0 引言

    照明LED具有功耗低、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境影響小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，使得LED技術(shù)變得越來(lái)越受歡迎。在功率轉(zhuǎn)換器中，電解電容具有較低的成本和優(yōu)良的性能，通常被用于穩(wěn)定瞬時(shí)輸入和輸出功率。然而，電解電容器使用壽命相比其他器件更短，研究表明，在LED驅(qū)動(dòng)電源故障中，以電解電容失效故障最為普遍，電解電容的壽命通常為5 000 h/105 ℃，其一直以來(lái)都是電源產(chǎn)品壽命的瓶頸。因此，電解電容器對(duì)于保證LED照明裝置的預(yù)期壽命非常重要。為此，人們提出各種各樣的解決方案來(lái)去除大體積、短壽命的電解電容。但是轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點(diǎn)上會(huì)造成了120 Hz的紋波電流，為減少120 Hz脈動(dòng)成分,可以使用并聯(lián)LC濾波器。這里面的電解電容不僅會(huì)增加成本，還要求過(guò)多的印刷電路板空間?，F(xiàn)有技術(shù)包括：(1)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的輸入電流波形進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)降低輸入脈動(dòng)功率的峰均比來(lái)減小輸入、輸出功率的不平衡；(2)采用大電感和較大尺寸的薄膜電容來(lái)平衡輸入、輸出功率之間的差值，雖然取得了一定的效果，但無(wú)源儲(chǔ)能元件的體積大、重量重；(3)增大紋波和向輸入電流加入三次和五次諧波,從而實(shí)現(xiàn)去除電解電容目的。這些方法是對(duì)現(xiàn)有控制或功率電路進(jìn)行改進(jìn)，其思想大致可以分兩類(lèi): 一是保留原來(lái)的拓?fù)?，?duì)控制方法進(jìn)行改進(jìn); 二是構(gòu)造新的電路拓?fù)洹?/p>

    為了實(shí)現(xiàn)PFC（Power Factor Correction）和DC-DC轉(zhuǎn)換的同時(shí)性，去除在單級(jí)電源下低頻產(chǎn)生的閃爍現(xiàn)象，有人提出了能量?jī)?chǔ)存裝置。采用雙向轉(zhuǎn)換器替代大容量?jī)?chǔ)能電容器。此方案的缺點(diǎn)是輸出能量被轉(zhuǎn)換三次才送至輸出端。還有人提出了在功率因數(shù)和所需輸出電容之間平衡的設(shè)計(jì)。然而，這個(gè)方案是以犧牲輸入電流諧波和功率因數(shù)性能來(lái)達(dá)到目的^[1]。在文獻(xiàn)[2-5]中使用多個(gè)開(kāi)關(guān)的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在輸出級(jí)使用雙向降壓-升壓電路來(lái)吸收PFC轉(zhuǎn)換器脈動(dòng)電流中的交流分量，通過(guò)在電源電路中使用多個(gè)快恢復(fù)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)交換技術(shù)，文獻(xiàn)[6-7]討論了采用耦合電感的PFC技術(shù)，PFC開(kāi)關(guān)需要處理PFC電感電流和LED電流，開(kāi)關(guān)需承受非常大的電流和電壓，這使得效率很低。本文提出無(wú)電解電容的反激變換器方案，使用一個(gè)雙向Buck-Boost紋波電流消除電路，使用容量小的薄膜電容同樣使輸出紋波電流非常小，雙向Buck-Boost轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸入來(lái)維持輸出功率恒定。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理

    如圖1所示，開(kāi)關(guān)Q2使反激變換器工作在DCM模式下實(shí)現(xiàn)PFC的功能；Q1和Q3彼此補(bǔ)充。L₁和C₁作為雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的存儲(chǔ)裝置，而C₂和L₂組成了輸出電流的高頻濾波器。其中L_m為初級(jí)繞組側(cè)電感，此耦合電感是電路的關(guān)鍵組成部分，它具有兩個(gè)主要功能：(1)它在一個(gè)線(xiàn)周期內(nèi)將所需能量的一部分反饋給直流母線(xiàn)電容器從而可以減小紋波抑制電容；(2)串聯(lián)連接的電感L_m和開(kāi)關(guān)Q2在LED的輸出端提供了一個(gè)高頻脈動(dòng)電流。當(dāng)輸入功率P_in低于輸出功率P_o時(shí)，工作原理可分為四種狀態(tài)。當(dāng)輸入功率P_in高于輸出功率P_o時(shí)，除了i_L1的電流反方向流動(dòng)外，工作原理與輸入功率P_in低于輸出功率P_o情況類(lèi)似。

    設(shè)輸入電壓為：

    在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，該變換器存在四種開(kāi)關(guān)模態(tài)，其工作情況描述如下。

    狀態(tài)1[t₀～t₁]：當(dāng)t=t₀時(shí)，打開(kāi)Q2和Q3，關(guān)閉Q1，輸入的能量V_in被存儲(chǔ)在L_m中，然后C_O釋放能量給L_B和LED，該狀態(tài)在t=t₁關(guān)閉Q2時(shí)結(jié)束。

    狀態(tài)2[t₁～t₂]：當(dāng)t=t₁時(shí)，關(guān)閉Q2，保持Q3接通，關(guān)閉Q1，并且D_S也是導(dǎo)通的，被存儲(chǔ)在L_m中的能量釋放給C_O、L_B和LED，該狀態(tài)在t=t₂時(shí)L_m完全放電時(shí)結(jié)束。

    狀態(tài)3[t₂～t₃]：當(dāng)t=t₂時(shí)，保持Q3接通，保持Q1和Q2斷開(kāi)，C_O釋放能量給L_B和LED，該狀態(tài)在t=t₃時(shí)關(guān)閉Q3打開(kāi)Q2時(shí)結(jié)束。

    狀態(tài)4[t₃～t₄]：當(dāng)t=t₃時(shí)，保持Q3接通，保持Q2和Q1斷開(kāi)，C_O釋放能量給L_B和LED，該狀態(tài)在t=t₄時(shí)關(guān)閉Q3打開(kāi)Q1時(shí)結(jié)束。

2 無(wú)電解電容實(shí)現(xiàn)

    當(dāng)單級(jí)電源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很高的功率因數(shù)時(shí)，在LED電源的輸入端和輸出端之間就會(huì)存在能量之間的平衡。為了適應(yīng)這一能量的差異，一個(gè)大容量電容不可缺少，電解電容器的壽命大大限制了LED電源的使用壽命，因此消除電解電容器是很有意義的。

    圖2顯示了在半個(gè)線(xiàn)周期內(nèi)電源的輸入輸出側(cè)雙方存在能量的不平衡。這種能量的不平衡由PFC輸出端的低頻紋波電流顯示出來(lái)。LED電源的全部能量幾乎都是由V_o1輸出來(lái)的。能量的不平衡和電壓波動(dòng)的關(guān)系可以由式(4)表示：

    對(duì)于一個(gè)輸出功率10 W的電源在60 Hz線(xiàn)頻率下半個(gè)周期內(nèi)的不平衡能量E_imbalance是0.027 3 J。V_o1允許有9 V_P-P的低頻紋波電壓，因此所需的輸出電容可以低于55 μF。這個(gè)電容可以用陶瓷電容代替電解電容。在前期實(shí)驗(yàn)中，可以用3個(gè)20 μF陶瓷電容器替代，并連接到輸出電壓V_o1端。

3 輸入電流分析和電路特性

    在電路的輸入端，PFC通過(guò)L_m在斷續(xù)工作模式(DCM)進(jìn)行控制?；镜?，通過(guò)二極管D₂的電流會(huì)隨著直流母線(xiàn)電壓v_dc包絡(luò)變化而變化。用V_p和f_L代表輸入電壓峰值和線(xiàn)路頻率，則校正電壓v_r由式(6)表示。放電部分占空比d由式(7)給出。

    通過(guò)D₂的平均電流由式(8)給出，i_pk2由式(9)給出，平均輸入電流可以由式(10)給出，它表明輸入電流的形狀受到V_p和V_dc的比例影響。當(dāng)V_dc接近V_p時(shí)，輸出電流變得更加扭曲。

    由式(11)可知，場(chǎng)效應(yīng)管電壓是V_dc和轉(zhuǎn)換比例(n₂/n₁)的函數(shù)。輸入線(xiàn)性電流的波形是V_dc的函數(shù)。如圖4所示，當(dāng)n₂/n₁增大時(shí)v_ds，pk減小，當(dāng)V_dc接近V_p時(shí)，需要選擇合適的n₂/n₁值和V_dc和V_p的比例。在圖1中，C₂為儲(chǔ)能電容，電容C₁為高頻濾波電容。由于C₂被移到高壓側(cè)，因此，由于前級(jí)轉(zhuǎn)換器高輸入阻抗及C₂和L_sec連續(xù)的能量交換作用，C₂需要的能量可以被大大減小，因此，就可以使用小容值的電容C₂，這樣就允許薄膜電容作為儲(chǔ)能電容。

    因?yàn)橥ㄟ^(guò)C₂的電壓增大至輸入電壓，所以，通過(guò)C₂的等效的負(fù)載阻抗變得更大。在C₂上能量的改變量由式(12)給出，V_dc，max和V_dc，min是V_dc的最大和最小值。同樣ΔE由式(13)給出。式(12)和式(13)兩式結(jié)合得到式(14)，η是電路的效率。從式(14)中可以看出，在相同的平均輸入電壓下如果增加V_dc電容C₂可以減小。式(14)將決定設(shè)計(jì)電路中電容的值。

    在設(shè)計(jì)電路的輸出端，為了保證在i_Lo中提供CCM，L₀的最小值可以由式(15)計(jì)算得出，i_Lo是平均輸出電流。

4 實(shí)驗(yàn)研究

    圖5描述了電源輸入的電壓電流值，在PFC電路輸出電壓V_O1和紋波消除電路的輸出V_O3之間的低頻消除情況較好。V_O1中最初的紋波是由V_P-P來(lái)決定的，在消除紋波之后，LED上的紋波電壓已經(jīng)降到0.75 V。紋波電流和效率已經(jīng)比傳統(tǒng)的降壓-升壓LED電源有很大提升，并且輸出電容值大大降低。

    電源輸出的電壓電流值如圖6所示，從圖6可以看出，傳統(tǒng)的降壓-升壓LED電源的紋波電流高達(dá)250 mA。在紋波消除技術(shù)下，低頻紋波電流已減少到20 mA。前后紋波抑制率大約差了12.5倍。

5 結(jié)論

    本文提出了一種簡(jiǎn)單的帶有脈沖電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高功率因數(shù)的LED電源拓?fù)?。在沒(méi)有使用任何電解電容器和復(fù)雜的控制方法下，本文提出的單開(kāi)關(guān)電路也是能夠降低發(fā)光二極管的低頻紋波電流的。在提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用耦合電感來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC功能和為輸出提供高頻率的脈動(dòng)電流。本文提供了所提電路的詳細(xì)說(shuō)明、工作原理以及理論分析。最后，通過(guò)一個(gè)10 W、50 V-0.2 A的實(shí)驗(yàn)原型證明了該方案的可行性。

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作者信息:

陳純鍇，栗銀龍

（天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津300387）