Long Life Single Stage PFC/SLC Converter driving LEDs

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.
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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.

After a historical introduction, the future of LED development was extrapolated using Haitz Law: The average light output per package increases by a factor of 10 every 20 years. LEDs are nowadays omnipresent for lighting. Long lasting lighting applications require a robust system design. Therefore, the typical failure issue of LED luminares was investigated: The power supply is with 52% of all failures the most likely issue. In some situations, it has to be exchanged 10 times before the lifetime limit of the LED module is reached.

A majority of LED driver failures are caused by the electrolytic capacitor. ... mehrBy the design-out of this electrolytic capacitor, it is estimated that the lifetime can be increased significantly. An estimation suggests a LED driver service life of 80 years. As these claims cannot be verified, they have to be treated with caution. A multitude of LED driver technologies and topologies were analyzed in section 4 and finally, after a holistic topology analysis, the SLC topology was chosen.

A sophisticated analysis of the discontinuous PFC and the series LC converter was conducted in the time domain. Thereby, each operation step was analyzed in detail. For both functional blocks, the author determined the average input current and the average output current respectively. As two variables have to be set, the AC input current and the DC output current at the same time, two degrees of freedom are required for control. The PFC and the SLC transfer functions are controlled by frequency and duty cycle. So, a solving algorithm was derived that calculates the frequency and the duty cycle as a function of input conductance, output current, and multiple measurement values. By monitoring the DC Link voltage for control, a high rejection against input voltage and output voltage changes is achieved. Thus, it was possible to use lower value film capacitors, extending the converter's lifetime significantly.

For the proposed specialized control algorithm several voltages and currents must be measured and digitally conditioned. E.g. the DC Link voltage is measured and filtered first analog and then digitally by a resonant observer to cancel the double mains grid frequency ripple. Further, a method for galvanically isolated voltage measurements is proposed. It has a high sample rate of currently up to 2 megasamples per second. By this, the controller can be placed on the primary side, while the secondary side can be measured accurately. Based on the measurements, protection concepts are proposed to avoid fatal failures during development and operation.

To increase the number of LEDs in an LED engine, for instance, to use smaller MidPower LEDs instead of HighPower LEDs, a novel circuit for paralleling LEDs was presented. It measures the individual string currents, creates an average of the individual string currents and feeds it back to the paralleling controllers. By that, LEDs can be safely paralleled without compromising efficiency.

For the operation of the converter, a sophisticated auxiliary power supply concept is developed. As all controls are implemented in the digital domain, in-depth software engineering is required to ensure real-time performance of the CPU. Non-adequate control implementation results in glitches that lead to an unstable control loop.

The measurement section demonstrates that a long-lasting, flicker-free LED driver has been developed. Its grid input current has a sinusoidal shape, while providing a virtually constant output current to the LED. The PFC/SLC converter's efficiency is measured to 93%.