开关管T1 和T2 的体内寄生二极管。输入滤波器由C1、C2、C3、C4 和L1 组成，EMI 滤波器用来抑制PWM 调光器产生的高次谐波电流。一个开关周期中的两种工作状态如图4 所示。在T1 或T2 导通期间，电流流过负载AC LED。当开关管T1和T2 截止时，电流断开。由于PWM 调光器的占空比与输入电压无关，当电网电压波动时，控制电路自动调整占空比，使PWM 调光器的输出电压稳定在给定值。开关频率越高，光闪烁越小。所以，PWM 调光器在输入电压波动时不放大光闪烁。

　　4 实验结果

　　为了验证前面的分析结果，针对晶越光电科技有限公司的照明灯具用10W AC LED 球形灯设计了相控和PWM 调光器。PWM 调光器电路主要元器件参数如下: 滤波电感L1 为10mH，电容C1、C2、C3 和C4 分别是330μ、220μ 和1μ，T1 和T2 为MTH12N50，开关频率20kHz，输出最大功率30W。在相同的输入电压和负载条件下，相控调光器和PWM 调光器输入电流所含谐波电流测试结果如表1所示。结果表明，相控调光器的谐波失真THD 为108%，3 次谐波电流为82. 7%; PWM 调光器的谐波失真显著减小，THD 为46%，3 次谐波电流为43. 6%。