0 引言

    LED具有發(fā)光效能高、光學(xué)性能好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于照明、背光源等領(lǐng)域^[1]。實(shí)際應(yīng)用中，常常需要將多個(gè)LED串并聯(lián)，為了保持各并聯(lián)LED串發(fā)光強(qiáng)度與熱效應(yīng)一致，必須解決各并聯(lián)LED串之間的電流均衡問(wèn)題。另一方面，傳統(tǒng)大功率LED驅(qū)動(dòng)器原邊大多采用LLC諧振^[2-4]，變換器工作在連續(xù)模式，只能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓（ZVS）導(dǎo)通，副邊整流二極管無(wú)法實(shí)現(xiàn)零電流（ZCS）關(guān)斷，造成二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]采用CLL諧振，能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管ZVS開(kāi)通和ZCS關(guān)斷，且電路始終工作在諧振點(diǎn)，但電路采用兩級(jí)DC/DC結(jié)構(gòu)，電路復(fù)雜。

    傳統(tǒng)大功率LED驅(qū)動(dòng)器一般采用PFC+DC/DC+恒流模塊的三級(jí)式結(jié)構(gòu)，電路復(fù)雜，效率低。本文提出了一種新型大功率LED驅(qū)動(dòng)器，電路采取Boost型PFC+CLL諧振兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，效率高，電路簡(jiǎn)單。

1 電路原理

    本文提出的基于CLL諧振的多路輸出LED驅(qū)動(dòng)器如圖1所示。前級(jí)PFC主電路采用Boost拓?fù)?，可以抑制諧波污染，提高功率因數(shù)，并且輸出電壓恒定，為后級(jí)DC/DC電路提供穩(wěn)定的電壓。CLL諧振電路能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)通和整流二極管的ZCS關(guān)斷，提高了電路效率。CLL諧振電路副邊僅使用電容作為均流元件，避免了磁性元件的弊端，能直接驅(qū)動(dòng)多路LED負(fù)載，從而節(jié)省了傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)器的第三級(jí)恒流模塊。而且，電路能方便地推廣到多路輸出的應(yīng)用場(chǎng)合，易于實(shí)現(xiàn)模塊化。

    前級(jí)PFC主電路采用Boost拓?fù)洌娐饭ぷ髟陔娏髋R界模式。圖2為半個(gè)工頻周期內(nèi)電感電流波形圖。其工作原理如下：每一周期開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)管S₃導(dǎo)通，電感電流i_Lb線性增加，電感電流變化率為然后將電感電流的檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)相比，當(dāng)檢測(cè)電流值等于參考值時(shí)，開(kāi)關(guān)管S₃關(guān)斷，電感電流減小，當(dāng)電感電流降為零時(shí)，開(kāi)關(guān)管S₃再次導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，如此周而復(fù)始^[6]。

    由于可以近似地將一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電網(wǎng)電壓認(rèn)為是定值，所以電感電流在半個(gè)工頻周期內(nèi)達(dá)到峰值時(shí)的值為：

    由式(1)可以看出，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中電感電流峰值i_{Lb_pk}為 sinωt的函數(shù)，如果保持導(dǎo)通時(shí)間T_on不變，則在半個(gè)工頻周期內(nèi)電感電流的峰值包絡(luò)線是正弦變化的。

    后級(jí)DC/DC采用CLL諧振變換器，分為連續(xù)模式和斷續(xù)模式，本文中CLL諧振工作在斷續(xù)模式。圖3為斷續(xù)模式下的波形圖，各具體模態(tài)分析如下。

    (1)模態(tài)1[t₀-t₁]：t₀時(shí)刻，S₁、S₂關(guān)斷，由于電路工作在斷續(xù)模式，C_r的電流i_cr等于L₁的電流i_L1且i_cr<0，流過(guò)變壓器原邊電流值i_L2為0。寄生電容C_oss1放電，同時(shí)寄生電容C_oss2充電。

    (2)模態(tài)2[t₁-t₂]：t₁時(shí)刻，|i_cr|開(kāi)始大于|i_L1|，i_L2>0，此時(shí)副邊二極管D₁和D_2n-1開(kāi)始導(dǎo)通，直至t₄時(shí)刻結(jié)束。

    (3)模態(tài)3[t₂-t₃]：t₂時(shí)刻，C_oss1和C_oss2充放電結(jié)束，i_cr流過(guò)S₁的體二極管D_o1，為S₁的零電壓開(kāi)通創(chuàng)造條件。

    (4)模態(tài)4[t₃-t₄]：t₃時(shí)刻，S₁零電壓開(kāi)通，直到t₄時(shí)刻，i_cr=i_L1，模態(tài)4結(jié)束。

    (5)模態(tài)5[t₄-t₅]：t₄時(shí)刻，i_L2=0，D₁、D_2n-1零電流關(guān)斷，此時(shí)不再有電流流過(guò)變壓器副邊，電路工作在斷續(xù)模式。t₅時(shí)刻，S₁關(guān)斷，模態(tài)5結(jié)束。

    此后半個(gè)周期中電路工作狀態(tài)與前半個(gè)周期類似。

    根據(jù)電容的充電平衡原理，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電容的電荷總和為零，即正電荷量等于負(fù)電荷量，由此可以推出式(2)。流過(guò)C_b2的正電荷量和負(fù)電荷量為Q₅和Q₆，流過(guò)四路負(fù)載LED₁、LED₂、LED₃、LED₄的平均電流分別是相應(yīng)電荷量Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的開(kāi)關(guān)周期平均值，如式(3)所示。

    即四路輸出負(fù)載電流相等，而且i₁=i₂。由此可見(jiàn)，僅通過(guò)均流電容就可以實(shí)現(xiàn)四路LED負(fù)載的自動(dòng)均流。

2 加平衡電容時(shí)CLL諧振變換器增益特性

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

    C_b1、C_b2和C_b3上的電壓可以分為直流分量和交流分量?jī)刹糠种?。直流分量用直流電壓源V_cb1、V_cb2和V_cb3表示，交流分量用沒(méi)有直流偏置的電容C_b1、C_b2和C_b3表示。四路負(fù)載等效為電壓源V_o1、V_o2、V_o3和V_o4，變壓器副邊繞組電壓直流分量用V_s表示，如圖4所示。在模態(tài)Ⅰ和模態(tài)Ⅱ中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得式(5)。

2.2 增益分析

    根據(jù)圖5，多路輸出CLL諧振變換器可以等效為單路輸出CLL諧振變換器。通過(guò)基波簡(jiǎn)化，可以得到最終交流等效電路如圖6所示。

    采用基波近似法，可以推導(dǎo)出加平衡電容的CLL諧振變換器直流電壓增益公式為：

    圖7為CLL諧振變換器恒流曲線，圖中每一條曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)恒定輸出電流時(shí)，輸出電壓隨頻率的變化。所有曲線在f₁時(shí)，即諧振頻率點(diǎn)時(shí)，輸出電壓相同。

3 關(guān)鍵電路參數(shù)的設(shè)計(jì)原則

    前級(jí)PFC電路工作在臨界模式，電感Lb可由式(13)獲得：

    后級(jí)CLL諧振電路主要參數(shù)為：輸入電壓為400 V的直流電壓，每路輸出350 mA，輸出電壓為80~120 V。本文以此為主要參數(shù)設(shè)計(jì)了CLL諧振電路的n、k、B。

    CLL變換器在諧振點(diǎn)f₁處的電壓增益為：

    可見(jiàn)，為得到最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)(諧振點(diǎn))，則變壓器匝比N_or=V_in(k+1)(B+1)/2V_o(kB+k+1)。

    圖8為輸出電流為0.35 A時(shí)不同匝比n的恒流曲線，如果變壓器匝比設(shè)計(jì)為n=N_or，工作頻率范圍較廣，不利于磁性元件的設(shè)計(jì)。為減小工作頻率范圍，實(shí)際變壓器繞組匝比n應(yīng)略大于額定變壓器匝比N_or。由圖7可知，n越大，工作頻率范圍越小，但是過(guò)大的n會(huì)導(dǎo)致變換器工作頻率較低，增大磁性元件的體積，降低效率，所以n不宜過(guò)大。

    由圖9可知，k越大，工作頻率范圍越小。但是k越大，變換器工作頻率越低，導(dǎo)致效率降低，因此折中取k=10。

    由圖10可知，B越大，工作頻率范圍越小，且工作頻率越靠近諧振頻率，有利于提高效率。但是B越大，C_b1、C_b2也越大，在電路啟動(dòng)時(shí)，各路輸出電流會(huì)出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象，因此折中取B=5。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)上述分析，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：PFC電感L_b=120 μH，諧振電容C_r=22 nF，諧振電感L₁=580 μH，諧振電感L₂=58 μH，CLL諧振變壓器匝比n=3:1，均流電容C_b1=C_b3=470 nF，C_b2=10 μF。

    圖11是四路LED輸出電壓和輸出電流波形，圖中V_o1=118 V，V_o2=99.4 V，V_o3=88.3 V，V_o4=77.8 V，實(shí)驗(yàn)表明各路LED負(fù)載電流幾乎相等。

    圖12(a)為CLL諧振電路原邊開(kāi)關(guān)管S2的柵級(jí)和漏源級(jí)電壓波形，圖12(b)為整流二極管D₁的電壓和電流波形，從圖12(a)、(b)可以看出電路實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管ZVS開(kāi)通和整流二極管ZCS關(guān)斷。圖12(c)為輸入電壓U_in和輸入電流i_in的波形圖，從圖中可見(jiàn)輸入電流波形的正弦特性較好，與輸入電壓基本同相位，功率因數(shù)較好。圖12(d)為開(kāi)關(guān)管S₃的柵極電壓波形和電感L_b的電流波形。由圖可知，開(kāi)關(guān)管S₃開(kāi)通，電感電流上升至峰值時(shí)，開(kāi)關(guān)管S₃關(guān)斷，電感電流下降。因此，前級(jí)Boost型PFC電路工作在臨界模式。

    表1列出了220 V交流輸入時(shí)，不同輸出電壓與輸出電流值，由表1可知，不同輸出電壓下，各路輸出電流值幾乎相等，與理論分析一致。

    圖13為220 V交流輸入時(shí)，電路的功率因數(shù)PF和效率η的變換曲線。整機(jī)平均效率超過(guò)90%，最高效率達(dá)到93%，PF值高于0.96。

5 結(jié)論

    本文提出了基于CLL諧振的大功率多路輸出LED驅(qū)動(dòng)器，該電路采用BCM Boost+CLL半橋諧振變換器的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)通和整流二極管的ZCS關(guān)斷，提高了整機(jī)效率。該電路易于擴(kuò)展，且能在寬輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各路輸出均流。根據(jù)本文給出的設(shè)計(jì)方法，研制了一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)驗(yàn)表明，各LED串之間能實(shí)現(xiàn)精確均流，能實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

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