Long Life Single Stage PFC/SLC Converter driving LEDs

Licht emittierende Dioden (LEDs) sind heutzutage fur Beleuchtungsanwendungen Stand der Technik und daher allgegenwartig. Langlebige Beleuchtungsanwendungen erfordern allerdings ein robustes Systemdesign. Daher wurde die typische Ausfallursache von LED-Leuchten ermittelt: Die Stromversorgung ist mit 52% die wahrscheinlichste Ausfallursache. In manchen Anwendungen muss der LED Treiber theoretisch zehn Mal ausgetauscht werden, bevor die Lebensdauergrenze des LED-Moduls erreicht wird. Diese Arbeit beschaftigt sich daher mit der Entwicklung eines langlebigen, einstufigen LED Treibers, welcher aus einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und einem Serien LC (SLC) Wandler besteht. Ein Grosteil der Ausfalle des LED-Treibers wird dabei durch den Elektrolytkondensator verursacht. Durch den Ersatz des Elektrolytkondensators durch einen Filmkondensator wird prognostiziert, dass die Lebensdauer der Leuchte deutlich erhoht werden kann. Im Abschnitt 4 werden verschiedene LED-Treibertechnologien und Topologien analysiert. Nach einer ganzheitlichen Topologieanalyse wurde die PFC/SLC-Topologie gewahlt. Die dabei verwendete diskontinuierliche totem pole Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und der Serien LC Wandler wurden im Zeitbereich analysiert. Fur beide Wandler wird der durchschnittliche Eingangsstrom bzw. der durchschnittliche Ausgangsstrom bestimmt. Da zwei Stellgrosen gleichzeitig eingestellt werden mussen, der AC-Eingangsstrom und der DC-Ausgangsstrom, sind fur die Steuerung zwei Freiheitsgrade erforderlich. Die PFC- und SLC-Ubertragungsfunktionen werden jeweils durch Frequenz und Tastgrad gesteuert. Dazu wurde eine Losungsfunktion entwickelt, welche die Frequenz und den Tastgrad in Abhangigkeit von Eingangsleitwert, Ausgangsstrom und mehreren Messwerten berechnet. Durch die Erfassung der Zwischenkreisspannung und der Ausgangsspannung wirken sich deren Anderungen nur minimal auf den Ausgangsstrom aus. Dies erlaubt einen hoheren Spannungsripple am Zwischenkreiskondensator, und damit den Ersatz von Elektrolytkondensatoren durch Folienkondensatoren. Die Lebensdauer des LED-Treibers wird dadurch deutlich steigert. Fur den verwendeten Regelalgorithmus mussen mehrere Spannungen und Strome gleichzeitig gemessen und digital gefiltert werden. Beispielsweise wird die Zwischenkreisspannung zuerst analog gefiltert, dann AD gewandelt und erneut digital durch einen resonanten Beobachter gefiltert. So kann die doppelte Netzfrequenz im Zwischenkreiskondensator herausgefiltert werden. Weiterhin wird ein Verfahren zur galvanisch getrennten Spannungsmessung entwickelt. Dadurch kann die Steuerung auf der Primarseite platziert werden, wahrend die Sekundarseite genau gemessen werden kann. Auf Grundlage der vorgeschlagenen Messschaltung werden Schutzkonzepte entwickelt, um eine Selbstzerstorung oder Schadigung wahrend des Betriebs vorzubeugen. Um die Anzahl der LEDs in einem LED-Modules zu erhohen, z. B. um kleinere MidPower-LEDs anstelle von HighPower-LEDs einzusetzen, wird eine neuartige Parallelschaltungskonzept fur LEDs entwickelt. Die Schaltung misst die einzelnen Strangstrome, bildet dann einen Mittelwert aus den einzelnen Strangstromen, welcher wiederum dann als Vorgabewert genutzt wird. Auf diese Weise konnen LEDs sicher, und ohne Beeintrachtigung der Effizienz und Lebensdauer parallel geschaltet werden. Fur den Betrieb des LED-Treibers wird ein ausgeklugeltes Hilfsspannungskonzept zur Selbstversorgung entwickelt. Da die Regelung digital implementiert ist, ist ein tiefgreifendes Softwareengineering erforderlich, um die Echtzeitperformance der CPU sicherzustellen. Eine unzureichende Implementierung der Regelungssoftware fuhrt zu einem instabilen Regelkreis. Die Messungen am Ende der Arbeit zeigen, dass ein langlebiger, flimmerfreier LED-Treiber entwickelt wurde. Der Netzeingangsstrom ist dabei sinusformig, wahrend der LED Ausgangsstrom nahezu konstant ist. Der maximale Wirkungsgrad des LED-Treibers wurde zu 93% bestimmt.