0 引言

    近年來，LED憑借其節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，發(fā)展迅速，現(xiàn)已占據(jù)照明市場大部分份額^[1]。LED驅(qū)動(dòng)電源是LED發(fā)揮其優(yōu)良性能的重要環(huán)節(jié)，對于中、大功率的場合，多用的是二級結(jié)構(gòu)，即功率因數(shù)校正部分加諧振變換器部分，部分應(yīng)用場合需要加入額外的整流或者均流部分^[2]。對于二級結(jié)構(gòu)，開關(guān)管的數(shù)量以及其開關(guān)損耗不僅會影響驅(qū)動(dòng)電源的效率，同時(shí)會增加電源的成本及體積。

    針對此問題，不同學(xué)者提出了不同的方法來消除電解電容。文獻(xiàn)[3]提出了基于FLYBACK可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電源，可實(shí)現(xiàn)很高的效率，但是應(yīng)用到中、大功率場合比較困難，無法實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[4-5]提出了基于LCC諧振變換器的雙級結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，一定程度提高驅(qū)動(dòng)電源效率，但無法實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；文獻(xiàn)[6-7]提出了基于LLC諧振變換器的LED驅(qū)動(dòng)電源，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通或者零電流關(guān)斷，但不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因此效率仍可以進(jìn)一步提升。

    本文提出一種基于LCLC諧振變換器的單級LED驅(qū)動(dòng)電源。前級使用發(fā)展已經(jīng)相對成熟的電感電流斷續(xù)的BOOST功率因數(shù)矯正電路，第二級使用LCLC諧振變換器，其與LLC以及LCC諧振變換器相比，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開通以及零電流關(guān)斷，一定程度減少開關(guān)損耗。同時(shí)，對于兩級結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，使原有的3個(gè)MOSFET變?yōu)?個(gè)，提高效率的同時(shí)也降低電路成本。

1 電路結(jié)構(gòu)分析

    所提出的兩級結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，前級選用電感電流斷續(xù)模式的BOOST功率因數(shù)校正電路，保證足夠高的功率因數(shù)的同時(shí)為后面電路提供穩(wěn)定的直流電壓。

    第二級使用LCLC諧振變換器，其所能實(shí)現(xiàn)的零電壓開通（ZVS）以及零電流關(guān)斷（ZCS）是其他諧振變換器所不具備的，應(yīng)用在LED驅(qū)動(dòng)電源中可以發(fā)揮優(yōu)良的性能，極大程度提高驅(qū)動(dòng)電源效率。

    諧振變換器部分電路拓?fù)淙鐖D2所示。S₁與S₂兩個(gè)MOSFET構(gòu)成半橋橋壁。L_s、C_s、L_p與C_p為4個(gè)諧振器件。在單個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)MOSFET交替導(dǎo)通，各占50%占空比。同時(shí)，為防止兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，造成短路，每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通之前均存在一定的死區(qū)時(shí)間。每個(gè)周期電路可分為10個(gè)工作狀態(tài)，每個(gè)模式內(nèi)開關(guān)管的開斷情況以及電容、電感的充放電情況如表1所示，對應(yīng)波形如圖3所示。

    將該LCLC諧振變換器簡化，得到等效電路如圖4所示。R為等效負(fù)載。通過計(jì)算，系統(tǒng)的輸入阻抗為：

    其中，

    為使MOSFET工作在零電壓開通的狀態(tài)，電壓相位應(yīng)超前于電流相位，此時(shí)應(yīng)使輸入阻抗角處于大于0的狀態(tài)。而想要實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，電壓與電流需要處于相同的相位，此時(shí)阻抗角應(yīng)該為0。故需保證輸入阻抗角為大于0且非常接近于0的狀態(tài)，便可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開通以及零電流關(guān)斷。

    此外，求得拓?fù)涞碾妷涸鲆鏋椋?/p>

    對于開關(guān)管S₁與S₂的交替導(dǎo)通之間死區(qū)時(shí)間的選擇，存在一定要求。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，以t₀到t₁時(shí)間段為例，假設(shè)兩MOSFET的寄生電容C_p1及C_p2大小相等，則其充放電速度相同，流經(jīng)其中電流相等。為滿足零電壓開通的要求，在t₁時(shí)刻之前，C_p1兩端電壓應(yīng)降為0，t₁時(shí)刻流經(jīng)MOSFET的電流不能大于0，否則會繼續(xù)給C_p1充電。根據(jù)上述分析，得到一個(gè)關(guān)于死區(qū)時(shí)間的表達(dá)式：

    其中，U_bus為LCLC諧振變換器部分輸入電壓，i_in0為t₀時(shí)刻通過MOSFET S₁的電流。

    通過上述分析，上述兩級結(jié)構(gòu)雖然具有高功率因數(shù)、高效率等特點(diǎn)，但其需要使用3個(gè)MOSFET，電路成本以及效率都會受到一定影響。若通過對拓?fù)涞恼希诓挥绊戨娐穬?yōu)良性能的同時(shí)，減少M(fèi)OSFET的數(shù)量，可以對電路性能進(jìn)一步提升。

    對于未經(jīng)整合的兩級結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示。對圖中的M與N兩點(diǎn)進(jìn)行分析。假設(shè)S₁與S₃開關(guān)狀態(tài)完全相同，當(dāng)兩個(gè)MOSFET同時(shí)開通時(shí)，M、N兩點(diǎn)均與地相連，電壓相等；當(dāng)兩個(gè)MOSFET同時(shí)關(guān)斷時(shí)，S₂導(dǎo)通，M、N處于聯(lián)通的狀態(tài)，電壓相等。不難發(fā)現(xiàn)，M、N兩點(diǎn)始終處于相同電位的狀態(tài)，故可以用導(dǎo)向?qū)牲c(diǎn)短接，而不會影響電路工作。此時(shí)，S₁與S₃處于并聯(lián)狀態(tài)，而D₄與S₂的體二極管處于并聯(lián)的狀態(tài)，所以可以將S₃與D₄去除，對電路進(jìn)行整理，得到整合后的單級拓?fù)淙鐖D5(b)所示。

2 電路拓?fù)浞抡?/strong>

    使用LTspice軟件對驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行仿真。仿真電路原理圖如圖6所示，設(shè)置開關(guān)頻率為100 kHz，兩MOSFET交替導(dǎo)通，死區(qū)占空比為0.156%，得到的仿真波形如圖7所示。參數(shù)設(shè)置為：U_inac=220 V，L=100 μF，C=20 μH，f=100 kHz，L_r=400 μH，C_r=140 nF，L_s=160 μH，C_p=17.6 nF，U_in=400 V，死區(qū)占空比0.176%。

    圖7(a)中曲線1為輸入電壓波形，曲線2表示輸入電流的波形，從圖中可以看出輸入電壓與輸入電流之間基本保持相同相位，可以實(shí)現(xiàn)非常高的功率因數(shù)；圖7(b)中曲線1表示MOSFET驅(qū)動(dòng)信號，曲線2表示MOSFET漏極和源極之間的電壓，可以看出該結(jié)構(gòu)在MOSFET開通時(shí)，漏-源電壓已經(jīng)達(dá)到零，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通(ZVS)；圖7(c)中曲線1表示MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號，曲線2表示通過L_s的電流(在開通時(shí)間內(nèi)內(nèi)與流過MOSFET電流相等)，可以看出當(dāng)撤銷驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，通過MOSFET的電流近似為零，可認(rèn)為其可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷(ZCS)；圖7(d)中曲線1表示流經(jīng)L_s的電流，曲線2表示輸出電流，輸出電流恒定，紋波很小，可以實(shí)現(xiàn)非常好的供電效果。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    基于仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，搭建實(shí)驗(yàn)平臺對該電路拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺各部分參數(shù)為：輸入電壓工頻220 V AC，輸出電流1.5 A，輸出功率100 W，MOSFET開關(guān)頻率109 kHz，對于各電感、電容元件，L為100 μH，L_s為400 μH，C_s為140 nF，L_p為160 μH，C_p為17.6 nF。

    圖8(a)表示兩個(gè)MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號，兩者同以48.4%的占空比交替導(dǎo)通，且導(dǎo)通前存在1.6%的死區(qū)時(shí)間；圖8(b)中曲線1表示輸入電壓，曲線2表示輸入電流，從圖中可以看出輸入電壓與輸入電流基本保持相同相位，可以實(shí)現(xiàn)很高的功率因數(shù)；圖8(c)中曲線1表示MOSFET S₁的驅(qū)動(dòng)信號，曲線2表示其漏-源電壓，當(dāng)給S₁加入驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，其漏-源電壓已經(jīng)降為零，實(shí)現(xiàn)零電壓開通；圖8(d)中曲線1表示MOSFET S₁的驅(qū)動(dòng)信號，曲線2表示L_s的工作電流(正負(fù)半個(gè)周期分別與兩個(gè)MOSFET的工作電流相等)，當(dāng)S₁的驅(qū)動(dòng)信號結(jié)束時(shí)，其工作電流基本降為0，可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；圖8(e)表示輸出電流，大小為1.5 A，其值保持穩(wěn)定狀態(tài)，且紋波非常小，可以為LED穩(wěn)定供電。實(shí)驗(yàn)平臺如圖9所示。

    進(jìn)一步檢驗(yàn)整合后的一級拓?fù)鋵φ諆杉壨負(fù)湫史矫娴奶嵘诓煌碾妷旱燃壪聶z測兩種拓?fù)涞男?，繪制效率曲線如圖10所示?？梢钥闯鼋?jīng)整合后的拓?fù)鋵φ照现坝幸欢ǔ潭忍嵘?br/>

4 結(jié)論

    本文介紹了一種基于LCLC諧振變換器的單級LED驅(qū)動(dòng)電源，其主要特點(diǎn)為：功率因數(shù)高；可實(shí)現(xiàn)MOSFET的零電壓開通及零電流關(guān)斷；通過整合使MOSFET數(shù)量較少，效率較高；輸出電流穩(wěn)定且紋波較小，可為LED穩(wěn)定供電。本文對該拓?fù)溥M(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的正確性。

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作者信息:

戴文桐，牟憲民，劉華生，焦海坤

（大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連116024）