摘 要: 反激式變換電路是小功率LED照明中使用最為廣泛的一種拓撲結構，為了使LED驅動器能夠滿足高效率、高可靠性和低成本的要求,給出了一種單級反激式變換電路，詳細分析了電路的工作原理，并對主要元器件的參數進行了設計。最后，使用Saber仿真軟件在不同的輸入條件下進行了仿真分析，仿真結果表明電路具備較高功率因數和效率。
關鍵詞: LED； 反激式； 功率因數； Saber
照明用電是人類消耗能源的重要方面，約占世界總能耗的20%， 因此綠色節(jié)能照明的研究越來越受到重視[1]。LED照明技術正以其發(fā)光效率高、壽命長、節(jié)能和環(huán)保等諸多優(yōu)勢在更廣的范圍內逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明方式[2]。
目前，常用的LED恒流驅動器有Buck、Boost、Flyback等拓撲結構[3]。由于電路自身的特點，在小功率(通常小于75 W)和高電壓(通常高于7.5 V)的應用場合，Flyback拓撲結構的應用最為廣泛[4]。在單級反激式變換器中,輸入功率因數和輸出電壓紋波是一對矛盾體。一方面，傳統(tǒng)的二極管整流使得交流輸入側電流變成一個個短脈沖而不是平滑的正弦波，從而導致輸入側諧波過大和功率因數過低[5]；另一方面，如果不使用大電容去消除整流電壓紋波，輸出側將會存在較大的2倍基頻的電壓紋波。這個問題可以通過有源和無源的方法解決。有源法能夠很好地滿足諧波要求，但是電路的設計和控制較為復雜，加上附加電路，不適合小功率的應用；無源法適合于對成本敏感的場合。為了獲得較高的功率因數和轉換效率，本文提出在反激式電路變壓器的原邊放置一個LC濾波電路,使輸入側的總諧波(THD)和功率因數(PF)得到了很大改善。
Saber是美國Analogy公司開發(fā)的一款功能強大的系統(tǒng)仿真軟件，兼容模擬、數字、控制量的混合仿真。本文在分析反激式變換電路工作原理的基礎上，使用Saber仿真軟件進行了仿真實驗驗證。
1 Flyback電路結構
圖1所示的單級反激式變換電路主要由四部分組成。第一部分是由4個二極管組成的不可控橋式整流電路；第二部分是LC濾波電路，其中Lf應足夠大，使用小容量的濾波電容Cf取代大容量的儲能電容，濾除電壓中的高頻分量，使得濾波后的電壓波形仍然保持為正弦形；第三部分是DC/DC變換器，采用反激式，電路工作在電流斷續(xù)模式下，Lm為勵磁電感。由于變壓器漏感及其他分布參數的影響，反激式變換器在開關管關斷瞬間會產生很高的尖峰電壓，這個尖峰電壓嚴重威脅著開關管的正常工作，必須采取措施對其進行抑制，試驗中采用RCD吸收電路對開關管實現保護；第四部分是輸出整流部分,通過鋁電解電容為負載提供平滑的直流電壓。
2 電路工作原理分析
為了方便分析，做以下假設：
(1) 所有的電路元器件都是理想的；
(2) 開關管的開關頻率遠遠高于交流母線電壓的頻率，因此，可認為在一個開關周期輸入的電壓保持不變；
(3) 輸出儲能電容Co足夠的大，以至于可以認為輸出的電壓是一個理想的直流源。
當電路工作在電流斷續(xù)模式(DCM)時，理論分析的波形如圖2所示，從圖中可以看出，電路進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，一個開關周期可以分為3個工作狀態(tài)，各狀態(tài)下的電路圖如圖3所示，圖中粗線表示實際流通路徑。各工作狀態(tài)分述如下。
以上理論分析和仿真結果表明，仿真分析的結果與理論分析的結果是一致的，加入LC濾波能夠很好地改善輸入側的功率因數和諧波含量，RCD吸收電路能夠很好地保護開關管。電路工作在恒頻和固定占空比下，輸出電壓脈動能夠控制在5%以內，能夠滿足高亮度LED的照明要求。
本文給出了一種單級反激式變換電路，通過在變壓器原邊增加一個LC濾波器來提高輸入側的功率因數。該方法容易實現，簡化了電路，并且電路的控制簡單。上述理論和仿真分析為下一步制作實際的LED驅動電路提供了指導。
參考文獻
[1] CHUANG Y C, KE Y L, CHUANG H S, et al. Singlestage power factor correction circuit with Flyback converter to drive LEDs for lighting application[C].IAS IEEE, 2010：1-9.
[2] TSAO J Y. Solid-state lighting: lamps, chips, and materials for tomorrow[J].IEEE Circuit Device Mag, 2004,20(3):28-37.
[3] Pei Qian. Research on the control method of constant current source buck converter for HB-LED[J]. Application of Electronic Technique,2010,36(2):73-76.
[4] Xie Xiagao, Zhang Junming, Zhao Chen, et al. An improved current-driven method for synchronous Flyback AD/DC converters[C]. INTELEC′06. 28TH Annual International, 2006:1-5.
[5] PARTO P, SMEDLEY K M. Passive PFC for Flyback converter[EB/OL]. (2010-xx-xx)[2012-06-21] http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc.