室外LED 驅(qū)動器的防雷設(shè)計探討
編輯：2021-06-14 13:38:56
太原避雷檢測 山西防雷檢測 山西防雷工程 山西避雷檢測 太原防雷公司
近幾年，LED 路燈應(yīng)用越來越廣泛，室外應(yīng)用的LED 驅(qū)動器，對產(chǎn)品的可靠性有較高要求，特別是要求具有較高的防雷擊浪涌等級。電網(wǎng)中的浪涌電壓主要有以下類型: ①直擊雷，是指帶電雷云與被放電物之間直接發(fā)生的雷擊放電，直擊雷蘊含極大的能量，峰值電壓可高達5 000 kV，具有極大的破壞力; ②傳導(dǎo)雷，指雷電擊中電網(wǎng)線路或因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的瞬態(tài)高電壓，由電網(wǎng)線路或者其他通信線路傳至LED路燈; ③開關(guān)過電壓，電網(wǎng)中的感性負載和容性負載在切入或斷開瞬間，一般都會在線路上產(chǎn)生瞬態(tài)的脈沖高電壓或脈沖高電流，瞬時峰值可達電網(wǎng)額定電壓的幾倍，會嚴重破壞路燈設(shè)備，損壞類型與雷擊相似。LED 驅(qū)動器的防浪涌設(shè)計主要是針對傳導(dǎo)雷及開關(guān)過電壓的防護。本文介紹了典型的LED 路燈防雷電路設(shè)計方案。山西防雷驗收
1、浪涌抗擾度測試要求
IEC 和ANSI 對防雷擊浪涌測試設(shè)備、測試條件和測試方法，制定了相應(yīng)的規(guī)范。IEC 61000-4-5 是專門針對浪涌抗擾度測試設(shè)備及測試方法的安全規(guī)范，浪涌抗擾度測試的浪涌電壓波形為1． 2 /50μs-8 /20μs 的組合波脈沖，詳見圖1。對戶外應(yīng)用的LED 驅(qū)動電源，浪涌抗擾度測試的電壓等級要求至少差模6 kV、共模6 kV，甚至更高。ANSI C82． 77 中明確規(guī)定了戶外燈具的最低浪涌防護等級，組合波差模共模6 kV/3 kA，2 Ω 內(nèi)阻。大同防雷檢測
圖1 浪涌抗擾度測試的浪涌電壓波形
( a) 組合波開路電壓( 1． 2 /50μs) 波形;
( b) 組合波短路電流( 8 /20μs) 波形
Fig． 1 Surge voltage waveforms used for surge immunity test
( a) Open circuit voltage waveform of combination wave ( 1．2/50μs) ;
( b) Short circuit current waveform of combination wave ( 8/20μs)2、LED 路燈系統(tǒng)的防雷設(shè)計方案
圖2 為典型的LED 路燈系統(tǒng)的防雷方案。該方案由兩級保護組成: 外置的SPD 浪涌保護器和內(nèi)置于LED驅(qū)動器的浪涌保護電路。SPD 浪涌保護器作為第一級尤為重要，把10 kV ～ 30 kV 的電網(wǎng)浪涌電壓鉗位到4 ～ 8 kV。內(nèi)置于LED 驅(qū)動器中的第二級保護電路，將4 ～ 8 kV 的浪涌電壓進一步鉗位至幾百V以內(nèi)，以保護LED 驅(qū)動器中的其他電路。忻州防雷檢測
圖2 LED 路燈的防雷典型設(shè)計
Fig． 2 Typical surge protection design of LED street luminaire
浪涌的防護一般按照耦合方式可分為兩類: 差模浪涌和共模浪涌。差模浪涌，是指耦合在火線L 和零線N 之間的浪涌電壓; 共模浪涌，是指耦合在火線L 和地線PE，或者零線N 和地線PE，或者零火線和地線之間的浪涌電壓。一般來講，差模浪涌對產(chǎn)品的破壞性更大，防護電路設(shè)計也較為復(fù)雜。 運城防雷檢測
2． 1 差模防雷擊浪涌設(shè)計
差模浪涌耦合到LED 驅(qū)動器中，在驅(qū)動器電路的功率回路中會產(chǎn)生瞬時的高壓，這些高壓一旦超過了電路相關(guān)元器件的額定值，在相應(yīng)位置或元器件上會發(fā)生放電擊穿，元器件可能永久損壞。如圖3 所示，差模電壓一般會在L 與N 之間，以及VBUS與功率地之間產(chǎn)生高壓。常見的差模浪涌失效模式主要有: 保險絲熔斷、壓敏電阻損壞、功率半導(dǎo)體器件擊穿、電解電容漏液。針對以上失效模式，元器件的選型顯得尤為重要。比如，保險絲，除了考慮額定電流和開機啟動的浪涌電流外，還要考慮雷擊時的浪涌電流。壓敏電阻，考慮能承受足夠次數(shù)的雷擊浪涌電流，而不能只根據(jù)最大鉗位電流來選擇。另外，電路板上要保證足夠的爬電距離，爬電距離的設(shè)定除了考慮正常工作狀態(tài)下的電壓外，還要考慮雷擊浪涌測試產(chǎn)生的尖峰電壓。此外，差模浪涌保護電路設(shè)計也非常重要。呂梁避雷檢測
圖3 LED 路燈的差模防雷設(shè)計
Fig． 3 Differential mode surge protection design of LED street luminaire
LED 驅(qū)動器中差模防雷擊浪涌的設(shè)計一般從以下幾方面考慮: 拓撲結(jié)構(gòu)，浪涌電壓鉗位，特定保護電路等。山西避雷塔
2． 1． 1 拓撲結(jié)構(gòu)
室外LED 驅(qū)動器一般采用兩級或兩級以上的拓撲，除了考慮功率等級外，雷擊浪涌保護也是其中重要的原因之一。Boost 電路因輸出濾波電容多采用電解電容，對瞬態(tài)的浪涌電壓有一定的緩沖作用，所以，相較于其他拓撲結(jié)構(gòu)的電路，Boost 拓撲更適合作為戶外LED驅(qū)動器電源的第一級拓撲。如圖3 所示，CBUS容值根據(jù)輸出功率的大小，一般為10 ～ 100 μF 之間，浪涌時，對Q1，Q2，Q3 的電壓起到一定的鉗位作用。山西避雷器
2． 1． 2 浪涌電壓鉗位電路
差模浪涌的防護，一般采用兩級或兩級以上的電路。第一級電路的設(shè)計以器件不損壞為主要目標。如圖3，VR1 一般選用直徑14 mm、交流額定電壓320VAC 的壓敏電阻。在6 kV 浪涌電壓下，流經(jīng)VR1 的電流大約在2 kA 左右。由壓敏電阻技術(shù)手冊中可得知，該VDR 的鉗位電壓大約為1． 2 kV，耐受超過40 次浪涌脈沖。第二級電路設(shè)計，以盡可能降低鉗位電壓為目的。流經(jīng)壓敏電阻的電流越小，其鉗位電壓越低?？梢酝ㄟ^增加第一級鉗位電路和第二級之間的插入阻抗來實現(xiàn)。如圖4 ( a) 所示，VR4 額定電壓為320VAC，兩級鉗位電路之間有EMI 濾波器，在選擇濾波器時，在滿足整機效率的前提下，優(yōu)先選擇一些DC 阻抗比較大的電感。當流經(jīng)VR4 的電流為20 A 時，鉗位電壓約在700 V，對于常用的600V 或者650 V 的MOSFET，還是偏高。圖4 ( b) 為一種改進型的鉗位電路，該電路增加了一個開關(guān)器件SW，該器件可以為可控硅，或者是MOSFET 等，由浪涌檢測電路控制。當檢測到浪涌電壓時，SW 導(dǎo)通，壓敏電阻VR4 接入電路; 當沒有浪涌電壓時，SW 斷開，VR4 不接入電路。這樣VR4 就可以選用較低額定電壓的型號，以達到降低浪涌鉗位電壓的目的。山西避雷驗收
圖4 差模浪涌防護電路( a) 改進前; ( b) 改進后
Fig． 4 Differential mode surge protection circuit
2． 1． 3 特定保護電路
如某一特定器件浪涌測試時應(yīng)力較高，可以設(shè)計針對該器件的特定保護電路。如圖3 中，如Q1 電壓超出額定值( 一般開關(guān)管在關(guān)斷的瞬間，因電路寄生電感的存在，會產(chǎn)生一定的電壓過沖，該電壓過沖的幅值根據(jù)寄生電感和開關(guān)電流的大小，一般在幾十V左右) ，可以設(shè)計電路檢測到浪涌電壓時，徹底關(guān)斷Q1，以起到一定的防護作用。
2． 2 共模防雷擊浪涌設(shè)計
共模浪涌設(shè)計主要保護LED 驅(qū)動器的負載LED模組。LED 路燈中的LED 模組一般采用中功率或大功率LED 顆粒，散熱設(shè)計一般采用MCPCB 或增加散熱器，散熱器接到燈具的保護地上。相當于LED 負載和散熱器之間存在寄生電容，如圖5 中的CP2，CP3，根據(jù)LED 模組PCB 中鋪銅的面積大小，該寄生電容一般在幾十pF ～ 幾nF 之間，如變壓器T1 兩端有跨接電容CP1，則感應(yīng)在LED 顆粒和散熱器之間的電壓為CP1 和CP2 /CP3 的共模分壓。所以CP1 要盡量小，這樣更多的共模電壓在輸出隔離變壓器T1上，達到保護LED 模組的目的。山西防雷公司
圖5 LED 路燈的共模防雷設(shè)計
Fig． 5 Common mode surge protection circuit
共模浪涌防護的關(guān)鍵在于設(shè)計具有較高絕緣等級的隔離變壓器，PCB 板上，原副邊之間保證足夠的爬電距離。另外，也可在輸入側(cè)增加壓敏電阻VR2，VR3 作為共模鉗位，也可用氣體放電管代替壓敏電阻，或者采用氣體放電管串聯(lián)壓敏電阻的方案。太原防雷檢測
3、測試及結(jié)果
差模浪涌保護電路，第一級保護電路采用直徑14 mm，額定電壓320VAC 的壓敏電阻。第二級保護電路采用直徑10 mm，額定240 VAC 的壓敏電阻和雙向晶閘管串聯(lián)。
共模浪涌保護，未加專用的保護電路，電路板設(shè)計保證6 mm 原副邊爬電距離，所有電路對保護地也保持6 mm 爬電距離，隔離變壓器原副邊之間保證6mm 的爬電距離。山西防雷公司
雷擊浪涌測試采用6 kV/3 kA 差模共模，內(nèi)阻2Ω，4 種耦合方式( L-N，L-PE，N-PE，L /N-PE) ，40次浪涌脈沖，采用該方案的LED 驅(qū)動器順利通過雷擊浪涌測試。
圖6 浪涌保護電路工作波形圖
Fig． 6 Measured waveform of surge protection circuit
圖6 為6 kV 差模浪涌測試的工作波形。通道1為第一級保護電路的電壓，通道2 為第二級保護電路的電壓，通道3 為半橋中點的電壓波形。經(jīng)第一級鉗位電壓降至1 045 V，經(jīng)第二級鉗位后，浪涌電壓進一步降低至620 V，采用600 V 額定電壓的MOSFET 已經(jīng)能夠滿足要求，如若進一步降低浪涌時MOSFET兩端的電壓，可以進一步優(yōu)化第二級浪涌鉗位電路。山西避雷檢測
4、結(jié)論
本文介紹了雷擊浪涌對LED 驅(qū)動器的危害，分析了雷擊浪涌的主要耦合途徑，并提出了差模共模雷擊浪涌的保護方案，采用相應(yīng)方案的LED 驅(qū)動器順利通過了相關(guān)雷擊浪涌測試。對LED 燈具的防雷設(shè)計具有一定的借鑒意義。
