一種LED燈驅(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)校正變換器的設(shè)計(jì)

萬其明，蔡教武

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528404)

引言

隨LED燈具的普及，LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源的質(zhì)量越來越受到重視[1-6]。在眾多LED開關(guān)電源的性能參數(shù)中，功率因數(shù)是最重要的參數(shù)之一。LED開關(guān)電源尤其是大功率的LED開關(guān)電源，比一般的開關(guān)電源對(duì)功率因數(shù)要求更高更嚴(yán)。

本文展示了一種大功率LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源功率因數(shù)校正變換器設(shè)計(jì)的公式推演,給出了功率因數(shù)校正變換器各參數(shù)的估算方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 功率因數(shù)校正變換器

功率因數(shù)是有功功率與視在功率的比值，視在功率是有功功率和無功功率的和。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)，是衡量電力設(shè)備效率高低的一個(gè)指標(biāo)。

對(duì)電源的功率因數(shù)進(jìn)行校正，可以減少電力浪費(fèi)與降低對(duì)電網(wǎng)的危害性。升壓式的功率因數(shù)校正變換器被廣泛用于各類電源設(shè)備中，其作用可總結(jié)如下四條：消除輸入電網(wǎng)電流尖峰；使輸入的電流與輸入電壓同相；降低多次及高次電流諧波分量的比重；輸出一個(gè)略高于輸入電壓幅值的直流電壓。

圖1所示為實(shí)現(xiàn)升壓式功率因數(shù)校正的基本電路。與一般的交流整流電路相比，這個(gè)電路將容值很大的濾波電容換成小容值的薄膜電容，從而使橋式整流的輸出電壓不再是相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓，而是兩倍于輸入正弦電壓頻率的半波電壓，這樣電網(wǎng)電流也不再是在電壓峰值供電，可以連續(xù)流通，為電流電壓保持同相創(chuàng)造了基本條件。

升壓式功率因數(shù)校正電路的工作模式通常分為連續(xù)模式和不連續(xù)模式。我們著重研究的是能使功率因數(shù)校正變換器工作在另外一種新模式下的電路，此種模式介于連續(xù)模式和不連續(xù)模式之間，可實(shí)現(xiàn)晶體開關(guān)管的開通發(fā)生在流過晶體開關(guān)管的電流為零的那一刻，這就是臨界模式。

圖1 升壓式功率因數(shù)校正變換器的基本電路Fig.1 Basic circuit of boost power factor correction(PFC) converter

2 臨界模式功率因數(shù)校正升壓變換器的設(shè)計(jì)

2.1 電路參數(shù)的定義

定義圖1中的參數(shù)如下：Vac為電網(wǎng)輸入電壓。Vin為功率因數(shù)校正變換器的輸入電壓，即加在Cin上的電壓，以下簡(jiǎn)稱輸入電壓。Iin為功率因數(shù)校正變換器的輸入電流，即橋式整流管后的電流，以下簡(jiǎn)稱輸入電流。其他參數(shù)及釋義如表1所示。

2.2 電路參數(shù)的公式演算

通常已知參數(shù)為Po、η、Vac的范圍，接下來的任務(wù)就是如何通過已知條件進(jìn)行各技術(shù)參數(shù)的計(jì)算，對(duì)各電路元件做出合理選擇或制作，其中最為關(guān)鍵的元件是主回路中的L、Cin、D、Q和控制芯片 IC。

表1 功率因數(shù)校正變換器電路參數(shù)表

控制芯片IC已選定為某半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的L6562，其框圖如圖2所示。L6562的基本工作原理如下：IC的腳1獲取輸出電壓Vo的信息，這些信息會(huì)通過IC內(nèi)部的誤差放大比較器與基準(zhǔn)參考信號(hào)相比較得到一個(gè)常數(shù)信號(hào)，此常數(shù)與腳3獲取的正比于輸入電壓Vin的半波正弦信號(hào)相乘，得到一個(gè)同時(shí)反映輸入電壓Vin和輸出電壓Vo的弦信號(hào)，此弦信號(hào)又被作為另一比較器的基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)腳4獲取的反映開關(guān)管電流的信號(hào)與此弦信號(hào)的大小相等時(shí)，開關(guān)管Q就會(huì)關(guān)斷，之后電感L就會(huì)釋放它在開關(guān)管開通時(shí)儲(chǔ)存的能量到輸出端，流過電感L的電流逐漸減小，當(dāng)電流減小到零時(shí)，IC的腳5就會(huì)從電感L的副邊得到一個(gè)信號(hào)使得開關(guān)管Q再次開通；如此周而復(fù)始，電路如圖3所示，得到如圖4中的AVERAGE(平均值)電流波形所示的輸入電流Iin，它與輸入電壓Vin同相，從而提高功率因數(shù)的值，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

圖2 L6562內(nèi)部框圖Fig.2 L6562 Block Diagram

圖3 L6562典型應(yīng)用電路Fig.3 L6562 Typical Application Circuit

為更好地計(jì)算其他參數(shù)，我們首先來研究流經(jīng)主回路各元件的電流Iin、IL、Id、IQ的特性及之間的關(guān)系，如圖4和圖5所示。

(1)

1)單波電流的特性。

如圖5所示，有

T=TON+TOFF

(2)

(3)

圖4 IL與開關(guān)管Q的Vgs波形對(duì)照?qǐng)DFig.4 IL& MOSFET Q Vgs waveform comparison chart

圖5 圖4中IL波形的第一個(gè)尖波IiFig.5 The first sharp wave Iiof the waveform in the above figureIL

(4)

Ii的有效值(源自作功概念) 為

(5)

其中It=kt+c。

由圖4可知，在TON(即0到toff)時(shí)段，電流流過開關(guān)管Q，在TOFF(即toff到T)時(shí)段，電流流過二極管D，那么

(6)

(7)

因此式(5)可轉(zhuǎn)化為

(8)

由式(8)可得

(9)

(10)

由式(9)得

(11)

由式(10)得

(12)

將式(11)、式(12)代入式(7)得

(13)

2)半波電流的特性。

將單波電流特性模型延伸到整個(gè)半波的電流中，如圖4所示，在每次開關(guān)管Q關(guān)斷的那一刻便有一個(gè)Ipk出現(xiàn)，我們假設(shè)包絡(luò)IL波形的幅值為IpL，則有

Ipki=IpLsinθi

(14)

由式(4)可得

(15)

LIpLsinθi=VpsinθiTONi=(Vo-Vpsinθi)TOFFi

(16)

由此可得

(17)

(18)

(a)計(jì)算流過電感L的電流有效值和平均值。

(19)

假設(shè)Tm被分為足夠多的Ti，則式(19)可轉(zhuǎn)化為積分式如下：

(20)

由此可得流過L的電流有效值為

(21)

將式(1)和式(15)代入式(21)可得

(22)

(23)

將式(1)和式(15)代入式(23)可得

(24)

由以上結(jié)果可算出流經(jīng)電感L的最大電流規(guī)格。

(b)計(jì)算流過二極管D的電流有效值和平均值。

將式(17)代入式(24)得

(25)

由此可得Id的有效值為

(26)

將式(1)和式(15)代入式(26)可得

(27)

其中

可得Id的平均值為

(28)

由以上計(jì)算結(jié)果我們可初步判定二極管D的最小電流規(guī)格。

(c)計(jì)算流過開關(guān)管Q的電流有效值和平均值。

(29)

(30)

由以上計(jì)算結(jié)果我們可初步判定開關(guān)管Q的最小電流規(guī)格。

3)電感L的電參數(shù)計(jì)算。

如果假設(shè)加在電感L兩端的電壓為V，由電感的V/I特性可得

(31)

即

(32)

所以，

(33)

(34)

由式(33)、式(34)得

(35)

由式(35)可得

(36)

為保障開關(guān)電源不會(huì)有噪聲，一般會(huì)規(guī)定fs的最小值fsmin，又sinθ的最大值為1，所以有

(37)

將已知參數(shù)Vac的上下限有效值代入式(37)，取較小值為電感L電感量的最大值。

我們知道了電感L的最大電感量和最大電流，就可以選擇合適的磁芯和圈數(shù)。

4)電容Cin的電容值的計(jì)算。

(a)計(jì)算Cin的最小電容值。假設(shè)輸入電流iin(t)，電感電流iL(t)，Cin的電流為ic(t)，那么有

iin(t)=iL(t)+ic(t)

(38)

(39)

(40)

(41)

由式(41)可得出Cin的最小值。

(b)計(jì)算Cin的最大電容值。假設(shè)我們?cè)O(shè)定功率因數(shù)的最小值為PFmin，則有

(42)

由式(42)可確定Cin的最大值。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

參照以上設(shè)計(jì)方法，已設(shè)計(jì)出多款電壓輸入、輸出電壓為400 V的功率因數(shù)校正變換器，充分驗(yàn)證了以上公式計(jì)算的正確性和可行性。圖6是設(shè)計(jì)表格。圖7是其中一款的電路圖，圖8是測(cè)試的波形，表2是測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖6 設(shè)計(jì)表格Fig.6 Design sheet

圖7 實(shí)驗(yàn)板電路圖Fig.7 Evaluation board circuit diagram

圖8 實(shí)驗(yàn)板輸入電壓電流波形Fig.8 Evaluation board input voltage and current waveform

Vin /VPin/WVo /VPo /Wη/% PF8587.2399.480.191.86 0.99611085.8399.580.193.36 0.99313584.9399.680.294.46 0.98517584.1399.580.295.36 0.97122083.5399.880.195.93 0.95226482.9400.080.296.74 0.914

3 結(jié)論

本文通過對(duì)一種大功率LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源功率因數(shù)校正變換器設(shè)計(jì)公式的推演，給出了功率因數(shù)校正變換器各參數(shù)的估算方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定的高輸入功率因數(shù)校正變換器提供了參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高輸入功率因數(shù)的恒流 LED 驅(qū)動(dòng)電源可以去除電路中的電解電容。