大功率LED在铁路桥隧照明的应用

【摘 要】 本文分析了LED节能灯的技术特点、实用化应用的技术问题和解决方案，并设计开发了一款高性能、高可靠的实用化大功率LED驱动装置，用于替代传统金卤灯作为铁路桥梁隧道照明，具有十分重要的社会效益和明显的经济效益。

【关键词】 桥隧照明 大功率LED 技术特点 驱动装置

1 引言

大功率LED应用于照明具有高效节能、无污染、寿命长的显著优点，我国早在2006年制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》中，就已把“高效节能、长寿命的半导体照明产品”列入中长期规划第一重点领域的第一优先主题，“十一五”规划的十大节能重点工程就是绿色照明，据预测，到2020年LED照明市场的规模将达到1550亿美元，市场需求十分巨大。随着我国交通运输事业的迅速发展，LED照明在铁路道路照明、桥梁隧道照明中的应用工程越来越多，但目前，我国在桥梁隧道照明专用灯具开发方面，还缺乏足够认识和必要投入，由于桥梁隧道一旦建成投入使用，照明系统将处于长期工作状态且维护成本较高，需要可靠的光源来实现，设计开发一种高性能、高可靠的节能照明灯具是确保桥隧有效照明的重要环节。

2 LED桥隧照明的技术特点

LED是一种固体发光器件，大功率LED应用于照明，相比传统的白炽灯、金卤灯等具有高效率、绿色环保和长寿命的显著优点。本文根据TB10008—2007《铁路电力设计规范》、TB /T494—1997《铁路照明照度标准》，以设计开发一款替代400 W金卤灯的大功率LED节能灯为例，对LED照明的技术特点进行分析和探讨。

（1）LED具有高效节能的特点。LED的光效一般为60～120ml/W，预计在未来几年内可达200ml/W以上，是白炽灯的3～8倍，普通节能灯的1～2倍。在达到同等照明效果的条件下，LED的能耗仅为白炽灯的1/5～1/10，普通节能灯的1/2～1/4。

（2）LED具有长寿命免维护的特点。LED是一种固体冷光源器件，其发光原理区别于传统照明灯具其内部没有灯丝，从而彻底解决了传统灯具在铁路隧道强震动环境下容易损坏的难题。成熟厂商生产的LED灯珠寿命超过10万小时，配合一款设计合理、成熟可靠的LED照明灯具的平均无故障时间可达3～5万小时。应用在铁路桥隧照明中可工作17年以上，几乎是免维护的，可节省大量的维护费用。

（3）LED节能照明灯，不仅节能环保无污染，具有十分重要的社会效益，长期使用也具有十分明显的经济效益，两类灯具使用10年的经济效益比较见表1。

3 实用化解决方案

鉴于目前LED制造工艺的限制单芯功率还较小，比如用1W LED制作替代400W金卤灯照明时，约需要100余只LED合并使用，这就对其驱动方式和驱动电路提出了很高的要求。根据LED的伏安特性，现有技术多采用近百只LED串联供电方式，但由于LED特性的离散性，将造成串联通路中的各个LED工作条件不尽一致，极易造成某只（或某些）LED的失效损坏，造成实际应用时存在可靠性较低、综合成本较高的难题，这就是阻碍LED照明实用化的主要问题。所以设计开发一款高性能、高可靠的大功率LED驱动装置是必须的。

作为隧道灯用途的大功率LED灯通常采用交流市电供电，其PFC及整流滤波后输出的直流电压在400V左右。在非隔离式应用时为实现工作电压的匹配，通常需将近百只LED灯珠串联连接使用，正如前述，这种较多数量LED串联应用方式的可靠性较低。本文设计开发的“LED串并联模组”驱动模式可以较好地解决上述问题。我们将灯组所需的100～120只LED灯珠分成每组仅30只左右串联，若干组并联的“串并联模组”结构。通过大幅减少串联电路中LED灯珠的数量来降低失效率，每组LED灯串由各自独立的恒流电路提供稳定的工作电流，并设置专门的“均流控制”环路实现各组LED灯串工作电流的均衡和控制，这样可以极大限度的使灯组中的每一颗LED灯珠都获得最佳的工作条件。而整个“串并联模组”由一个新型高效主动式功率因数控制电路实现PFC控制和整流滤波为其供电。

研发样机的主动式CCM PFC控制单元和AC-DC整流滤波电路，可获得接近于1的功率因数和低端超过92%、高端超过98%的极高效率，直流输出电压在400V左右。单元灯组恒流电路采用成熟的LED专用控制芯片，我们试制的32W LED模组在输入电压为170V～400VDC时稳流精度可达±5%，效率达90%以上，并可方便的引入智能调光和均流控制功能。研发样机实现了高性能、靠可靠的设计目标，整机平均无故障时间达3～5万小时以上。

4 结语

本文特有的LED串并联模组和多路稳流、均流装置较好地解决了现有LED节能灯普遍存在的成本高、可靠性差，“节电但不省钱”的问题，在LED照明应用的实用化方面具有重要意义，其综合效率、功率因数、平均无故障时间等经济技术指标均较好。根据实际隧道照明工程的模拟及分析，相比传统照明灯具，LED隧道灯仅早期工程建设投入稍高，但在解决了高可靠实用化产品开发后，经一段时间的使用节约的电费与维护费将很快收回建设成本，使用10年综合运行成本仅为传统照明灯具的五分之一左右。相信随着LED相关技术的不断发展成熟，必将发挥出其巨大的社会、经济效益。

参考文献：

[1]陈大华等.绿色照明LED实用技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]TB 10008-2006 J660-2007铁路电力设计规范[S].

[3]铁路电力设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1991.