Thiết kế bộ led driver có hệ số công suất cao và THD thấp
THIẾT KẾ BỘ LED DRIVER CÓ HỆ SỐ CÔNG SUẤT CAO VÀ THD THẤP
DESIGN A LED DRIVER WITH HIGH POWER FACT AND LOW THD
Nguyễn Hữu Tiến
Học viên cao học Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Ngày nay, đèn LED được coi như một nguồn ánh sáng xanh vì hiệu quả cao về mặt năng lượng,
thân thiện môi trường cũng như tuổi thọ cao, đèn dần được thay cho các loại đèn công nghệ cũ
như: đèn sợi đốt, huỳnh quang, thủy ngân cao áp. Do đó, thiết kế một bộ LED Driver theo tiêu
chuẩn công nghiệp là một vấn đề đang được các nhà khoa học, tập đoàn trên thế giới đặc biệt
quan tâm. Tuy nhiên, LED là một loại tải phi tuyến nên sẽ sinh sóng hài và làm giảm hệ số công
suất nếu không được điều khiển tốt. Việc nghiên cứu và thiết kế một bộ LED Driver gặp khá nhiều
khó khăn vì phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn và quy định như: hiệu suất năng lượng, sóng hài, hệ
số công suất và ở Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu về lĩnh vực này. Trong nghiên cứu này,
chúng tôi trình bày cấu hình điều khiển LED AC trực tiếp. Bộ điều khiển LED đề xuất đã khắc
phục một số nhược mà các bộ điều khiển LED hiện nay đang gặp phải như: sử dụng cuộn cảm,
biến áp xung, tụ hóa và sóng hài cao (THD>10%). Số lượng linh kiện sử dụng ít giúp giảm chi
phí trong quá trình sản xuất cũng như giảm xác suất hư hỏng do linh kiện cho bộ điều khiển LED.
Các kết quả thực nghiệm đã cho thấy phương pháp đề xuất đã đáp ứng yêu cầu về sóng hài, hệ số
công suất. Bộ LED Driver AC trực tiếp không sử dụng cuộn dây, biến áp và tụ hóa, vì vậy kích bộ
LED Driver nhỏ và tuổi thọ cao. Để minh chứng cho phương pháp đề xuất, bài báo cũng so sánh
với các bộ LED Driver dạng cách ly và không cách ly. Trong bài báo này, kết quả thực nghiệm
cũng được so sánh với bộ LED Driver AC trực tiếp dạng tích hợp (INTERATED) và dạng DACD
để kiểm chứng minh cho bộ LED Driver đề xuất.
Từ khóa: Điều khiển LED cách ly; điều khiển LED không cách ly; điều khiển LED AC trực tiếp.
ABSTRACT
Nowadays, LED lights are considered as a source of green light due to the high efficiency,
enviromenttally friendly, as well as long life-time, the lamp is replaced for the old technology lamps
such as: the incadescent, florescent, and high-pressure mercury lamps. Therefore, design the LED
Driver according to the industry standard is a matter of concern of scientists and corporations on
the world. However, the LED is a nonlinear load that generates harmonics and reduces the power
factor if not controlled well. The research and design of a LED Driver is quite difficult because it
has to meet many standards, regulations such as energy efficiency, harmonics, power factor and
in Vietnam there are very few researches in this field. In this study, we present a direct AC LED
driver configuration. The proposed LED controller has overcome some of the disadvantages that
current LED controllers are experiencing: high frequency chokes, pulse transformers, condenser
and harmonics (THD> 10%). The number of components is few, it helps to reduces the cost of
production as well as reduces the probability of component damage to the LED Driver.
Experimental results have shown that the proposed method satisfies the harmonics requirement,
power factor. The AC direct LED driver does not use inductor, transformer and electrolytic
capacitor, so the LED Driver will be small and long life-time. To illustrate the proposed method,
the article also compares with the isolated LED Driver and non-isolated LED Driver. In this article,
the experimental results are compared with the integrated Direct AC LED Driver and the Direct
AC Driver (DACD) to verify the proposed driver LEDs.
Keywords: Isolated LED Driver; non-isolated LED Diver; Direct AC LED Driver.
Terminological:
LED: Light Emitting Diode
THD: Total Harmonic Distortion
AC: Alternating Current
PWM: Pulse Width Modulation
DC: Direct Current
MCU: Micro Controller Unit
DACD: Direct Alternating Current Driver
1. GIỚI THIỆU
hay còn gọi là "LED Driver". Qua nghiên cứu,
phương pháp điều khiển LED AC trực tiếp đã
được đề xuất, phương pháp này sẽ giúp khắc
phục một số nhược điểm của các bộ LED
Driver hiện nay. Trên thị trường hiện có 3 loại
LED Driver chính:
Hiện nay toàn cầu đang phải đối mặt với sự
thiếu năng lượng do sự phát triển nhanh chóng
của xã hội, kéo theo nhu cầu sử dụng năng
lượng ngày càng tăng cao. Theo thống kê, có
khoảng 20% năng lượng trên thế giới được sử
dụng để tạo ra năng lượng điện, trong đó trên
25% năng lượng điện được sử dụng để chiếu
sáng [1].
❖ Dạng cách ly (Isolated LED Driver)
Những thiết bị chiếu sáng được sử dụng từ
trước đến nay chủ yếu vẫn là đèn huỳnh quang
và đèn sợi đốt do cấu trúc đơn giản và dễ chế
tạo. Tuy nhiên, với những nhược điểm như
hiệu suất phát quang và tuổi thọ thấp nên đèn
LED là một giải pháp thay thế hiệu quả. Đèn
LED có hiệu suất phát quang cao, tuổi thọ dài,
kích thước đèn nhỏ hơn và thời gian đáp ứng
nhanh hơn [1]-[2]. Tuổi thọ trung bình của đèn
LED là từ 50.000 đến 100.000 giờ, trong khi
đó đèn huỳnh quang chỉ từ 8.000 đến 15.000
giờ và đèn LED có tuổi thọ dài hơn rất nhiều
so với đèn sợi đốt, tuổi thọ đèn sợi đốt khoảng
1000 giờ [4]. Cùng một mức cường độ sáng,
đèn LED tiêu thụ năng lượng ít hơn 2 lần so
với đèn huỳnh quang và ít hơn 16-20 lần so
với bóng đèn sợi đốt. Theo nghiên cứu, việc
thay thế đèn sợt đốt và đèn huỳnh quang bằng
đèn LED có thể tiết kiệm 40% năng lượng
điện vào năm 2030 [1]-[2].
Hình 1.1. Sơ đồ mạch bộ LED Driver cách ly
hai trạng thái
• Ưu điểm của dạng cách ly:
- Ngõ ra của LED được cách ly với phần điện
áp cao thông qua biến áp nên rất an toàn cho
LED.
- Hệ số công suất cao (PF: 0.92-0.99).
- Hiệu suất cao.
- Sóng hài thấp (THD<7%).
- Ngõ ra ánh sáng ổn định.
• Nhược điểm của dạng cách ly:
- Kích thước của LED Driver lớn do sử dụng
biến áp xung và mạch lọc EMI.
- Chi phí và xác suất hư hỏng vẫn còn cao do
sử dụng nhiều linh kiện.
- Tuổi thọ của bộ Driver thấp hơn tuổi thọ của
LED do sử dụng tụ hóa ở phần điện áp cao.
❖ Dạng cách ly (Isolated LED Driver)
Mặc dù có hiệu suất phát quang cao và tuổi
thọ dài như vậy nhưng nếu đèn LED không
được cung cấp đủ năng lượng thì ánh sáng
nhấp nháy hoặc độ sáng bị thay đổi, còn nếu
cung cấp quá năng lượng thì tuổi thọ của đèn
LED sẽ bị giảm. Bên cạnh đó, đèn LED là một
loại tải phi tuyến tính nên trong quá trình sử
dụng khi số lượng đèn LED được sử dụng
càng nhiều thì sẽ sinh ra sóng hài (THD) càng
nhiều. Sóng hài sẽ gây ra méo dạng sóng, ảnh
hưởng rất xấu đối với thiết bị và chất lượng
điện năng. Trong thực tế, người ta thường
dùng những bộ lọc hài để giảm bớt sóng hài
nhưng cách này chi phí rất lớn và hiệu quả
không cao khi số lượng sử dụng đèn LED
ngày càng cao.
Hình 1.2. Sơ đồ mạch bộ LED Diver không
cách ly
Do đó, để đèn LED hoạt động an toàn
trong hệ thống điện xoay chiều và không sinh
ra sóng hài thì đèn LED cần một bộ điều khiển
2.1 Mô hình mô phỏng
• Ưu điểm của dạng không cách ly này:
- Hệ số công suất cao (>0.98).
- Hiệu suất cao (>95%).
- Linh kiện sử dụng ít nên chi phí và xác suất
xãy ra lỗi thấp.
• Nhược điểm của dạng không cách ly này:
- Sóng hài vẫn cao (10%<THD<20%).
- Công suất của loại này vẫn còn thấp, nếu
công suất lớn thì kích thước bộ LED driver
lớn do sử dụng cuộn dây và mạch lọc EMI.
- Một số mạch thường sử dụng tụ hóa ở phần
điện áp cao nên sẽ ảnh hưởng tới tuổi thọ của
bộ LED Driver.
Phát triển từ cấu hình DACD (Direct AC
Driver) [8], [10], cấu hình LED Driver trực
tiếp đề xuất được trình bày như ở Hình 2.1. Sơ
đồ mô phỏng sử dụng cầu đi-ốt để chỉnh lưu,
một bộ điều khiển MCU, 7 chuỗi LED, 7 đi-
ốt chuyển mạch và 7 MOSFET.
❖ Dạng điều khiển LED AC trực tiếp
(Direct AC LED Driver)
Hình 2.1: Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển
LED AC trực tiếp (đề xuất)
2.2 Nguyên lý hoạt động
Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động, xét mạch mô
phỏng như hình 2.2 (tương tự cho mạch mô
phỏng sử dụng 7 MOSFET).
Hình 1.3. Sơ đồ mạch bộ LED Driver AC trực
tiếp
Hình 2.2. Sơ đồ mạch mô phỏng cho 3
MOSFET
• Ưu điểm của dạng trực tiếp này:
- Linh kiện sử dụng ít nên chi phí và xác suất
xảy ra lỗi thấp.
- Bộ LED Driver nhỏ do không có cuộn cảm
hay biến áp nên có thể tích hợp bộ điều khiển
trên đèn LED.
- Hiệu suất và hệ số công suất cao.
- Tuổi thọ của bộ Driver cao hơn tuổi thọ hơn
so với hai phương pháp trên do sử dụng tụ
hóa ở phần điện áp cao.
- Dãy công suất rộng do phần công suất có thể
thay đổi để phù hợp với tải.
- Nhược điểm của dạng không cách ly này:
- Độ gợn sóng (Flicker) trên tải cao vẫn còn
cao, nếu điều khiển không tốt sẽ ảnh hưởng
tới tuổi thọ của LED.
Hình 2.3. Sơ đồ trạng thái tự động chuyển
mạch
• T0/T6 (VIN<VF1): Khi điện áp ngõ vào
thấp hơn điện áp dẫn (VF1) của LED1 vì vậy
không có dòng đi qua, ở thời điểm này ngõ ra
bộ điều khiền luôn luôn ở mức “1” và tất các
khóa bán dẫn luôn ở trạng thái kích dẫn
(VGS=VDD).
- Dãy công suất hẹp do phần công suất tích
hợp trên IC.
2. THIẾT KẾ BỘ LED DRIVER TRÊN
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
chiều (DC) cao để cung cấp cho chuỗi LED
và mạch công suất.
• T1/T5 (VF1<VIN<VF1+VF2): Khi điện
áp ngõ vào lớn hơn điện áp dẫn (VF1) của
LED1, M1 sẽ được bộ điều khiển điều chỉnh
dòng đi LED1 tỷ lệ với điện áp ngõ vào thông
qua dòng điện hồi tiếp (IFO)và điện áp tham
chiếu (VFIN), thời điểm này những khóa bán
dẫn còn lại (M2, M3) luôn luôn dẫn.
• T2/T4(VF1+VF2<VIN<VF1+VF2+VF3):
Khi điện áp ngõ vào lớn hơn tổng điện áp dẫn
(VF1+VF2) của LED1 và LED2, tại thời điểm
này dòng điện bắt đầu chạy qua M2 và M1 bị
tắt dần do điện áp ở chân D (Drain) của M2
tăng lên dẫn đến dòng điện đi qua M1 bị chặn
bởi đi-ốt D1. Trong khoảng thời gian T2/T4
này, M3 luôn luôn dẫn, M2 được bộ điều
khiển điều chỉnh dòng để dòng đi qua LED1
và LED2 tỷ lệ với điện áp ngõ vào.
• Bộ chuyển đổi 220VAC/15VDC: Sử dụng
biến áp, cầu đi-ốt và kết hợp với IC ổn áp để
chuyển đổi nguồn từ điện áp xoay chiều cao
(220VAC) sang điện áp một chiều thấp
(15VDC) để cung cấp cho bộ điều khiển MCU
và mạch driver OPTO hoạt động.
• PIC18F4620 (MCU): Bộ điều khiển có
nhiệm vụ nhận tín hiệu dòng điện hồi tiếp từ
điện trở RS (dòng điện chạy qua LED) và tín
hiệu điện áp ngõ vào để điều khiển OPTO.
• OPTO cách ly: Mạch OPTO có nhiệm vụ
nhận tín hiệu điều khiển từ MCU để điều
khiển cho khối công suất, bên cạnh đó còn có
nhiệm vụ cách ly tín hiệu điều khiển với phần
công suất và driver cho MOSFET.
• T3 (VIN> VF1+VF2+VF3): Như lý thuyết
chuyển mạch tự động đã được đề cập ở trên,
thởi điểm này, điện áp ngõ vào lớn hơn tổng
điện áp dẫn của chuỗi LED (VF1+VF2+VF3)
thì dòng điện chạy qua M2 bị tắt dần bởi đi-ốt
chặn D2. Tại thời điểm T3 này, chỉ mỗi M3
được bộ điều khiển điều khiển dòng chạy qua
chuỗi LED.
• Mạch công suất: Mạch này sẽ nhận tín hiệu
điều khiển từ OPTO để điều khiển cho chuỗi
LED hoạt động.
3.2 Mạch thực nghiệm
Mạch thực nghiệm được xây dựng dựa
trên sơ đồ khối của bộ LED AC trực tiếp và
được trình bày như Hình 3.2.
3. MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC
NGHIỆM
3.1 Mô hình thực nghiệm
Mạch thực nghiệm của bộ điều khiển
LED AC trực tiếp được điều khiển bởi vi điều
khiển (MCU) PIC18F4620. Phần công suất
được xây dựng 7 MOSFET NDF10N60, 1
Opto TLP350 và 14 điốt MURS360T3G3.
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển
LED AC trực tiếp (đề xuất)
Hình 3.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển LED
AC trực tiếp (đề xuất)
Mạch thực nghiệm được xây dựng như
Hình 3.1 và gồm có 6 khối chính:
• Bộ chuyển đổi AC/DC: Bộ chuyển đổi này
sử dụng cầu đi-ốt, có nhiệm vụ chuyển đổi
điện áp xoay chiều (AC) cao sang điện áp một
Dựa vào kết quả đo được ở bảng 3, bộ LED
Driver đề xuất có hệ số công suất rất cao
(CosФ=0.99) và THD thấp (THD = 9.3) so
với dạng LED Driver tích hợp [13] và dạng
DACD [10].
4. KẾT LUẬN
Bài báo trình bày phương pháp thiết kế bộ
điều khiển LED AC trực tiếp (Direct AC LED
Driver). Kết quả kiểm định đạt yêu cầu đúng
với mục tiêu đề ra, hệ số công suất cao (CosФ
>0.999) và sóng hài thấp (THD<10%). Bên
cạnh đó, sử dụng vi điều khiển thay thế cho
chíp điều khiển LED, do đó bộ LED Driver đề
xuất có thể dễ dàng ứng dụng trong các hệ
thống điều khiển thông minh. Việc tối ưu hóa
thiết kế đã giúp mạch sử dụng ít linh kiện hơn,
nó góp phần giảm thiểu chi phí trong quá trình
sản xuất. Bộ LED Driver đề xuất đã khắc phục
được một số nhược điểm của các bộ LED
Driver trên thị trường như: không sử dụng tụ
hóa, biến áp và cuộn dây. Điều này giúp nâng
cao tuổi thọ và giảm kích thước cho bộ LED
Driver.
Hình 3.3. Bộ điều khiển LED AC trực tiếp
thực tế
3.3 Kết quả của mạch thực nghiệm
Mạch thực nghiệm được khảo sát bằng
các thiết bị như: HIOKI 3197 Power Quality
Analyzer, Oscilloscope LeCroy 354A, VOM
CD800a, PROVA 6605 Power& Harmonic
Tester.
Để có thể thương mại hóa bộ LED Driver
đề xuất cần tích hợp thêm các mô-đun không
dây (wireless) và chế độ bảo vệ như quá nhiệt,
ngắn mạch, chống nước. Đông thời thay thế
thành board nhôm để LED tản nhiệt tốt hơn và
sử dụng linh kiện dán (SMD) để giảm kích
thước cho bộ LED Driver.
Hình 3.4. Kết quả thực nghiệm của bộ điều
khiển LED AC trực tiếp (đề xuất)
LỜI CẢM ƠN
Bảng 3. Kết quả thực nghiệm
Xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trương
Việt Anh đã tận tình hướng dẫn và Phòng thí
nghiệm Năng lượng tái tạo và hệ thống điện
C201- Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật TP. HCM đã hỗ trợ và tạo điều
kiện tốt nhất cho tôi thực hiện bài báo khoa
học này.
Mạch
đề
xuất
Thông
số
[13]
INTEGRATED
[10]
DACD
THD
PF
13.75 %
0.99
10%
0.99
9.3%
0.99
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Solutions for Today’s Low-Power LED Lighting Trends. Internet:
Lighting-Trends.pdf, 2011.
[2] LED Lighting Driver Solution. Internet:
https://www.onsemi.cn/PowerSolutions/document/TND345-D.PDF
[3]
Understanding LED Drivers. Internet:
[4] Understanding LED Driver Technology. Internet:
February 2014.
[5] Basics of LED drivers. Internet:
[6] Total harmonic distortion. Internet:
[7] Power factor. Internet:
[8] Y. Yeh, M. Chen, X. Li, H. Shinohara and T. Yoshihara, “AC direct multiple-string LED
driver with low THD and minimum components”, International SoC Design Conference
(ISOCC), pp. 117-118, 2015.
[9] Donglie Gu, Shengpeng Tang, Jianxiong Xi, Lenian He, Kexu Sun, “A dimmable and
Design Conference (ISOCC), pp. 343-344, 2016.
[10] J. Kim, J. Lee, S. Park, “A soft self-commutating method using minimum control
circuitry for multiple-string LED drivers”, International Solid-State Circuits Conference
Digest of Technical Papers (ISSCC), pp. 376 - 377, 2013.
[11] Si Fu, Minjie Chen, Xutao Lee, T. Yoshihara, “A high efficiency multichannel LED
Design Conference (ISOCC), pp. 42-43, 2014.
[12] Park Changbyung, Rim Chun-Taek, “Filter-free AC direct LED driver with unity power
factor and low input current THD using binary segmented switched LED strings and
linear current regulator”, Applied Power Electronics Conference an Exposition (APEC),
pp. 870 - 874, 2013.
[13] Junsik Kim, Shihong Park, “A Direct AC Driver with Reduced Flicker for
Multiple String LEDs” JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND
SCIENCE, VOL.15, NO.3, JUNE, 2015.
[14] Fairchild Semiconductor Corporation “Evaluation Board 12 W Down Light ACLED
Driver at High-Line”, User Guide for FEBFL77944, 2016.
[15] K. I. Hwu, C. Tu, “Controllable and Dimmable AC LED Driver Based on FPGA to
1342, 2012.
[16] Chun-An Cheng, Chien-Hsuan Chang, Hung-Liang Cheng, Ching-Hsien Tseng, Tsung-
Yuan Chung, “A Novel Single-Stage LED Driver with Coupled Inductors and
(ICPE-ECCE Asia), pp. 1240 - 1245, 2015.
[17] Giovanni Gritti, Jianwen Shao, “A very low THD and high Power Factor Primary Side
Regulation LED driver”, 19th European Conference on Power Electronics and
[18] Aman Jhal, Ranajay Mallik, “High voltage low current LED driver with high efficiency
and low THD for streetlight” 1st International Conference on Power Electronics,
[19] Yan-Cun Li, Chern-Lin Chen, “Single-Stage Electrolytic-Capacitors-Free AC-to-DC
LED Driving Circuit with High-Power-Factor”, Asia-Pacific Power and Energy
Engineering Conference, pp. 1 - 4, 2012.
[20] Fairchild Semiconductor Corporation, “High PF, Low THD, Wide Input Voltage Range
Flyback LED Driver with AnalogDimming Function for 30 W LED Lamp”, User Guide
forFEBFL7733A_L51U030A, 2014.
[21] Cesar Trujillo, Gabriel Henao, Johann Castro, Alexander Narvaez, “Design and
development of a LED Driver prototype with a Single-Stage PFC and low current
[22] Richtek Technology Corporation, “Low Cost 8W Off-line LED Driver using RT8487”,
User guide for RT8487, 2014.
[23] Lê Minh Phương, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn điều khiển đèn Led công suất lớn
từ 150W – 250W cho chiếu sáng công cộng”, Mạng thông tin khoa học & công nghệ
TP.HCM, 2016.
[24] ON Semiconductor Corporation, “Direct AC Drive LED Driver for Power Factor
Correction and Precise Constant Current Regulation”, Product Preview NCL30170, 2018.
[25] Minsoo Jang, Mihai Ciobotaru, Vassilios G. Agelidis, “New Topology for a Single-Phase
Buck-Boost Inverter”, Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC),
pp. 12550 - 2554, 2018.
[26] Ratnesh Kumar Pandey, Asst. Prof. S.P.Tondare, “An AC LED Driver with Improved
Total Harmonic Distortion and Power Factor”, International Journal of Scientific &
Engineering Research, Volume 7, Issue 5, May-2016.
[27] Minsoo Jang, Mihai Ciobotaru, Vassilios G. Agelidis, “New Topology for a Single-Phase
Buck-Boost Inverter”, Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC),
pp. 12550 - 2554, 2018.
[28] K. I. Hwu, W. C. Tu , “A High Brightness Light-Emitting Diode Driver with Power
Factor and Total Harmonic Distortion Improved”, Twenty-Sixth Annual IEEE Applied
Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 713- 717, 2011.
[29] Rohan Dayal, Kumar Modepalli, Leila Parsa, “A direct AC LED driver with high power
factor without the use of passive components”, Energy Conversion Congress and
Exposition (ECCE), pp. 4230 - 4234, 2012.
[30] Eunchul Kang, Jaeha Kim, Dohwan Oh, Dongjin Min, “A 6.8-W purely-resistive AC
light-emitting diode driver circuit with 95% power factor”, 8th International Conference
on Power Electronics - ECCE Asia, pp. 778 - 781, 2011.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Nguyễn Hữu Tiến
Đơn vị: Công ty TNHH ON Semiconductor Việt Nam
Điện thoại: 0362 468 406
Email: [email protected]m
8 trang
09/01/2024
24920
Free
Bạn đang xem tài liệu "Thiết kế bộ led driver có hệ số công suất cao và THD thấp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- thiet_ke_bo_led_driver_co_he_so_cong_suat_cao_va_thd_thap.pdf
