0 引言

    近年來，LED憑借其節能環保等特點，發展迅速，現已占據照明市場大部分份額^[1]。LED驅動電源是LED發揮其優良性能的重要環節，對于中、大功率的場合，多用的是二級結構，即功率因數校正部分加諧振變換器部分，部分應用場合需要加入額外的整流或者均流部分^[2]。對于二級結構，開關管的數量以及其開關損耗不僅會影響驅動電源的效率，同時會增加電源的成本及體積。

    針對此問題，不同學者提出了不同的方法來消除電解電容。文獻[3]提出了基于FLYBACK可調光LED驅動電源，可實現很高的效率，但是應用到中、大功率場合比較困難，無法實現；文獻[4-5]提出了基于LCC諧振變換器的雙級結構，可以實現開關管的零電壓開通，一定程度提高驅動電源效率，但無法實現零電流關斷；文獻[6-7]提出了基于LLC諧振變換器的LED驅動電源，可以實現零電壓開通或者零電流關斷，但不能同時實現，因此效率仍可以進一步提升。

    本文提出一種基于LCLC諧振變換器的單級LED驅動電源。前級使用發展已經相對成熟的電感電流斷續的BOOST功率因數矯正電路，第二級使用LCLC諧振變換器，其與LLC以及LCC諧振變換器相比，可以同時實現零電壓開通以及零電流關斷，一定程度減少開關損耗。同時，對于兩級結構進行整合，使原有的3個MOSFET變為2個，提高效率的同時也降低電路成本。

1 電路結構分析

    所提出的兩級結構示意圖如圖1所示，前級選用電感電流斷續模式的BOOST功率因數校正電路，保證足夠高的功率因數的同時為后面電路提供穩定的直流電壓。

    第二級使用LCLC諧振變換器，其所能實現的零電壓開通（ZVS）以及零電流關斷（ZCS）是其他諧振變換器所不具備的，應用在LED驅動電源中可以發揮優良的性能，極大程度提高驅動電源效率。

    諧振變換器部分電路拓撲如圖2所示。S₁與S₂兩個MOSFET構成半橋橋壁。L_s、C_s、L_p與C_p為4個諧振器件。在單個周期內，兩個MOSFET交替導通，各占50%占空比。同時，為防止兩個開關管同時導通，造成短路，每個開關管導通之前均存在一定的死區時間。每個周期電路可分為10個工作狀態，每個模式內開關管的開斷情況以及電容、電感的充放電情況如表1所示，對應波形如圖3所示。

    將該LCLC諧振變換器簡化，得到等效電路如圖4所示。R為等效負載。通過計算，系統的輸入阻抗為：

    其中，

    為使MOSFET工作在零電壓開通的狀態，電壓相位應超前于電流相位，此時應使輸入阻抗角處于大于0的狀態。而想要實現零電流關斷，電壓與電流需要處于相同的相位，此時阻抗角應該為0。故需保證輸入阻抗角為大于0且非常接近于0的狀態，便可以同時實現零電壓開通以及零電流關斷。

    此外，求得拓撲的電壓增益為：

    對于開關管S₁與S₂的交替導通之間死區時間的選擇，存在一定要求。在死區時間內，以t₀到t₁時間段為例，假設兩MOSFET的寄生電容C_p1及C_p2大小相等，則其充放電速度相同，流經其中電流相等。為滿足零電壓開通的要求，在t₁時刻之前，C_p1兩端電壓應降為0，t₁時刻流經MOSFET的電流不能大于0，否則會繼續給C_p1充電。根據上述分析，得到一個關于死區時間的表達式：

    其中，U_bus為LCLC諧振變換器部分輸入電壓，i_in0為t₀時刻通過MOSFET S₁的電流。

    通過上述分析，上述兩級結構雖然具有高功率因數、高效率等特點，但其需要使用3個MOSFET，電路成本以及效率都會受到一定影響。若通過對拓撲的整合，在不影響電路優良性能的同時，減少MOSFET的數量，可以對電路性能進一步提升。

    對于未經整合的兩級結構，如圖5(a)所示。對圖中的M與N兩點進行分析。假設S₁與S₃開關狀態完全相同，當兩個MOSFET同時開通時，M、N兩點均與地相連，電壓相等；當兩個MOSFET同時關斷時，S₂導通，M、N處于聯通的狀態，電壓相等。不難發現，M、N兩點始終處于相同電位的狀態，故可以用導向將兩點短接，而不會影響電路工作。此時，S₁與S₃處于并聯狀態，而D₄與S₂的體二極管處于并聯的狀態，所以可以將S₃與D₄去除，對電路進行整理，得到整合后的單級拓撲如圖5(b)所示。

2 電路拓撲仿真

    使用LTspice軟件對驅動電源進行仿真。仿真電路原理圖如圖6所示，設置開關頻率為100 kHz，兩MOSFET交替導通，死區占空比為0.156%，得到的仿真波形如圖7所示。參數設置為：U_inac=220 V，L=100 μF，C=20 μH，f=100 kHz，L_r=400 μH，C_r=140 nF，L_s=160 μH，C_p=17.6 nF，U_in=400 V，死區占空比0.176%。

    圖7(a)中曲線1為輸入電壓波形，曲線2表示輸入電流的波形，從圖中可以看出輸入電壓與輸入電流之間基本保持相同相位，可以實現非常高的功率因數；圖7(b)中曲線1表示MOSFET驅動信號，曲線2表示MOSFET漏極和源極之間的電壓，可以看出該結構在MOSFET開通時，漏-源電壓已經達到零，可以實現零電壓開通(ZVS)；圖7(c)中曲線1表示MOSFET的驅動信號，曲線2表示通過L_s的電流(在開通時間內內與流過MOSFET電流相等)，可以看出當撤銷驅動信號時，通過MOSFET的電流近似為零，可認為其可以實現零電流關斷(ZCS)；圖7(d)中曲線1表示流經L_s的電流，曲線2表示輸出電流，輸出電流恒定，紋波很小，可以實現非常好的供電效果。

3 實驗驗證

    基于仿真實驗的結果，搭建實驗平臺對該電路拓撲進行實驗驗證。實驗平臺各部分參數為：輸入電壓工頻220 V AC，輸出電流1.5 A，輸出功率100 W，MOSFET開關頻率109 kHz，對于各電感、電容元件，L為100 μH，L_s為400 μH，C_s為140 nF，L_p為160 μH，C_p為17.6 nF。

    圖8(a)表示兩個MOSFET的驅動信號，兩者同以48.4%的占空比交替導通，且導通前存在1.6%的死區時間；圖8(b)中曲線1表示輸入電壓，曲線2表示輸入電流，從圖中可以看出輸入電壓與輸入電流基本保持相同相位，可以實現很高的功率因數；圖8(c)中曲線1表示MOSFET S₁的驅動信號，曲線2表示其漏-源電壓，當給S₁加入驅動信號時，其漏-源電壓已經降為零，實現零電壓開通；圖8(d)中曲線1表示MOSFET S₁的驅動信號，曲線2表示L_s的工作電流(正負半個周期分別與兩個MOSFET的工作電流相等)，當S₁的驅動信號結束時，其工作電流基本降為0，可以實現零電流關斷；圖8(e)表示輸出電流，大小為1.5 A，其值保持穩定狀態，且紋波非常小，可以為LED穩定供電。實驗平臺如圖9所示。

    進一步檢驗整合后的一級拓撲對照兩級拓撲效率方面的提升，在不同的電壓等級下檢測兩種拓撲的效率，繪制效率曲線如圖10所示。可以看出經整合后的拓撲對照整合之前有一定程度提升。

4 結論

    本文介紹了一種基于LCLC諧振變換器的單級LED驅動電源，其主要特點為：功率因數高；可實現MOSFET的零電壓開通及零電流關斷；通過整合使MOSFET數量較少，效率較高；輸出電流穩定且紋波較小，可為LED穩定供電。本文對該拓撲進行詳細分析，并進行了仿真實驗以及實物實驗，實驗結果證明了設計的正確性。

參考文獻

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作者信息:

戴文桐，牟憲民，劉華生，焦海坤

（大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連116024）