0 引言

    隨著時代的發展，科技的進步，發光二極管(Light Emitting Diode，LED)在生活生產中的各個領域得到了廣泛發展，比如普通照明、醫療、交通等。因為LED是電流型器件，LED發出的光品質是由流經LED的電流大小和波動情況決定的，所以發展LED照明的關鍵在于其驅動器的創新與設計^[1-2]。

    如今LED驅動電源技術日益成熟，總體可分為單級式和兩級式。單級式LED驅動電源拓撲包括Buck、Buck-boost、Fly-back等，結構簡單，易于控制，成本較低，但是其功率因數較低，輸出電流紋波較大，影響LED的發光品質。兩級式LED驅動電源拓撲分為前級功率因數校正(Power Factor Correction，PFC)模塊和后級DC-DC模塊。結構較單級式更為復雜，控制策略也更為繁瑣，相對成本就更高，而其優點是功率因數會比較高，且輸出電流紋波比較低，在交流供電場合，更能滿足IEC 61000-3-2的諧波要求^[3-8]。

    文獻[9]提出了一種基于二次型Buck無頻閃無變壓器的LED驅動電源，具有較高的功率因數，降低了輸出紋波。但是其輸入電流存在過零死區的問題，影響其總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）。

    本文提出一種新型的的基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源，在二次型Buck拓撲的基礎上，級聯了一個Buck-boost變換器，消除了輸入電流過零死區，改善了其THD，進一步提高了電源的功率因數。同時，采用兩級式級聯結構，降低了二極管的電壓應力，使開關管的占空比工作在更合理的區域。

1 主電路拓撲的工作原理

    如圖1所示為基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源的主電路拓撲圖。此拓撲由一個Buck-boost拓撲和一個二次型Buck拓撲級聯而成，共用一個開關管Q。Buck-boost拓撲包括開關管Q、電感L₁、電容C₁、二極管D₂和二極管D₃，二次型Buck拓撲包括開關管Q、二極管D₄、D₅、D₆、D₇、電感L₂、L₃和電容C₂、C_o。當電感L₁和L₂工作在電感斷續模式(Discontinuous Conduction mode，DCM)下，電路自動實現PFC。為了使電源效率更高，使電感L₃工作在臨界連續模式(Critical Conduction Mode，CRM)下。

    為了簡化分析，在本文中，假設：

    (1)所有的開關管、二極管、電感和電容均為理想元件。

    (2)開關頻率f_S遠大于電網頻率f_L。

    (3)在開關周期內，電容電壓為恒定值。

    經過分析，變換器可分為開關管Q導通和關斷的兩個主要工作模態，變換器的主要工作模態等效電路如圖2所示，驅動電源主要波形如圖3所示。

    (2)關斷模態：如圖2(b)所示，當開關管關斷時,二極管D₃、D₅、D₇導通，電感L₁上的電流通過二極管D₃續流，并向電容C₁放電，電感L₂上的電流通過二極管D₄續流，并向電容C₂放電，電感L₃上的電流通過二極管D₇續流，并向電容C_o和負載放電。即電感電流峰值與續流時間的關系分別為：

其中，分別為電感電流的續流時間。

    由于電感L₃工作在CRM模式下，電感電流與輸出電流Io的關系為：

2 LED驅動電源工作特性分析

2.1 占空比D的分析

    經過分析可得，理想情況下，驅動電源的電壓傳輸比為：

    根據式(11)作圖4可得，與傳統的二次型Buck拓撲相比，在相同的電壓傳輸比的情況下，本文提出的電路拓撲能在更為理想的占空比的條件下工作，提高了電源穩定性和電源效率。

2.2 電容C1、C2的特性分析

2.3 電感L₁、L₂、L₃的工作特性分析

    由于電感L3工作在CRM模式下，根據式(10)和式(16)可得：

取電感L₂=400 μH，經計算分析，電感L₁，L₂的取值滿足式(22)和式(23)。

3 實驗結果分析

    為了驗證理論分析的正確性，設計了功率為32 W的LED驅動電源，輸入電壓為220 V，頻率為50 Hz的交流電，輸出為電流1.6 A，電壓20 V的直流電，取開關頻率為30 kHz，電感比值具體實驗參數取值如表1。

    由圖6可知，輸入電流i_in與輸入電壓u_in基本保持同相位，且消除了原二次型Buck變換器輸入電流存在過零死區的問題，極大的改善了輸入電流的THD，PF值高達97.7%。輸出電流I_o基本為一直線，極大地降低了紋波，消除了頻閃。

    根據變換器的實驗參數，由式(15)和式(16)可得≈137 V，≈273 V，從圖7可以看出，實驗結果與分析保持一致。

    由圖8分析可得，電感L₁、L₂工作在DCM模式下，電感L₃工作在CRM模式下，也與理論分析保持一致。

4 結語

    本文提出了一種新型的基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源。共用了一個開關管，控制簡單易行。消除了原二次型Buck拓撲結構的輸入電流死區問題，進一步提高了功率因數，改善了輸入電流THD。實驗表明，輸出電流紋波低，能實現恒流輸出,滿足LED驅動電源的要求。

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