Đang tải... (xem toàn văn)
Cấu hình bộ nguồn LED được trình bày trong bài báo này được thiết kế dựa vào cấu hình hai tầng bao gồm mạch hiệu chỉnh hệ số công suất dạng mạch tăng áp hoạt động ở chế độ gián đoạn và mạch DC/DC cộng hưởng LLC có đặc tính chuyển mạch mềm. Chức năng của mạch hiệu chỉnh công suất là nâng cao hệ số công suất ngõ vào cũng như tạo điện áp DC 400 V từ nguồn AC thay đổi từ 140V đến 265V. Chức năng của bộ DC/DC là điều khiển dòng điện cung cấp cho LED.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(1):33- 45 Bài nghiên cứu Giải pháp nâng cao hệ số công suất giảm tổng độ méo dạng sóng hài nguồn hai tầng cho đèn Led Ngô Thanh Tùng, Lê Minh Phương, Nguyễn Minh Huy, Nguyễn Hồi Phong, Nguyễn Đình Tun* TÓM TẮT Ngày nay, đèn LED dần thay cho loại đèn công nghệ cũ như: đèn sợi đốt, huỳnh quang, thủy ngân cao áp…vì hiệu cao mặt lượng, thân thiện môi trường, tuổi thọ cao Bài báo phân tích tiến hành thực nghiệm nguồn cho đèn LED có cơng suất 250W với khả nâng cao hệ số công suất giảm độ méo dạng sóng hài dòng điện ngõ vào Cấu hình nguồn LED trình bày báo thiết kế dựa vào cấu hình hai tầng bao gồm mạch hiệu chỉnh hệ số công suất dạng mạch tăng áp hoạt động chế độ gián đoạn mạch DC/DC cộng hưởng LLC có đặc tính chuyển mạch mềm Chức mạch hiệu chỉnh công suất nâng cao hệ số công suất ngõ vào tạo điện áp DC 400 V từ nguồn AC thay đổi từ 140V đến 265V Chức DC/DC điều khiển dòng điện cung cấp cho LED Các bước tính tốn thiết kế cho nguồn LED cơng suất 250W trình bày chi tiết báo Một mẫu thử nghiệm nguồn đèn LED xây dựng phòng thí nghiệm nhằm cung cấp cho đèn LED có cơng suất 250W hoạt động cấp điện áp 54V DC từ nguồn điện AC 220V/50Hz Các kết thực nghiệm cho nguồn AC thay đổi cho thấy tính chất điện nguồn cho đèn LED sóng hài, hệ số công suất thỏa mãn tiêu chuẩn EN 61000-3-2 Từ khoá: Bộ nguồn cho đèn LED, Mạch hiệu chỉnh hệ số công suất, chiếu sáng sử dụng LED, tổng độ méo dạng sóng hài GIỚI THIỆU Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM Liên hệ Nguyễn Đình Tuyên, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM Email: ndtuyen@hcmut.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 12/02/2019 • Ngày chấp nhận: 06/5/2019 • Ngày đăng: 30/5/2019 DOI : Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Trong năm gần đây, chiếu sáng đèn LED công nghệ xanh tiết kiệm sử dụng rộng rãi công nghiệp, dân dụng Đèn LED có ưu điểm giảm chi phí bảo dưỡng, tuổi thọ cao, tiết kiệm lượng tiêu thụ từ 50%70% so với loại đèn thông thường Trong lĩnh vực chiếu sáng cơng cộng, cơng trình kiến trúc, hệ thống công nghiệp sân thể thao, đèn LED trắng công suất lớn đem vào sử dụng Lợi ích LED thân thiện bảo vệ mơi trường, ứng dụng đặc biệt cho chiếu sáng đường phố, nhà xưởng sản xuất, khu công nghiệp, khu chế xuất, kho hàng, bến bãi, nhà máy, cửa hàng, siêu thị, nhà thi đấu 1,2 Trong nước có nhiều thương hiệu cung cấp đèn LED chiếu sáng bao gồm đèn LED nguồn cung cấp Điện Quang, Rạng Đông, Philip, Osram nhập từ nước ngoài: Trung Quốc, Đài Loan Trong đó, nguồn phần lớn nghiên cứu sản xuất nước Nghiên cứu phát triển nguồn điện cho LED hạn chế, nước cơng ty Điện Quang Rạng Đông nghiên cứu nguồn cho đèn LED công suất nhỏ (dưới 30W) dùng cho chiếu sáng dân dụng Ở nước, việc nghiên cứu chế tạo nguồn cho đèn LED công suất đặc biệt nguồn công suất lớn ứng dụng cho chiếu sáng công cộng chưa quan tâm mức Nguyên nhân công ty Việt Nam chưa làm chủ hồn tồn cơng nghệ chưa xây dựng dây truyền công nghệ sản xuất, sản phẩm thường có chất lượng khơng cao giá thành lại không cạnh tranh với sản phẩm nhập ngoại Mặc dù số công ty nghiên cứu để sản xuất sản phẩm Việt Nam: nhóm nghiên cứu phát triển Công ty Cổ phần Điện Quang nghiên cứu nguồn điều khiển ứng dụng cho đèn LED công suất lớn đến 400W chưa đạt tiêu chuẩn nhiệt độ, hiệu suất thấp kích thước lớn; Cơng ty Sài Gòn LED thiết kế nguồn cơng suất 40W-60W dùng cho đèn 80W-150W cách sử dụng song song nhiều nguồn với Phần lớn nguồn cho đèn LED công suất lớn sử dụng chiếu sáng công cộng thị trường Việt Nam dạng khơng điều khiển được, hướng điều khiển thơng minh tích hợp cơng nghệ khơng dây chưa quan tâm nhiều đặc biệt ứng dụng dải công suất lớn Và nay, chưa có cơng ty hay tổ chức Việt nam thiết kế chế tạo nguồn cơng suất lớn đến 250W tích hợp cơng nghệ điều khiển khơng dây Một số cơng ty VinaLed, Trích dẫn báo này: Thanh Tùng N, Minh Phương L, Minh Huy N, Hồi Phong N, Đình Tun N Giải pháp nâng cao hệ số công suất giảm tổng độ méo dạng sóng hài nguồn hai tầng cho đèn Led Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 2(1):33-45 33 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(1):33- 45 SaigonLed cung cấp chọn đèn LED chiếu sáng đường phố, có sử dụng nguồn có cơng suất 50W cho tất cấp công suất (50W, 100W, 150W) cách mắc song song nguồn với Trong kế hoạch xây dựng thành phố thông minh, thành phố Hồ Chí Minh có quy hoạch chiếu sáng đường phố cơng nghệ đèn LED, theo tiêu chí tiết kiệm lượng, giảm ô nhiễm Trên thị trường có LED chiếu sáng cơng suất lớn 100W-250W ứng dụng chiếu sáng công cộng cung cấp nhiều hãng nước Philips, GE Lighting Solutions, Maxion Technologies, QD Vision, Lighting Science Group, Osram, Toshiba, Solid State Lighting Systems Mitsubishi /Verbatim Phillips, Osram nhập từ Trung Quốc Nhằm hướng đến thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh, hướng đến thiết kế hệ thống hoàn chỉnh bao gồm: đèn LED, nguồn, hệ thống truyền nhận liệu, xây dựng phần mềm quản lý, … Tuy nhiên, phạm vi nghiên cứu này, chúng tơi trình bày nội dung nâng cao chất lượng nguồn có cơng suất 250W Hệ thống hồn chỉnh chiếu sáng thơng minh sử dụng LED, chúng tơi trình bày nghiên cứu khác Một đèn LED cung cấp dòng điện DC khơng đổi, dòng điện tạo từ mạch điện dạng tầng 3–5 hai tầng 6–9 Mặc dù mạch điện tầng có số linh kiện nhiên điện áp DC dao động lớn điện áp đặt khóa cơng suất lớn khuyết điểm cấu hình Trong cấu hình hai tầng, hai mạch hiệu chỉnh công suất (Power Factor Correction - PFC) DC/DC hoạt động độc lập Điện áp DC điều khiển giá trị ổn định không phụ thuộc vào điện áp ngõ vào tải, hệ số công suất cao tổng độ méo dạng sóng hài nhỏ Bài báo nghiên cứu chế tạo nguồn cho đèn LED có cơng suất 250W ứng dụng chiếu sáng công cộng với khả nâng cao hệ số công suất giảm tổng độ méo dạng sóng hài Cấu hình nguồn bao gồm tăng áp có hiệu chỉnh cơng suất mạch DC/DC cách ly nhằm điều chỉnh dòng điện cho LED Nhằm đạt hiệu suất cao, mạch cộng hưởng LLC với đặc tính chuyển mạch mềm sử dụng tầng DC/DC nguồn cung cấp cho LED chiếu sáng phải trang bị thiết bị hạn dòng qua LED phù hợp với đặc tính kỹ thuật Bộ nguồn cho đèn LED có chức biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng chiều với cường độ khoảng định Bộ nguồn cho đèn LED tự động điều chỉnh điện áp đầu để giữ khơng đổi dòng điện giữ khơng đổi độ sáng Đặc điểm nguồn LED cho chiếu sáng công cộng sử dụng nguồn điện áp lưới AC 220V (±10%) có dải cơng suất định mức khoảng từ 20W đến 250W Tùy vào cấp cơng suất LED, mà cấu hình nguồn khác sử dụng để đảm bảo tiêu chuẩn hiệu suất, hệ số công suất, tổng độ méo dạng sóng hài Các nguồn có cơng suất 20W thường sử dụng cấu hình tầng DC/DC dạng tuyến tính giảm áp không cách ly (Buck - Converter) Bộ nguồn có cơng suất trung bình đến 50W thường sử dụng cấu hình tầng DC/DC dạng Flyback Trong cấu hình tầng số lượng linh kiện giảm không yêu cầu số lượng lớn tụ điện đầu vào, tiết kiệm không không gian thiết kế mà giảm chi phí Flyback điều khiển để điều chỉnh hệ số cơng suất dòng điện hồi tiếp trình bày Hình Hiệu suất nguồn đạt đến 84% Do cấu hình sử dụng Flyback nên tổn thất công suất biến áp mạch giảm gai xung nhiều, hiệu suất nguồn khơng cao Bộ nguồn có cơng suất đến 100W thường sử dụng cấu hình hai tầng DC/DC dạng Quasi-Resonant Flyback AC-DC kết hợp PFC trình bày Hình Tầng sử dụng để điều chỉnh hệ số công suất điều khiển dòng điện khơng đổi Cấu hình đạt hiệu suất lên đến 89-90% thiết kế tối ưu mạch lọc nhiễu điện từ cải tiến chế độ đóng ngắt khóa cơng suất Bộ nguồn có cơng suất 100W thường sử dụng cấu hình hai tầng DC/DC converter dạng cộng hưởng LLC bán cầu kết hợp PFC Hình Tầng thứ sử dụng để điều chỉnh hệ số công suất điều khiển dòng điện khơng đổi đạt 0,95 chế độ định mức Cấu hình đạt hiệu suất lên đến 91-94% thiết kế tối ưu mạch lọc nhiễu điện từ cải tiến chế độ đóng ngắt khóa cơng suất TỔNG QUAN VỀ TỔNG ĐỘ MÉO DẠNG SÓNG HÀI VÀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT TRONG BỘ NGUỒN LED Tổng độ méo dạng sóng hài Tổng quan nguồn điều khiển LED Đèn LED, không giống thiết bị phát sáng khác, khơng thể trực tiếp kết nối vào lưới xoay chiều Vì nguồn cấp cho LED phải nguồn DC, 34 Bộ biến đổi công suất AC/DC tầng cho nguồn chia thành loại bao gồm: mạch PFC thụ động, mạch AC/DC dựa cở sở mạch bơm sạc mạch AC/DC dựa tích hợp khố cơng suất Khi sử dụng mạch PFC thụ động hệ số cơng suất khoảng 0,9, nhiên tổng độ méo dạng sóng hài (Total Harmonic Distortion - THD) cao Khi cấp cơng Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Cơng nghệ, 2(1):33- 45 Hình 1: Sơ đồ mạch cấu hình tầng sử dụng Flyback Hình 2: Sơ đồ mạch Quasi-resonant Flyback AC-DC kết hợp PFC suất cao yêu cầu hệ số công suất THD mạch PFC thụ động thông thoả mãn yêu cầu chuẩn IEC61000-3-2 Kỹ thuật bơm sạc nâng cao hệ số cơng suất THD thấp phù hợp với mức cơng suất thấp Ngồi ra, kỹ thuật điều khiển phức tạp điện áp định mức linh kiện lớn lý mà mạch sử dụng kỹ thuật bơm sạc không sử dụng rộng rãi Gần đây, nguồn đèn LED đề xuất nhằm giảm THD ỡ ngõ vào AC nhằm phù hợp với tiêu chuẩn IEC61000-3-2 ứng dụng LED cơng suất lớn cho chiếu sáng đường phố 10,11 Trong nghiên cứu này, cấu hình nguồn LED tầng đề xuất dựa kết hợp mạch giảm-tăng áp mạch DC/DC cộng hưởng LLC Ở mạch PFC, việc sử dụng hai giảmtăng áp hoạt động xen kẽ làm giảm sóng hài ngõ vào Do với thiết kế này, tổng độ méo dạng sóng hài dòng điện 5,7% hoạt động đầy tải với mức công suất 100 W Các nghiên cứu gần cho thấy mạch SEPIC có ưu điểm hiệu suất cao, sóng hài thấp hệ số cơng suất cao Do đó, nghiên cứu đề xuất cấu hình LED Driver tầng dựa vào kết hợp mạch mạch chuyển đổi sử dụng cuộn cảm ngõ đơn mạch DC/DC lớp E Kết thực nghiệm nghiên cứu cho thấy tổng độ méo dạng sóng hài khoảng 5,2 % điều kiện nguồn hoạt động đầy tải với mức công suất thiết kế 100W Hệ số công suất Bên cạnh yếu tố tổng độ méo hài, hệ số công suất nguồn AC cấp cho nguồn LED tiêu chuẩn quan trọng thiết kế nhằm nâng 35 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(1):33- 45 Hình 3: Sơ đồ mạch cơng suất hai tầng dạng LLC Half Bridge cao chất lượng điện Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu để nâng cao hệ số công suất cho nguồn LED 12–14 Bài báo 14 đề xuất cấu hình cho ứng dụng chiếu sáng đường phố với khả hiệu chỉnh hệ số công suất cách kết hợp tăng áp có PFC với hai cuộn cảm ghép đôi DC/DC cộng hưởng LLC bán cầu Nguồn LED nghiên cứu phát triển thử nghiệm với điện áp đầu vào dòng điện từ 100 V đến 120V với công suất 144 W Từ phân tích trên, việc thiết kế nguồn cho đèn LED có cơng suất lớn phù hợp chiếu sáng công cộng với hệ số công suất cao, tổng độ méo dạng sóng hài thấp việc cấp thiết Cấu hình đề xuất phương pháp thiết kế trình bày phần đề xuất cấu hình nguồn LED phương pháp thực ĐỀ XUẤT CẤU HÌNH NGUỒN LED CƠNG SUẤT 250W Với nguồn sử dụng cho chiếu sáng công cộng, Flyback giảm áp bộc lộ nhược điểm vốn khơng thích hợp với dải cơng suất từ 100W trở lên thấy như: • Điện áp L ED nhấp nhô, dẫn đến đèn L ED bị chớp theo chu kì điện lưới • Hiệu suất thấp, khơng thích hợp với cơng suất lớn • Biến áp xung sử dụng cho flyback lớn so với biến áp xung sử dụng cho cấu hình bán cầu cơng suất • Khơng cách ly (trong trường hợp sử dụng giảm áp ) Vì lý trên, cấu hình thường thấy cho nguồn chiếu sáng cơng cộng có cơng suất từ 100W trở 36 lên tăng áp có PFC cộng hưởng LLC dạng bán cầu Bộ biến đổi LLC bán cầu cải thiện đáng kể dòng điện hiệu suất hệ thống Hơn nữa, giá thành kích thước LED giảm Bộ biến đổi DC/DC tầng: PFC LLC phổ biến với cấp cơng suất trung bình, nguyên nhân nguồn kiểu có hệ số công suất tốt, THD thấp hiệu suất cao so với cấu hình biến đổi DC/DC khác với cấp cơng suất Cấu hình LED Driver hình bao gồm: • Mạch lọc nhiễu điện từ • Mạch điều khiển hệ số cơng suất: mạch tăng áp có tích hợp PFC • Mạch công suất DC/DC cấp cho LED: mạch cổng hưởng LLC bán cầu • Mạch bảo vệ: q dòng điện, điện áp, nhiệt độ • Mạch điều khiển - điều khiển ổn dòng, độ sáng • Mạch cảm biến-hồi tiếp Trong nội dung báo, chúng tơi trình bày phương pháp thiết kế mạch PFC nâng cao hệ số công suất giảm tổng độ méo dạng sóng hài ngõ vào AC PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Trong báo này, tập trung nghiên cứu phương pháp để nâng cao hệ số công suất nguồn cho LED Driver Việc thực PFC vi xử lý tốn làm cho kích thước mạch lớn Hiện nay, có nhiều hãng sản xuất mạch tích hợp Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(1):33- 45 Hình 4: Cấu hình nguồn hai tầng bao gồm mạch tăng áp PFC mạch DC/DC cộng hưởng LLC chuyên dụng để thực AC/DC với hệ số cơng suất cao giảm sóng hài nguồn AC Để thực mạch AC/DC có hệ số cơng suất cao, chúng tơi tìm hiểu phương pháp điều khiển khác lựa chọn thông số mạch cho phù hợp với nguồn ứng dụng chiếu sáng LED Phương pháp thực chia thành bước sau: 1) Chúng tiến hành phân tích hoạt động mạch, lựa chọn chế độ hoạt động phù hợp 2) Sau đó, chúng tơi chọn mạch tích hợp điều khiển với linh kiện bán dẫn 3) Để chứng minh tính đắn, thực thiết kế mạch đo đạc kết Các bước thực trình bày phần PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH PFC NÂNG CAO HỆ SỐ CƠNG SUẤT VÀ GIẢM TỔNG ĐỘ MÉO DẠNG SĨNG HÀI Bộ điều khiển hệ số công suất đặt ngõ vào nguồn tạo dòng điện AC cho cơng suất lớn cấp từ lưới Thực tế đèn LED thiết bị phi tuyến tạo sóng hài bậc cao ngồi nguồn LED có nhiều cuộn cảm biến áp nên hệ số công suất thấp Bộ PFC tích cực hoạt động chế độ dẫn tới hạn ( Critical Conduction Mode-CRM) sử dụng phát qua điểm (Zero Dectection) Phần PFC thiết bị bao gồm khuếch đại lỗi, hệ số khuếch đại, mạch cảm biến dòng điện, xác định điểm cắt Các khuếch đại lỗi nội sử dụng cho thông tin phản hồi điện áp đầu thiết kế khơng cách ly Tuy nhiên, vơ hiệu hóa cho thiết kế cách ly nơi mà khuếch đại lỗi cần phải thực phía thứ cấp Mạch PFC tích cực thiết kế sử dụng với nguồn LED 200 – 250W sử dụng cấu hình bán cầu Mạch PFC có cấu hình tăng áp, với điện áp ngõ vào 90 – 265V điện áp ngõ 400VDC Hình Bộ nguồn xung chuyển đổi điện áp dòng điện ngõ vào cách đóng cắt khóa điện tử, tích lũy lượng chuyển đổi lượng điện sang dạng từ nhờ biến áp xung lưu trữ tạm thời cách sử dụng tụ điện Việc sử dụng Diode đầu vào cần thiết để chuyển đổi từ AC sang DC để nguồn hoạt động, việc gây dạng dòng điện dạng xung, làm cho hệ số cơng suất nguồn thấp sinh sóng hài dòng điện lưới Có nhiều loại cấu hình PFC tăng áp, giảm áp, giảm tăng áp Flyback Trong cấu hình sử dụng nhiều tăng áp có tích hợp PFC Trong cấu hình tăng áp có PFC, có chế độ hoạt động hoạt động liên tục (Continous Conduction Mode – CCM), chế độ dẫn tới hạn (Critical Conduction Mode – CrCM) chế độ gián đoạn (Discontinous Conduction Mode – DCM Chip NCP1608 thiết kế hoạt động chế độ dãn tới hạn suốt trình hoạt động bình thường hoạt động chế độ gián đoạn trường hợp tải nhỏ Việc giúp giảm tần số đóng cắt mạch PFC trường hợp tải nhẹ để cải thiện hiệu suất Nguyên lý hoạt động boost chế độ dòng tới hạn (CrM) Đối với ứng dụng cơng suất trung bình (