基于SEPIC變換器的高功率因數(shù)LED照明電源設(shè)計(jì)

沈霞， 王洪誠， 許瑾

(西南石油大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

近年來，全球性的能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出，人們迫切希望應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的新技術(shù)，對照明電源也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的白熾燈效率低、耗電高;熒光燈可以省電，但使用壽命短、易碎，廢棄物存在汞污染;高強(qiáng)度氣體放電燈存在效率低、耗電高、壽命短等缺點(diǎn)。在同樣亮度下，LED燈的電能消耗僅為白熾燈的1/8。預(yù)計(jì)到2010年，照明用電可達(dá)3 225億度以上，假如到2010年有1/3以上的白熾燈被LED燈所取代，那么一年可節(jié)約照明用電1 000億度，節(jié)省原煤0.5億噸，減少廢氣及塵渣排放量約667萬噸［1］，同時(shí)半導(dǎo)體照明器件中不含汞、鈉元素等危害健康的物質(zhì)，廢棄物可回收，綠色環(huán)保，LED燈具的使用壽命可達(dá)5～10年，壽命長。目前，LED照明的應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方向:一個(gè)是低亮度應(yīng)用場合，比如便攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示屏的背光照明;另一個(gè)是高亮度照明的應(yīng)用場合，比如大平面液晶的背光照明、家用及戶外照明等。對于大功率的照明應(yīng)用場合，LED在功耗和壽命上面的優(yōu)勢很明顯，因此對LED照明及其驅(qū)動(dòng)電源的研究很有意義［2－4］。傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)電源雖然可以實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)，但是不能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，輸入功率因數(shù)比較低。由于LED驅(qū)動(dòng)電源通常在一個(gè)很小的封閉的空間使用，對電源的體積有嚴(yán)格的限制，并且封閉的空間降低了通風(fēng)效果，因此要求電源的損耗小。通過對多種拓?fù)涞谋容^，選擇了SEPIC電路作為驅(qū)動(dòng)電源的主拓?fù)?，完成對輸出電流的控制和功率因?shù)校正。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中SEPIC電路用于PFC時(shí)都工作在斷續(xù)模式［5－6］(discontinuous current mode，DCM)下，而對工作在臨界連續(xù)模式(boundary conduction mode，BCM)下實(shí)現(xiàn)PFC討論的很少，本文從理論上證明了工作在臨界連續(xù)模式下實(shí)現(xiàn)PFC是可行的，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電源，通過合理選擇主電路參數(shù)和對控制回路的設(shè)計(jì)，既能滿足對LED亮度調(diào)節(jié)的要求，又能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，且功率因數(shù)校正電路為單級功率因數(shù)校正電路，相對兩級功率因數(shù)校正電路，所用器件少，損耗低，尺寸小，尤其適合空間狹小的照明電源。

1 驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式

LED需要的驅(qū)動(dòng)電源，由交流電整流后再直直變換得到，整流電路通常采用二極管橋式整流并用電解電容進(jìn)行濾波，這種方式功率因數(shù)比較低，對電網(wǎng)帶來較大的諧波污染，通過有源功率因數(shù)校正電路減小諧波對電網(wǎng)的污染，因此電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要能夠較好的實(shí)現(xiàn)PFC，同時(shí)損耗也是需要考慮的重要因素，最后LED的電源通常都需要封閉起來，變換器的尺寸也受到限制［7－8］。因此選擇的變換器應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn):器件少，高效率，尺寸小。常用的有源功率因數(shù)校正的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有BOOST，反激變換器，SEPIC等。BOOST變換器簡單，效率比較高，但是其只能實(shí)現(xiàn)升壓，適合于輸出電壓高于輸入電壓的場合，LED驅(qū)動(dòng)電源需要升/降壓，因此不能選用BOOST。隔離型的反激變換器也可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，輸出電壓既能升壓又能降壓，但是反激變換器中的變壓器只工作在第一象限，磁芯利用率不高，同時(shí)需要加上一些緩沖電路，變換器的效率不高，且電源尺寸大［9－11］。而SEPIC電路的輸出可以實(shí)現(xiàn)升壓也可以實(shí)現(xiàn)降壓，而且相對反激變換器，SEPIC變換器的輸入電流是連續(xù)的，用于濾波的輸入電感體積小，且SEPIC不需要添加緩沖電路，可以減小電源的尺寸，提高電源的效率，所以選擇SEPIC電路作為驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1為基于SEPIC變換器的高功率LED照明電源主電路和控制電路簡圖。LED的亮度和流過LED的電流大小基本是成正比的，只要控制LED的電流大小就可以調(diào)節(jié)LED的亮度。圖1中C1上的電壓為經(jīng)過橋式整流后的電壓，R1和MOS管串聯(lián)，采樣流過MOS管的電流，R2和負(fù)載LED串聯(lián)，采樣負(fù)載電流信號。

圖1 SEPIC變換器的主電路和控制電路原理Fig.1 Main circuit and control circuit of SEPIC converter

從圖1可以看出，R2對流過LED上的電流采樣，得到的信號和基準(zhǔn)信號Vref進(jìn)行比較，其誤差經(jīng)放大器放大后，作為乘法器的一路輸入，用于控制LED的亮度，改變采樣電阻R2的大小，就可以改變LED的亮度。乘法器的另一路輸入為輸入端電壓的采樣信號，乘法器輸出結(jié)果再與MOS管和電感L1的電流采樣信號相比較，產(chǎn)生的PWM脈沖用于控制MOS管的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電流和輸入電流的控制，最終完成LED亮度調(diào)節(jié)和功率因數(shù)校正。

2 SEPIC工作原理分析

根據(jù)流過D5的電流是否總大于零將SEPIC電路的工作模式分為斷續(xù)工作模式，連續(xù)工作模式(continuous current mode，CCM)和臨界連續(xù)工作模式，采用BCM實(shí)現(xiàn)PFC。臨界連續(xù)模式下不同開關(guān)模態(tài)下的等效電路如圖2所示。下面分析中Ts表示開關(guān)周期，Ton，Td分別是一個(gè)周期內(nèi)MOS管導(dǎo)通和二極管導(dǎo)通的時(shí)間。

圖2 臨界連續(xù)模式下不同開關(guān)模態(tài)下的等效電路Fig.2 Equivalent circuit during turn on and turn off periods at boundary conduction mode

1)工作模式一:MOS管開通

為MOS管導(dǎo)通時(shí)SEPIC電路的等效電路圖。在t=0時(shí)，MOS管Q導(dǎo)通，二極管D5截止，圖中把C1的電壓作為電源電壓，這是一個(gè)經(jīng)過二極管橋式整流后的脈動(dòng)波，脈動(dòng)波的峰值用表示。由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于母線頻率，因此在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)母線電壓可以認(rèn)為是不變的，即認(rèn)為C1上的電壓是恒定的，輸入為一個(gè)直流信號。這時(shí)形成兩個(gè)回路:第一個(gè)是電源C1，L1和Q回路，在的作用下，電感電流線性增長，電流波形如圖3(a)所示。第二個(gè)是C2，Q和L2回路，電感電流iL2線性增長，同時(shí)C3向負(fù)載供電，電流波形圖如圖3(b)所示。假設(shè)在t=0時(shí)刻流過電感L1電流和流過L2電流分別是和iL2(0)，當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，加在L1的電壓為，可以證明當(dāng)C2大小選擇合適有=v，則L2上電壓也為?？梢缘玫?/p>

式中0≤t≤Ton。從以上3個(gè)式子和圖3都可以看出，當(dāng)t=Ton時(shí)，iL1(t)和iL2(t)最大，這時(shí)MOS管關(guān)斷，工作模式一結(jié)束，MOS管上電流波形如圖3(b)所示。

圖3 SEPIC電路在臨界連續(xù)模式下電流波形Fig.3 Waveforms of Current SEPIC at BCM

2)工作模式二:二極管導(dǎo)通

圖2(b)為MOS管關(guān)斷時(shí)SEPIC電路的等效電路圖。當(dāng)t=時(shí)MOS管Q關(guān)斷，此時(shí)形成兩個(gè)回路，第一個(gè)是電源C1、L1、C2經(jīng)過二極管D5到負(fù)載，電源和電感L1儲能同時(shí)向C2和負(fù)載饋送，C2儲能增加，而減小;另外L2經(jīng)D5至負(fù)載的回路，L2儲能釋放到負(fù)載，故下降，電流波形如圖3(a)，(b)所示。由于D5導(dǎo)通，加在L2上的電壓為－V0，其中V0為輸出電壓，同時(shí)C1上的電壓等于輸入電壓，所以加在L1上的電壓也為－V0，當(dāng)=－時(shí)流過二極管D5的電流下降到0，二極管關(guān)斷，二極管電流波形如圖3(d)所示。這時(shí)MOS管Q就導(dǎo)通，電路工作在臨界連續(xù)模式。根據(jù)以上分析，二極管導(dǎo)通階段可以得到

顯然當(dāng)=－時(shí)，該模態(tài)結(jié)束，可以得到該模態(tài)持續(xù)的時(shí)間為

其中輸入輸出比

通過選擇合適的R3，R4，C4和C5值調(diào)節(jié)控制環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)，使得本電源的整個(gè)控制環(huán)路的帶寬小于20 Hz而低于線電壓頻率，補(bǔ)償器的輸出可以被認(rèn)為在1/2個(gè)工頻周期內(nèi)是恒定的，因此MOS管的峰值電流與線電壓成正比，MOS管的峰值電流也是正弦曲線，正弦曲線的峰值用Ipk表示，可以得到MOS管電流的峰值

在臨界連續(xù)模式下，根據(jù)式(1)和式(2)可以得到

其中ton(t)為半個(gè)工頻周期范圍內(nèi)每個(gè)開關(guān)周期中MOS管導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)MOS管Q導(dǎo)通時(shí)，根據(jù)式(3)可以得到流過MOS管的峰值電流為

將式(8)代入式(11)可以得到MOS管Q導(dǎo)通時(shí)間

通過式(12)可以看出，當(dāng)SEPIC電路工作在臨界連續(xù)模式時(shí)，在一定的輸入電壓和負(fù)載條件下，MOS管的開通時(shí)間是固定的。根據(jù)L1，L2上的伏秒平衡可得td(t)=Tonvc1(t)/V0，可以得到MOS管的開關(guān)頻率為

可以看出來，臨界連續(xù)的SEPIC電路的開關(guān)頻率是隨著輸入電壓變化的，這和工作在恒定開關(guān)頻率的DCM是不同的。

考慮到電路工作在臨界連續(xù)模式下，MOS管剛開通時(shí)流過MOS管的電流為0，根據(jù)C2上的安秒平衡可以得到

可得到電感電流初始值為

輸入電流平均值

根據(jù)前面推導(dǎo)代入整理得

輸入電流

可以看出理想情況下當(dāng)K=0時(shí)，

是理想的正弦波，功率因數(shù)為1。同時(shí)當(dāng)K很小的時(shí)候，可以使功率因數(shù)接近1。

3 SEPIC電路參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中具體電路參數(shù)為:輸入電壓幅值范圍:AC 85～265 V;L1=1.4 mH;L2=0.45 mH;C1=10 nF;C2=0.47 μF;C3=680 μF;LED 為 20 個(gè)高亮白光LED串聯(lián)?？刂骗h(huán)路補(bǔ)償器件參數(shù):R3=22 kΩ;R4=27 kΩ;C4=1 μF;C5=33 nF。輸出電流:350 mA。功率因數(shù):0.9以上。輸出電壓紋波:<5%。

圖4所示為輸入電壓和輸入電流的相位關(guān)系。圖中輸入電壓為經(jīng)變壓器降壓后的電網(wǎng)電壓。通過圖4可以看出，輸入電流與輸入電壓相位相同，輸入電流很好的跟隨輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。

圖4 輸入電壓和輸入電流的相位關(guān)系Fig.4 Phase relation of input current and input voltage

圖5所示為經(jīng)過二極管橋式整流后的輸入電壓，MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓，電感L1和電感L2上的電流波形圖，其中圖5(a)為全局圖，圖5(b)和圖5(c)為局部放大圖。

從圖5(a)可以看出，電感L1和電感L2上的電流波形的包絡(luò)線是正弦交流電壓的正半周。圖5(b)和圖5(c)的實(shí)驗(yàn)波形和圖3的理論分析得到的波形是一致的。

圖5 整流后輸入電壓，MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓，電感L1和電感L2上的電流波形Fig.5 Waveforms of input rectified AC voltage，gate voltage of MOS，current of L1and L2

通過圖5(b)和圖5(c)比較可以看出，MOS管的導(dǎo)通的時(shí)間是恒定的，關(guān)斷時(shí)間是可變的，開關(guān)頻率也是可變的，這也是和DCM的控制的一個(gè)區(qū)別。

圖6所示為經(jīng)過二極管橋式整流后的輸入電壓，輸出電壓紋波和輸出電壓的關(guān)系，可以看出當(dāng)輸出直流電壓為65 V時(shí)，紋波電壓峰峰值為2 V，輸出紋波約為3%，輸出紋波較小。

圖7為不同的輸入電壓時(shí)，SEPIC變換器的功率因數(shù)和效率曲線。可以看出，在一定的輸出電壓條件下，輸入電壓變高，功率因數(shù)在逐漸變低，這個(gè)結(jié)論和以上對SEPIC工作在臨界連續(xù)模式下，功率因數(shù)和輸入電壓關(guān)系的理論分析是一致的。雖然電壓高時(shí)，功率因數(shù)有所下降，但是都在0.95以上，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的，并且整個(gè)電源效率高達(dá)92.3%。

圖6 整流后的輸入電壓，輸出電壓紋波和輸出電壓波形圖Fig.6 Waveforms of input rectified AC voltage，ripple of output voltage and output voltage

圖7 功率因數(shù)及其效率和輸入電壓的關(guān)系Fig.7 Relation curve of power factor value，efficiency and input voltage

4 結(jié)語

本文介紹了一種用于LED照明的高功率因數(shù)電源的設(shè)計(jì)，電源主電路拓?fù)洳捎肧EPIC變換器，利用單級變換器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，使用的器件少，損耗低，電源體積小;反饋控制簡單，能對輸出電壓進(jìn)行升壓和降壓控制和對輸出電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對LED的亮度控制。文中首先從理論上證明了SEPIC變換器工作在臨界連續(xù)模式時(shí)可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，分析了功率因數(shù)值和輸入輸出電壓比的關(guān)系，然后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明輸入電壓在85～265 V之間功率因數(shù)值都在0.95以上，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的，并可以對輸出電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對LED亮度的控制，整個(gè)電源的效率高達(dá)92.3%。

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