基于LLC諧振變換器的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

盧鵬飛，王 鳴，謝 鵬，李偉東（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000）

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基于LLC諧振變換器的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

盧鵬飛，王 鳴＊，謝 鵬，李偉東
（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000）

摘要：LLC串聯(lián)諧振變換器在開關(guān)電源中廣泛運(yùn)用，但設(shè)計(jì)中反復(fù)實(shí)驗(yàn)的方式確定變換器參數(shù)不可?。肍HA分析建立數(shù)學(xué)模型得到歸一化公式，再通過Mathcad圖形擬合各個(gè)參數(shù)保證設(shè)計(jì)的合理性．整體上由變換器建模獲得直流增益曲線，從而對(duì)變換器各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．通過設(shè)計(jì)160WLED驅(qū)動(dòng)電源驗(yàn)證該方法的可行性并滿足EMI測試要求，針對(duì)變換器匝比、諧振電感、諧振電容和勵(lì)磁電感給出具體設(shè)計(jì)步驟．

關(guān) 鍵 詞：LLC串聯(lián)諧振；歸一化公式；圖形擬合

近年來LED節(jié)能照明迅速發(fā)展，針對(duì)路燈系統(tǒng)提出了高效、高功率、滿足電磁兼容等設(shè)計(jì)要求．LLC諧振變換器可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS和整流二極管的ZCS［1］，具有高效率、低EMI等優(yōu)點(diǎn)，因而在大、中型LED驅(qū)動(dòng)電源中運(yùn)用廣泛．隨著LLC諧振變換器研究的深入，對(duì)變換器設(shè)計(jì)要求也越來越高，快速選擇合適的參數(shù)并達(dá)到性能指標(biāo)是工程研究的重點(diǎn)方向．簡要描述LLC諧振變換器穩(wěn)態(tài)工作特性，旨在討論運(yùn)用FHA分析建立變換器穩(wěn)態(tài)模型，由此獲得變換器的直流穩(wěn)態(tài)增益曲線．增益曲線能夠直觀反映LLC變換器在不同狀態(tài)下的增益特性，通過圖形擬合方式優(yōu)化變換器各個(gè)參數(shù)．由上述思路可以為變換器整體設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中具有理論指導(dǎo)意義．

1 半橋LLC諧振變換器工作機(jī)制

半橋LLC諧振變換器如圖1所示．由圖1可知，50%占空比交替方波電壓驅(qū)動(dòng)半橋開關(guān)S1、S2，等效電路可將輸入部分描述為方波信號(hào)；Lr與Cr可構(gòu)成串聯(lián)諧振腔，同時(shí)諧振電容Cr具有隔離直流分量的作用，可以避免變壓器的偏磁現(xiàn)象（其中Lm為勵(lì)磁電感）；串聯(lián)諧振變換器存在兩個(gè)諧振點(diǎn)，分別為Lr與Cr．構(gòu)成諧振頻率點(diǎn)為fr1（此時(shí)Lm被鉗位不參與諧振），Lr、Lm與Cr構(gòu)成諧振頻率fr2；變壓器副邊具有中間抽頭，由整流二極管D3和D4組成的全波整流電路．

圖1　LLC半橋諧振電路

變換器的工作過程如下：當(dāng)S1開通、S2關(guān)斷，能量由Vin提供，此時(shí)Lr與Cr構(gòu)成諧振腔．Lm被輸出電壓鉗位，D3導(dǎo)通，D4反向截止，諧振電感上電流大于勵(lì)磁電感電流；Q1、Q2關(guān)斷時(shí)經(jīng)過dead－time，此刻Vin對(duì)寄生電容C1充電、C2放電，D3、D4均處于截止?fàn)顟B(tài)，諧振電感電流等于勵(lì)磁電感上電流，諧振電流對(duì)C1充電、C2放電，直到C2電荷為0，S2體二極管D2導(dǎo)通；當(dāng)S2開通、S1關(guān)斷，D4導(dǎo)通，D3截止，Lm被輸出電壓鉗位，輸出能量由Lr與Cr諧振能量提供．S1、S2均關(guān)斷變換器再次進(jìn)入dead－time時(shí)，D3、D4均處于截止?fàn)顟B(tài)．C2充電、C1放電直到C1上的電壓與Vin一致時(shí)，S1體二極管D1導(dǎo)通，能量回饋至Vin．以上工作機(jī)制周期反復(fù)，工程設(shè)計(jì)中諧振變換器正常工作頻率fs設(shè)定在fr2≤fs≤fr1區(qū)域，此時(shí)變換器處于感性狀態(tài)功率開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS；輸出整流二極管ZCS，從而避免存在反向恢復(fù)帶來損耗的問題，同時(shí)在負(fù)載變化的過程中依然工作在安全區(qū)，故設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮使變換器工作在此頻率范圍內(nèi)．通過上述原理分析可知，首先必須明確變換器的工作區(qū)域，從而基于LLC諧振變換器的LED驅(qū)動(dòng)電源具有高效及低EMI的優(yōu)點(diǎn)．

2 基于FHA分析LLC諧振模型及特性

LLC變換器等效模型輸入輸出均為方波，利用FHA分析使得諧振轉(zhuǎn)換器可以通過經(jīng)典的方法分析復(fù)雜的交流電路，故文獻(xiàn)［2－4］均從傅里葉分析角度出發(fā)．如式（3）、式（4）所示，可采用基波近似分析理解諧振變換器．LLC諧振變換器等效模型忽略漏感、寄生電容等參數(shù)影響，模型如圖2所示．輸入電壓：

圖2　變換器的等效模型

輸出電壓：

輸入基波電壓：

輸出基波電壓：

式中，Vinsq（t）、Vosq（t）輸入輸出半橋互補(bǔ)的方波信號(hào)進(jìn)行FHA變換基波分量；Roac是電壓型負(fù)載全波整流交流等效電阻．

由式（8）、式（9）、式（10）、式（11）可獲得歸一化諧振變換器的直流增益：

LLC變換器在不同負(fù)載情況下的直流增益曲線如圖3所示．LLC變換器工作在諧振頻率fr1處，Lr、Cr構(gòu)成諧振阻抗最小，效率最高．由圖3可以看出，當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)電路表現(xiàn)的特性更像是并聯(lián)諧振，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)電路最終變成串聯(lián)諧振狀態(tài)［5］．根據(jù)不同的模式分成3個(gè)區(qū)域：區(qū)域3中開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS，隨著負(fù)載變輕，增益下降，開關(guān)頻率升高，此時(shí)Lm不會(huì)參與諧振，相當(dāng)于諧振的串聯(lián)負(fù)載；區(qū)域2中開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS，副邊整流管零電流關(guān)斷，該工作模式避免反向恢復(fù)問題．所以在設(shè)計(jì)中正常工作時(shí)應(yīng)使電路工作在區(qū)域2，LLC變換器可獲得較高的效率和低EMI的效果，諧振點(diǎn)處效果最佳．過載狀態(tài)將在區(qū)域1工作，雖然此時(shí)副邊整流管不能實(shí)現(xiàn)ZCS，但增益下降，從而使副邊由于反向恢復(fù)，損耗也有所下降；區(qū)域3中為容性區(qū)域，此時(shí)開關(guān)損耗大容易導(dǎo)致MOS失效，在變換器任何工作狀態(tài)下應(yīng)當(dāng)避免在該區(qū)域．

圖3　半橋LLC的直流增益曲線

不僅如此，由圖3還可以清晰地掌握變換器的工作區(qū)域，工程中要考慮滿載、半載等各種負(fù)載情況下設(shè)計(jì)的合理性．設(shè)計(jì)時(shí)需要限制最大負(fù)載及開路情況下的最小開關(guān)頻率，避免帶來音頻噪聲；同理，實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也要注意最高頻率與dead－time限制和設(shè)定，避免上下管會(huì)出現(xiàn)共同的現(xiàn)象．綜上所述，增益曲線的獲得將保證開關(guān)電源頻率以及諧振參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性、直觀性．

3 LLC諧振參數(shù)設(shè)計(jì)

Vo取值范圍中需要考慮副邊二極管的壓降以及實(shí)際應(yīng)用中LED負(fù)載存在的差異．而開關(guān)頻率的設(shè)定也需要結(jié)合EMC要求中基倍頻的能量分布．160WLED驅(qū)動(dòng)電源滿載時(shí)，LLC變換器的工作頻率設(shè)定在100kHz左右．綜合考慮變換器的工作頻率范圍，如輕載工作情況的最高頻率以及在調(diào)光電路中10%負(fù)載下頻率，頻率變化同時(shí)需要滿足增益要求．

3．2 勵(lì)磁電感的設(shè)定

3．1 變壓器匝比的設(shè)定

根據(jù)項(xiàng)目具體輸入輸出要求設(shè)計(jì)變壓器的匝比：

式中，T為開關(guān)周期；tdead為半橋dead－time；Cj為結(jié)電容．LLC諧振電路工作在fs＜fr1情況下，則變壓器次級(jí)整流二極管中的電流就會(huì)在開關(guān)管切換前按擇正弦規(guī)律下降到零，實(shí)現(xiàn)ZCS［6］．設(shè)計(jì)合理的勵(lì)磁電感能夠保證在任何情況下實(shí)現(xiàn)ZVS，同時(shí)勵(lì)磁電流表明回路環(huán)流的大小，主要由箝位輸出電壓和勵(lì)磁電感決定．為了盡量減小開關(guān)管導(dǎo)通損耗，應(yīng)當(dāng)讓勵(lì)磁電感的值盡可能大．因此，根據(jù)dead－time可以算出一個(gè)滿足原邊開關(guān)管ZVS開通的最大勵(lì)磁電感，該勵(lì)磁電感值為最佳值［7］．實(shí)際中要變壓器的規(guī)格、磁芯選擇、電源體積等條件折衷，既要考慮電性參數(shù)的優(yōu)化，也要考慮實(shí)際工程項(xiàng)目要求．

3．3 Q和Ln的設(shè)定

由式（1）、式（8）、式（9）可得：

當(dāng)Lm確定后，式（16）中Ln×Q為常數(shù)，一旦Ln的值選取后，相應(yīng)的Q也能確定［8］．由式（2）可知Lr，再由fr1可以獲得Cr的值，從而確定了諧振腔的參數(shù)．接下來分析LLC諧振變換器中Q和Ln中的相關(guān)特性．不同Q值影響下的直流增益曲線如圖4所示．由圖4可知，保持Ln不變，隨著Q不斷增加，增益的峰值在不斷下降，Lr產(chǎn)生的損耗上升．根據(jù)具體的要求選擇滿足最大增益點(diǎn)對(duì)應(yīng)合適的Q值，通常Q選樣在0．3～0．4左右．

同理可得不同Ln值影響下的直流增益曲線如圖5所示．由圖5可知，維持Q不變，隨著Ln不斷增加，增益的值在不斷下降．根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的參數(shù)值從而獲得Ln的參數(shù)范圍，一般Ln選取3～5之間．

圖4　不同Q值影響下的直流增益曲線　

圖5　不同Ln值影響下的直流增益曲線

保持Ln×Q為常數(shù)影響下的直流增益曲線如圖6所示．由圖6可知，保持Ln×Q為常數(shù)，保持Lm為常數(shù)，若Lr下降，則Ln不斷增加，Q值不斷下降，增益的峰值在不斷上升，頻率的變化范圍也變寬．因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的參數(shù)值需要綜合考慮各個(gè)參數(shù)的變化，在迭代的過程中獲得Ln、Q等參數(shù)．

圖6　保持Ln×Q為常數(shù)影響下的直流增益曲線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入90～305Vac，輸出參數(shù)Vo＝114V、Io＝1．4A．前級(jí)采用過渡模式（TM）L6563芯片控制PFC，精確控制輸出電壓保護(hù)，能夠輸出穩(wěn)定電壓Vin為445V．選用TK15A60U能夠承受15A600V作為半橋M OS，采用ST公司L6599作為半橋驅(qū)動(dòng)芯片，其中，典型tdead為0．3uS．根據(jù)式（14）、式（15）、式（16）可獲得n＝1．9、Lm＝744uH、Ln×Q＝1．305、Lr＝200uH．設(shè)開關(guān)頻率為70KHz，根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整可獲得參數(shù)Q＝0．38、Ln＝3．72、Cr＝22nF．輸出整流二極管采用超快速恢復(fù)SF1006G，規(guī)格為10A／400V，TO－220AB封裝．變壓器原邊繞組上的電壓波形及諧振電感上的電流波形如圖7所示．不同的輸入電壓及不同輸出下效率曲線如圖8所示．不同的輸入電壓及不同輸出下PF曲線如圖9所示．

圖7　原邊繞組電壓、諧振腔電流波形　

圖8　不同輸入輸出下的效率曲線

圖9　不同輸入輸出下PF曲線

5 結(jié)論

LLC串聯(lián)諧振變換器拓?fù)涞姆€(wěn)態(tài)模型分析得到直流增益，通過對(duì)LLC各個(gè)參數(shù)之間的相互擬合比較來完成諧振參數(shù)設(shè)計(jì)，再根據(jù)實(shí)際制作160W電源進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化．電源效率達(dá)94%，輸入277Vac、90%負(fù)載，PF值高達(dá)0．9．通過樣機(jī)測試符合EMI測試中EN55015、EN61000－3－2等要求，樣機(jī)設(shè)計(jì)基于LLC諧振變換器的LED驅(qū)動(dòng)滿足工程中高效、低EMI等特點(diǎn)．

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Anlysis and design of LED driver based on LLC resonant converter

LU Peng－fei，WANG Ming＊，XIE Peng，LI Wei－dong
（Anhui Provincial Key Laboratory of Electric and Control，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

Abstract：LLC series resonant converter is widely used in the power of switch supply，but the design with trial and error experiments to determine the parameters is undesirable．The Analysis of FHA is used to obtain a normalization formula for the mathematical model．Pattern matching these parameters is employed to ensure the rational design by Mathcad graphics．As a whole，the DC gain curve is obtained by an inverter model，with the model parameters optimized．To verify the feasibility of the method and meet EMI test requirements，the 160WLED driver power supply was designed and a specific design steps was presented for transformer turns ratio，the resonant inductor，resonant capacitor and magnetizing inductance．

Key words：LLC series resonant；normalization formula；pattern matching

通訊作者：王 鳴（1957－），男，安徽巢湖人，副教授，碩導(dǎo)．

作者簡介：盧鵬飛（1988－），男，安徽合肥人，碩士研究生．

收稿日期：2015－09－29

文章編號(hào)：1672－2477（2016）01－0043－05

中圖分類號(hào)：TP17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A