基于氮化鎵器件LLC 高效率LED 電源設(shè)計(jì)★

曲志華

（寧波賽耐比光電科技有限公司，浙江 寧波 315040）

引言

LED 照明系統(tǒng)使用LED（Light Emitting Diode，LED）作為第三代發(fā)光元件具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如經(jīng)久耐用、低耗電，屬于典型的低碳環(huán)保照明光源[1]。采用普通整方式有較高的諧波污染，諧波污染問(wèn)題隨著電力電子裝置的大量使用愈來(lái)愈嚴(yán)重。高諧波會(huì)增加線路傳輸損耗并影響其它設(shè)備正常運(yùn)行。功率因數(shù)校正技術(shù)（Power Factor Correction，PFC）可以抑制諧波污染，提高電能質(zhì)量，成為電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2]。隨著氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)材料和工藝的成熟，使得相關(guān)器件得以應(yīng)用。因照明朝輕薄小的方向方展，傳統(tǒng)的Si 器件已不能滿足要求。由于氮化嫁功率器件導(dǎo)通電阻極低，器件內(nèi)沒(méi)有PN 結(jié)這一特點(diǎn)使其具有接近零的反向恢復(fù)特性，其較高的電子遷移率降低了擊穿電壓，并降低了傳導(dǎo)損耗[3]。隨著開關(guān)頻率的不斷提高，導(dǎo)致電路中損耗增大，影響了DC/DC變換器的效率，LLC 諧振變換器的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問(wèn)題[4]。

本文主要介紹了一個(gè)基于氮化鎵器件組成PFC及LLC 高效率高功率因素LED 驅(qū)動(dòng)電路。PFC 采用NCL2801 控制芯片，其開關(guān)管管采用第三代GaN 器件NV6115。LLC 電路控制芯片采用NCP13992，其MOS 管采用NV6115。輸出電流達(dá)到8.3A，LLC 副邊采用同步整流電路控制芯片采用SRK2001 并給出LLC 電源設(shè)計(jì)過(guò)程。電源效率達(dá)到95.5%，功率因素達(dá)到0.985 7。

1 電路的原理圖及功能

電源參數(shù)：交流輸入220 V、輸出直流電壓24 V、電流8.3 A。圖1 原理圖包括EMC 濾波電路、PFC 電路、LLC 及同步整流電路。

EMC 濾波電路包括共模濾波電感、濾波電容、避雷器、保險(xiǎn)絲。PFC 電路包括整流橋BD1 何BD2、主電感L1、電流檢測(cè)互感器L3、開關(guān)管Q1、控制芯片NCL2801 及濾波電容。NCL2801 電流模式臨界導(dǎo)通型功率因數(shù)校正升壓控制器IC，該器件適用于模擬/脈寬調(diào)制（PWM）可調(diào)光LED 驅(qū)動(dòng)器。該器件的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)是優(yōu)化的總諧波失真（THD）性能，同時(shí)在寬負(fù)載條件下最大化系統(tǒng)能效，在啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)負(fù)載期間還具備更小的過(guò)沖/下沖，線性電平檢測(cè)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的環(huán)路增益控制，集成誤差放大器易于環(huán)路設(shè)計(jì)和降低功耗，其開關(guān)管管采用GaN 器件NV6115，氮化鎵功率芯片NV6115 內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器以及復(fù)雜的邏輯控制電路，170 mΩ 導(dǎo)阻，耐壓650 V，支持2 MHz 開關(guān)頻率，采用5×6 mm QFN 封裝，節(jié)省面積。因此系統(tǒng)功率因素在額定功率條件下可以達(dá)到0.9857。LLC 電路包括變壓器T1、開關(guān)管Q2 和Q4、控制芯片NCP13992 及副邊同步整流電路。為了提高電源效率LED 電源采用軟開關(guān)技術(shù)LLC 諧振變換器設(shè)計(jì)及同步整流技術(shù)。LED 電源的功率損耗主要決定于開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗，系統(tǒng)直流變換采用LLC 諧振變換器，該變換器工作在零電壓開關(guān)（ZVS）狀態(tài)，可以大幅度提高電源的效率。電源的開關(guān)管采用NV6115 氮化鎵MOS管，其針對(duì)高頻、軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化。LLC 控制芯片NCP13992 是一款用于半橋諧振轉(zhuǎn)換器的高性能電流模式控制器。在需要PFC 前級(jí)的應(yīng)用中，NCP13992 具有一個(gè)專門的輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)PFC 控制器。此功能結(jié)合專門的無(wú)噪聲跳過(guò)模式技術(shù)進(jìn)一步提高了整個(gè)應(yīng)用的輕負(fù)載能效。NCP13992 提供了一套保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)在任何應(yīng)用中的安全運(yùn)行。其中包括：過(guò)載保護(hù)、放置硬開關(guān)周期的過(guò)電流保護(hù)、欠電壓檢測(cè)、開路光耦合器檢測(cè)、自動(dòng)停滯時(shí)間調(diào)節(jié)、過(guò)電壓（OVP）和高溫（OTP）保護(hù)。同步整流芯片采用SRK2001A，具有用于LLC 共振轉(zhuǎn)換器中二次側(cè)同步整流的控制方案。該控制器提供兩個(gè)大電流柵極驅(qū)動(dòng)輸出，每個(gè)都能直接驅(qū)動(dòng)N 溝道功率MOSFET。單獨(dú)控制每一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，而聯(lián)鎖邏輯電路可防止兩個(gè)同步整流MOSFET 同時(shí)導(dǎo)電。該系統(tǒng)采用LLC、氮化鎵器件及同步整流技術(shù)，電源效率可以達(dá)到0.955。

2 LLC 電源參數(shù)設(shè)計(jì)

LED 電源采用軟開關(guān)技術(shù)LLC 諧振變換器設(shè)計(jì)及同步整流技術(shù)。PFC 輸出直流電壓370 V—410 V，輸出功率200 W，輸出電壓24 V，電源工作頻率為200 kHz。變壓器磁芯選用選擇到POT3314。

式中：Uo為輸出電壓，取24 V；UF為二極管壓降，取0.5 V；UDCnom為PFC 輸出電壓，取410 V；N 為變壓器變比。將數(shù)值代入公式計(jì)算得N=8.367。

根據(jù)式（1）計(jì)算變壓器變比原邊為25，副邊為3，實(shí)際值為8.333。根據(jù)輸入電壓的變化范圍，可由式（2）、式（3）確定所需要的最大和最小電壓增益：

將數(shù)值代入公式計(jì)算得Gmax=1.104，Gmin=0.972。

負(fù)載端反射到原邊的等效電阻Rac值根據(jù)式（4）計(jì)算：

式中：Uo為輸出電壓，取24 V；Po為輸出功率，取200 W。將數(shù)值代入公式計(jì)算得Rac=162.33 Ω。

諧振電容Cr根據(jù)式（5）計(jì)算：

式中：Q 為品質(zhì)因數(shù)，取0.327；fr為諧振頻率，取200 kHz。將數(shù)值代入公式計(jì)算得Cr=15 nf。

諧振電感Lr和勵(lì)磁電感Lm根據(jù)式（6）、式（7）計(jì)算：

將數(shù)值代入公式計(jì)算得Lr=42.26 μH，Lm=338.08 μH。

驗(yàn)證所取Q 值的合理性可由式（8）計(jì)算：

由圖2 可知所取Q 值0.327 相對(duì)合理，在最低輸入電壓和最大負(fù)載下的產(chǎn)生最低開關(guān)頻率：

空載時(shí)最大開關(guān)頻率:

將數(shù)值代入公式計(jì)算得Fmin=128.14 kHz，F(xiàn)max=268.2 kHz。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及其波形

圖3 是實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸入電壓和電流波形，C1 為電壓波形，C3 為電流波形，示波器采用TELEDYNE LECROY。由圖3 可知輸入電流波形是基本是正弦波形。圖4 輸出電壓紋波，由圖4 可知電壓紋波約為0.2 V。

圖5 是由功率計(jì)和電子負(fù)載測(cè)得參數(shù)，輸入電壓為220.23 V，電流0.9671 A，輸入功率209.98 W。輸出電壓為24.08 V，電流為8.33 A，輸出功率200.59 W。根據(jù)輸入輸出功率可以計(jì)算整機(jī)效率達(dá)到0.955。

圖6 是電源EMC 測(cè)試波形，圖中EN55015 限值為歐盟燈具標(biāo)準(zhǔn)的峰值和平均值限值。由圖6 可知電源測(cè)試的平均值和峰值均低于歐盟標(biāo)準(zhǔn)。由于采用氮化鎵開關(guān)管，dU/dt 能夠達(dá)到數(shù)百kV/μs 的開關(guān)速率（edge rate）較高“dU/dt”產(chǎn)生的跟高的電磁干擾EMI。經(jīng)過(guò)對(duì)電源整機(jī)的整改，整機(jī)EMC 符合如圖5 中EN55015 歐盟燈具標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)氮化鎵器件組成PFC 及LLC 高效率高功率因素LED 驅(qū)動(dòng)電路，PFC 采用NCL2801 控制芯片。LLC 電路控制芯片采用NCP13992，其開關(guān)管管采用氮化鎵NV6115，并LLC 電源參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整機(jī)效率達(dá)到95.5%，功率因素達(dá)到0.985 7。電源EMC 符合EN55015 歐盟燈具標(biāo)準(zhǔn)。