基于LLC諧振變換器的LED驅(qū)動電源研究

陳 辰

（南京信息工程大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210044）

1 背景及研究意義

1.1 LED照明

伴隨著全球經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定快速的發(fā)展，在社會不斷進(jìn)步的同時(shí)也帶來了很多環(huán)境問題，這些環(huán)境問題已越來越受到人們的廣泛關(guān)注，如何提高能源的利用率，減少環(huán)境污染，是我們目前丞待解決的一個(gè)重要課題。在日常生活中，燈光照明是必不可少的組成部分，其所消耗的電能占電能總消耗的20%以上，因此燈光照明部分的能源消耗是不可忽視的。

LED作為一種新型光源，在照明領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，而驅(qū)動電源的好壞直接決定了LED的品質(zhì)。LED照明具有體積小、使用壽命長和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于社會生活、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)。目前世界范圍內(nèi)正推行節(jié)能減排事業(yè)，因此推廣LED照明具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 LED驅(qū)動電源

LED光源的光衰和色度漂移主要是由于散熱設(shè)計(jì)的不合理性導(dǎo)致的，而近年來LED燈封裝和散熱技術(shù)不斷發(fā)展趨于成熟，使得LED的穩(wěn)定性得到了極大的提高，該類問題逐漸得到改善。相對于光衰和色度漂移，目前死燈或燈閃爍等問題則要嚴(yán)重得多。LED燈出現(xiàn)死燈或燈閃爍這類問題的原因大多是LED驅(qū)動電源出現(xiàn)了問題。因此，作為LED燈的關(guān)鍵組成部分，驅(qū)動電源對LED的性能和壽命有著至關(guān)重要的作用。

目前，由于我國在LED驅(qū)動電源領(lǐng)域沒有制定強(qiáng)制性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此各廠家生產(chǎn)的驅(qū)動電源形狀規(guī)格不盡相同，各產(chǎn)品間的互換性較差，再加上LED驅(qū)動電源大多采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，從而使得LED驅(qū)動電源的維修困難，又由于部分廠家售后服務(wù)系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致在LED照明出現(xiàn)問題時(shí)不能及時(shí)得到解決，使得大眾對LED產(chǎn)生誤解，影響了LED產(chǎn)品的推廣。因此，高品質(zhì)的LED電源驅(qū)動器對LED照明的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義，必須重視電源驅(qū)動器的發(fā)展。

2 LLC諧振變換器

現(xiàn)代電源技術(shù)趨向于更高的效率和功率密度。提高DC-DC變換器的工作頻率可以有效減小電路中儲能元件的體積和重量，提高功率密度，但同時(shí)也會造成開關(guān)損耗的增加。近年來，LLC諧振變換器因能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開通、副邊整流二極管的零電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換，有效降低開關(guān)損耗，產(chǎn)生的EMI小、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)在高頻功率變換領(lǐng)域得到廣泛的重視和研究。

雖然，諧振變換器具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但其也存在一些缺陷，如諧振變換器控制方法過于復(fù)雜、過載保護(hù)設(shè)計(jì)存在困難等。此外，其勵(lì)磁電流過大而導(dǎo)致的開關(guān)管導(dǎo)通損耗影響了諧振變換器的整體效率。因此，對該變換器進(jìn)行分析，提出一種可靠的設(shè)計(jì)方法，具有重要意義。

3 LLC諧振變換器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

關(guān)于LED驅(qū)動電源的電路拓?fù)?，目前市場上?yīng)用較為廣泛的主要是反激式和LLC諧振式，通常由負(fù)載的功率大小來選擇這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。近年來，國內(nèi)對LLC諧振變換器的研究主要有以下幾個(gè)方面。

1）對主電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，例如用基波分析近似法對LLC諧振變換器進(jìn)行建模，再通過工程軟件MathCAD對直流電壓增益進(jìn)行分析，從而得出品質(zhì)因數(shù)與電感系數(shù)的最佳取值范圍，為關(guān)鍵參數(shù)的改進(jìn)與設(shè)計(jì)提供更確切的參考[1]。

2）從動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性兩方面對諧振變換器進(jìn)行研究，先是對變換器的工作原理與工作波形進(jìn)行系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上，對其動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行更深入的分析，同時(shí)用相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其正確性[2]。

3）從運(yùn)行動態(tài)方面對變換器進(jìn)行分析并優(yōu)化，先將變換器的開關(guān)過程分解成多個(gè)不同的模態(tài)，基于模態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換條件建立其數(shù)值模型。在所建立的模型基礎(chǔ)之上分析并優(yōu)化LLC諧振變換器的運(yùn)行動態(tài)過程[3]。

3.2 國外現(xiàn)狀

國外關(guān)于LLC諧振變換器的研究近年來主要集中在以下幾個(gè)方面。

1）從設(shè)計(jì)方法上對變換器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，例如為了限制過載條件下的電流，提出了一種通過使用電容-二極管鉗位的設(shè)計(jì)方法。對于功率要求較高的應(yīng)用場合，則提出了使用交錯(cuò)式LLC諧振變換器，以此來降低輸出電壓的紋波，同時(shí)限制元件容差的影響[4]。

2）對變換器的控制方法進(jìn)行對比分析，例如使用移相調(diào)制方法來提高全橋LLC諧振變換器在輕載條件下的效率。

3）改進(jìn)變換器的開關(guān)結(jié)構(gòu)，例如對一種全橋LLC諧振變換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過使用附加開關(guān)，這些變換器可以將其結(jié)構(gòu)從半橋轉(zhuǎn)換到全橋，或是從全橋轉(zhuǎn)換到半橋[5]。

3.3 發(fā)展趨勢

未來驅(qū)動電源的發(fā)展除了對其壽命可靠性的要求更高之外，模塊化設(shè)計(jì)和維護(hù)可行性也會是其發(fā)展的重要方向。隨著現(xiàn)代建筑智能化的快速發(fā)展，智能且精準(zhǔn)化的調(diào)光功能對LED燈的要求也隨之要反映在驅(qū)動電源中，因此這種驅(qū)動電源將是未來市場中逐漸發(fā)展的一個(gè)趨勢，在不久的將來必將得到重視和快速發(fā)展。