0 引言

    近年來,，LED憑借其節(jié)能環(huán)保等特點,，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)動電源的效率,，同時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[3]提出了基于FLYBACK可調(diào)光LED驅(qū)動電源,，可實現(xiàn)很高的效率，但是應(yīng)用到中、大功率場合比較困難,，無法實現(xiàn),；文獻[4-5]提出了基于LCC諧振變換器的雙級結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通,，一定程度提高驅(qū)動電源效率,，但無法實現(xiàn)零電流關(guān)斷；文獻[6-7]提出了基于LLC諧振變換器的LED驅(qū)動電源,，可以實現(xiàn)零電壓開通或者零電流關(guān)斷,，但不能同時實現(xiàn)，因此效率仍可以進一步提升,。

    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,，可以同時實現(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,，對于兩級結(jié)構(gòu)進行整合，使原有的3個MOSFET變?yōu)?個,，提高效率的同時也降低電路成本,。

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)動電源中可以發(fā)揮優(yōu)良的性能,，極大程度提高驅(qū)動電源效率。

    諧振變換器部分電路拓?fù)淙鐖D2所示,。S₁與S₂兩個MOSFET構(gòu)成半橋橋壁,。L_s、C_s,、L_p與C_p為4個諧振器件,。在單個周期內(nèi)，兩個MOSFET交替導(dǎo)通,，各占50%占空比,。同時，為防止兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通,，造成短路,，每個開關(guān)管導(dǎo)通之前均存在一定的死區(qū)時間,。每個周期電路可分為10個工作狀態(tài)，每個模式內(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,，此時應(yīng)使輸入阻抗角處于大于0的狀態(tài),。而想要實現(xiàn)零電流關(guān)斷，電壓與電流需要處于相同的相位,，此時阻抗角應(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)，便可以同時實現(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)時間的選擇，存在一定要求,。在死區(qū)時間內(nèi),，以t₀到t₁時間段為例，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時刻之前,，C_p1兩端電壓應(yīng)降為0，t₁時刻流經(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，得到一個關(guān)于死區(qū)時間的表達式：

    其中,，U_bus為LCLC諧振變換器部分輸入電壓,，i_in0為t₀時刻通過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，但其需要使用3個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,，減少MOSFET的數(shù)量,，可以對電路性能進一步提升。

    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兩點進行分析。假設(shè)S₁與S₃開關(guān)狀態(tài)完全相同,，當(dāng)兩個MOSFET同時開通時,，M、N兩點均與地相連,，電壓相等,；當(dāng)兩個MOSFET同時關(guān)斷時，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兩點始終處于相同電位的狀態(tài),，故可以用導(dǎo)向?qū)牲c短接,，而不會影響電路工作。此時,，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)動電源進行仿真,。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，可以實現(xiàn)非常高的功率因數(shù),；圖7(b)中曲線1表示MOSFET驅(qū)動信號,，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,，漏-源電壓已經(jīng)達到零,，可以實現(xiàn)零電壓開通(ZVS)；圖7(c)中曲線1表示MOSFET的驅(qū)動信號,，曲線2表示通過L_s的電流(在開通時間內(nèi)內(nèi)與流過MOSFET電流相等),，可以看出當(dāng)撤銷驅(qū)動信號時，通過MOSFET的電流近似為零,，可認(rèn)為其可以實現(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，可以實現(xiàn)非常好的供電效果,。

3 實驗驗證

    基于仿真實驗的結(jié)果,，搭建實驗平臺對該電路拓?fù)溥M行實驗驗證。實驗平臺各部分參數(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MOSFET的驅(qū)動信號，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)動信號,，曲線2表示其漏-源電壓,，當(dāng)給S₁加入驅(qū)動信號時，其漏-源電壓已經(jīng)降為零,，實現(xiàn)零電壓開通,；圖8(d)中曲線1表示MOSFET S₁的驅(qū)動信號，曲線2表示L_s的工作電流(正負(fù)半個周期分別與兩個MOSFET的工作電流相等),，當(dāng)S₁的驅(qū)動信號結(jié)束時,，其工作電流基本降為0，可以實現(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。實驗平臺如圖9所示,。

    進一步檢驗整合后的一級拓?fù)鋵φ諆杉壨負(fù)湫史矫娴奶嵘?，在不同的電壓等級下檢測兩種拓?fù)涞男剩L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)動電源，其主要特點為：功率因數(shù)高,；可實現(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行詳細(xì)分析,，并進行了仿真實驗以及實物實驗,，實驗結(jié)果證明了設(shè)計的正確性。

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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）