TRIAC调光器和LED驱动器： 为什么使用中浪费了如此多的电力？

 一个多世纪以来，照明行业一直倚赖白炽灯泡，而过去五十年相位调光器（phase dimmer）成为了主要的调光控制手段。标准正相（forward phase）调光器，也称为可控硅（triac）调光器，众所周知，它很难与LED驱动器直接连接。更糟糕的是，每个调光器的性能差别很大。虽然有更新、更好的反相（reverse phase）调光器可供选择，标准正相调光器仍在全球的电力基础设施中占据主导地位，LED照明设备制造商根本无法简单回避它。像往常一样，向后兼容性至关重要。

图1：正相调光器

（图字：forward phase dimmer--正相调光器；bright--变亮；dim--变暗；AC mains—交流电源；load--负载；delay--延时）

正相调光器

标准正相调光器包含一个可控硅（triac）、一个双向二极管（diac）和一个RC电路，如图1所示。电阻用一个电位器来控制，由此产生的RC时间常数控制可控硅导通之前的延迟量。这种延迟被称为触发角（firing angle），而可控硅导通的部分时间称为导通角（conduction angle）。由此产生的电压波形是一个切相（phase cut）正弦波，如图1所示。

这种调光工作类型非常适合白炽灯泡，因为白炽灯泡就是一个纯电阻负载。随着导通角的减小，灯丝电阻上的时间平均电压下降，以达到自然平滑的调光。

重要的是要明白，可控硅有一个最小"保持"电流要求。流过可控硅的电流必须保持在这个最低水平之上，以确保整个导通角的导通。由于固有的功率水平（即40W、60W、75W等），这种情况对于白炽灯负载来说很容易达到令人满意的效果。

LED驱动器的兼容性

不幸的是，固态照明无法享用相位调光方法带来的好处。LED是一种半导体器件，通常是通过调节通过它的正向电流进行控制。由于高亮度LED可以导通100秒范围内从毫安到安培级（mA to A’s）的电流，开关转换器几乎可用于保持良好的系统效率。

标准的开关转换器适用于不管平均输入电压值而调节输出。这意味着，相斩波（phase chopped）波形必须首先进行解码。

然后，经解码的信息可以用来控制输出稳压的基准。虽然这对电力电子设计人员是一个相对简单的任务，但其中其实还隐藏着许多复杂性。

而纯阻性负载白炽灯则不是这样。相反，由于电容和电感组件是在电路之内，转换器看起来就像相位调光器的一个无功负载。伴随相位斩波电压的快速上升沿，将导致标准转换器出现问题。可以采用标准RC阻尼方法来减少这个上升沿引起的有问题的振铃。然而，这样做会带来额外的功率损耗。

更大的问题来自一个意想不到的情况，即现代LED的效率远优于白炽灯泡。白炽灯泡以红外（非可见光）频谱的形式浪费掉了约75％的光输出。另一方面，LED则以可见光谱提供了最多的光输出。最新的高亮度LED的效率可比白炽灯高5到6倍以上，在短短几年内，这个差距可能拉大到10倍。

这意味着，目前替代60W灯泡的LED功耗可以低至10至12W！这在节能方面贡献很大，但是，这不是相位调光器的贡献，因为相位调光器需要很大的最小保持电流。

在LED灯具中，可控硅可能无法传导足够的电流，以保持整个导通角的导通（这就是所谓的熄火（misfire））。由于连续整流交流线路周期中的熄火通常是不对称的，解码角可能在两点或多点之间出现振荡，这表现为在频率极低的情况下，光输出的明显颤动和闪烁。为确保不发生明显的闪烁，转换器必须消耗额外的电力，以确保可控硅不出现熄火。

这就在很大程度上违背了电源转换器设计的主要目标。设计人员试图尽可能最大限度地减少功率损耗，试图竭力保持每一个点的效率。然而，现在对相位调光器的要求太苛刻了，电力完全浪费掉了！

因此，现在设计人员有了双重任务：利用交流电源为LED负载提供充足的电源转换，还要确保相位调光器功能得当，同时尽量减少多余的功率损耗。

随着围绕电能质量的新法规的出现，许多LED系统现在需要功率因数控制（PFC）。PF是一种衡量有多少能量从转换器的输入端转移到输出端的方法。如果输入电流与输入电压完全同相且没有失真，则PF=1。由于无功元件和开关噪声缘故，任何输入电流的相移或失真都会降低PF。由于大多数LED系统采用了某种形式的PFC，输入电流通常会很好地根据输入电压而变。这意味着，相位调光器通常会在导通角的末端出现熄火，如图2所示。

图2：Triac缺火
（图字：misfire--熄火；original angle--原角）

什么是最好的解决方案？

满足电流要求的一个简单的解决方案是增加一个负载电阻，以确保全部传导间隔的最小输入电流条件得到满足。当然，这种方法效率很高。对于一个40W的白炽灯替代方案（约7W的LED）来说，这可能意味着10-20％的效率命中率（efficiency hit）！

一个更复杂的解决方案是线性增加每个周期的负载，这意味着，在导通角达到末端最大值之前，导通角范围内的额外保持电流是斜坡上升的。这种方法可以大大降低效率流失，但很难确保较大的工作范围。

例如，在一个针对15W LED筒灯（85Vac至305Vac）的通用输入解决方案中，最坏的保持电流出现在305Vac，此时输入电流最小。为了确保可控硅在305Vac时在整个导通角范围内仍然导通，需要增大保持电流。由于是一种通用设计，加在85Vac时的保持电流要提升至4倍以上！这将又造成很大的功率浪费。