0 引言

    隨著時代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)在生活生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展，比如普通照明、醫(yī)療、交通等。因為LED是電流型器件，LED發(fā)出的光品質(zhì)是由流經(jīng)LED的電流大小和波動情況決定的，所以發(fā)展LED照明的關(guān)鍵在于其驅(qū)動器的創(chuàng)新與設(shè)計^[1-2]。

    如今LED驅(qū)動電源技術(shù)日益成熟，總體可分為單級式和兩級式。單級式LED驅(qū)動電源拓?fù)浒˙uck、Buck-boost、Fly-back等，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，成本較低，但是其功率因數(shù)較低，輸出電流紋波較大，影響LED的發(fā)光品質(zhì)。兩級式LED驅(qū)動電源拓?fù)浞譃榍凹壒β室驍?shù)校正(Power Factor Correction，PFC)模塊和后級DC-DC模塊。結(jié)構(gòu)較單級式更為復(fù)雜，控制策略也更為繁瑣，相對成本就更高，而其優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)會比較高，且輸出電流紋波比較低，在交流供電場合，更能滿足IEC 61000-3-2的諧波要求^[3-8]。

    文獻(xiàn)[9]提出了一種基于二次型Buck無頻閃無變壓器的LED驅(qū)動電源，具有較高的功率因數(shù)，降低了輸出紋波。但是其輸入電流存在過零死區(qū)的問題，影響其總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）。

    本文提出一種新型的的基于Buck-boost級聯(lián)二次型Buck拓?fù)涞腖ED驅(qū)動電源，在二次型Buck拓?fù)涞幕A(chǔ)上，級聯(lián)了一個Buck-boost變換器，消除了輸入電流過零死區(qū)，改善了其THD，進(jìn)一步提高了電源的功率因數(shù)。同時，采用兩級式級聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低了二極管的電壓應(yīng)力，使開關(guān)管的占空比工作在更合理的區(qū)域。

1 主電路拓?fù)涞墓ぷ髟?/strong>

    如圖1所示為基于Buck-boost級聯(lián)二次型Buck拓?fù)涞腖ED驅(qū)動電源的主電路拓?fù)鋱D。此拓?fù)溆梢粋€Buck-boost拓?fù)浜鸵粋€二次型Buck拓?fù)浼壜?lián)而成，共用一個開關(guān)管Q。Buck-boost拓?fù)浒ㄩ_關(guān)管Q、電感L₁、電容C₁、二極管D₂和二極管D₃，二次型Buck拓?fù)浒ㄩ_關(guān)管Q、二極管D₄、D₅、D₆、D₇、電感L₂、L₃和電容C₂、C_o。當(dāng)電感L₁和L₂工作在電感斷續(xù)模式(Discontinuous Conduction mode，DCM)下，電路自動實(shí)現(xiàn)PFC。為了使電源效率更高，使電感L₃工作在臨界連續(xù)模式(Critical Conduction Mode，CRM)下。

    為了簡化分析，在本文中，假設(shè)：

    (1)所有的開關(guān)管、二極管、電感和電容均為理想元件。

    (2)開關(guān)頻率f_S遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率f_L。

    (3)在開關(guān)周期內(nèi)，電容電壓為恒定值。

    經(jīng)過分析，變換器可分為開關(guān)管Q導(dǎo)通和關(guān)斷的兩個主要工作模態(tài)，變換器的主要工作模態(tài)等效電路如圖2所示，驅(qū)動電源主要波形如圖3所示。

    (2)關(guān)斷模態(tài)：如圖2(b)所示，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,二極管D₃、D₅、D₇導(dǎo)通，電感L₁上的電流通過二極管D₃續(xù)流，并向電容C₁放電，電感L₂上的電流通過二極管D₄續(xù)流，并向電容C₂放電，電感L₃上的電流通過二極管D₇續(xù)流，并向電容C_o和負(fù)載放電。即電感電流峰值與續(xù)流時間的關(guān)系分別為：

其中，分別為電感電流的續(xù)流時間。

    由于電感L₃工作在CRM模式下，電感電流與輸出電流Io的關(guān)系為：

2 LED驅(qū)動電源工作特性分析

2.1 占空比D的分析

    經(jīng)過分析可得，理想情況下，驅(qū)動電源的電壓傳輸比為：

    根據(jù)式(11)作圖4可得，與傳統(tǒng)的二次型Buck拓?fù)湎啾?，在相同的電壓傳輸比的情況下，本文提出的電路拓?fù)淠茉诟鼮槔硐氲恼伎毡鹊臈l件下工作，提高了電源穩(wěn)定性和電源效率。

2.2 電容C1、C2的特性分析

2.3 電感L₁、L₂、L₃的工作特性分析

    由于電感L3工作在CRM模式下，根據(jù)式(10)和式(16)可得：

取電感L₂=400 μH，經(jīng)計算分析，電感L₁，L₂的取值滿足式(22)和式(23)。

3 實(shí)驗結(jié)果分析

    為了驗證理論分析的正確性，設(shè)計了功率為32 W的LED驅(qū)動電源，輸入電壓為220 V，頻率為50 Hz的交流電，輸出為電流1.6 A，電壓20 V的直流電，取開關(guān)頻率為30 kHz，電感比值具體實(shí)驗參數(shù)取值如表1。

    由圖6可知，輸入電流i_in與輸入電壓u_in基本保持同相位，且消除了原二次型Buck變換器輸入電流存在過零死區(qū)的問題，極大的改善了輸入電流的THD，PF值高達(dá)97.7%。輸出電流I_o基本為一直線，極大地降低了紋波，消除了頻閃。

    根據(jù)變換器的實(shí)驗參數(shù)，由式(15)和式(16)可得≈137 V，≈273 V，從圖7可以看出，實(shí)驗結(jié)果與分析保持一致。

    由圖8分析可得，電感L₁、L₂工作在DCM模式下，電感L₃工作在CRM模式下，也與理論分析保持一致。

4 結(jié)語

    本文提出了一種新型的基于Buck-boost級聯(lián)二次型Buck拓?fù)涞腖ED驅(qū)動電源。共用了一個開關(guān)管，控制簡單易行。消除了原二次型Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入電流死區(qū)問題，進(jìn)一步提高了功率因數(shù)，改善了輸入電流THD。實(shí)驗表明，輸出電流紋波低，能實(shí)現(xiàn)恒流輸出,滿足LED驅(qū)動電源的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖志凌，阮新波.半導(dǎo)體照明工程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(9)：106-111.

[2] 汪飛，鐘元旭，阮毅.AC-DC LED驅(qū)動電源消除電解電容技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30(8)：176-183.

[3] 沈霞，王洪誠，許瑾.基于SEPIC變換器的高功率因數(shù)LED照明電源設(shè)計[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2010，14(1)：41-46.

[4] XU Y，LIN W，XU Y，et al.Inductor optimize design for BCM buck-PFC in LED driver[C].IEEE Electric Information and Control Engineering.Wuhan：IEEE，2011：2264-2267.

[5] 姚云龍，吳建興.一種單級原邊控制LED驅(qū)動器設(shè)計[J].電子器件，2012，35（4）：447-452.

[6] 張藝文，金科.一種單級式高功率因數(shù)無電解電容AC/DC LED驅(qū)動電源[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，35（22）：5821-5858.

[7] 閻鐵生，許建平，張斐，等.變導(dǎo)通時間控制臨界連續(xù)模式反激PFC變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33(27)：60-68.

[8] 王舒，阮新波，姚凱，等.無電解電容無頻閃LED驅(qū)動電源[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2012，27(4)：173-178.

[9] 閻鐵生，許建平，等.基于二次型Buck PFC變換器的無頻閃無變壓器LED驅(qū)動電源[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（12）：512-519.

[10] 劉雪山，許建平，王楠.臨界連續(xù)模式單電感雙輸出Buck功率因數(shù)校正變換器[J].電力自動化設(shè)備，2015，5(35)：64-69.

[11] 劉中鋒，劉春，倪文斌.基于SG3525芯片的大功率恒壓/恒流LED電源研制[J].電源技術(shù)，2016，40(2)：404-407.

[12] 盧志飛，楊平，劉雪山，等.單開關(guān)二次型DCM Buck變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(1)：65-70.