大面积区域内led照明的集中供电系统及其驱动方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子技术领域，设及一种大功率L邸照明系统的驱动控制技术， 特别是一种大面积区域内L邸照明的集中供电系统及其驱动方法。
【背景技术】
[0002] 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W照明节能是节能减排的重要组成部分。随着第 =代半导体材料氮化嫁的技术突破，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W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巧灯和巧光灯成为照明市场的主导产品。
[0003] L邸照明设备离不开相应的驱动系统。为实现L邸持续的照明和稳定的光强，一般 需要恒流控制。开关电源型L邸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L邸照明的应用场合，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，W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。
[0004] 目前市面上可见的开关电源型L邸驱动器，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L邸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L邸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=次、五次等谐波，可W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W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，但该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W减小对储能电容大小的需求，但该种情况下，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，该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W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W采用薄膜电容取代电解电容，但该种拓扑结构过于 复杂，不利于工业生产。
[0005] 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。在该些场合，可采用集中式的供电和驱动控制系 统，即所有的L邸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=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。
[0006] 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=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L邸驱动系统，但目前工业界和学术界还未开 展基于矩阵变换器的L邸驱动器的相关研究，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】
[0007] 所要解决的技术问题：
[000引本发明针对市面上现有L邸驱动系统的不足，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L邸驱动系统无电解电容解 决方案。
[0009] 技术方案：
[0010] 为了实现W上功能，本发明提供了一种大面积区域内L邸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、L邸驱动控制器、直流输电线路和LED 灯具；所述L邸灯具根据实际照明需求排布在区域内的位置，L邸灯具通过直流输电线路 串并联成若干条支路接驳至L邸驱动控制器的输出端；所述L邸驱动控制器采用=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。
[0011] 所述L邸驱动控制器包括主功率电路和控制电路部分，具体的，主功率电路包括 依次连接的电源、输入LC滤波器、AC-DC矩阵变换器和双管正激变换器；
[0012] 所述双管正激变换器包括m组双管正激电路，m为L邸灯具支路的数量，每组电路 均包含有两个半桥结构，其中，一个是由MOS管Gp和二极管Dp串联形成的半桥，MOS管Gp连 接直流母线正极、二极管Dp连接直流母线负极，该半桥为每组支路的共享支路；另一个由二 极管Dm和MOS管G构成的半桥为第i组，i = 1，2,. . .，m，双管正激电路的独立控制支路， 二极管Dm连接直流母线正极、MOS管G M连接直流母线负极；
[0013] 此外，所述双管正激变换器的每组双管正激电路还包含各自独立的正激变压器 Ti、副边整流二极管也、续流二极管恥和滤波电感L 所述正激变压器T i的一端连接在所 属独立控制支路的中间点，另一端连接共享支路的中间点；所述副边整流二极管Dm和滤波 电感Li串联在正激变压器T i的输出端，所述续流二极管D M的负极连接副边整流二极管D M 的负极和滤波电感Li，正极连接正激变压器Ti的输出端。
[0014] 所述AC-DC矩阵变换器采用由6个双向开关所组成的S相桥式结构，立相交流工 频电源的每相经输入LC滤波器连接到AC-DC矩阵变换器的中间点；AC-DC矩阵变换器将S 相输入电源转换为斩波状的直流电压为后级双管正激电路供电，同时在输入端获得=相正 弦的输入电流和单位功率因数。
[0015] 所述控制电路部分包括微处理器和硬件连接线路，微处理器上设有显示设备，通 过用户界面读取设备的工作状态，也可W设定各L邸灯具支路的开关和亮度，控制电路与 用户界面交互相关信息，根据用户设定和各L邸灯具支路电流的反馈信息对主功率电路进 行PWM调制，为每个LED支路供电。
[0016] -种大面积区域内LED照明的集中供电系统的驱动方法，其特征在于：该系统的 调制过程采用无零矢量的调制方式，在AC-DC矩阵变换器的输入端获得单位功率因数的正 弦斩波电流，利用输入LC滤波器滤去除开关频率谐波；其次，m组双管正激电路的共享支路 采用恒占空比调制，采用PI控制器调节各组的独立支路，实现各个L邸灯具支路的恒流控 制；在PWM调制过程中，双管正激电路的开关管调制与AC-DC矩阵变换器的空间矢量调制过 程相配合，实现AC-DC矩阵变换器的零电流开关，从而进一步提高驱动系统的整机效率。
[0017] 有益效果；
[001引采用本方案为大面积区域照明系统供电，其优势在于；1)整个L邸照明的集中 供电系统擬弃了电解电容等储能元件，从而大幅提高了驱动器的使用寿命；2)采用基于 AC-DC矩阵变换器的功率变换电路，可获得正弦的S相输入电流，谐波含量低，功率因数高； 3)驱动器是L邸照明系统中维护频率较高的部分，将整个区域L邸照明的驱动器集中于一 处，便于维护和管理；4)采用分布式驱动器（每一单个灯具配备一个驱动器），一般来说，每 个灯具至少需要两个开关管，一个完成PFC控制，一个完成DC/DC变换，而本方案中每个LED 支路只需增加一个开关管，电路其他部分每个支路均可共享，且无需电解电容，因此照明面 积越大，LED支路数越多，则本方案的相对成本就越低；5)通过优化控制，主功率电路部分 开关管可W实现零电流