摘要 光伏電池的輸出電壓變動范圍大，而LED在工作時對電壓電流的穩定性要求較高，必須使用與之匹配的驅動電路。結合光伏電池的輸出特點，在分析不同驅動電路的基礎上，設計了一種具有普適性的LED照明驅動控制器，該控制器能自動適應光伏電池輸出電壓的大幅變化和LED負載的變化，適用于不同LED負載的驅動。其適應性強，調節范圍大，在LED照明領域具有較好的應用前景。
關鍵詞 光伏發電 LED照明 驅動電路 控制器
引言
能源問題已成為制約人類經濟社會發展的重要問題之一。太陽能作為無污染可再生的綠色能源，越來越受到世界各國的青睞，充分開發利用太陽能是我國政府的可持續發展能源戰略，是解決能源緊缺與保護環境的主要對策之一。作為一種新型綠色照明光源，LED燈正在逐步進入照明領域。其中光伏LED燈以其獨特的優勢已經進入市場。LED燈主要有以下幾個特點：（1）發光效率高。目前很多單顆LED商品的發光效率已達到90lm/W以上。（2）工作于直流低壓。太陽能組件的輸出與蓄電池所儲存的都是直流電，省去了交直流轉換的逆變器，節約了設備成本。（3）壽命長。LED燈的理論壽命可長達10萬小時［1］。LED是典型的電流型器件，對工作電流的大小和穩定性要求甚高，電流波動會影響LED的發光效率和光色，而電流超過額定值將損害LED的壽命與可靠性［2］。常用的LED驅動電路有降壓型（Buck）、升壓型（Boost）、升降壓型（Buck-Boost）3種，而現有的驅動控制器通常只能適用于其中的一種電路，因此研制一種具有普適性的控制器將具有很好的應用前景。
1LED驅動電路
眾所周知，LED光源對電流和電壓的穩定性有著相當高的要求，電壓過高會使LED光色發生變化甚至損壞，因此一個輸出穩定的LED驅動電路是必不可少的，其作用是在輸入電壓電流產生波動的情況下為LED提供持續而穩定的電流，保證LED燈的正常工作和壽命。常見的LED驅動電路有三種（見圖1）：Buck（降壓電路），Boost（升壓電路），Buck-Boost（升降壓電路）。通過對電路中儲能電感、續流二極管、及濾波電容位置的改變，可實現升壓或降壓的功能，這3種電路統稱為直流斬波電路。
通過對不同驅動拓撲電路的充放電分析，可以得到電路中的IGBT( Insulated
Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管) 發射極的PWM 信號的占空比，占空比不同，得到的輸出電壓值也不同。各驅動拓撲電路的輸出電壓如下:
對于Buck 電路:
Uo = D × Ui(1)
對于Boost 電路:
Uo =Ui1 － D(2)
對于Buck-Boost
電路:
Uo = D1 － DUi(3)
式(1) ～ (3) 中，Uo為斬波器輸出端電壓，Ui為斬波器輸入端電壓，D 為PWM 信號的占空比。
3 種電路各有優缺點，而根據實際情況的不同，通常要使用不同種類的驅動電路。例如，在使用高電壓光伏組件作為電源時，要使用降壓斬波器;在使用低壓太陽能光伏組件時則需要升壓斬波器等等。普通的驅動控制器通常只適用于其中的一種電路，因而設計能識別調控多種LED 燈驅動器的具有普適性的控制電路很重要。
3 LED 驅動電路的仿真
為了了解LED 驅動電路的工作特性，我們對3種驅動電路進行了MATLAB 仿真實驗，仿真模型如圖2 所示。其中，3 種電路的PWM 信號的占空比均為0. 5，輸入端電壓為12V，電阻R1、R2、R3均為10Ω，PWM 信號頻率設置為10kHz，功率器件選用IGBT，電感參數為1mH，電容參數分別為1μF、10μF、10μF。
經過仿真得到了如圖3 所示的電壓仿真波形，3條曲線分別為升壓式、降壓式、升降壓式輸出的電壓波形。由于PWM 信號占空比為0. 5，根據理論計算，三種斬波電路的輸出端電壓應分別為24V、6V、－12V，而觀察圖3 可知，實際輸出電壓值總是小于理論計算值。
光伏LED 照明的供電方式有兩種。第一種是蓄電池為LED 供電，即夜間工作模式。此時僅一個斬波器工作，起變壓和恒流的作用。由于蓄電池的電壓通常為12V，LED 負載的工作電壓往往低于這個值，應采用降壓式驅動電路，控制電路較容易實現對驅動電路的控制。第2 種是太陽能電池為LED 直接供電，即白天工作模式。此時太陽能電池同時在為蓄電池和LED 供電。太陽能電池與LED 之間串接兩個斬波器，第1 個起最大功率跟蹤( Maximum PowerPoint Tracking ，MPPT) 作用，第2 個是起變壓恒流作用［3］。為了探究兩個斬波器在工作時是否會相互影響而導致結果的不準確，對此情況進行了模擬仿真圖4 是兩個斬波器同時工作的仿真模型。根據實際情況對斬波器和相關參數進行了設定。輸入電壓設為12V，第1 級斬波器為降壓斬波，PWM 脈沖占空比為0. 5，周期為0. 1ms，L1 = 1mH，R1 = 10Ω，C1 = 1μF。第2 級斬波器為升壓斬波器，PWM 控制脈沖占空比是0. 5，周期為0. 1ms，L2 = 1mH，R2 = 10Ω，C2= 10μF。
通過仿真得到了第1 級輸出端電壓U1和第2 級輸出端U2的波形，如圖5 所示。由于第1 級降壓斬波器的參數和圖2 中Buck 斬波器的參數完全一致，我們可以將圖5 中的U1波形和圖3 中Buck 輸出波形進行比較。通過比較我們發現圖5 中的第2 級升壓斬波器在工作時對第1 級降壓斬波器產生了較大的影響，使第1 級斬波器跟蹤到的最大功率點發生擾動，造成太陽能電池不能工作在最大輸出功率狀態。由于第1 級降壓斬波器起太陽能電池的最大功率跟蹤功能，第2 級升壓斬波器維持LED 工作電壓電流的穩定，因此在控制過程中就需要對兩個斬波器的PWM 脈沖信號進行同步調節，使其協調工作。
4 控制系統的設計
經過上述分析可知，由于驅動方式有多種，斬波器之間的組合也各不相同，而普通的控制器通常只適用于其中的一種，不能隨實際情況的變化靈活改變。所謂普適性控制器，就是在輸入和LED 負載發生改變時仍能對電路進行控制。例如當太陽光發生改變時，光伏電池板輸出電壓范圍變化很大，原有的驅動可能滿足不了LED 負載的工作要求。若采用普適性控制器，則可由控制電路通過實時跟蹤切換不同驅動模式來滿足LED 的工作需求。
LED 是典型的電流型器件，對工作電流的大小和穩定性要求甚高，電流波動會影響LED 的發光效率和光色，而電流超過額定值將損害LED 的壽命與可靠性［4］。因此，在LED 驅動電路設計中要圍繞穩定負載電流而進行。
太陽能光伏LED 照明控制系統如圖6 所示。整個系統分為兩部分，一是太陽能電池板發電部分，二是照明驅動部分。系統使用了兩個斬波器，第1 個斬波器用來進行最大功率跟蹤，從而使太陽能電池板工作在最大輸出功率狀態［5］。第2 個斬波器則是起維持LED 負載電壓電流穩定的作用。每個斬波器兩端均有電壓電流傳感器，采集實時電壓電流數據并將采集到的數據傳回CPU。CPU 會根據這些數據判斷驅動電路的類型，之后會用合適的算法對驅動電路進行控制，維持LED 工作電流的穩定。
在整個系統中，CPU 是實現功能的核心，通過設計算法、編寫程序以實現識別不同斬波器并根據不同實際情況切換控制方法，達到維持輸出電流穩定的目的。
通過對不同斬波器的分析，我們可得到不同斬波器的特性。對于升壓式斬波器，輸出端電壓總是高于輸入端的值;對于降壓式，輸出端電壓總是低于輸入端;而升－ 降壓式的輸出端與輸入端的電壓極性相反。利用這些特性，足以達到識別的功能。另外，在對驅動電路進行仿真時發現，斬波器的實際輸出電壓總是小于理論計算值，因此在實際的控制系統中就不能直接用公式確定占空比D，而要通過測量和比較，對占空比不斷進行微小的修正，最終達到設定的電壓電流值。
為了快速而準確地得到LED 工作所需電流值，并防止電流過大損壞器件，應該先將斬波器的PWM信號占空比D 設定為一個較小的值，同時設定一個占空比微調值△D，我們稱之為步長。以步長△D 為單位不斷改變占空比D 的大小直到輸出端電流達到設定值。同時，步長也可以在輸入端電壓電流產生波動時對D 進行微調，來達到穩定電流的目的。
5 總結
通過以上幾個方面的探討和分析，對LED 驅動電路的不同形式進行了研究，并初步設計出了新型LED 驅動控制器，使其具有普適性，能適用于不同LED 負載的驅動，減少了負載不同而帶來的不便，具有適應性強、調節范圍大等特點，具有很好的應用前景。