高效率DC/DC恒流電源LED驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

　　1 引言

　　半導(dǎo)體照明作為21 世紀(jì)的新型光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。用大功率高亮度發(fā)光二極管（LED）取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源已是大勢(shì)所趨。由于LED 自身特性，必須采用恒流源為其供電。因此，高效率恒流驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)成為L(zhǎng)ED 應(yīng)用中一個(gè)重要研究對(duì)象。LLC半橋諧振變換器以其高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)今倍受青睞的熱門拓?fù)洌?但一般用于恒壓輸出場(chǎng)合，傳統(tǒng)LLC 被認(rèn)為不適合應(yīng)用于寬范圍恒流輸出。此處提出一種半橋LLC 新的設(shè)計(jì)方法，使其在寬范圍恒流輸出場(chǎng)合依然保持高效率。

　　因此，LLC 可作為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)的很好的拓?fù)溥x擇。

　　2 恒流LLC 諧振變流器的設(shè)計(jì)方法

　　2.1 半橋LLC 變換電路概述

　　半橋LLC 諧振變流器電路原理如圖1 所示。

　　兩個(gè)占空比為0.5 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)管VS1，VS2 構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)，諧振電感Lr、諧振電容Cr 和變壓器的勵(lì)磁電感Lm 構(gòu)成LLC 諧振網(wǎng)絡(luò)，變壓器次級(jí)由整流二極管VD1~VD4 構(gòu)成全橋整流電路。

　　圖1 半橋LLC 諧振變流器電路拓?fù)?/p>

　　半橋LLC 變流器有兩個(gè)諧振頻率。當(dāng)變壓器初級(jí)電壓被輸出電壓箝位時(shí)，Lm 不參加諧振，Lr和Cr 產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率為f1;當(dāng)變壓器不向次級(jí)傳遞能量時(shí)，Lm 電壓不被箝位，Lm，Lr，Cr 共同參與諧振，構(gòu)成諧振頻率f2 為：

　　2.2 直流增益曲線及工作區(qū)間

　　采用基波近似方法， 可推導(dǎo)出LLC 諧振變流器的直流電壓增益表達(dá)式為：

　　式中：m=Lm/Lr;fn =fs/f1，fs 為開(kāi)關(guān)頻率；Ro 為等效輸出電阻。

　　圖2 示出半橋LLC 變流器在不同負(fù)載情況下的直流增益曲線。LLC 工作在f1（即圖中（1，1）點(diǎn)）時(shí)，諧振回路阻抗最小，損耗最低。所以在普通設(shè)計(jì)中，一般將滿載工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在該點(diǎn)。

　　圖2 半橋LLC 的直流增益曲線

　　在圖2 所示3 區(qū)間中， 開(kāi)關(guān)管工作在容性區(qū)域，開(kāi)關(guān)損耗大，所以在任何設(shè)計(jì)中都應(yīng)該避免電路工作在此區(qū)域。而2 區(qū)間中，LLC 工作在諧振電流斷續(xù)模式，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)管ZVS 開(kāi)通和次級(jí)整流管ZCS 關(guān)斷，避免反向恢復(fù)，所以恒壓輸出的設(shè)計(jì)中， 一般將所有負(fù)載情況下的工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在該區(qū)間中。但是在恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計(jì)中，負(fù)載變化大，對(duì)應(yīng)的直流增益變化范圍大， 很難保證全負(fù)載范圍內(nèi)所有的工作點(diǎn)均在ZVS 區(qū)域。并且電路工作在最大增益點(diǎn)和（1，1）點(diǎn)之間的曲線上， 這段曲線增益越小， 越接近諧振點(diǎn)。故僅能將滿載工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在直流增益高，即fs《f1 的區(qū)間， 輸出電壓小即輕載工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在諧振點(diǎn)，滿載效率不能得到優(yōu)化，效率會(huì)很低。

　　在圖2 所示1 區(qū)間中，fs》f1，LLC 工作在諧振電流連續(xù)模式，初級(jí)開(kāi)關(guān)管可實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通，次級(jí)整流管不能實(shí)現(xiàn)ZCS 關(guān)斷，會(huì)有反向恢復(fù)過(guò)程，但在輸出電流小的情況下影響不大。這一區(qū)間增益曲線斜率較大，直流增益可調(diào)的范圍廣，可滿足恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計(jì)的要求。　　2.3 恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計(jì)

　　半橋LLC 的直流增益為：

　　式中：n 為實(shí)際變壓器繞組匝比；Uin，Uo分別為輸入、輸出電壓。

　　可見(jiàn)，為得到最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)（即諧振點(diǎn)），僅需取期望的變壓器繞組匝比Nnor=Uin /（2Uo）。

　　由圖2 可見(jiàn)，曲線增益越小，斜率越大。若滿載的工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在諧振點(diǎn)，輸出電壓降至一半（即Gdc 降至0.5）時(shí)的工作頻率將達(dá)到2 倍諧振頻率以上， 工作頻率范圍很廣。為使工作頻率范圍變窄，可選擇增益曲線斜率大的一段，即Gdc《1.由式（3）及Nnor 計(jì)算式可知，若n《Nnor，則Gdc《1.圖3示出n=0.88Nnor 時(shí)的增益曲線及工作點(diǎn)。

　　圖3 恒流LLC 的工作點(diǎn)

　　圖3 中，虛線為Uo 在200~100 V 變化時(shí)對(duì)應(yīng)的Gdc， 實(shí)線為Uo 為200~100 V 時(shí)等效負(fù)載的增益曲線，Uo 相同時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)線和虛線的交點(diǎn)即為電路實(shí)際的工作點(diǎn)。在此設(shè)計(jì)中，Uo 從200~100 V變化時(shí)，工作頻率的范圍為1.22f1~2.11f1.

　　3 參數(shù)分析與優(yōu)化

　　3.1 f1 選擇

　　考慮到磁元件的設(shè)計(jì)， 電路滿載時(shí)的工作頻率設(shè)計(jì)在100 kHz 左右較為理想。為保證半載工作效率，半載頻率不能太高。所以應(yīng)當(dāng)選擇增益曲線中斜率較大的一段，即Gdc《1.電路實(shí)際的工作頻率始終大于f1，所以應(yīng)選f1《100 kHz，設(shè)計(jì)在60~70 kHz 較為合理。

　　3.2 諧振參數(shù)Cr ， Lr

　　當(dāng)f1 一定時(shí)，Cr 越小，Lr 越大，Q 越大，增益曲線的斜率越大，故減小Cr 可使半載的工作頻率顯著降低。從提高半載效率的角度考慮，Cr 越小越好，但Cr 越小，其兩端的電壓峰值則越大，要降低Cr 的電壓應(yīng)力，Cr 應(yīng)取越大越好。設(shè)計(jì)中應(yīng)該折中考慮。Cr 確定后，根據(jù)