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功率器件技术 ★ 5.0

高功率密度矩阵谐振开关电容LED驱动器

High Power Density Matrix Resonant Switched-Capacitor LED Driver

作者 Yijie Wang · Jingyang Tan · Wei Lu · Shouheng Han · Dianguo Xu
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2025年2月
技术分类 功率器件技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 LED驱动电路 矩阵谐振开关电容拓扑 功率密度 输出调节 可行性验证
语言:

中文摘要

随着 LED 光源技术的发展,其输出功率逐渐提高。更高功率的 LED 光源需要更大的散热元件,这对其他组件的效率和尺寸提出了更高要求。LED 驱动电路是照明系统的关键组成部分。为提高效率和工作频率,可采用谐振型变换器电路实现软开关操作,从而减小整体尺寸。本文提出一种矩阵谐振开关电容拓扑结构,以提高 LED 驱动器的功率密度。该设计采用模块化设计方式,可通过快速扩展模块灵活调整输出需求。除了通过扩展模块单元实现输出调节外,本文还基于所提出的拓扑结构提出了一种小范围调节输出电压的方法。无需扩展模块,通过调节占空比和开关频率即可实现。此外,制作了一个输出功率为 50 W 的基本模块原型,以验证所提出拓扑结构的可行性。

English Abstract

As LED light source technology advances, the output power gradually increases. Higher power LED light sources require larger heat dissipation elements, which puts higher demands on the efficiency and size of other components. LED driver circuits are a crucial component of the lighting system. To increase efficiency and operating frequency, resonant-type converter circuits can be used to achieve soft-switching operation, which reduces overall size. This paper proposes a matrix resonant switched-capacitor topology to enhance the power density of LED drivers. The design uses a modular design amount, enabling flexible adjustments to output requirements by rapidly expanding the modules. In addition to achieving output regulation by expanding the module unit, this paper proposes a method for regulating the output voltage within a small range based on the proposed topology. This can be achieved by adjusting the duty cycle and switching frequency without the need for expansion. Additionally, a prototype of a basic module with an output power of 50 W is fabricated to demonstrate the feasibility of the proposed topology.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的矩阵谐振开关电容LED驱动技术展现了显著的跨领域应用价值。虽然该技术直接针对LED驱动场景,但其核心设计理念与我们在光伏逆变器和储能系统中追求的技术方向高度契合。

该拓扑的核心优势在于通过谐振软开关技术实现高功率密度和高效率,这与阳光电源在逆变器小型化、轻量化方面的战略需求完全一致。特别是其模块化设计思路,能够通过快速扩展模块灵活调整输出需求,这与我们的组串式逆变器和模块化储能系统的架构理念不谋而合。在分布式光伏和户用储能领域,这种灵活扩展能力能有效降低产品系列化成本,提升市场响应速度。

论文提出的双重调节机制——既可通过模块扩展实现大范围功率调节,又可通过占空比和开关频率调节实现小范围电压控制——为我们的DC-DC变换器设计提供了新思路。这种控制策略可能应用于储能系统的精细化能量管理和光伏MPPT优化中,提升系统整体效率。

然而,技术挑战同样明显。论文仅验证了50W基础模块,距离我们动辄数十千瓦甚至兆瓦级的应用场景存在显著的功率等级差距。谐振参数设计、EMI抑制、多模块均流控制等在大功率场景下的可靠性需要深入验证。此外,开关电容拓扑对电容器件的耐压和寿命要求较高,在户外严苛环境下的长期可靠性是关键考量因素。

建议将该技术作为前瞻性研究方向,优先探索其在车载充电器、便携式储能电源等中小功率产品中的应用可行性。