High performance electronic systems for high bay light emitting diodes fed from alternating current power grids

Abstract

Light-Emitting Diodes (LEDs) are increasingly becoming our main source of artificial light in our homes, offices or streets due to their reliability, long life, luminous efficacy and low maintenance requirements. However, LEDs are diodes, which means that the current is able to go through them in only one direction. This fact is of utter importance because of the direct relationship between the light outputted by the LED and the current across it, making an impossibility the direct connection to an ac power grid without incurring into the flicker phenomenon which is not only annoying but harmful for human beings. Thus, an interface is required between the ac power grid and the LEDs in order to drive the LEDs with a constant current that ensures a good quality light output. This interface is normally referred as ac-dc LED driver. An ac-dc LED driver is but a power converter that feeds a very unique and non-linear load, and as such it needs to meet several requirements in accordance to the regulations and the needs of the LEDs. Then, as any equipment connected to the ac power grid it needs to comply with the harmonic injection regulation, IEC 61000-3-2, which in this particular case sets extremely strict limits for ac-dc LED drivers of more than 25 W, being much laxer for those of lower power. In that respect, the regulations demands for the input current of the ac-dc LED driver to be sinusoidal and in phase with the input voltage. This performance is traditionally achieved in Power Factor Correction (PFC) with active solutions whose behaviour at the input is equivalent to a resistance, normally referred as Loss Free Resistor (LFR). Achievement that is feasible by several topologies by means of operating them adequately with the proper control methodology. In fact, for single-phase ac-dc converters, this is conventionally achieved by means of a PFC boost converter, normally followed by a cascaded isolated dc dc converter. The first converter achieves the desired LFR performance while the second controls the current through the LEDs, improves the dynamic response to load changes, could provide galvanic isolation and could remove the electrolytic capacitor while keeping a flicker free performance that should be ensured by meeting the requirements set by Practice 1 of the IEEE Std. 1789-2015. The newly proposed flicker standard ensures the achievement of good light quality, setting the rules for how much ripple is allowed in the output instantaneous luminance and thus for the current ripple across the LEDs. The removal of the electrolytic capacitor is extremely important as one of the requirements for ac-dc LED drivers is having a lifetime comparable to that of the LEDs, being this element the most limiting one in order to achieve this feat. In fact, the ENERGY STAR® program, which is a renowned set of rules for ac-dc LED drivers, considers the minimum lifetime of the LED driver as one of the requisites to give its seal of approval. Therefore, it can be understood why the current literature has put so much effort on the study of electrolytic capacitor-less ac-dc LED drivers, which is normally achieved by means of ac-dc quasi-single-stages. Nonetheless, this is not always possible when the cost of the LED driver and not its reliability, is the most limiting factor to be considered in the design, hence requiring the use of a simpler single-stage ac-dc LED driver. The present dissertation investigates different solutions to drive LED luminaires, which are LED loads of more than 25 W, in commercial and industrial installations for both single-phase and three-phase ac power grids in the range of decades of watts to a few kilowatts, while complying with all of the aforementioned regulations and with the aim of improving the performance of the current state-of-the-art solutions. As a matter of fact, LEDs are prone to take over traditional lighting technologies in every environment, thus replacing high power spotlights that would require high power ac-dc LED drivers. In that respect, and considering that in most installations in which this high power spotlights are required the three-phase grid is also available, it opens the possibility of using specific three-phase ac-dc LED drivers. It should be noted, it is not the aim of this dissertation to rewire household environments with three-phase power grids, but to use those that are readily available. The study carried out in this dissertation is organized into five different chapters discussing the driving of LEDs on ac power grids. For that matter, and in order to lay the foundations for the rest of the chapters, the first one summarizes the most basic concepts around LED driving aiming to answer two basic questions, which are: ‘why are LEDs more prone to be used in spite of traditional lighting technologies’ and ‘how are LEDs supposed to be driven’. In addition a thorough analysis has been carried out regarding the different rules set by the regulations for ac-dc LED drivers and the state-of-the-art solutions to drive LED from ac power grids. The latter classifies the ac-dc LED drivers under several categories in accordance to the amount of power stages and the kind of power grid they are meant to be used on (i.e., single-phase or three-phase) while discussing at the same time the advantages and disadvantages of the most promising topologies. Los diodos emisores de luz (Light-Emitting Diodes, LEDs) se están convirtiendo en la fuente de luz preferida en nuestras casas, oficinas o calles, debido a su fiabilidad, su larga vida útil, su alto rendimiento lumínico y su bajo coste de mantenimiento. Sin embargo, estos sigues siendo diodos, permitiendo que la corriente sólo circule en un único sentido. Lo cual es de suma importancia ya que existe una relación directa entre la luz emitida y la corriente que atraviesa al LED, haciendo que la conexión directa a una red de distrbución de corriente alterna no sea adecuada debido al fenómeno del parpadeo o flicker en la literatura anglosajona, que no sólo es molesto para los seres humanos, sino que a la larga puede causar perjuicios en su salud. Es por ello necesario el uso de una interfaz entre la red y los LEDs de manera que se controle que la corriente que circula a través de ellos sea constante, para así obtener una alta calidad lumínica. Este elemento o interfaz se conoce como controlador de LEDs o driver de LEDs en su terminología anglosajona. Un driver de LEDs no deja de ser un convertidor de potencia que alimenta una carga singular y que además no es lineal, lo cual hace que tenga que cumplir una cierta normativa y satisfacer las necesidades de su carga. Por norma general, un equipo electrónico como es un driver de LEDs conectado a la red, necesita cumplir la normativa de inyección de harmónicos de baja frecuencia definida por el estándar IEC 61000-3-2, que establece unos límites extremadamente estrictos para todo equipo de iluminación de más de 25 W, no siendo así para aquellos de menor potencia. En este sentido, la normativa específica qué a efectos prácticos, la corriente que demande el driver ca-cc de LEDs sea sinusoidal y en fase con su tensión de entrada, lo cual se consigue de forma tradicional mediante el uso de convertidores que alcancen una corrección del factor de potencia (Power Factor Correction, PFC) activa, siendo capaces a su vez de propiciar un comportamiento de resistencia libre de pérdidas (Loss Free Resistor, LFR) a su entrada. Este comportamiento se consigue en un gran número de topologías mediante un control adecuado. De hecho, en el caso particular de los convertidores ca-cc monofásicos uno de los sistemas más utilizados tradicionalmente se basa en un convertidor elevador con PFC seguido de un convertidor cc-cc aislado galvánicamente, donde el primer convertidor se encarga de obtener el comportamiento como LFR mientras que el segundo se encarga de controlar la corriente en los LEDs, mejorar el comportamiento dinámico frente a cambios que se produzcan en la carga y de eliminar el condensador electrolítico presente en los convertidores ca-cc para desacoplar la ca de la entrada de la cc a la salida, asegurando que se cumple la normativa de flicker definida en la práctica 1 del estándar del IEEE 1789-2015. Este estándar propuesto de forma reciente asegura que el controlador de LEDs garantice una buena calidad lumínica, mediante la limitación del contenido de baja frecuencia típico de las redes de ca en la luz emitida. La eliminación del condensador electrolítico es de suma importancia, debido a que uno de los requisitos que un driver de LEDs debe cumplir es tener una vida útil comparable a la de los LEDs, siendo este elemento es el más limitante para conseguirlo. De hecho, el programa ENERGY STAR®, que define una serie de normas para el driver ca-cc de LED, considera que este debe tener un mínimo tiempo de vida útil para otorgarle su sello. Por lo tanto, es comprensible que durante los últimos años la literatura desarrollada alrededor de los drivers ca-cc de LED se centre en la eliminación de este elemento mediante el uso de topologías como las cuasi-únicas etapas. Aun así, esto no es siempre factible cuando el coste del driver ca-cc de LEDs, y no su fiabilidad, es la especificación de mayor importancia para su diseño, necesitando por tanto un driver ca cc de LEDs simple y de una única etapa. El objetivo de la presente tesis es la investigación de diferentes drivers ca-cc de LED para la alimentación de cargas LED (de más de 25 W), en instalaciones comerciales e industriales, para redes monofásicas y trifásicas de corriente alterna, en un rango de potencias que abarque desde las decenas de vatios a unos pocos kilovatios, garantizando también el cumplimiento de la normativa necesaria y con el objetivo de mejorar las soluciones propuestas con anterioridad en la literatura. Teniendo en cuenta que los LED están tendiendo a desplazar a los sistemas de iluminación tradicionales en todos los ámbitos, entonces también lo harán con los focos de alta potencia que necesitarán drivers ca-cc de la misma potencia. En ese sentido, y considerando que la mayor parte de instalaciones para las que se propone instalar este tipo de focos tienen disponible el conexionado a la red trifásica, se abre así la posibilidad de usar controladores LED trifásicos. Aquí es importante puntualizar, que el objetivo no es renovar la instalación eléctrica en el entorno doméstico sino utilizar la red trifásica allí donde sea posible. El estudio realizado en la presente tesis se divide en cinco capítulos proponiendo soluciones de drivers ca-cc de LEDs en redes ca. Por ese motivo, y con el objetivo de sentar las bases para el resto de capítulos, el primero de ellos se encarga de resumir los conceptos más básicos en el ámbito del control de iluminación con LEDs, queriendo contestar dos cuestiones: ‘por qué van a reemplazar a las luminarias tradicionales’ y ‘cómo se deben controlar’. Además, se ha realizado un estudio en profundidad que se encarga de especificar las normativas más importantes y de resumir el estado del arte de drivers ca-cc de LED en redes ca. Este último se encarga de clasificar los drivers ca-cc de LED en diferentes categorías en función del número de etapas y del tipo de red (ya sea monofásica o trifásica), analizando las ventajas y desventajas de aquellas topologías que se consideren más prometedoras.