基于LLC拓?fù)涞膶掚妷狠敵鯨ED驅(qū)動(dòng)電源研究
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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(mén)拓?fù)?/strong>, 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)?/strong>
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
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
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)f1 可計(jì)算出Lr 為:
3.3 n , Lm 的選擇
為使開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率范圍的前提下,Lm 越大越好。[!--empirenews.page--]
上述所有參數(shù)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮多方面因素,根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行合理的取舍,針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合找到最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上述理論分析,設(shè)計(jì)了一臺(tái)恒流寬范圍輸出LLC 變換器樣機(jī),并進(jìn)行了效率優(yōu)化。指標(biāo)要求為:Uin=400 V,輸出電流Io=0.7 A,Uo=200~100 V.
主開(kāi)關(guān)管選用FDP12N50, 次級(jí)整流二極管選用SF1005G.Nnor 需按輸出電壓最大值設(shè)計(jì):Nnor=Uin /(2Uomax)=1.
實(shí)際變壓器初次級(jí)匝比n
圖4 開(kāi)關(guān)管ug,uds 及iLr 波形
測(cè)得樣機(jī)的效率曲線如圖5 所示。可見(jiàn),fs 變化范圍選擇在80~150 kHz,f1 選在60 kHz 較為合理。樣機(jī)效率較高,整機(jī)效率達(dá)到95.5%~97.2%.
圖5 半橋LLC 的效率曲線
5 結(jié)論
介紹了恒流寬范圍輸出LLC 諧振變流器的設(shè)計(jì)方法,指出其與傳統(tǒng)恒壓LLC 設(shè)計(jì)上的不同考慮,分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。對(duì)于寬范圍輸出的LLC,工作區(qū)間應(yīng)設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率,直流增益小于1 的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)證明,在整個(gè)負(fù)載變化范圍內(nèi)效率均高于95.5%.該設(shè)計(jì)方法較適合于小電流輸出場(chǎng)合,樣機(jī)輸出電流為0.7 A.若是大電流輸出,工作在連續(xù)狀態(tài)下的LLC 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗、二極管關(guān)斷損耗影響明顯,效率會(huì)下降。
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