臺灣博碩士論文加值系統

由於材料與製程技術的快速發展，高亮度發光二極體(LED)已經逐漸普遍應用於各種照明場合。LED燈具有包括長達10,000小時以上的操作壽命、寬廣的工作溫度範圍以及僅需簡單的驅動電路等優點。LED燈可工作於低電壓，無需螢光燈所必要的高壓啟動電路設計。本論文提出一種具有改良型單級返馳式電路架構的高效能LED燈驅動器，該單級轉換器係由電荷泵功率因數修正單元，整合返馳式直流/直流單元所構成，回授迴路被設計以調整LED電流。ㄧ部應用定電流控制之電路，可達到高效率、高功率因數的雛型電路可被實現及測試。

Rapid advances in material and manufacturing technologies have had significant developments in high-luminance LEDs for lighting applications. LED lamps have numerous advantages, such as up to 100,000 hours of operation life, a wide range of operation temperature, and the simplicity of a driver circuit. LED lamps work with low and safe voltage, and no ignition circuit require like fluorescent lamps. In this thesis, a high performance LED lamp driver with an improved single-stage Flyback configuration is proposed. The single-stage converter is a charge-pump PFC cell integrated with a Flyback DC/DC cell. A feedback loop is designed to regulate the LED current. A laboratory prototype, which is high efficiency and high power factor, has been built and tested. Constant current control is designed in this circuit.

摘 要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 功率因數修正 2
1.3 驅動器架構 2
1.4 本文綱要 3
第二章 固態光源 4
2.1 發光二極體 4
2.1.1 物理發光原理 4
2.1.2 發光二極體之製程 5
2.1.3 發光二極體的特性 7
2.2 高功率發光二極體 8
2.2.1 電氣特性 10
2.3 白光二極體 11
2.3.1 螢光材料 11
2.3.2 演色性及色溫度 12
第三章 功率因數修正 14
3.1 功率因數修正分析 14
3.2 功率因數修正電路 18
3.2.1 主動式功率因數修正電路 18
3.3 具功率因數修正之電源轉換器 21
3.3.1 兩級串接式電源轉換器 21
3.3.2 單級電源轉換器 22
3.4 主動式功率因數修正控制方式 23
3.4.1 連續控制模式 23
3.4.2 不連續控制模式及邊界模式 27
3.5 電荷泵功率因數修正 29
3.5.1 電荷泵功率因數修正分析 29
第四章 單級LED燈驅動器之動作原理與分析 35
4.1 驅動器架構 35
4.2 返馳式電源轉換器 36
4.3 單級LED燈驅動器電路架構說明 39
4.3.1 電路動作原理分析 40
4.4 穩態電路分析 47
4.4.1 穩態功率因數修正分析 47
4.4.2 功率因數修正有效責任週期 49
4.5 驅動器控制方式 51
4.5.1 定電流控制 53
4.5.2 保護電路控制方式 53
第五章 驅動器設計製作 56
5.1 驅動器規格 56
5.2 驅動器參數設計 57
5.2.1 諧振電感電容設計 57
5.2.2 變壓器設計 58
5.2.3 功率開關 、整流二極體 、箝位二極體 及輸出整流二極體 62
5.2.4 儲能電容 63
5.2.5 輸出濾波電容 63
5.3 負載高功率發光二極體設計 64
第六章 實驗與電路模擬結果討論 65
6.1 模擬波形與實測波形 65
6.2 效率分析 77
6.3 功率因數與諧波分析 79
6.4 負載調整率 82
6.5 線電壓調整率 83
6.6 電磁干擾量測 84
6.7 實際電路照片 85
第七章 結論與未來展望 86
參考文獻 87
個人簡歷 89

圖表目錄
圖2.1 發光二極體順向偏壓電子電洞游離方向示意圖 5
圖2.2 發光二極體結構示意圖 6
圖2.3 發光二極體特性曲線 8
圖2.4 發光二極體結構 9
圖2.5 傳統二極體和高亮度發光二極流明保持率比較 9
圖2.6 高亮度發光二極體電壓與電流特性 10
圖2.7 白光二極體元件結構示意圖 12
圖2.8 白光發光二極體製作方式 12
圖3.1 傳統電源轉換器 14
圖3.2 傳統電源轉換器電壓電流波形 14
圖3.3 橋式整流濾波電路 15
圖3.4 被動式濾波器 18
圖3.5 單開關功率因數修正電路 19
圖3.6 兩級串接式電源轉換器 21
圖3.7 單級電源轉換器 22
圖3.8 單級功率因數修正應用電路 22
圖3.9 磁滯電流控制法 24
圖3.10 峰值電流控制法 25
圖3.11 平均電流控制法 27
圖3.12 電壓隨耦控制法 28
圖3.13 電荷泵功率因數修正 30
圖3.14 電荷泵整合半橋式架構 30
圖3.15 電荷泵整合返馳式架構 31
圖3.16 電荷泵功率因數修正 34
圖4.1 單級LED燈驅動器系統架構圖 35
圖4.2 返馳式電源轉換器 36
圖4.3 返馳式轉換器連續導通模式狀態時序波形 37
圖4.4 返馳式連續導通模式電路圖 37
圖4.5 返馳式轉換器不連續導通模式 38
圖4.6 單級LED燈驅動器 39
圖4.7 電路工作狀態時序圖 41
圖4.8(a) 模式一 44
圖4.8(b) 模式二 44
圖4.8(c) 模式三 44
圖4.8(d) 模式四 45
圖4.8(e) 模式五 45
圖4.8(f) 模式六 45
圖4.9 輸入電壓接近零交越點之電路工作時序圖 46
圖4.10 電荷泵功率因數修正示意圖 47
圖4.11 輸入電壓與諧振電感電壓 48
圖4.12 升壓式功率因數修正架構示意圖 49
圖4.13 功率因數有效開關責任週期與輸入電壓關係圖 50
圖4.14 UC3842內部方塊圖 51
圖4.15 電流模式控制方塊圖 52
圖4.16 電流模式脈寬調變方式 52
圖4.17 輸出定電流控制方塊圖 53
圖4.18 輸入低電壓保護方塊圖 54
圖4.19 輸出過電壓及輸出空載保護 55
圖5.1 實作電路架構圖 56
圖5.2 變壓架結構 58
圖5.3 負載LED燈排列圖 64
圖6.1 單級驅動器IsSpice模擬電路圖 65
圖6.2 功率開關控制訊號 66
圖6.3 開關訊號與諧振電感電流 67
圖6.4 變壓器初級側次級側電壓電流波形 68
圖6.5 開關訊號及開關跨壓波形 69
圖6.6 功率開關跨壓波形圖 70
圖6.7 輸入電壓、電流波形 71
圖6.8 以L6561實現驅動器之輸出電流電壓波形 72
圖6.9 單級驅動器之輸出電流電壓波形 74
圖6.10 以L6561實現驅動器之輸出電壓電流 74
圖6.11 本文驅動器之輸出電壓電流暫態波形 75
圖6.12 儲能電容電壓與輸出功率關係圖 76
圖6.13 單級驅動器效率圖 78
圖6.14 輸入電壓與功率因數關係 79
圖6.15 不同輸出功率與功率因數關係 80
圖6.16 不同輸出負載之各次諧波 80
圖6.17 輸入電壓與總諧波失真關係圖 81
圖6.18 單級驅動器輸出電壓與輸出電流關係圖 82
圖6.19 單級驅動器輸入電壓與輸出電流關系圖 83
圖6.20 電磁干擾量測結果 84
圖6.21 單級驅動器實作照片 85
圖6.22 高功率發光二極體點亮後情形(側視圖) 85
表2.1 商用各種顏色之可見光LED材料及發光效率 6
表2.2 傳統發光二極體與高功率發光二極體比較表 10
表2.3 高功率發光二極體規格 11
表2.3 不同光源環境相關色溫度 13
表5.1 高功率發光二極體規格 64

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