Long Life Single Stage PFC/SLC Converter driving LEDs
Creators: name: Heidinger, Michael
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Long Life LED Driver
LED
Stromversorgung
langlebig
robust

description: Licht emittierende Dioden (LEDs) sind heutzutage für Beleuchtungsanwendungen Stand der Technik und daher allgegenwärtig. 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 beschäftigt sich daher mit der Entwicklung eines langlebigen, einstufigen LED Treibers, welcher aus einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und einem Serien LC (SLC) Wandler besteht. Ein Großteil der Ausfälle 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 erhöht werden kann. Im Abschnitt 4 werden verschiedene LED-Treibertechnologien und Topologien analysiert. Nach einer ganzheitlichen Topologieanalyse wurde die PFC/SLC-Topologie gewählt. Die dabei verwendete diskontinuierliche totem pole Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und der Serien LC Wandler wurden im Zeitbereich analysiert. Für beide Wandler wird der durchschnittliche Eingangsstrom bzw. der durchschnittliche Ausgangsstrom bestimmt. Da zwei Stellgrößen gleichzeitig eingestellt werden müssen, der AC-Eingangsstrom und der DC-Ausgangsstrom, sind für die Steuerung zwei Freiheitsgrade erforderlich. Die PFC- und SLC-Übertragungsfunktionen werden jeweils durch Frequenz und Tastgrad gesteuert. Dazu wurde eine Lösungsfunktion entwickelt, welche die Frequenz und den Tastgrad in Abhängigkeit von Eingangsleitwert, Ausgangsstrom und mehreren Messwerten berechnet. Durch die Erfassung der Zwischenkreisspannung und der Ausgangsspannung wirken sich deren Änderungen nur minimal auf den Ausgangsstrom aus. Dies erlaubt einen höheren Spannungsripple am Zwischenkreiskondensator, und damit den Ersatz von Elektrolytkondensatoren durch Folienkondensatoren. Die Lebensdauer des LED-Treibers wird dadurch deutlich steigert. Für den verwendeten Regelalgorithmus müssen mehrere Spannungen und Ströme 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 Primärseite platziert werden, während die Sekundärseite genau gemessen werden kann. Auf Grundlage der vorgeschlagenen Messschaltung werden Schutzkonzepte entwickelt, um eine Selbstzerstörung oder Schädigung während des Betriebs vorzubeugen. Um die Anzahl der LEDs in einem LED-Modules zu erhöhen, z. B. um kleinere MidPower-LEDs anstelle von HighPower-LEDs einzusetzen, wird eine neuartige Parallelschaltungskonzept für LEDs entwickelt. Die Schaltung misst die einzelnen Strangströme, bildet dann einen Mittelwert aus den einzelnen Strangströmen, welcher wiederum dann als Vorgabewert genutzt wird. Auf diese Weise können LEDs sicher, und ohne Beeinträchtigung der Effizienz und Lebensdauer parallel geschaltet werden. Für den Betrieb des LED-Treibers wird ein ausgeklügeltes 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 führt zu einem instabilen Regelkreis. Die Messungen am Ende der Arbeit zeigen, dass ein langlebiger, flimmerfreier LED-Treiber entwickelt wurde. Der Netzeingangsstrom ist dabei sinusförmig, während der LED Ausgangsstrom nahezu konstant ist. Der maximale Wirkungsgrad des LED-Treibers wurde zu 93% bestimmt.