[发明专利]大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种大功率LED照明系统的驱动控制技术，特别是一种大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法。

背景技术

近年来，节能减排一直是推动我国社会、经济可持续性发展的重要课题。由于照明耗电约占全国总用电量的10％～13％，所以照明节能是节能减排的重要组成部分。随着第三代半导体材料氮化镓的技术突破，高亮度发光二极管的问世和产业化带来了照明技术的一场革新，它以高效、节能、环保等传统照明光源无法比拟的优点，被公认为是21世纪最有价值的“绿色”光源，在不久的将来将取代白炽灯和荧光灯成为照明市场的主导产品。

LED照明设备离不开相应的驱动系统。为实现LED持续的照明和稳定的光强，一般需要恒流控制。开关电源型LED驱动具有系统转换效率高而且能驱动多个串、并联LED的优点，适用于大功率LED照明的应用场合，近年来发展最为迅速，在市面上的产品也是种类最多、品种最全。基于电力电子技术的开关电源型驱动系统，可灵活调整拓扑结构和元件参数，以满足不同场合的实际应用需求，具有最广阔的市场应用前景。

目前市面上可见的开关电源型LED驱动器，大多采用单相交流输入，经过PFC整流或不控整流得到直流电压，再经过一级DC/DC变换输出恒定的驱动电流。它们存在一个共同的不足，即需要一定容量的电解电容来实现整流，而电解电容的使用寿命不长，一般为数千个小时，远远低于LED本身数万个小时的使用寿命，使整套灯具不能发挥出其最优性能。因此，无电解电容的LED驱动解决方案正成为学术界讨论的热点问题之一，目前已提出的无电解电容解决方案有如下几种：1)在输入电流中注入三次、五次等谐波，可以减小输入、输出功率的不匹配程度，从而减小中间直流环节储能电容的大小，从而可以采用薄膜电容取代电解电容，薄膜电容的使用寿命远高于电解电容，但这种方案降低了输入电流的质量，无法满足相关的电气标准(IEC61000)；2)容许直流母线电压存在较大波动，并在控制时对后级DC/DC进行前馈补偿控制，也可以减小对储能电容大小的需求，但这种情况下，就要求开关管承受更大的电压应力，必须提高开关管的电压定额，这也意味着成本的增加；3)在直流母线引入一个双向功率变换器，用以吸收输入和输出侧不匹配的无功功率，使母线电容仅需滤波而无需储能，从而同样可以采用薄膜电容取代电解电容，但这种拓扑结构过于复杂，不利于工业生产。

总而言之，虽然相关学者提出了多种无电解电容的解决方案，但也存在着各种各样的不足。此外，上述驱动方案，功率等级一般都在数瓦至数十瓦，主要是针对单一灯具的驱动控制，因此采用的都是单相交流输入。考虑到一些应用场合，如面积较大的厂房、大商场和大型地下车库的室内照明，大型广场的夜间景观照明等等，往往需要数量庞大的照明灯具，且需要统一的照明管理和亮度控制。在这些场合，可采用集中式的供电和驱动控制系统，即所有的LED灯具可根据实际需求分散配置于需要照明的区域内，而驱动和控制装置集中于一处，便于管理和维护。虽然单一灯具的功率很小，但采用集中供电后，驱动器的功率等级则相当可观，因此可采用三相工业用电作为输入电源，而功率变换拓扑可选择无电解电容的矩阵式变换器。

矩阵变换器是已有多年研究历史的一种新型变换器，可实现任意多相之间的功率转换。AC-DC矩阵变换器，也就矩阵整流器，就可实现三相交流电与直流电的转换，其无电解电容的拓扑结构，非常适用于集中式大功率LED驱动系统，但目前工业界和学术界还未开展基于矩阵变换器的LED驱动器的相关研究，该解决方案在大面积区域照明的场合具有重要的应用价值。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明针对市面上现有LED驱动系统的不足，从大面积区域照明应用场合的实际需求出发，提出了一种基于AC-DC矩阵变换器的集中式大功率LED驱动系统无电解电容解决方案。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种大面积区域内LED照明的集中供电系统，其特征在于：该系统的硬件结构包括交流输电线路、LED驱动控制器、直流输电线路和LED灯具；所述LED灯具根据实际照明需求排布在区域内的位置，LED灯具通过直流输电线路串并联成若干条支路接驳至LED驱动控制器的输出端；所述LED驱动控制器采用三相交流工频电源输入连接交流输电线路，其通过功率变换和对输出电流进行闭环控制，为所有LED灯具支路提供恒流电源，并实现各支路之间的均流控制。