高压LED光源的三相驱动方法、其工作电路及应用与流程

高压led光源的三相驱动方法、其工作电路及应用
技术领域
1.本发明涉及led照明技术领域，具体为一种高压led光源的三相驱动方法、其工作电路及应用。


背景技术：

2.高压线性驱动的led光源具有使用简单、成本低廉的优点，得到了广泛的应用，实际应用中这类光源基本使用单相电，会面临频闪、驱动效率低等问题，其应用受到一定限制，尤其在中高端灯具中很少采用。
3.部分大功率工业、商业照明类光源如工矿灯、塔吊灯等，以及城市亮化照明类光源如路灯、泛光灯等，通常由三相电供电，高压线性驱动的led光源因其基本使用单相电供电及其效率低等缺陷，很难应用于此类照明中。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种高压led光源的三相驱动方法、其工作电路及应用，以解决上述问题。
5.为实现前述发明目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明实施例提供了一种高压led光源的三相驱动方法，其包括：
7.将该n个led发光单元与第二恒流源模块串联设置，并将第1至m个led发光单元与第一恒流源模块串联设置，且使第m 1至第n个发光单元及第二恒流源模块与第一恒流源模块并联设置，m为小于n的正整数；
8.将三相交流电源提供的交流电经三相全波整流处理形成脉动式直流电，并以所述脉动式直流电驱动所述高压led光源；
9.其中，所述第一恒流源模块与第二恒流源模块的工作状态相关联，即：当所述脉动式直流电的电压大于或等于第1至m个led发光单元的总开启电压v
f1
与第一恒流源模块的开启电压之和，且小于第1至n个led发光单元的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块的开启电压之和时，第一恒流源模块开启，第二恒流源模块关闭；当所述脉动式直流电的电压大于或等于第1至n个led发光单元的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块的开启电压之和时，第二恒流源模块开启，第一恒流源模块关闭。
10.以电网最低电压经三相全波整流后形成的脉动式直流电的谷底电压与第一恒流源模块的开启电压的差值作为v
f1
的最优值。
11.设所述交流电三相电压分别为：
12.v1(t)＝u sin(ωt)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013][0014][0015]
其中，u为三相电网输入中单相电压的峰值；
[0016]
经所述三相全波整流处理后所获脉动式直流电的电压为：
[0017]
vin(t)＝max(v1(t)，v2(t)，v3(t))
‑
min(v1(t)，v2(t)，v3(t))
ꢀꢀ
(4)
[0018]
设第一恒流源模块与第二恒流源模块的电流均为i0，并设第一恒流源模块、第二恒流源模块的最低饱和电压分别为v
sat1
、v
sat2
，且v
f1
与v
sat1
之和小于所述脉动式直流电的谷底电压，即输入所述高压led光源的电流始终保持为i0，则，
[0019]
所述脉动式直流电的输入功率为：
[0020][0021]
其中，t为经三相全波整流后所获直流电的周期；
[0022]
所述高压led光源的功率为：
[0023][0024]
其中，t1和t2为第二恒流源is2的开启或关断时刻；
[0025]
所述脉动式直流电的驱动效率为：
[0026][0027]
忽略第一恒流源模块和第二恒流源模块的最低饱和电压v
sat1
、v
sat2
，分析并确定以所述高压led光源的功率与脉动式直流电的驱动效率的乘积p
led
*η在电网电压波动范围内的平均值g作为优化v
f2
的目标，以确定v
f2
的最优值，
[0028][0029]
其中，u为三相电网输入中单相电压的峰值，u
max
为三相电网中单相电压的最大峰值，u
min
为三相电网中单相电压的最小峰值；
[0030]
以g值最大处对应的v
f2
值作为v
f2
的最优值。
[0031]
进一步的，所述驱动方法还包括：当所述高压led光源为两个以上且串联设置时，使与其中一个高压led光源配合的第一恒流源模块与第二恒流源模块之间的关系满足下式：
[0032]
(i2‑
δi2)＞(i1 δi1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0033]
其中，i1、i2分别为第一恒流源模块、第二恒流源模块的额定电流，δi1、δi2分别为第一恒流源模块、第二恒流源模块的额定电流的最大偏差。
[0034]
本发明实施例还提供了一种高压led光源的工作电路，所述高压led光源包括串联设置的n个led发光单元，n为大于或等于2的整数，所述工作电路还包括第一恒流源模块和第二恒流源模块；该n个led发光单元与第二恒流源模块串联设置，其中第1至m个led发光单元与第一恒流源模块串联设置，且第m 1至第n个发光单元及第二恒流源模块与第一恒流源模块并联设置，m为小于n的正整数；其中，
[0035]
当三相交流电源提供的交流电经三相全波整流处理所形成的脉动式直流电的电压大于或等于第1至m个led发光单元的总开启电压v
f1
与第一恒流源模块的开启电压之和，且小于第1至n个led发光单元的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块的开启电压之和时，第一恒流源模块开启，第二恒流源模块关闭；当所述脉动式直流电的电压大于或等于v
f2
与第二恒流源模块的开启电压之和时，第二恒流源模块开启，第一恒流源模块关闭。
[0036]
进一步的，所述led发光单元包括led芯片或led功能单胞。
[0037]
本发明实施例还提供了一种led光源组件，其包括高压led光源，所述高压led光源具有上述的工作电路。
[0038]
进一步的，上述的led光源组件还包括三相全波整流模块，所述三相全波整流模块用于将三相交流电源提供的交流电整流形成直流电，并以所述直流电驱动所述发光模组。
[0039]
进一步的，上述的高压led光源包括led灯珠。
[0040]
在一些实施方式中，所述led灯珠为两个以上且串联设置，并且与其中一个led灯珠对应设置的第一恒流源模块与第二恒流源模块之间的关系满足下式：
[0041]
(i2‑
δi2)＞(i1 δi1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0042]
其中，i1、i2分别为第一恒流源模块、第二恒流源模块的额定电流，δi1、δi2分别为第一恒流源模块、第二恒流源模块的额定电流的最大偏差。
[0043]
较之现有技术，本发明实施例提供的一种高压led光源的三相驱动方法、其工作电路及应用，至少具有如下有益效果：
[0044]
1)针对三相供电的应用环境，提供了分段式高压led光源的三相驱动方法及其相应的工作电路。
[0045]
2)提供了以电网最低电压经整流后所获脉动式直流电的谷底值和第一恒流源的开启电压的差值作为第一段高压led光源最优开启电压的三相驱动方案，以及通过分析电网电压的波动对驱动效率和led功率产生的影响，提出了以高压led光源的功率和驱动效率的乘积在电网电压波动范围内的最大平均值对应的开启电压作为整段led光源最优开启电压的驱动方案，以及，通过设置最优的开启电压值，提高了电源的驱动效率，符合led光源频闪要求。
[0046]
3)提供了将两个或更多高压led光源串联设置的应用方案，并针对此应用存在的电压分配不均的问题提出了使每个led光源内恒流源的额定电流不对等的驱动方案，提高了光效，延长了光源的使用寿命。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1是本发明实施例中一种三相驱动的高压led光源的结构示意图；
[0049]
图2是本发明实施例中三相全波整流后的输入电压的波形图；
[0050]
图3是本发明实施例中考虑电网电压波动的三相全波整流后的输入电压的波形图；
[0051]
图4是本发明实施例中输入电压与高压led光源开启或关断时刻的关系图；
[0052]
图5是本发明实施例中输入电压与驱动效率的关系图；
[0053]
图6是本发明实施例中输入电压与led光源功率的关系图；
[0054]
图7是本发明实施例中驱动效率和led光源功率的乘积与整段led光源最优开启电压的关系图；
[0055]
图8是本发明实施例中两组三相驱动的高压led光源串联应用的示意图；
[0056]
图9是本发明实施例中的高压线性led贴片式灯珠的结构示意图；
[0057]
图10是本发明实施例中的高压线性led贴片式灯珠的内部结构示意图；
[0058]
图11是本发明实施例中两组三相驱动的高压led光源串联应用时输入电压的分配示意图。
具体实施方式
[0059]
鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和实践，得以提出本发明的技术方案，如下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
请参阅图1为本实施例提供的一种高压led光源的工作电路，该高压led光源包括串联设置的n个led发光单元，n为大于或等于2的整数，其中，n个led发光单元与第二恒流源模块is2串联设置，第1至m个led发光单元与第一恒流源模块is1串联设置，且第m 1至第n个发光单元及第二恒流源模块is2与第一恒流源模块并联设置，m为小于n的正整数。
[0061]
进一步的，当由三相交流电源提供的交流电经三相全波整流处理所形成的脉动式直流电的电压v
in
大于或等于第1至m个led发光单元的总开启电压v
f1
与第一恒流源模块isl的开启电压v
sat1
之和，且小于第1至n个led发光单元的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块is2的开启电压v
sat2
之和时，第一恒流源模块is1开启，第二恒流源模块is2关闭；当脉动式直流电的电压v
in
大于或等于第1至n个led发光单元的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块is2的开启电压v
sat2
之和时，第二恒流源模块is2开启，第一恒流源模块is1关闭。
[0062]
进一步的，上述的led发光单元包括led芯片或led功能单胞等，且不限于此。
[0063]
依据实际工作的需求，本领域人员还可以在上述高压led光源的工作电路中添加其它的元件，此处不再赘述。
[0064]
进一步的，请参阅图2，经三相全波整流后所形成的直流电呈脉动式波动，该脉动式直流电的波形频率为电网工频频率的6倍(如电网工频为50hz，则该脉动式直流电的波形频率300hz；如电网工频为60hz，则该脉动式直流电的波形频率360hz)，直流分量大，供电压高，既可以解决频闪问题，又可以在同样功率下降低电流，以减少电缆线径，节约成本，并且该脉动式直流电三相供电平衡，对电网的emi影响较小。
[0065]
本发明实施例还相应提供了上述高压led光源的三相驱动方法，其包括：
[0066]
将上述的n个led发光单元与第二恒流源模块is2串联设置，并将第1至m个led发光单元与第一恒流源模块is1串联设置，且使第m 1至第n个发光单元及第二恒流源模块is2与第一恒流源模块is1并联设置，m为小于n的正整数；
[0067]
将三相交流电源提供的交流电经三相全波整流处理形成脉动式直流电，并以该脉动式直流电驱动高压led光源；
[0068]
其中，第一恒流源模块isl与第二恒流源模块is2的工作状态相关联，即：当脉动式直流电的电压v
in
大于或等于第1至m个led发光单元的总开启电压v
f1
与第一恒流源模块is1的开启电压v
sat1
之和，且小于第1至n个led发光单元的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块is2的开启电压v
sat2
之和时，第一恒流源模块is1开启，第二恒流源模块is2关闭；当脉动式直流
电的电压v
in
大于或等于第1至n个led发光单元的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块is2的开启电压v
sat2
之和时，第二恒流源模块is2开启，第一恒流源模块is1关闭。
[0069]
具体的，请参阅图3，在0至t1时间段，v
f1
v
sat1
＜v
in
＜v
f2
v
sat2
，第一恒流源模块isl开启，第二恒流源模块is2关闭；在t1至t2时间段，v
in
＞v
f2
v
sat2
，第二恒流源模块is2开启，第一恒流源模块is1关闭；在t2至t3时间段，v
f1
v
sat1
＜v
in
＜v
f2
v
sat2
，第一恒流源模块is1开启，第二恒流源模块is2关闭。
[0070]
以电网最低电压经三相全波整流后形成的脉动式直流电的谷底电压与第一恒流源模块isl的开启电压v
sat1
的差值作为v
f1
的最优值
[0071]
设所述交流电三相电压分别为：
[0072]
v1(t)＝u sin(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0073][0074][0075]
其中，u为三相电网输入中单相电压的峰值；
[0076]
经所述三相全波整流处理后所获脉动式直流电的电压为：
[0077]
yin(t)＝max(v1(t)，v2(t)，v3(t))
‑
min(v1(t)，v2(t)，v3(t))
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0078]
设第一恒流源模块is1与第二恒流源模块is2的电流均为i0，并设第一恒流源模块is1、第二恒流源模块is2的最低饱和电压分别为v
sat1
、v
sat2
，且v
f1
与v
sat1
之和小于所述脉动式直流电的谷底电压，即输入高压led光源的电流始终保持为i0，则，
[0079]
上述直流电的输入功率为：
[0080][0081]
其中，t为经三相全波整流后所获脉动式直流电的周期；
[0082]
上述高压led光源的功率为：
[0083][0084]
其中，t1和t2为第二恒流源is2的开启或关断时刻；
[0085]
上述直流电的驱动效率为：
[0086][0087]
忽略第一恒流源模块is1和第二恒流源模块is2的最低饱和电压v
sat1
、v
sat2
，分析并确定以高压led光源的功率与直流电的驱动效率的乘积p
led
*η在电网电压波动范围内的平均值g作为优化v
f2
的目标，以确定v
f2
的最优值，
[0088][0089]
其中，u
max
为三相电网中单相电压的最大峰值，u
min
为三相电网中单相电压的最小峰值；
[0090]
以g值最大处对应的v
f2
值作为v
f2
的最优值。
[0091]
进一步的，上述的驱动方法还包括：当高压led光源为两个以上且串联设置时，使与其中一个高压led光源配合的第一恒流源模块is1与第二恒流源模块is2之间的关系满足
下式：
[0092]
(i2‑
δi2)＞(i1 δi1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0093]
其中，i1、i2分别为第一恒流源模块is1、第二恒流源模块is2的额定电流，δi1、δi2分别为第一恒流源模块is1、第二恒流源模块is2的额定电流的最大偏差，通常为额定值的5％以内。
[0094]
在本实施例中，v
f1
、v
f2
、v
sat1
、v
sat2
、u、u0的计量单位相同，例如可以是伏特(v)，i0，i1，i2δi1、δi2的计量单位相同，例如可以是安培(a)，t、t1、t2的计量单位相同，例如可以是毫秒(ms)。
[0095]
具体的，请参考图5
‑
6，为确定以高压led光源的功率与脉动式直流电的驱动效率的乘积p
led
*η在电网电压波动范围内的平均值g来优化v
f2
的分析过程，以单相电压220v构成的三相电为例计算(考虑电网电压允许
±
10％的波动，忽略恒流源最低饱和电压，即设v
sat1
＝v
sat2
＝0v)，能够看到，脉动式直流电的电压v
in
的波动对驱动效率η和高压led光源功率p
led
产生显著影响。在v
f2
较低时，高压led光源功率p
led
保持平稳，但是驱动效率η大幅下降；在v
f2
升高时，虽然驱动效率η明显提高，但功率p
led
波动更加显著，因此难以直观选择v
f2
。
[0096]
为兼顾高压led光源功率p
led
和驱动效率η，确定以p
led
*η作为优化目标，同时考虑到电网电压的波动，因此以p
led
*η在电压波动范围内的平均最大值进行优化。
[0097]
对于单相电压为220v的三相电，如图4所示，为在波动范围为
±
10％的情况下经全波整流后的脉动式直流电的电压，从上到下分别对应于380v 10％、380v、380v
‑
10％的脉动式直流电输出，此处需要说明的是，电网电压的波动范围根据实际情况也可以是其他数值，而以下描述中的各数值也会相应的随着波动范围的变化进行调整。
[0098]
以电网三相电压向下波动10％并经整流后所获脉动式直流电的谷底值与第一恒流源模块开启电压v
sat1
的差值作为v
f1
的最优值，经计算，最优v
f1
＝420v，此时，请参考图7，g的最大值对应的最优v
f2
＝495v。
[0099]
同理，对于单相电压为110v的三相电，在波动范围
±
10％的情况下，最优v
f1
＝210v，g的最大值对应的最优v
f2
＝247.5v。
[0100]
实际工程应用时，由于电网的波动和实际器件的偏差，高压led光源开启电压的设置往往无法严格与计算值一致，其中，v
f1
的实际值可以设置为计算值
×
0.95与计算值之间的某一个值，v
f2
的实际值可以设置为计算值
±
15v，或者根据实际应用情况也可以设置为计算值
±
20v。例如，对于单相电压为220v的三相电，v
f1
可以设置为399v与420v之间的某一个值，v
f2
可以设置为480v与510v之间的某一个值，或者也可以设置为475v与515v之间的某一个值；而对于单相电压为110v的三相电，v
f1
可以设置为199.5v与210v之间的某一个值，v
f2
可以设置为237.5v与257.5v之间或者232.5v与262.5v之间的某一个值。
[0101]
进一步的，请参考图8，为两个高压led光源串联使用的情况，其中，一个高压led光源的正极与三相全波整流后的脉动式直流电的正极连接，负极与第二个高压led光源的正极连接，第二个高压led光源的负极与三相全波整流后的脉动式直流电的负极连接，三相全波整流模块的n极不接入电路。
[0102]
当两个高压led光源串联时，其应用的三相电的单相电压为单个高压led光源单独使用时的两倍。
[0103]
例如：上述针对单相电压为110v的三相电而设计的最优v
f1
＝210v，最优v
f2
＝
247.5v的高压led光源在串联时可应用于单相电压为220v的三相电。
[0104]
本发明实施例还提供了一种led光源组件，其包括高压led光源，所述高压led光源具有上述的工作电路。
[0105]
在一个较为具体的应用案例中，该led光源组件中包含两个高压led光源，所述高压led光源为一种可以应用于三相电驱动的高压线性led灯珠，例如图9所示的高压线性贴片式led灯珠，其包括一颗高压led芯片10和一颗恒流源芯片11，且高压led芯片与恒流源芯片电连接，并共同集成在一片封装基板12上。
[0106]
具体的，请参阅图10，高压led芯片由n(n为大于或等于2的正整数)个串联的led单胞101组成，且芯片上还设置有电极102、电极103和电极104，其中电极102和电极103分别为高压led芯片的正极和负极，电极104对应于其中的某一个led单胞101，且第一个led单胞101的正极与高压led芯片的正电极102电连接，第n个led单胞101的负极与高压led芯片的负电极103电连接。恒流源芯片11内包含第一恒流源模块is1和第二恒流源模块is2，其中，第一恒流源模块is1的正极与高压led芯片中第m(m＜n)个led单胞101的负极通过电极104电连接，第二恒流源模块is2的正极与高压led芯片的负电极103电连接，且第一恒流源isl与第二恒流源is2模块共负极，并经恒流源芯片11上的总电极105与灯珠的负极电连接，而灯珠的正极与高压led芯片正电极102电连接。
[0107]
具体的，高压led芯片10内的n个串联的led单胞101总的开启电压为v
f2
，第一个led单胞101到第m个led单胞101的总开启电压为v
f1
，且第一恒流源模块is1与第二恒流源模块is2的工作状态相关联，即当灯珠正负极之间的输入电压大于或等于第1至m个led单胞101的总开启电压v
f1
与第一恒流源模块is1的开启电压v
sat1
之和，且小于第1至n个led单胞101的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块is2的开启电压v
sat2
之和时，第一恒流源模块is1开启，第二恒流源模块is2关闭；当灯珠正负极之间的输入电压v
in
大于或等于第1至n个led单胞101的总开启电压v
f2
与第二恒流源模块is2的开启电压v
sat2
之和时，第二恒流源模块is2开启，第一恒流源模块is1关闭。
[0108]
依前所述，对于单相电压为220v的三相电，在一定波动范围(例如，
±
10％)的情况下，该高压线性贴片式led灯珠v
f1
的值可以设置为399v与420v之间的某一个值，v
f2
的值可以设置为485v与505v之间或者475v与515v之间的某一个值；而对于单相电压为110v的三相电，在波动范围
±
10％的情况下，该高压线性贴片式led灯珠v
f1
的值可以设置为199.5v与210v之间的某一个值，v
f2
的值可以设置为237.5v与257.5v之间或者232.5v与262.5v之间的某一个值。
[0109]
在一典型的实施方式中，上述的灯珠为两颗串联使用，此时，每颗灯珠内的第一恒流源模块is1与第二恒流源模块is2之间的关系需满足下式：
[0110]
(i2‑
δi2)＞(i1 δi1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0111]
其中，i1、i2分别为第一恒流源模块is1、第二恒流源模块is2的额定电流，δi1、δi2分别为第一恒流源模块is1、第二恒流源模块i
s
2的额定电流的最大偏差。
[0112]
具体的，再请参阅图8所示，为两颗灯珠串联应用的情况，上方灯珠的正极与三相全波整流后的脉动式直流电的正极电连接，下方灯珠的负极与脉动式直流电的负极电连接。当两颗灯珠串联应用时，需要避免由于恒流源偏差造成的压降在上下两颗灯珠之间分配严重不均的情况，即使每颗灯珠内的第一恒流源模块is1、第二恒流源模块is2的额定电
流相等，但由于芯片间的偏差，上方灯珠的恒流源模块的电流i
up
会大于下方灯珠的恒流源模块的电流i
down
，如图11所示，则导致脉动式直流电的电压v
in
大部分降落在下方灯珠上。
[0113]
此种情况下，在脉动式直流电的电压v
in
大于或等于2v
f1
时，两颗灯珠内的第一恒流源模块is1同时开启，两颗灯珠同时点亮，流过的电流为i
down
；随着电压v
in
上升，大于2v
f1
的电压大部分降落在下方灯珠内的第一恒流源模块is1上，当下方灯珠内的第一恒流源模块is1上的电压超过v
f2
‑
v
f1
时，下方灯珠内的第二恒流源模块is2开启，第一恒流源模块is1关闭；随着电压v
in
继续上升，大于v
f1
v
f2
的电压大部分降落于下方灯珠内的第二恒流源模块is2上，导致上方灯珠内的第一恒流源模块isl的电压始终不能达到v
f2
‑
v
f1
，因此，上方灯珠内的第二恒流源模块is2始终不能开启，系统效率降低，同时，下方灯珠承载的电压过高，功率过大，结温过高，影响灯珠的效率和寿命。
[0114]
因此，对每颗灯珠内的第一恒流源模块is1、第二恒流源模块is2采用不等称设计，经此设计，当两颗灯珠串联应用时，其中一颗灯珠内的第二恒流源模块is2开启后，电压v
in
增加的部分大部分降落于另一颗灯珠内的第一恒流源模块isl上，保证两颗灯珠内的第二恒流源模块is2在电压v
in
升高到2v
f2
时都能开启，提高了系统效率，平衡了每颗灯珠的功耗。
[0115]
需要说明的是，附图11中所示的i
sat_up
和i
sαt_down
分别代表上方灯珠和下方灯珠内恒流源模块在恒流状态下的电流，当恒流源模块两端的输入电压达到其开启电压时，即表现为恒流状态，而i
up
和i
down
分别代表上方灯珠和下方灯珠内恒流源模块的实际工作电流，其受灯珠的外部工作电路的影响。
[0116]
另外，上述的灯珠也可以是其它封装形式的，或者也可以替代为其它的高压led光源。
[0117]
应当理解，以上所述仅为本发明中的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。