Research on power supplies for oled lamps based on switched capacitor converters"

Resumen

In this dissertation an analysis of the OLED technique is presented, owing to the fact that more compact, small and flat organic-lighting-emitting-diode (OLED) drivers are arising to enable new design possibilities such as avant-garde interior floor and table lamps, mirror and ceiling lamps, ablaze tiles and partition wall lighting applications. OLEDs can be integrated into many different areas, and allow light sources to be designed in a variety of shapes and sizes. Also, the different OLED photo-electrical-thermal (PET) models are presented, which represent the OLED structure and their photo-electrical-thermal behavior by means of an equivalent PET model, or by a simple equivalent electrical circuit that combines resistors and a capacitor. In addition, an analysis of different switched-capacitor (SC) converters topologies, to drive OLED lamps is presented. These converters are selected because of their great advantages as to high power density and owing to the fact that they are light, small and cheaper in comparison with other solutions, as linear power supplies and conventional DC-DC converters and because they do not use any large energy storage components. Resonant SC converters show high efficiency and low EMI noise, because they operate under zero-current-switching (ZCS). Therefore, a review of resonant SC converters for OLED lamp driving is carried out in this work, in which the unidirectional resonant switched-capacitor (URSC) step-up converter arises as the best option for driving OLED lamps, based on the performance comparative results among the different resonant SC converters presented in the state of the art. The benefits of using the URSC step-up converter, instead of conventional non-resonant and resonant SC converters, fractional-voltage-conversion-ratio (FVCR) resonant SC converters, dual-phase (DP) converters, step-down half bridge resonant SC converter with isolation transformer, and the step-down SC converter with coupling inductors are: high output voltage regulation, low output voltage and current ripples, high efficiency, no efficiency dependency on conversion ratio, low EMI noise, and high power density. Finally, an analysis and design of a URSC step-up converter for OLED lamp driving is carried out. The URSC is designed to operate in closed loop with constant current variable inductor (VI) control technique. Owing to the fact that the OLED power of the resonant SC converter is regulated by its resonant frequency, which is controlled by the resonant tank integrated by the LC network, a control parameter that regulates the output power of the resonant SC converter is needed. Hence, the VI control technique is proposed to regulate the output power of the resonant SC converter, which reduces the complexity of the control loop and circuitry, and increases the power density of the OLED driver because it is operated by a simple constant current source to meet the operating point of the VI. In this way, it is possible to achieve more compact OLED drivers. A proposed SPICE-based electrical-magnetic model and the analysis and design of the VI used in this work, as well as its application to an LED driver, are presented. The URSC step-up converter is analyzed and designed for driving a 21.8 W OLED lamp array. The resonant inductor is designed to operate at a resonant frequency above the switching frequency for any OLED power. Under this condition, a good dynamic behavior against input voltage or luminous flux variations is obtained. Simulation and experimental results of a URSC step-up converter design example for a 21.8 W OLED lamp array supplied from 48Vdc are presented, in which a maximum energy efficiency η of 92.97% is obtained. The simulation and experimental results of the VI inductor and the URSC converter are in a good agreement one another. Este trabajo de investigación presenta el análisis de la técnica del diodo emisor de luz orgánico (OLED) debido al surgimiento de sistemas de alimentación del OLED más compactos, pequeños y planos, los cuales llevan a la posibilidad de diseños vanguardistas de lámparas OLED tales como lámparas de mesa o de piso, lámparas tipo espejo, lámparas de techo y su aplicación en pisos o paredes iluminadas. Estas pueden ser integradas en diferentes áreas y permiten que las fuentes de luz sean diseñadas en una gran variedad de formas y tamaños. También, se presentan los diferentes modelos fotométrico-eléctrico-térmico del OLED, los cuales representan su estructura y su comportamiento fotométrico, eléctrico y térmico por medio de un circuito equivalente. Además, se presenta el análisis de diferentes topologías de convertidores de capacidades conmutadas (SC) para operar lámparas OLED debido a sus ventajas en cuanto a alta densidad de potencia y que son ligeros, pequeños y baratos comparado con otras soluciones como fuentes de alimentación lineales y convertidores CD-CD, debido al hecho de que estos convertidores no usan componentes de almacenamiento de energía grandes. Los convertidores SC resonantes muestran una alta eficiencia y bajo ruido de EMI porque operan bajo conmutación a corriente cero. Por lo tanto, una revisión de convertidores SC resonantes es llevada a cabo en este trabajo. El convertidor elevador resonante unidireccional (URSC) presenta las mejores condiciones de funcionamiento para operar lámparas OLED basado en los resultados obtenidos de la comparación entre los diferentes convertidores presentados en el estado del arte. Las ventajas del convertidor URSC con respecto a los convertidores SC convencionales no resonantes y resonantes, convertidores de relación de conversión de voltaje fraccional resonantes, convertidores de doble fase, convertidor SC medio puente reductor resonante con transformador de aislamiento y convertidor SC reductor con inductores acoplados son: alta regulación de voltaje de salida, rizos de voltaje y de corriente de salida bajos, alta eficiencia, eficiencia no dependiente de la relación de conversión, bajo ruido de EMI y alta densidad de potencia. Finalmente, el análisis y diseño del convertidor URSC elevador para operar las lámparas OLED es llevado a cabo. El convertidor URSC es diseñado para operar en lazo cerrado, aplicando la técnica de control del inductor variable (VI). Debido al hecho de que la potencia del OLED del convertidor SC resonante es regulada mediante la frecuencia de resonancia, la cual es controlada por el tanque resonante integrado por la red resonante LC, un parámetro de control que regule la potencia de salida del convertidor SC es necesario. Por lo tanto, la técnica de control por inductancia variable (VI) es propuesta para regular la potencia de salida del convertidor SC, la cual reduce la complejidad del lazo de control y el circuito de control. Esto aumenta la densidad de potencia del sistema de alimentación del OLED porque el VI es controlado por una fuente de corriente constante simple para ajustar el punto de operación. De esta manera, es posible obtener un sistema de alimentación más compacto. Un modelo magnético-eléctrico basado en SPICE y el análisis y diseño del VI usado en este trabajo, así como su aplicación a un sistema de alimentación para LEDs son presentados. El convertidor elevador URSC es analizado y diseñado para operar un arreglo de lámparas OLED a 21.8 W. El inductor resonante es diseñado para operar a una frecuencia de resonancia por encima de la frecuencia de conmutación para cualquier potencia del OLED. Bajo esta condición, se logra un buen comportamiento dinámico ante variaciones del voltaje de entrada y de flujo luminoso. Se presentan diversos resultados de simulación y experimentales obtenidos del prototipo implementado del convertidor del URSC alimentado a 48 V. La eficiencia máxima obtenida es de 92.97%. Además, se obtuvo una buena coincidencia entre resultados de simulación y experimentales.