文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170585
中文引用格式： 廖志凌，劉康，丁蔓菁，等. 一種基于Buck-boost級(jí)聯(lián)二次型Buck拓?fù)涞腖ED驅(qū)動(dòng)電源[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(1)：143-146.
英文引用格式： Liao Zhiling，Liu Kang，Ding Manjing，et al. A LED driving power supply based on buck-boost cascade quadtype buck topology[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(1)：143-146.
0 引言
隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)在生活生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展，比如普通照明、醫(yī)療、交通等。因?yàn)長(zhǎng)ED是電流型器件，LED發(fā)出的光品質(zhì)是由流經(jīng)LED的電流大小和波動(dòng)情況決定的，所以發(fā)展LED照明的關(guān)鍵在于其驅(qū)動(dòng)器的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)[1-2]。
如今LED驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)日益成熟，總體可分為單級(jí)式和兩級(jí)式。單級(jí)式LED驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)浒˙uck、Buck-boost、Fly-back等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，成本較低，但是其功率因數(shù)較低，輸出電流紋波較大，影響LED的發(fā)光品質(zhì)。兩級(jí)式LED驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)浞譃榍凹?jí)功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)模塊和后級(jí)DC-DC模塊。結(jié)構(gòu)較單級(jí)式更為復(fù)雜，控制策略也更為繁瑣，相對(duì)成本就更高，而其優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)會(huì)比較高，且輸出電流紋波比較低，在交流供電場(chǎng)合，更能滿足IEC 61000-3-2的諧波要求[3-8]。
文獻(xiàn)[9]提出了一種基于二次型Buck無(wú)頻閃無(wú)變壓器的LED驅(qū)動(dòng)電源，具有較高的功率因數(shù)，降低了輸出紋波。但是其輸入電流存在過(guò)零死區(qū)的問(wèn)題，影響其總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）。
本文提出一種新型的的基于Buck-boost級(jí)聯(lián)二次型Buck拓?fù)涞腖ED驅(qū)動(dòng)電源，在二次型Buck拓?fù)涞幕A(chǔ)上，級(jí)聯(lián)了一個(gè)Buck-boost變換器，消除了輸入電流過(guò)零死區(qū)，改善了其THD，進(jìn)一步提高了電源的功率因數(shù)。同時(shí)，采用兩級(jí)式級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低了二極管的電壓應(yīng)力，使開(kāi)關(guān)管的占空比工作在更合理的區(qū)域。
1 主電路拓?fù)涞墓ぷ髟?/strong>
如圖1所示為基于Buck-boost級(jí)聯(lián)二次型Buck拓?fù)涞腖ED驅(qū)動(dòng)電源的主電路拓?fù)鋱D。此拓?fù)溆梢粋€(gè)Buck-boost拓?fù)浜鸵粋€(gè)二次型Buck拓?fù)浼?jí)聯(lián)而成，共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管Q。Buck-boost拓?fù)浒ㄩ_(kāi)關(guān)管Q、電感L1、電容C1、二極管D2和二極管D3，二次型Buck拓?fù)浒ㄩ_(kāi)關(guān)管Q、二極管D4、D5、D6、D7、電感L2、L3和電容C2、Co。當(dāng)電感L1和L2工作在電感斷續(xù)模式(Discontinuous Conduction mode，DCM)下，電路自動(dòng)實(shí)現(xiàn)PFC。為了使電源效率更高，使電感L3工作在臨界連續(xù)模式(Critical Conduction Mode，CRM)下。
為了簡(jiǎn)化分析，在本文中，假設(shè)：
(1)所有的開(kāi)關(guān)管、二極管、電感和電容均為理想元件。
(2)開(kāi)關(guān)頻率fS遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率fL。
(3)在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電容電壓為恒定值。
經(jīng)過(guò)分析，變換器可分為開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通和關(guān)斷的兩個(gè)主要工作模態(tài)，變換器的主要工作模態(tài)等效電路如圖2所示，驅(qū)動(dòng)電源主要波形如圖3所示。
(2)關(guān)斷模態(tài)：如圖2(b)所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),二極管D3、D5、D7導(dǎo)通，電感L1上的電流通過(guò)二極管D3續(xù)流，并向電容C1放電，電感L2上的電流通過(guò)二極管D4續(xù)流，并向電容C2放電，電感L3上的電流通過(guò)二極管D7續(xù)流，并向電容Co和負(fù)載放電。即電感電流峰值與續(xù)流時(shí)間的關(guān)系分別為：
其中，
分別為電感電流
的續(xù)流時(shí)間。
由于電感L3工作在CRM模式下，電感電流
與輸出電流Io的關(guān)系為：
2 LED驅(qū)動(dòng)電源工作特性分析
2.1 占空比D的分析
經(jīng)過(guò)分析可得，理想情況下，驅(qū)動(dòng)電源的電壓傳輸比為：
根據(jù)式(11)作圖4可得，與傳統(tǒng)的二次型Buck拓?fù)湎啾?，在相同的電壓傳輸比的情況下，本文提出的電路拓?fù)淠茉诟鼮槔硐氲恼伎毡鹊臈l件下工作，提高了電源穩(wěn)定性和電源效率。
2.2 電容C1、C2的特性分析
2.3 電感L1、L2、L3的工作特性分析
由于電感L3工作在CRM模式下，根據(jù)式(10)和式(16)可得：
取電感L2=400 μH，經(jīng)計(jì)算分析，電感L1，L2的取值滿足式(22)和式(23)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
為了驗(yàn)證理論分析的正確性，設(shè)計(jì)了功率為32 W的LED驅(qū)動(dòng)電源，輸入電壓為220 V，頻率為50 Hz的交流電，輸出為電流1.6 A，電壓20 V的直流電，取開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz，電感比值
具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值如表1。
由圖6可知，輸入電流iin與輸入電壓uin基本保持同相位，且消除了原二次型Buck變換器輸入電流存在過(guò)零死區(qū)的問(wèn)題，極大的改善了輸入電流的THD，PF值高達(dá)97.7%。輸出電流Io基本為一直線，極大地降低了紋波，消除了頻閃。
根據(jù)變換器的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，由式(15)和式(16)可得
≈137 V，
≈273 V，從圖7可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析保持一致。
由圖8分析可得，電感L1、L2工作在DCM模式下，電感L3工作在CRM模式下，也與理論分析保持一致。
4 結(jié)語(yǔ)
本文提出了一種新型的基于Buck-boost級(jí)聯(lián)二次型Buck拓?fù)涞腖ED驅(qū)動(dòng)電源。共用了一個(gè)開(kāi)關(guān)管，控制簡(jiǎn)單易行。消除了原二次型Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入電流死區(qū)問(wèn)題，進(jìn)一步提高了功率因數(shù)，改善了輸入電流THD。實(shí)驗(yàn)表明，輸出電流紋波低，能實(shí)現(xiàn)恒流輸出,滿足LED驅(qū)動(dòng)電源的要求。
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