0 引言

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

    傳統(tǒng)大功率LED驅(qū)動器一般采用PFC+DC/DC+恒流模塊的三級式結(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)動器，電路采取Boost型PFC+CLL諧振兩級式結(jié)構(gòu),，效率高,，電路簡單。

1 電路原理

    本文提出的基于CLL諧振的多路輸出LED驅(qū)動器如圖1所示,。前級PFC主電路采用Boost拓撲,，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DC/DC電路提供穩(wěn)定的電壓。CLL諧振電路能在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS開通和整流二極管的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)動多路LED負載,，從而節(jié)省了傳統(tǒng)LED驅(qū)動器的第三級恒流模塊。而且,，電路能方便地推廣到多路輸出的應(yīng)用場合,，易于實現(xiàn)模塊化。

    前級PFC主電路采用Boost拓撲,，電路工作在電流臨界模式,。圖2為半個工頻周期內(nèi)電感電流波形圖。其工作原理如下：每一周期開始時,，開關(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信號和參考信號相比,，當(dāng)檢測電流值等于參考值時,，開關(guān)管S₃關(guān)斷，電感電流減小,，當(dāng)電感電流降為零時,，開關(guān)管S₃再次導(dǎo)通，進入下一個開關(guān)周期,，如此周而復(fù)始^[6],。

    由于可以近似地將一個開關(guān)周期內(nèi)的電網(wǎng)電壓認為是定值，所以電感電流在半個工頻周期內(nèi)達到峰值時的值為：

    由式(1)可以看出,，在每個開關(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)通時間T_on不變，則在半個工頻周期內(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,，流過變壓器原邊電流值i_L2為0。寄生電容C_oss1放電,，同時寄生電容C_oss2充電,。

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

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

    (4)模態(tài)4[t₃-t₄]：t₃時刻，S₁零電壓開通,，直到t₄時刻,，i_cr=i_L1，模態(tài)4結(jié)束,。

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

    此后半個周期中電路工作狀態(tài)與前半個周期類似,。

    根據(jù)電容的充電平衡原理，在一個開關(guān)周期內(nèi)的電容的電荷總和為零,，即正電荷量等于負電荷量,，由此可以推出式(2),。流過C_b2的正電荷量和負電荷量為Q₅和Q₆，流過四路負載LED₁,、LED₂,、LED₃、LED₄的平均電流分別是相應(yīng)電荷量Q₁,、Q₂,、Q₃、Q₄的開關(guān)周期平均值,，如式(3)所示,。

    即四路輸出負載電流相等，而且i₁=i₂,。由此可見,，僅通過均流電容就可以實現(xiàn)四路LED負載的自動均流。

2 加平衡電容時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兩部分之和,。直流分量用直流電壓源V_cb1、V_cb2和V_cb3表示,，交流分量用沒有直流偏置的電容C_b1,、C_b2和C_b3表示。四路負載等效為電壓源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,。通過基波簡化,，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,，圖中每一條曲線對應(yīng)一個恒定輸出電流時，輸出電壓隨頻率的變化,。所有曲線在f₁時,，即諧振頻率點時，輸出電壓相同。

3 關(guān)鍵電路參數(shù)的設(shè)計原則

    前級PFC電路工作在臨界模式,，電感Lb可由式(13)獲得：

    后級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)計了CLL諧振電路的n,、k、B,。

    CLL變換器在諧振點f₁處的電壓增益為：

    可見，為得到最佳設(shè)計點(諧振點),，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時不同匝比n的恒流曲線，如果變壓器匝比設(shè)計為n=N_or,，工作頻率范圍較廣,，不利于磁性元件的設(shè)計。為減小工作頻率范圍,，實際變壓器繞組匝比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,，但是過大的n會導(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，在電路啟動時，各路輸出電流會出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象,，因此折中取B=5,。

4 實驗結(jié)果

    根據(jù)上述分析，制作了實驗樣機,。主要設(shè)計參數(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,，實驗表明各路LED負載電流幾乎相等,。

    圖12(a)為CLL諧振電路原邊開關(guān)管S2的柵級和漏源級電壓波形，圖12(b)為整流二極管D₁的電壓和電流波形,，從圖12(a),、(b)可以看出電路實現(xiàn)了開關(guān)管ZVS開通和整流二極管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，開關(guān)管S₃開通,，電感電流上升至峰值時,，開關(guān)管S₃關(guān)斷，電感電流下降,。因此,，前級Boost型PFC電路工作在臨界模式。

    表1列出了220 V交流輸入時,，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，電路的功率因數(shù)PF和效率η的變換曲線,。整機平均效率超過90%,，最高效率達到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)動器,，該電路采用BCM Boost+CLL半橋諧振變換器的兩級拓撲結(jié)構(gòu)。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的ZVS開通和整流二極管的ZCS關(guān)斷,，提高了整機效率,。該電路易于擴展，且能在寬輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)各路輸出均流,。根據(jù)本文給出的設(shè)計方法,，研制了一臺驅(qū)動電源，實驗表明,，各LED串之間能實現(xiàn)精確均流,，能實現(xiàn)較高的功率因數(shù),，驗證了理論分析的正確性,。

參考文獻

[1] 俞憶潔，張方華,，倪建軍.對稱跨接電容型LED均流電路[J].電工技術(shù)學(xué)報,，2014，29(8)：196-203.

[2] 胡晨,，吳新科,，彭方正，等.基于多電容充放電平衡的多路輸出LED驅(qū)動器[J].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版,，2014(12)：2202-2209.

[3] WU X,，ZHANG J，QIAN Z.A simple two-channel LED driver with automatic precise current sharing[J].Industrial Electronics,，IEEE Transactions on,，2011，58(10)：4783-4788.

[4] ZHANG Y,，HU C,，WU X.Analysis and design of LLCC resonant four-channel DC-DC LED driver with current sharing transformer[C].Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)，2013 Twenty-Eighth Annual IEEE.IEEE,，2013：3295-3300.

[5] CHEN X,，HUANG D，LI Q,，et al.Multichannel LED driver with CLL resonant converter[J].Emerging and Selected Topics in Power Electronics,，IEEE Journal of,，2015，3(3)：589-598.

[6] 王志鵬,，陶生桂,，湯春華.基于L6561的電流準(zhǔn)連續(xù)模式APFC電源設(shè)計[J].通信電源技術(shù)，2004,，21(4)：9-12.

[7] 吳建雪,，許建平，陳章勇.CLL諧振變換器諧振電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備,，2015,，35(1)：79-84.