一種無電解電容的新型削峰填谷電路?

曹 冰劉 偉

(河南省高速鐵路運(yùn)營維護(hù)工程研究中心 河南 鄭州 450000)

環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，高亮度LED 由于其能耗低等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域。然而，LED 只能直流驅(qū)動(dòng)；因此，LED 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中必須加入AC－DC 變換器。兩級(jí)及以上AC－DC 變換器，通常前級(jí)作為功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)，后級(jí)作直流變換[1]。此類變換器具有良好的功率因數(shù)特性和低紋波輸出，但能量多級(jí)變換功耗高。相比之下，單級(jí)AC－DC 變換器更適用于低功耗場(chǎng)合。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)PFC，變換器在前級(jí)工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)，一般只適用于低功耗場(chǎng)合。

在中等功率應(yīng)用場(chǎng)合下，相比于DCM 反激變換器，前級(jí)Boost 變換器工作于連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。特別是當(dāng)二次側(cè)工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(Continuous Conduction Mode，CCM)下，變換器擁有較小的變壓器鐵芯[2－5]。但這種拓?fù)渲挥糜诶碚撗芯?，在工程上難以發(fā)揮作用。第一，由于PFC 和DCDC 變換電路不可避免的相互作用，電路的關(guān)鍵參數(shù)難以確定。第二，輕載時(shí)儲(chǔ)能電容和高頻開關(guān)的電壓應(yīng)力數(shù)倍于額定負(fù)載，并且電壓應(yīng)力的問題在寬范圍交流輸入時(shí)會(huì)變得更加嚴(yán)重。

對(duì)此，采取PWM 調(diào)光使變換器的工作狀態(tài)只切換于空載和額定負(fù)載之間，因此，儲(chǔ)能電容的電壓應(yīng)力只決定于額定負(fù)載情況。因此，文獻(xiàn)[6－7]采用雙PWM(DPWM)控制策略用于調(diào)整平均輸出電流。

在電力變換器中，通常采用兩階削峰填谷電路以減少器件數(shù)量。此類拓?fù)鋺?yīng)用分為兩類，一類主要用于被動(dòng)PFC 和減少兩倍工頻的脈動(dòng)電壓[8－14]。其中，高階填谷電路在功率因數(shù)校正和總電流諧波畸變率(Total Harmonic Current Distortion，THD)的表現(xiàn)更佳[9－10]。文章[13]對(duì)已有削峰填谷電路加以改進(jìn)，提出一種填谷電路復(fù)用變壓器線圈的方式減少主開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，但在電壓峰值輸入下，開關(guān)管最大占空比限定在1/3。文章[14]利用變壓器部分線圈鉗位填谷電路的電容電壓。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流導(dǎo)通角度的設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的功率因數(shù)。第二類填谷電路一般用高頻開關(guān)來替代儲(chǔ)存電容，可以獲得較低的輸出紋波和電壓應(yīng)力[15－18]。文獻(xiàn)[16]利用兩個(gè)額外增添的開關(guān)器件使填谷電路參與諧振，避免了輸入電流的死區(qū)。然而，等效直流量和占空比大范圍變化，磁性器件難以優(yōu)化。為此，實(shí)踐中解決此類問題通常在整流后嵌入一個(gè)選擇開關(guān)和一個(gè)電壓倍增模塊，但是低壓輸入下的電壓應(yīng)力仍然會(huì)倍增，嚴(yán)重影響傳遞效率。

基于上述考慮，本文提出了一種新型削峰填谷式無電解電容單級(jí)LED 驅(qū)動(dòng)器，相比于倍增電壓的方案，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。其一，低電壓輸入下有較低的電壓應(yīng)力；其二，減小了開關(guān)管、儲(chǔ)存電容和二極管的電壓應(yīng)力。簡(jiǎn)而言之，本文主要包括電路的設(shè)計(jì)分析和設(shè)計(jì)原則，尤其是填谷電路的電容選型。

1 填谷電路的工作原理

本文所提結(jié)構(gòu)如圖1 所示。填谷電路由三個(gè)二極管D3，D4，D5和兩個(gè)電容C1，C2組成，兩個(gè)電容表現(xiàn)為串聯(lián)充電和并聯(lián)放電的特性，填谷電路通過和C2并聯(lián)一個(gè)范圍選擇開關(guān)S1來實(shí)現(xiàn)，并連接于變壓器Tf的繞組N1。S1手動(dòng)操作，在90 V～135 V內(nèi)關(guān)閉，在180 V～265 V 內(nèi)打開，以達(dá)到寬線電壓范圍內(nèi)更好的性能。

S1處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，C2短路，二極管D6反向截止。C1充或放電，D3和D4均為導(dǎo)通狀態(tài)。如忽略二極管的導(dǎo)通壓降，本文拓?fù)渑c傳統(tǒng)的單級(jí)三繞組磁通平衡升壓正激變換器相比，得到改進(jìn)；其工作模態(tài)簡(jiǎn)要分析如下:當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，L1由Vrec充電，C1通過Tf向L2和負(fù)載放電；當(dāng)S2關(guān)斷時(shí)，C1通過Vrec和L1充電，N1開始通過D6向C1放電，同時(shí)L2向負(fù)載放電，僅L2的放電過程持續(xù)到下一個(gè)開關(guān)周期開始。

S1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)前級(jí)Boost 變換器的儲(chǔ)存電容被填谷電路替代，N1通過D4和D6同C1相連。一個(gè)開關(guān)周期的電路模態(tài)分為四部分，每一部分的等效電路和關(guān)鍵波形分別如圖2 和圖3 所示。Vrec是整流后的交流輸入電壓，VC1G為C1兩端電壓，Vbus為C1上平均電壓的兩倍。

圖2 所提電路拓?fù)淠B(tài)

圖3 所提電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的理論波形

模態(tài)1[t0，t1]假設(shè)L1的初始電流為零，當(dāng)S2在t0時(shí)刻導(dǎo)通時(shí)，形成兩個(gè)電流環(huán)路；第一個(gè)是L1由正弦輸入電壓充電，第二個(gè)是填谷電路中C1和C2對(duì)Tf充電，因此Tf的前級(jí)電壓是0.5Vbus，VC1G為0.5Vbus。S2關(guān)斷，此模態(tài)結(jié)束。在過程中，iL1線性遞增，iL1的峰值可以近似等效于公式(1)。

式中:Ds是開關(guān)S2的占空比，Ts是變換器的開關(guān)周期。

Tf的原邊側(cè)平均電流定義為公式(2)。

式中:Lm是Tf的前級(jí)電感，Ntf＝Np/Ns為Tf的匝比。相比之下，傳統(tǒng)前級(jí)Boost 變換器關(guān)系如下所示:

模態(tài)2[t1，t2]當(dāng)S2關(guān)斷時(shí)，變換器狀態(tài)做如下改變:

(1)填谷電路的工作狀態(tài)從并聯(lián)放電切換到串聯(lián)充電，C1和C2串接且吸收L1和vin輸出的能量，因此，此工作模態(tài)下VC1G＝Vbus；

(2)L2開始向輸出放電直至本模態(tài)結(jié)束；

(3)N1通過D4和D6向C1充電，儲(chǔ)存在變壓器鐵芯內(nèi)的能量被回收到C1，鐵芯在t2達(dá)到磁通平衡。Vds＝Vbus＋VC1＝1.5Vbus。

因此，磁化和退磁過程中的鐵芯電壓都是Vbus的一半，根據(jù)磁通平衡原理，當(dāng)Np＝N1時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下的最大占空比不會(huì)超過50%。

模態(tài)3[t2，t3]L1持續(xù)向填谷電路充電，直到iL1降為零，該模態(tài)下由于變壓器線圈無電壓，Vds降低到Vbus，假設(shè)D′為iinpk相應(yīng)的占空比，則:

D′可由下式獲得。

模態(tài)4[t3，t4]在此模態(tài)，前級(jí)器件全部斷開，L2持續(xù)放電，直到S2再次導(dǎo)通，下一個(gè)切換周期重新開始。假設(shè)Vo為輸出電壓，由于后級(jí)工作于連續(xù)電流模式(CCM)，根據(jù)L2的伏秒平衡，得:

然而，傳統(tǒng)的變換器滿足公式(8)。

從圖1 中，C1和C2在D′Ts間隔由電流iin充電，在DsTs內(nèi)放電。根據(jù)充放電平衡應(yīng)等效，可得:

將式(1)、式(2)、式(6)和式(7)代入式(9)或者將式(1)、式(3)、式(6)和式(8)代入式(9)，均可得:

觀察式(6)，D′隨Vin(t)變化，如果D′＝Ds則臨界電壓可以求解。同時(shí)結(jié)合式(4)和式(5)，可得Vin(t)＝0.5Vbus和t2＝t3。當(dāng)連續(xù)交流輸入高于0.5Vbus時(shí)，t3>t2，得以保障，且時(shí)序與圖2 相同。當(dāng)在t3和t4之間時(shí)，Vds＝Vin(t)，此外，在一個(gè)工頻內(nèi)，當(dāng)Vin(t)<0.5Vbus，t3

2 參數(shù)設(shè)計(jì)和控制策略

2.1 前級(jí)Boost 變換器設(shè)計(jì)

電感L1必須工作在斷續(xù)電流模式下，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)PFC，因此，為保證在最糟糕的情況下仍可實(shí)現(xiàn)DCM，參數(shù)設(shè)計(jì)選取90-Vac 輸入下進(jìn)行。LED 驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)計(jì)為輸出功率為60 W，輸出電流為2.0 A，Tline＝20 ms，ω＝2π×50 rad/s，vinpk＝127.3 V，Ts＝10 μs。前級(jí)Boost 變換器的設(shè)計(jì)分為如下四步:

(1)根據(jù)MOSFET 所需的電壓范圍選定合適的Ntf和Ds，在本文的設(shè)計(jì)中，Ntf設(shè)為1，Ds根據(jù)DCM工作約束條件設(shè)定，為了滿足Ds＋D′≤1 的條件，在90 Vac額定負(fù)載下，Ds設(shè)為0.189。假設(shè)Ds和Vbus在開關(guān)頻率內(nèi)恒為定值，則根據(jù)公式(8)可得Vbus＝159 V。

(2)確保Ds能滿足DCM 工作條件，根據(jù)公式(6)，在Vin(t)達(dá)到最大值時(shí)D′最大。

式中:臨界導(dǎo)通模式(BCM)下，D′max滿足D′max＝1－Ds，因此，由公式(11)得Vbus的最小值是157 V，如果Vbus小于此最小值，則返回第一步，調(diào)整Ds參數(shù)。

(3)設(shè)計(jì)變壓器Tf參數(shù)，鐵芯采用PQ20/20，加入較小氣隙以減少漏磁并避免磁通飽和，為了平衡鐵芯和銅損耗，初級(jí)繞組為30 匝，電感Lm設(shè)為575 μH。

(4)由公式(10)可得L1＝80 μH，以確保初級(jí)變換器工作于DCM，后級(jí)電感L2應(yīng)足夠大以確保后級(jí)工作于CCM 模式下，其關(guān)系如下

上述的四步設(shè)計(jì)需要在DCM 約束條件滿足前反復(fù)進(jìn)行，以確保Vbus不會(huì)引起過高的電壓應(yīng)力。

2.2 填谷電路的參數(shù)設(shè)計(jì)

本文所提出的改進(jìn)型填谷電路的設(shè)計(jì)包括開關(guān)管、二極管和電容的選型，觀察圖1，開關(guān)管S1開路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高的電壓應(yīng)力，此時(shí)S1與電容C2并聯(lián)，其值為0.5Vbus，其中本文電路其電壓應(yīng)力為270 V，小于300 V。當(dāng)工作在模態(tài)1 時(shí)，由于N1和C2的電壓相等，方向相反，D6陰極電勢(shì)接近于地，其陽極電壓為0.5Vbus。因此，D6的應(yīng)力僅為0.5Vbus。當(dāng)S1閉合時(shí)，D6應(yīng)力為2Vbus，約為450 V。上述分析表明，本文設(shè)計(jì)的變換器中，D6的電壓應(yīng)力大幅減小。

電容選型基于低頻電壓紋波幅值，因?yàn)閮?chǔ)存電容的主要作用是平衡脈沖輸入和穩(wěn)定輸出。當(dāng)Po，ω和Vbus保持為恒值時(shí)，輸入電容Cin和電壓紋波幅值Δvbus的關(guān)系如式(13)。

在給定的電壓紋波ΔVbus下，式(13)可用于估算電容值。

2.3 DPWM 控制與實(shí)現(xiàn)

調(diào)光功能在照明領(lǐng)域是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的必要環(huán)節(jié)，LED 的亮度近似成比例于平均電流，因此，DPWM 控制策略可用于調(diào)節(jié)平均輸出電流，圖5 為控制器基本框圖和關(guān)鍵波形。圖4 中，S2受控于VGS2，由低頻選通信號(hào)和高頻門信號(hào)運(yùn)算得到。Io的幅值由Vcon調(diào)制，平均輸出電流Io受Vdim調(diào)整。門信號(hào)Vcon由二極管電流iDs1和預(yù)期輸出電流Ioref經(jīng)比較器產(chǎn)生。iDs1作為Io的反饋信號(hào)，與Io具有相同的振幅，在開關(guān)頻率處跳轉(zhuǎn)。最后，iDs1受電流互感器檢測(cè)，并發(fā)送到比較器。

圖4 調(diào)光電路控制模型

Vdim和io的理論波形如圖5 所示。Vdim為低電平時(shí)，開關(guān)S2關(guān)斷，燈同時(shí)熄滅，在Vdim恢復(fù)高電平時(shí)重新點(diǎn)亮。因此，LED 的亮度調(diào)節(jié)通過改變Vdim的導(dǎo)通寬度實(shí)現(xiàn)，調(diào)光頻率應(yīng)超過200 Hz，以避免燈光閃爍帶來的視覺疲勞[18]。

圖5 變換器的主要波形

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的LED 驅(qū)動(dòng)器的有效性，論文在PSIM 平臺(tái)上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。電路仿真參數(shù)見表1。此外，圖6 為所提結(jié)構(gòu)的仿真拓?fù)洹?/p>

圖6 仿真拓?fù)鋱D

表1 器件參數(shù)

圖7 分別給出了Vs＝110 V 和Vs＝220 V 時(shí)的仿真波形?？梢钥闯?，輸入電流和電壓基本保持相同相位；此外，實(shí)測(cè)在不同輸入電壓下的功率因數(shù)分別為98.83%和99.17%，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足Energy-star對(duì)電器設(shè)備的要求。

圖7 不同輸入電壓下的輸入電流波形

由于LED 為電流型器件，輸出電流的性能為系統(tǒng)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，圖8 給出了Vs＝110 V和Vs＝220 V 時(shí)的輸出電流波形。觀察圖8(a)，電路3 ms 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，驗(yàn)證了所提電路快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。另一種情況如圖8(b)所示，此時(shí)輸入電壓為220 V，此時(shí)輸出電流穩(wěn)定在1.4 A，其紋波電流約為40 mA。滿足LED 對(duì)驅(qū)動(dòng)器電流紋波在20%以下的要求，證明所提LED 驅(qū)動(dòng)器擁有較好的輸出性能。

圖8 不同輸入電壓下的輸出電流波形

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提電路的正確性和可行性，搭建了100 W 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，且實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真相同。

圖9(a)和圖9(b)為輸入電壓有效值為110 V 和90 V 時(shí)，測(cè)得相應(yīng)的輸入電流的實(shí)驗(yàn)波形。由圖9 可知，輸入電流的包絡(luò)線可近似看做一條正弦波，且輸出電壓和電流相位幾乎重疊。采用TEK 功率因數(shù)分析儀PA3000 對(duì)滿載時(shí)功率因數(shù)和輸入電流諧波含量進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果分別為99.3%和98.7%；其諧波含量分別為3.9%和4.8%。輸入電流雖略有畸變，但諧波含量均小于5%。

圖9 輸入電壓和電流的實(shí)驗(yàn)波形

圖10 為在開關(guān)頻率下輸入電流的實(shí)測(cè)波形。由圖10 可知，輸入電流明顯工作在斷續(xù)狀態(tài)(DCM)。因此，后級(jí)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間被消除，其傳遞效率得到進(jìn)一步提升。

圖10 開關(guān)頻率下的輸出電流的測(cè)量波形

為滿足節(jié)能的要求，LED 驅(qū)動(dòng)器大范圍且穩(wěn)定的亮度調(diào)節(jié)是其判斷性能的重要指標(biāo)。圖11(a)和圖11(b)為通過對(duì)開關(guān)管S2進(jìn)行PWM 調(diào)節(jié)得到的輸出電流的實(shí)驗(yàn)波形。由圖11(a)和圖11(b)可知，開關(guān)管S1占空比為0.27 和0.43 時(shí)，其輸出電流的幅值分別穩(wěn)定在1 A 和1.5 A。此外，輸出電流的峰－谷值與平均值的比值分別為6.9%和7.2%。因此，所提驅(qū)動(dòng)器將不存在頻閃現(xiàn)象。圖11(c)為亮度調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程；其快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證了控制單元設(shè)計(jì)的正確性。

圖11 輸出電流的實(shí)驗(yàn)波形

由于削峰填谷電路經(jīng)常用于日常照明電源的AC/DC 功率變換器場(chǎng)合，而目前文獻(xiàn)[15]的方案多被采用。因此，將本文與文獻(xiàn)[15]所提電路在不同的電壓等級(jí)下進(jìn)行了效率測(cè)試，其結(jié)果如圖12 所示。圖12 中，所提電路的效率在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)幾乎均高于文獻(xiàn)[15]，并在輸入電壓的有效值為85 V 時(shí)達(dá)到其峰值效率91.3%。

圖12 不同輸入電壓下的轉(zhuǎn)換效率

4 結(jié)論

本文提出了一種基于Boost 的新型單級(jí)AC－DC變換器，引入了優(yōu)化的填谷電路，并加入一選擇開關(guān)以獲得最優(yōu)性能，解決了該變換器的固有電壓應(yīng)力問題，可在工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用。其他主要優(yōu)點(diǎn)包括高功率因數(shù)、電容和主要開關(guān)上的較低的電壓應(yīng)力。相比于傳統(tǒng)變換器的設(shè)計(jì)，本文對(duì)改進(jìn)的填谷電路設(shè)計(jì)過程做出詳細(xì)討論和分析。最后，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的變換器具有很好的實(shí)用性，并為工程實(shí)踐提供了有力支持。