常見問題

1 引言

隨著全球能源危機漫延,節(jié)能環(huán)保成為關注新焦點[1]。上世紀80年代,半導體技術飛速發(fā)展,發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)逐步取代了傳統(tǒng)照明設備,成為市場上新鮮血液[2]。隨著產(chǎn)品不斷升級,傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈則顯得更加遜色,LED優(yōu)勢突出,具有體積小、能耗小、壽命長、反應速度快等特點 [3-5]。LED照明事業(yè)飛速前進,意味著設計出穩(wěn)定高效的LED電源成為首要任務。同時LED電源的使用壽命成為限制LED發(fā)展首要因素[6]。

2 大功率LED驅(qū)動器理論分析

2.1 工作原理

設計的80W LED驅(qū)動器,輸入為220V、50Hz的工頻電,前級過整流電路將交流電整流為脈動直流,作為升壓式功率因數(shù)校正(power factor correction,PFC)的輸入電源,通過PFC控制器實現(xiàn)功率因數(shù)校正。后級直流/直流采用半橋式隔離變換器,具有軟開關功能,實現(xiàn)恒流輸出。驅(qū)動器結構框圖如圖1所示。

2.2 PFC功率因數(shù)校正電路

驅(qū)動器功率因數(shù)過低,將使輸入電壓、電流相位不同步,會向電網(wǎng)中注入大量的電流諧波從而污染電網(wǎng)。這些諧波對電源本身亦會產(chǎn)生負面影響：如效率低、設備過熱、影響系統(tǒng)可靠性等。前級控制電路使用L6562芯片進行功率因數(shù)校正。通過濾波后,輸入電流與電壓保持同相位,功率因數(shù)提高,諧波大量減少,減小了對電網(wǎng)污染。

本文取最小開關頻率fmin=40KHZ,為保證在寬電壓范圍和滿載下電路仍工作在臨界導通模式下,按公式(1)選擇電感,升壓電感L≤0.376mH,故L=700mH。在電網(wǎng)頻率為50Hz,使輸出電壓峰值小于15V,根據(jù)公式(2)解得C≥74μF,取100μF/450V的電容。

圖1 LED驅(qū)動器系統(tǒng)結構框圖

其中：η為驅(qū)動器的效率,Vp為輸入電壓峰值,Vout為輸出電壓,Pout為輸出功率,fmin為最小開關頻。

其中：f為電網(wǎng)頻率,△vDC-pp為輸出濾波電容上電壓的峰值。

2.3 LLC諧振電路及同步整流

LLC諧振變換器作為直流/直流部分主要控制電路,相較其他轉(zhuǎn)換器優(yōu)勢突出,可滿足在全負載變換范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關工作,效率高。在大功率LED驅(qū)動器應用中,輸出整流二極管兩端導通壓降較大,導致整流二極管功率消耗突出。而應用同步整流技術能有效提高驅(qū)動器整體效率,降低整流二極管能損。該部分采用芯片NCP4305對同步整流進行控制,芯片通過對變壓器兩個次級繞組上的電壓采樣,分別給兩個MOS管SR1和SR2提供驅(qū)動信號,因此該部分需兩個NCP4305對MOS管進行控制,基于同步整流的LLC諧振變換電路如圖2所示。

欲求諧振參數(shù),先根據(jù)電壓增益和工作頻率要求,得到參數(shù)：勵磁電感Lm和諧振電感Lr的比值k,品質(zhì)因數(shù)Q。公式(3)為電壓增益與工作頻率關系函數(shù),對Q值進行選取,在諧振頻率范圍內(nèi),使得諧振頻率點的增益大于電路工作的最低增益,所以選擇最高時的電壓增益。

其中：fn為歸一化頻率,Ln為諧振電感Lr與勵磁電感Lm的比值,Q為品質(zhì)因數(shù)。

經(jīng)計算Q取0.3,根據(jù)LLC變換器各參數(shù)的關系,進而得到諧振網(wǎng)絡等效阻抗為389Ω,諧振電容Cr=15.15nF,諧振電感Lr=206μH,勵磁電感LM=1.442mH。

3 仿真分析

3.1 驅(qū)動電路中PFC電路及LLC諧振電路仿真分析

圖2 基于同步整流的LLC諧振變換電路

仿真模型選擇交流220V作為輸入電壓,經(jīng)過全橋整流后的輸入電壓以及經(jīng)過功率因數(shù)校正后的電流波形如圖3所示,經(jīng)過PFC電路校正后,使輸入電壓與輸入電流保持同相位,PFC達到0.98以上,符合預期設計要求。

圖3 經(jīng)過PFC校正的輸入電壓與電流波形

PFC端輸出電壓波形如圖4所示。根據(jù)電壓和電流波形反映出該驅(qū)動電路具有較快的動態(tài)響應,經(jīng)過0.2秒后,前級輸出電壓穩(wěn)定大約為400V,紋波較小,輸出電流平穩(wěn)并沒有出現(xiàn)尖波,波形整體輸出趨勢平穩(wěn)。

圖4 PFC輸出電流與電壓波形圖

圖5 同步整流輸出電流與電壓波形

圖5所示為LLC變換電路輸出部分同步整流電壓和電流。同步整流后輸出電壓電流波形平穩(wěn),響應速度快,輸出電壓12.8V、電流6.2A,滿足設計要求。

圖6為負載擾動圖。為了驗證驅(qū)動器的抗擾動效果,將負載等效電阻的變化代替LED負載出現(xiàn)變化。設定當t=10ms時,驅(qū)動電路工作在80%負載情況下;當t=30ms時,驅(qū)動電路工作在滿載情況下;當t=50ms時,驅(qū)動電路工作額定負載情況下。這樣設計的目的是為了驗證驅(qū)動電路抗負載擾動的能力,并且觀察驅(qū)動器在出現(xiàn)擾動時能否迅速恢復正常,能否恒流驅(qū)動LED。圖7所示為當負載發(fā)生擾動時,該驅(qū)動器的輸出情況。

仿真表明當負載變化時,驅(qū)動電路仍能保持恒流輸出,為負載可靠供電。當0.8倍滿載時,電壓會小幅下降,當1.2倍滿載時,電壓會小幅上升,但變化并不明顯。故該驅(qū)動電路具有抗負載干擾能力,達到預期設計要求。

當電網(wǎng)電壓變化時,輸出電壓和電流稍有波動,但基本保持恒定,電路可以正常工作,因此該驅(qū)動器具有較好的抗電網(wǎng)電壓擾動能力。

圖6 不同時刻下的負載擾動

圖7 負載擾動時輸出電壓與電流波形

4 結束語

設計了大功率LED路燈驅(qū)動器,采用功率因數(shù)校正電路和LLC諧振變換電路,仿真效果反應出該驅(qū)動器能夠滿足大功率LED路燈的需求。該設計對今后LED路燈的發(fā)展具有建設性作用,進一步深入研究還需要對LED驅(qū)動器功率進行提高,解決驅(qū)動器的散熱問題,同時設計可靠的拓撲結構成為今后發(fā)展的方向。