大功率LED驅(qū)動諧振電路設(shè)計(jì)

樂麗琴，李姿景

（黃河科技學(xué)院，河南鄭州 450063）

0 引言

隨著LED(Light-Emitting Diode)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大功率LED(High-Power Light-Emitting Diode)照明在能源危機(jī)日趨嚴(yán)重的今天越來越受到世界各國的高度重視。LED由于具有高效節(jié)能、無汞毒害、光效高、長壽命等優(yōu)點(diǎn)在照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國家的照明用電在所有用電量中達(dá)到19%，我國也達(dá)到了10%，而采用 LED技術(shù)可以節(jié)省照明電能50%以上［1］。但是大功率LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、調(diào)試比較困難，另外，成本高、可靠性低等因素也是影響LED燈具壽命的主要原因。本文重點(diǎn)研究了大功率LED驅(qū)動諧振電路的設(shè)計(jì)，為了提高效率，本設(shè)計(jì)采用半橋諧振LLC電路。

1 LED驅(qū)動技術(shù)概述

早期的LED多用于指示燈，由于工作電壓低、電流較小，無需特殊考慮電路中的損耗，故驅(qū)動電路也較簡單。如今的LED應(yīng)用于照明方面，其功率一般不低于1 W，大功率時將達(dá)10 W以上。一般情況下，采用電力電子裝置驅(qū)動大功率LED，此時電路中的總損耗不能被忽略，并且為使LED具有較好的光效，還需要進(jìn)行恒流控制。

1.1 LED的驅(qū)動特性

LED是一種直流供電型光源，與傳統(tǒng)光源的電子鎮(zhèn)流器不同，根據(jù)其自身特性，流過LED的電流是一個恒定的電流，這樣才能使其發(fā)光強(qiáng)度保持穩(wěn)定。因此，LED驅(qū)動器需要完成將市網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)換為LED驅(qū)動所需的恒流電。目前常見的LED功率等級有1 W、3 W，某些場合也會出現(xiàn)5 W、8 W、10 W 等。流過LED的電流在200～1000 mA之間，其中350 mA、700 mA為多見。LED的伏安特性如圖1所示。

流過LED的電流決定了它的發(fā)光強(qiáng)度。為了使LED的發(fā)光強(qiáng)度保持恒定，光色免受影響，其驅(qū)動電路必須能夠在外界因素發(fā)生變化時，保持流過LED的電流不變，比如輸入電壓波動、溫度發(fā)生變化導(dǎo)致其正向壓降變化時，LED驅(qū)動電路需要自動調(diào)節(jié)。因此LED驅(qū)動方案必須采用高精度的恒流驅(qū)動方式。

圖1 LED的伏安特性

1.2 大功率LED的驅(qū)動方案探討

LED的驅(qū)動有多種不同方案，對于低功率LED的驅(qū)動，常采用線性穩(wěn)壓器，因?yàn)樵摲椒ǔ杀镜?，電磁干擾低，但缺點(diǎn)是穩(wěn)壓器的輸出電壓總是低于電源電壓，效率較低，損耗較大。對于功率不超過10 W的LED，采用某些LED專用驅(qū)動芯片即可，若用原邊控制方式，則不加光耦和副邊電流控制便可實(shí)現(xiàn)恒流輸出，且電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。根據(jù)IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，IEC國際電工委員會對照明燈具提出明確的諧波要求，因此對于較大功率LED的照明應(yīng)用，必須采用功率因數(shù)校正(PFC)控制技術(shù)。對于60 W以下LED的照明應(yīng)用，通常采用單級PFC結(jié)構(gòu)，這種方法元件數(shù)量少、體積小、性價比較高，能實(shí)現(xiàn)PFC和恒流輸出，但不適用于更大功率的應(yīng)用場合。對于更大功率的場合，為了同時實(shí)現(xiàn)PFC控制以及恒流輸出自動調(diào)節(jié)功能，那么單級PFC就不能滿足要求了，需采用兩級電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，即 PFC+DC/DC兩級結(jié)構(gòu)［2］。PFC+DC/DC兩級驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PFC+DC/DC兩級驅(qū)動結(jié)構(gòu)

如圖2所示，第一級采用傳統(tǒng)的Boost FPC結(jié)構(gòu)，具有功率因數(shù)校正功能，同時使用PFC滿足照明驅(qū)動器的諧波要求，且為第二級提供直流母線;第二級通常采用一個隔離型的DC/DC變流器，為LED提供合適的電壓電流。對于60～150 W的LED驅(qū)動器可采用Boost PFC+Flyback 兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］，而對于 150 ～300 W功率范圍可以采用Boost PFC+隔離型DC/DC變流器。第二級的隔離型DC/DC可采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，如PWM全橋、半橋變流器、諧振型變流器等，其中采用諧振型DC/DC變流器，效率可以更高。DC/DC變流器的目標(biāo)是較高的功率密度和較高的效率，這也是DC/DC變流器的發(fā)展趨勢，為此需要使電路工作在更高的頻率。但是工作頻率越高，功率開關(guān)的開關(guān)損耗也越大。傳統(tǒng)的PWM變流器由于工作在硬開關(guān)狀態(tài)下，其開關(guān)損耗很大，于是它在高頻場合的應(yīng)用有所限制。而本文討論的諧振型變流器工作在軟開關(guān)狀態(tài)，其開關(guān)損耗大大降低，在高頻場合應(yīng)用廣泛。本課題也正是討論為提高效率而采用的諧振型變流器。

常用的諧振型拓?fù)溆兴姆N，即串聯(lián)諧振 SRC(Seires Resonant Circuit)，并聯(lián)諧振PRC(Parallel Resonant Circuit)，串并聯(lián)諧振SPRC(Seires-Parallel Resonant Circuit)(LCC)，以及 LLC［3］。其中串聯(lián)諧振SRC只工作在降壓模式下，易出現(xiàn)輕載調(diào)制的問題，并且在輸入電壓較高情況下優(yōu)化比較困難;并聯(lián)諧振PRC只工作在升壓模式下，有較大的輕載損耗，且循環(huán)能量較大;串并聯(lián)諧振LCC綜合了SRC和PRC兩者的優(yōu)點(diǎn)，在降壓模式下和升壓模式下均可應(yīng)用，循環(huán)能量很小，但同樣的在輸入電壓較高情況下優(yōu)化比較困難。LLC諧振變流器相對而言有許多顯著優(yōu)點(diǎn)［4］，比如能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓開通ZVS和整流二極管的零電流關(guān)斷ZCS，以減小開關(guān)損耗;能進(jìn)行升壓變換、降壓變換;能寬范圍的調(diào)節(jié)輸出/輸入電壓比;電路中元件電壓和電流應(yīng)力較低;能夠去掉次級濾波電感，使濾波電路得到簡化等。因此目前應(yīng)用最廣泛的一種諧振變流器便是LLC諧振變流器。

2 LED的驅(qū)動諧振電路

本文探索一種適合恒流寬范圍輸出的LLC設(shè)計(jì)方法。LLC半橋諧振變換器，由于具有較高的效率、較高的功率密度等優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用最廣泛的熱門拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但多用于恒壓輸出場合下。

2.1 LLC諧振拓?fù)?/h3>

LLC半橋諧振變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LLC諧振型LED驅(qū)動器拓?fù)?/p>

圖3中，開關(guān)管S1和 S2互補(bǔ)驅(qū)動，占空比均為0.5，構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)。LLC諧振網(wǎng)絡(luò)由三部分構(gòu)成，即諧振電感(Lr)、諧振電容(Cr)和變壓器的勵磁電感(Lm)。變壓器副邊為全橋整流電路，由整流二極管D1～D4組成。為了進(jìn)一步濾掉輸出電流紋波成份，輸出端采用濾波電容Co，以提供恒定電流給LED燈串。半橋LLC諧振電路可能有兩個諧振頻率，即fm和fr。當(dāng)變壓器原邊電壓被箝位時，即輸出電壓固定住了原邊電壓，此時只有Lr和Cr參與諧振，而勵磁電感Lm不參于諧振，此時產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率為fr。

當(dāng)變壓器原邊電壓不被箝位時，此時Lr、Cr和Lm均參與諧振，此時產(chǎn)生的諧振頻率為fm。

半橋LLC主要有三種工作方式，連續(xù)模式、臨界模式和斷續(xù)模式。當(dāng)工作頻率fs等于串聯(lián)諧振頻率fr時，LLC工作在臨界模式;當(dāng)工作頻率fs大于串聯(lián)諧振頻率fr時，LLC工作在連續(xù)模式;當(dāng)工作頻率fs小于串聯(lián)諧振頻率fr時，LLC工作在斷續(xù)模式。以斷續(xù)模式為例，其工作波形如圖4所示。

圖4 半橋LLC斷續(xù)模式工作波形圖

2.2 工作區(qū)間設(shè)計(jì)

半橋LLC的分析方法有很多種，最常用的是基波近似分析方法，在很多文獻(xiàn)中有相關(guān)討論。假設(shè)原邊電流中只考慮基波分量，而忽略其他諧波分量的作用，即只有基波分量向副邊傳送能量［5］，則可用一個交流等效電阻代替變壓器副邊的整流橋電路，若為理想變壓器，則可將這個交流等效電阻折合到變壓器原邊，則其兩端的電壓變?yōu)閚Uo，可得到半橋LLC的交流等效電路如圖5所示。

圖5 半橋LLC的交流等效電路

其中

由圖5所示的LLC交流等效電路，可得出LLC的直流增益方程式，則其歸一化的直流增益方程為

其中各個參數(shù)含義如下

根據(jù)半橋LLC的直流增益方程可畫出其歸一化的直流增益曲線，如圖6所示。

圖6 半橋LLC的歸一化直流增益曲線

圖6所示曲線中，每一條曲線所表征的Q值均不同，即輸出電阻不同。由圖中所示的虛線，LLC變換器的直流增益曲線可分成三個區(qū)，區(qū)間1、區(qū)間2和區(qū)間3。區(qū)間1對應(yīng)連續(xù)模式，即工作頻率fs＞fr時。區(qū)間2、區(qū)間3均對應(yīng)斷續(xù)模式，即工作頻率fs＜fr時。而它們的分界線就應(yīng)對臨界模式。

2.3 工作范圍選擇

圖6所示的半橋LLC歸一化直流增益曲線中，區(qū)間1、區(qū)間2為感性區(qū)間，區(qū)間3為容性區(qū)間。

區(qū)間1中，工作頻率fs＞fr，此時半橋LLC諧振變換器在連續(xù)模式下工作，這時諧振腔增益小于1。此區(qū)間為感性區(qū)間。在區(qū)間1和區(qū)間2的交界處，半橋LLC諧振變換器工作在臨界模式下，即有fs=fr。這時有最大的諧振回路阻抗，變流器原邊、副邊電流有效值很小，損耗很小，且能同時實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的ZVS開通和副邊整流管的ZCS關(guān)斷，故LLC諧振變換器最佳工作模式是臨界模式。在此工作頻率下，變換器增益始終為1，而不隨負(fù)載發(fā)生變化，所有的負(fù)載增益曲線均經(jīng)過該工作頻率點(diǎn)。但為了使變流器有較寬的輸出電壓變化范圍，工作頻率一般要高于或低于這點(diǎn)，區(qū)間3可實(shí)現(xiàn)寬電壓變化輸出。但由于此點(diǎn)時損耗最小，效率最高，故一般情況下通常將滿載工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在此點(diǎn)。

區(qū)間2中，工作頻率fs＜fr，諧振變換器工作在斷續(xù)模式下，這時諧振腔的增益為大于1，也能同時實(shí)現(xiàn)副邊整流管的ZCS關(guān)斷和原邊開關(guān)管的ZVS開通，避免了反向恢復(fù)。由于斷續(xù)模式下的電流是斷續(xù)變化的，因此原邊、副邊電流有效值很大，損耗很大。在寬電壓范圍輸出恒流的設(shè)計(jì)里，由于負(fù)載變化較大，相應(yīng)直流增益的變化較大，在滿載時直流增益達(dá)到最大，輸出電壓達(dá)到最高，故在滿載情況下工作頻率為最低，滿載時效率得不到優(yōu)化。而一般情況希望滿載情況下效率能夠得到優(yōu)化。

在區(qū)間3中，fs＜fr，變換器工作在斷續(xù)模式。由于諧振腔的阻抗特性呈容性，原邊開關(guān)管還是可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通ZVS，但副邊整流管將不再滿足零電流關(guān)斷條件，關(guān)斷時將產(chǎn)生較大的di/dt，增加開關(guān)損耗，同時引發(fā)整流管的反向恢復(fù)，影響變流器的整體性能。從直流增益曲線可以發(fā)現(xiàn)，此區(qū)間內(nèi)直流增益曲線斜率很大，直流增益調(diào)節(jié)范圍比較廣，可以滿足恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計(jì)要求。此時在滿載時整機(jī)的效率達(dá)到最高，負(fù)載輕時半橋LLC變換器工作在連續(xù)模式下可以獲得較佳的增益。區(qū)間3中開關(guān)器件損耗較大，且諧振電壓滯后電流，嚴(yán)重時上下兩個橋臂造成直通，以致出現(xiàn)工作狀態(tài)不正常，直至電路失效。因此在所有設(shè)計(jì)中都需要避免電路工作在此區(qū)域。

3 總結(jié)

本課題通過分析對比各種不同LED驅(qū)動方案，介紹了LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作區(qū)間設(shè)計(jì)以及工作范圍選擇。根據(jù)LLC的特性探討了一種適合恒流寬范圍輸出的LLC設(shè)計(jì)方法。使用基波近似的方法分析了LLC變換器，導(dǎo)出了LLC交流等效電路，推導(dǎo)出了LLC歸一化直流增益方程和曲線。依據(jù)增益曲線討論了LLC的三個工作區(qū)間，以及每個區(qū)間的特點(diǎn)和適用場合。LLC半橋諧振變換器具有高效率、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，一般用于恒壓輸出場合。

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