基于LLC拓撲的寬電壓輸出LED驅(qū)動電源研究

1 引言

半導體照明作為21 世紀的新型光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、易維護等優(yōu)點。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)動電源的設(shè)計成為LED 應(yīng)用中一個重要研究對象。LLC半橋諧振變換器以其高效率、高功率密度等優(yōu)點成為現(xiàn)今倍受青睞的熱門拓撲， 但一般用于恒壓輸出場合，傳統(tǒng)LLC 被認為不適合應(yīng)用于寬范圍恒流輸出。此處提出一種半橋LLC 新的設(shè)計方法，使其在寬范圍恒流輸出場合依然保持高效率。

因此，LLC 可作為LED 驅(qū)動的很好的拓撲選擇。

2 恒流LLC 諧振變流器的設(shè)計方法

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。

兩個占空比為0.5 互補驅(qū)動的開關(guān)管VS1，VS2 構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)，諧振電感Lr、諧振電容Cr 和變壓器的勵磁電感Lm 構(gòu)成LLC 諧振網(wǎng)絡(luò)，變壓器次級由整流二極管VD1~VD4 構(gòu)成全橋整流電路。

圖1 半橋LLC 諧振變流器電路拓撲

半橋LLC 變流器有兩個諧振頻率。當變壓器初級電壓被輸出電壓箝位時，Lm 不參加諧振，Lr和Cr 產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率為f1;當變壓器不向次級傳遞能量時，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， 可推導出LLC 諧振變流器的直流電壓增益表達式為：

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 變流器在不同負載情況下的直流增益曲線。LLC 工作在f1(即圖中(1，1)點)時，諧振回路阻抗最小，損耗最低。所以在普通設(shè)計中，一般將滿載工作點設(shè)計在該點。

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，可同時實現(xiàn)初級開關(guān)管ZVS 開通和次級整流管ZCS 關(guān)斷，避免反向恢復，所以恒壓輸出的設(shè)計中， 一般將所有負載情況下的工作點設(shè)計在該區(qū)間中。但是在恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計中，負載變化大，對應(yīng)的直流增益變化范圍大， 很難保證全負載范圍內(nèi)所有的工作點均在ZVS 區(qū)域。并且電路工作在最大增益點和(1，1)點之間的曲線上， 這段曲線增益越小， 越接近諧振點。故僅能將滿載工作點設(shè)計在直流增益高，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，初級開關(guān)管可實現(xiàn)ZVS 開通，次級整流管不能實現(xiàn)ZCS 關(guān)斷，會有反向恢復過程，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)計的要求。

2.3 恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計

半橋LLC 的直流增益為：

式中：n 為實際變壓器繞組匝比;Uin，Uo分別為輸入、輸出電壓。

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

由圖2 可見，曲線增益越小，斜率越大。若滿載的工作點設(shè)計在諧振點，輸出電壓降至一半(即Gdc 降至0.5)時的工作頻率將達到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 計算式可知，若n

圖3 恒流LLC 的工作點

圖3 中，虛線為Uo 在200~100 V 變化時對應(yīng)的Gdc， 實線為Uo 為200~100 V 時等效負載的增益曲線，Uo 相同時對應(yīng)的實線和虛線的交點即為電路實際的工作點。在此設(shè)計中，Uo 從200~100 V變化時，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， 電路滿載時的工作頻率設(shè)計在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)當選擇增益曲線中斜率較大的一段，即Gdc1.電路實際的工作頻率始終大于f1，所以應(yīng)選f1100 kHz，設(shè)計在60~70 kHz 較為合理。

3.2 諧振參數(shù)Cr ， Lr

當f1 一定時，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)計中應(yīng)該折中考慮。Cr 確定后，根據(jù)f1 可計算出Lr 為：

3.3 n ， Lm 的選擇

為使開關(guān)頻率的范圍縮窄， 實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)管導通損耗的角度考慮， 變壓器Lm 的值越大，初級電流有效值越小，開關(guān)管的導通損耗也越小，故希望Lm 越大越好。但Lr 一定時，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，會影響Uo 降到一半時的效率。所以，在保證一定的開關(guān)頻率范圍的前提下，Lm 越大越好。