發(fā)布時(shí)間:2018/11/8 11:12:57 來源:本站
隨著全球能源危機(jī)漫延,節(jié)能環(huán)保成為關(guān)注新焦點(diǎn)[1]。上世紀(jì)80年代,半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展,發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)逐步取代了傳統(tǒng)照明設(shè)備,成為市場(chǎng)上新鮮血液[2]。隨著產(chǎn)品不斷升級(jí),傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈則顯得更加遜色,LED優(yōu)勢(shì)突出,具有體積小、能耗小、壽命長、反應(yīng)速度快等特點(diǎn) [3-5]。LED照明事業(yè)飛速前進(jìn),意味著設(shè)計(jì)出穩(wěn)定高效的LED電源成為首要任務(wù)。同時(shí)LED電源的使用壽命成為限制LED發(fā)展首要因素[6]。
設(shè)計(jì)的80W LED驅(qū)動(dòng)器,輸入為220V、50Hz的工頻電,前級(jí)過整流電路將交流電整流為脈動(dòng)直流,作為升壓式功率因數(shù)校正(power factor correction,PFC)的輸入電源,通過PFC控制器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。后級(jí)直流/直流采用半橋式隔離變換器,具有軟開關(guān)功能,實(shí)現(xiàn)恒流輸出。驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)過低,將使輸入電壓、電流相位不同步,會(huì)向電網(wǎng)中注入大量的電流諧波從而污染電網(wǎng)。這些諧波對(duì)電源本身亦會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響:如效率低、設(shè)備過熱、影響系統(tǒng)可靠性等。前級(jí)控制電路使用L6562芯片進(jìn)行功率因數(shù)校正。通過濾波后,輸入電流與電壓保持同相位,功率因數(shù)提高,諧波大量減少,減小了對(duì)電網(wǎng)污染。
本文取最小開關(guān)頻率fmin=40KHZ,為保證在寬電壓范圍和滿載下電路仍工作在臨界導(dǎo)通模式下,按公式(1)選擇電感,升壓電感L≤0.376mH,故L=700mH。在電網(wǎng)頻率為50Hz,使輸出電壓峰值小于15V,根據(jù)公式(2)解得C≥74μF,取100μF/450V的電容。
圖1 LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
其中:η為驅(qū)動(dòng)器的效率,Vp為輸入電壓峰值,Vout為輸出電壓,Pout為輸出功率,fmin為最小開關(guān)頻。
其中:f為電網(wǎng)頻率,△vDC-pp為輸出濾波電容上電壓的峰值。
LLC諧振變換器作為直流/直流部分主要控制電路,相較其他轉(zhuǎn)換器優(yōu)勢(shì)突出,可滿足在全負(fù)載變換范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)工作,效率高。在大功率LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中,輸出整流二極管兩端導(dǎo)通壓降較大,導(dǎo)致整流二極管功率消耗突出。而應(yīng)用同步整流技術(shù)能有效提高驅(qū)動(dòng)器整體效率,降低整流二極管能損。該部分采用芯片NCP4305對(duì)同步整流進(jìn)行控制,芯片通過對(duì)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組上的電壓采樣,分別給兩個(gè)MOS管SR1和SR2提供驅(qū)動(dòng)信號(hào),因此該部分需兩個(gè)NCP4305對(duì)MOS管進(jìn)行控制,基于同步整流的LLC諧振變換電路如圖2所示。
欲求諧振參數(shù),先根據(jù)電壓增益和工作頻率要求,得到參數(shù):勵(lì)磁電感Lm和諧振電感Lr的比值k,品質(zhì)因數(shù)Q。公式(3)為電壓增益與工作頻率關(guān)系函數(shù),對(duì)Q值進(jìn)行選取,在諧振頻率范圍內(nèi),使得諧振頻率點(diǎn)的增益大于電路工作的最低增益,所以選擇最高時(shí)的電壓增益。
其中:fn為歸一化頻率,Ln為諧振電感Lr與勵(lì)磁電感Lm的比值,Q為品質(zhì)因數(shù)。
經(jīng)計(jì)算Q取0.3,根據(jù)LLC變換器各參數(shù)的關(guān)系,進(jìn)而得到諧振網(wǎng)絡(luò)等效阻抗為389Ω,諧振電容Cr=15.15nF,諧振電感Lr=206μH,勵(lì)磁電感LM=1.442mH。
圖2 基于同步整流的LLC諧振變換電路
仿真模型選擇交流220V作為輸入電壓,經(jīng)過全橋整流后的輸入電壓以及經(jīng)過功率因數(shù)校正后的電流波形如圖3所示,經(jīng)過PFC電路校正后,使輸入電壓與輸入電流保持同相位,PFC達(dá)到0.98以上,符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。
圖3 經(jīng)過PFC校正的輸入電壓與電流波形
PFC端輸出電壓波形如圖4所示。根據(jù)電壓和電流波形反映出該驅(qū)動(dòng)電路具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),經(jīng)過0.2秒后,前級(jí)輸出電壓穩(wěn)定大約為400V,紋波較小,輸出電流平穩(wěn)并沒有出現(xiàn)尖波,波形整體輸出趨勢(shì)平穩(wěn)。
圖4 PFC輸出電流與電壓波形圖
圖5 同步整流輸出電流與電壓波形
圖5所示為LLC變換電路輸出部分同步整流電壓和電流。同步整流后輸出電壓電流波形平穩(wěn),響應(yīng)速度快,輸出電壓12.8V、電流6.2A,滿足設(shè)計(jì)要求。
圖6為負(fù)載擾動(dòng)圖。為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器的抗擾動(dòng)效果,將負(fù)載等效電阻的變化代替LED負(fù)載出現(xiàn)變化。設(shè)定當(dāng)t=10ms時(shí),驅(qū)動(dòng)電路工作在80%負(fù)載情況下;當(dāng)t=30ms時(shí),驅(qū)動(dòng)電路工作在滿載情況下;當(dāng)t=50ms時(shí),驅(qū)動(dòng)電路工作額定負(fù)載情況下。這樣設(shè)計(jì)的目的是為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路抗負(fù)載擾動(dòng)的能力,并且觀察驅(qū)動(dòng)器在出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)能否迅速恢復(fù)正常,能否恒流驅(qū)動(dòng)LED。圖7所示為當(dāng)負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí),該驅(qū)動(dòng)器的輸出情況。
仿真表明當(dāng)負(fù)載變化時(shí),驅(qū)動(dòng)電路仍能保持恒流輸出,為負(fù)載可靠供電。當(dāng)0.8倍滿載時(shí),電壓會(huì)小幅下降,當(dāng)1.2倍滿載時(shí),電壓會(huì)小幅上升,但變化并不明顯。故該驅(qū)動(dòng)電路具有抗負(fù)載干擾能力,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。
當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí),輸出電壓和電流稍有波動(dòng),但基本保持恒定,電路可以正常工作,因此該驅(qū)動(dòng)器具有較好的抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)能力。
圖6 不同時(shí)刻下的負(fù)載擾動(dòng)
圖7 負(fù)載擾動(dòng)時(shí)輸出電壓與電流波形
設(shè)計(jì)了大功率LED路燈驅(qū)動(dòng)器,采用功率因數(shù)校正電路和LLC諧振變換電路,仿真效果反應(yīng)出該驅(qū)動(dòng)器能夠滿足大功率LED路燈的需求。該設(shè)計(jì)對(duì)今后LED路燈的發(fā)展具有建設(shè)性作用,進(jìn)一步深入研究還需要對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器功率進(jìn)行提高,解決驅(qū)動(dòng)器的散熱問題,同時(shí)設(shè)計(jì)可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為今后發(fā)展的方向。
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