《電子技術應用》
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一種基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源
2018年電子技術應用第1期
廖志凌,劉 康,丁蔓菁,吳 超,姜宇珺
江蘇大學 電氣信息工程學院,江蘇 鎮江212001
摘要: 提出了一種新型的LED驅動電源,分析了其工作原理和工作特性。主電路拓撲基于二次型Buck和Buck-boost變換器,通過級聯,共用一個開關管,簡化了拓撲結構和控制策略,降低了控制成本。采用兩級式級聯結構,消除了原二次型Buck拓撲結構的輸入電流過零死區問題,進一步提高了功率因數,改善了輸入電流的總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)。同時,開關管的占空比工作在更合理的區域。最后通過實驗驗證了理論分析的正確性。
中圖分類號: TN86
文獻標識碼: 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級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源[J].電子技術應用,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.

A LED driving power supply based on buck-boost cascade quadtype buck topology
Liao Zhiling,Liu Kang,Ding Manjing,Wu Chao,Jiang Yujun
Electrical and Information Engineering College,Jiangsu University,Zhenjiang 212001,China
Abstract: A novel LED driver is proposed and analyzed in this paper. The main circuit topology is based on a quadratic buck and a buck-boost. They share a switch through cascading, simplifying the topology and control strategy, reducing the cost of the control circuit. Using two-stage cascade structure, the input current dead-time problem of the original quadratic buck topology is eliminate. It improves the power factor and the input current THD. At the same time, the duty cycle of the switch operates in a more reasonable area. Finally, the correctness of the theoretical analysis is verified by experiments.
Key words : LED driver circuit;buck-boost;quadratic buck;input current dead-time

0 引言

    隨著時代的發展,科技的進步,發光二極管(Light Emitting Diode,LED)在生活生產中的各個領域得到了廣泛發展,比如普通照明、醫療、交通等。因為LED是電流型器件,LED發出的光品質是由流經LED的電流大小和波動情況決定的,所以發展LED照明的關鍵在于其驅動器的創新與設計[1-2]

    如今LED驅動電源技術日益成熟,總體可分為單級式和兩級式。單級式LED驅動電源拓撲包括Buck、Buck-boost、Fly-back等,結構簡單,易于控制,成本較低,但是其功率因數較低,輸出電流紋波較大,影響LED的發光品質。兩級式LED驅動電源拓撲分為前級功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)模塊和后級DC-DC模塊。結構較單級式更為復雜,控制策略也更為繁瑣,相對成本就更高,而其優點是功率因數會比較高,且輸出電流紋波比較低,在交流供電場合,更能滿足IEC 61000-3-2的諧波要求[3-8]

    文獻[9]提出了一種基于二次型Buck無頻閃無變壓器的LED驅動電源,具有較高的功率因數,降低了輸出紋波。但是其輸入電流存在過零死區的問題,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級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源,在二次型Buck拓撲的基礎上,級聯了一個Buck-boost變換器,消除了輸入電流過零死區,改善了其THD,進一步提高了電源的功率因數。同時,采用兩級式級聯結構,降低了二極管的電壓應力,使開關管的占空比工作在更合理的區域。

1 主電路拓撲的工作原理

    如圖1所示為基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源的主電路拓撲圖。此拓撲由一個Buck-boost拓撲和一個二次型Buck拓撲級聯而成,共用一個開關管Q。Buck-boost拓撲包括開關管Q、電感L1、電容C1、二極管D2和二極管D3,二次型Buck拓撲包括開關管Q、二極管D4、D5、D6、D7、電感L2、L3和電容C2、Co。當電感L1和L2工作在電感斷續模式(Discontinuous Conduction mode,DCM)下,電路自動實現PFC。為了使電源效率更高,使電感L3工作在臨界連續模式(Critical Conduction Mode,CRM)下。

dy4-t1.gif

    為了簡化分析,在本文中,假設:

    (1)所有的開關管、二極管、電感和電容均為理想元件。

    (2)開關頻率fS遠大于電網頻率fL

    (3)在開關周期內,電容電壓為恒定值。

    經過分析,變換器可分為開關管Q導通和關斷的兩個主要工作模態,變換器的主要工作模態等效電路如圖2所示,驅動電源主要波形如圖3所示。

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    (2)關斷模態:如圖2(b)所示,當開關管關斷時,二極管D3、D5、D7導通,電感L1上的電流通過二極管D3續流,并向電容C1放電,電感L2上的電流通過二極管D4續流,并向電容C2放電,電感L3上的電流通過二極管D7續流,并向電容Co和負載放電。即電感電流峰值與續流時間的關系分別為:

     dy4-gs4-6.gif

其中,dy4-gs4-6-x1.gif分別為電感電流dy4-gs4-6-x2.gif的續流時間。

    由于電感L3工作在CRM模式下,電感電流dy4-gs4-6-x3.gif與輸出電流Io的關系為:

dy4-gs7-10.gif

2 LED驅動電源工作特性分析

2.1 占空比D的分析

    經過分析可得,理想情況下,驅動電源的電壓傳輸比為:

    dy4-gs11.gif

    根據式(11)作圖4可得,與傳統的二次型Buck拓撲相比,在相同的電壓傳輸比的情況下,本文提出的電路拓撲能在更為理想的占空比的條件下工作,提高了電源穩定性和電源效率。

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2.2 電容C1、C2的特性分析

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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,根據式(10)和式(16)可得:

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取電感L2=400 μH,經計算分析,電感L1,L2的取值滿足式(22)和式(23)。

3 實驗結果分析

    為了驗證理論分析的正確性,設計了功率為32 W的LED驅動電源,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,取開關頻率為30 kHz,電感比值dy4-gs22-23-x1.gif具體實驗參數取值如表1。

dy4-b1.gif

    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零死區的問題,極大的改善了輸入電流的THD,PF值高達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。

dy4-t6.gif

    根據變換器的實驗參數,由式(15)和式(16)可得dy4-t7-s1.gif≈137 V,dy4-t7-s2.gif≈273 V,從圖7可以看出,實驗結果與分析保持一致。

dy4-t7.gif

    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。

dy4-t8.gif

4 結語

    本文提出了一種新型的基于Buck-boost級聯二次型Buck拓撲的LED驅動電源。共用了一個開關管,控制簡單易行。消除了原二次型Buck拓撲結構的輸入電流死區問題,進一步提高了功率因數,改善了輸入電流THD。實驗表明,輸出電流紋波低,能實現恒流輸出,滿足LED驅動電源的要求。

參考文獻

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