鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1398次 | 2020年05月18日
高效率DC/DC恒流電源LED驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法
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)?，但一般用于恒壓輸出?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出現(xiàn)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(xiàn)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：
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(xiàn)。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(mǎn)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(xiàn)
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)該防止電路工作在此區(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，防止反向恢復(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(xiàn)上，這段曲線(xiàn)增益越小，越接近諧振點(diǎn)。故僅能將滿(mǎn)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(mǎn)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工作在諧振電流持續(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(xiàn)斜率較大，直流增益可調(diào)的范圍廣，可滿(mǎn)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(xiàn)增益越小，斜率越大。若滿(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)及工作點(diǎn)。
圖3恒流LLC的工作點(diǎn)
圖3中，虛線(xiàn)為Uo在200~100V變化時(shí)對(duì)應(yīng)的Gdc，實(shí)線(xiàn)為Uo為200~100V時(shí)等效負(fù)載的增益曲線(xiàn)，Uo相同時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)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200~100V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
3.1f1選擇
考慮到磁元件的設(shè)計(jì)，電路滿(mǎn)載時(shí)的工作頻率設(shè)計(jì)在100kHz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(xiàn)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《100kHz，設(shè)計(jì)在60~70kHz較為合理。
3.2諧振參數(shù)Cr，Lr
當(dāng)f1一按時(shí)，Cr越小，Lr越大，Q越大，增益曲線(xiàn)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：
3.3n，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《Nnor.n減小，半載時(shí)的工作頻率降低，但同時(shí)滿(mǎn)載的工作頻率增高，工作點(diǎn)偏離諧振點(diǎn)較遠(yuǎn)，電路工作在更持續(xù)的狀態(tài)。在諧振電流還很大時(shí)，MOSFET被強(qiáng)行關(guān)斷；二極管關(guān)斷時(shí)流過(guò)它的整流電流也很大。這樣MOSFET和整流管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增大，在大電流場(chǎng)合更加明顯。所以n不宜取值過(guò)小。
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一按時(shí)，Lm越大則m越大，增益曲線(xiàn)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。
上述所有參數(shù)的設(shè)計(jì)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=400V，輸出電流Io=0.7A，Uo=200~100V.
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《Nnor.采用多套不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行效率優(yōu)化后，得最佳參數(shù)：fr=60kHz，n=0.85，Lm=800μH，m=3.75，Cr=33nF，Lr=213μH，fs=84~150kHz.變換器在滿(mǎn)載（Uo=200V）和半載（Uo=100V）時(shí)開(kāi)關(guān)管兩端電壓波形uds、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形ug和諧振電流iLr波形如圖4所示。
圖4開(kāi)關(guān)管ug，uds及iLr波形
測(cè)得樣機(jī)的效率曲線(xiàn)如圖5所示?？梢?jiàn)，fs變化范圍選擇在80~150kHz，f1選在60kHz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(xiàn)
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。關(guān)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0.7A.若是大電流輸出，工作在持續(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。
