基于LLC拓?fù)涞膶掚妷狠敵鯨ED驅(qū)動(dòng)電源研究

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LED 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
圖1 半橋LLC 諧振變流器電路

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， 開關(guān)管工作在容性區(qū)域，開關(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)開關(guān)管ZVS 開通和次級(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

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)開關(guān)管可實(shí)現(xiàn)ZVS 開通，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Gdc1.由式(3)及Nnor 計(jì)算式可知，若n

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Gdc1.電路實(shí)際的工作頻率始終大于f1，所以應(yīng)選f1100 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)f1 可計(jì)算出Lr 為：

3.3 n ， Lm 的選擇

為使開關(guān)頻率的范圍縮窄， 實(shí)際變壓器繞組匝比應(yīng)小于期望的變壓器繞組匝比，n

從減小開關(guān)管導(dǎo)通損耗的角度考慮， 變壓器Lm 的值越大，初級(jí)電流有效值越小，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗也越小，故希望Lm 越大越好。但Lr 一定時(shí)，Lm 越大則m 越大，增益曲線的斜率變小。為保證所需的Uo 使變換器的工作頻率范圍變寬，會(huì)影響Uo 降到一半時(shí)的效率。所以，在保證一定的開關(guān)頻率范圍的前提下，Lm 越大越好。