基于BUCK電路的高效非隔離LED驅(qū)動器研究
2014-11-10 14:23:21魯志本張嘉嶺王勇
科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2014年12期
魯志本 張嘉嶺 王勇
摘 要：該文針對LED照明對驅(qū)動電源高效率、高功率密度和高功率因數(shù)的要求，提出一種基于BUCK電路非隔離的LED驅(qū)動電路。該驅(qū)動電源工作在準(zhǔn)諧振模式，且控制電路具有谷點檢測功能，因此與一般的BUCK電路相比該驅(qū)動電源具有更高的效率。最后以80 V/200mA T8燈為例，給出了實驗結(jié)果。結(jié)果表明，該驅(qū)動電源具有較高的效率和功率因數(shù)。驗證了該LED驅(qū)動電源的可行性與有效性。
關(guān)鍵詞：BUCK 非隔離 準(zhǔn)諧振 谷點檢測
中圖分類號：F02 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0010-02
發(fā)光二極管作為光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長三大優(yōu)勢。近年來發(fā)展起來的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工業(yè)與民用照明系統(tǒng)、汽車燈具等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。因此，LED的推廣應(yīng)用對能源緊缺的世界各國具有十分重要的意義[1-2]。
LED應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是提供與其特性相適用的電源或驅(qū)動電路。隨著對LED照明要求的提高，LED照明對其驅(qū)動電源的要求也越來越高。對整燈光效的要求促使LED驅(qū)動電源必須具有較高的效率。另外，高功率因數(shù)也成為LED驅(qū)動電源必須具備的要求。由于安裝的要求，LED照明又對其功率密度提出了較高的要求[3-6]。針對上述LED驅(qū)動要求，該文提出了基于BUCK電路非隔離LED驅(qū)動電源方案。該方案具有以下優(yōu)點（1）沒有光耦且工作頻率較高，因此整個電路更加簡單，具有更高的功率密度。（2）具有較高的功率因數(shù)。（3）反饋電路工作在準(zhǔn)諧振的工作模式，使整個電路具有更高的效率。
1 基于Buck變換器的PFC機理
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路工作狀態(tài)
圖1為Buck PFC電路，Lf、Cf起濾波作用。為了簡化分析，假設(shè)：a）電路工作在穩(wěn)定態(tài)；b）所有元器件是理想的；c）電容Cout足夠大保證輸出電壓恒定；d）在一個開關(guān)周期內(nèi)輸人電壓是常數(shù)。
1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路工作狀態(tài)
設(shè)輸人工頻交流電壓為：
（1）
其中VP為輸人工頻交流電壓幅值。為輸人工頻交流電壓的角頻率。
當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時，流過開關(guān)S的電流iS，等于流過電感L的電流iL。
（2）
此處D為開關(guān)的導(dǎo)通比，TS為開關(guān)周期，t為一個開關(guān)周期內(nèi)的時間。因此，在每個開關(guān)周期開關(guān)電流的平均值為：
（3）
圖1中濾波電感電容Lf，Cf實現(xiàn)平均。
當(dāng)D較小時，（3）式可以近似表示為：
（4）
可見交流輸人電流與電壓幾乎同步，且輸入電流近似為正弦，功率因子接近1。
對于連續(xù)工作模式的BUCK變換器，當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時，電感和開關(guān)電流為：
（5）
輸入電流Iin即開關(guān)S在一個開關(guān)周期的平均電流為：
（6）
可見輸入電流始終有一個直流偏移量，這時功率因子將明顯降低。
1.3 臨界電感
由式（2）可見，在一個開關(guān)周期電感電流峰值（即開關(guān)電流峰值）為：
（7）
一個開關(guān)周期輸入能量為：
（8）
一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸入功率為：
（9）
半個工頻周期內(nèi)的平均輸入能量為：
（10）
因此從交流電網(wǎng)吸取的平均功率為：
（11）
平均功率為：
（12）
由于輸入和輸出功率必須保持平衡，考慮到變換器的效率?，可以得出：
（13）
因此臨界電感為：
（14）
當(dāng)Buck變換器用于功率因數(shù)校正時，其電感量應(yīng)小于LB，以保證較高的功率因數(shù)。
2 準(zhǔn)諧振谷點開通技術(shù)
開關(guān)波形如圖2所示，輸出電流波形可以用式15表示：
（15）
其中IPK 是電感峰值電流，TEFF是電感電流上升和下降有效時間，tS是開關(guān)周期。
準(zhǔn)諧振模式為Buck變換器提供了更低的開通電壓損耗。因此整個變化器具有更高的效率。（見圖3）
3 實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果
以輸入176Vac～264Vac，輸出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等為例設(shè)計樣機。
3.1 穩(wěn)態(tài)工作波形
輸入176Vac和264Vac的工作波形圖分別如圖4和圖5所示。
3.2 效率測試
效率隨輸入電壓的變化曲線如圖6所示。
3.3 基本參數(shù)設(shè)計
穩(wěn)態(tài)時基本參數(shù)測量結(jié)果如圖7所示。
4 結(jié)語
該文提出的基于Buck電路非隔離的LED驅(qū)動電路工作在準(zhǔn)諧振模式，且控制電路具有谷點檢測功能，因此與一般的BUCK電路相比該驅(qū)動電源具有更高的效率。實驗結(jié)果表明了該驅(qū)動電源具有較高的效率和功率因數(shù)。驗證了該LED驅(qū)動電源的可行性與有效性。
參考文獻
[1] 錢可元，胡飛.大功率白光LED封裝技術(shù)的研究[J].半導(dǎo)體光電，2005，26（2）：110-120.
[2] 雷開卓，韋力，劉樹林.DCM Buck-PFC電路的臨界電感與波形畸變[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，17（4）：589-593.
[3] 嚴(yán)百平，劉樹林，陳治明.Buck變換器實現(xiàn)PFC的機理及其仿真[J].電氣傳動自動化，1998，20（4）：68-71.
[4] 王兆安，劉進軍.電力電子裝置諧波抑制及無功補償技術(shù)的進展[J].電力電子技術(shù)，1997（1）：100-104.
[5] Bo-Tao，Yim-Shu Lee.Power-factor correction using Cuk converters in discontinuous capacitor voltage mode opera-tion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（5）：648-653.
[6] Hisahito Endo，Takashi Yanashida.A high power factor buck converter[C]//IEEE PESC'1992 Records USA：IEEE.1992：1072-1076.endprint
摘 要：該文針對LED照明對驅(qū)動電源高效率、高功率密度和高功率因數(shù)的要求，提出一種基于BUCK電路非隔離的LED驅(qū)動電路。該驅(qū)動電源工作在準(zhǔn)諧振模式，且控制電路具有谷點檢測功能，因此與一般的BUCK電路相比該驅(qū)動電源具有更高的效率。最后以80 V/200mA T8燈為例，給出了實驗結(jié)果。結(jié)果表明，該驅(qū)動電源具有較高的效率和功率因數(shù)。驗證了該LED驅(qū)動電源的可行性與有效性。
關(guān)鍵詞：BUCK 非隔離 準(zhǔn)諧振 谷點檢測
中圖分類號：F02 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0010-02
發(fā)光二極管作為光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長三大優(yōu)勢。近年來發(fā)展起來的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工業(yè)與民用照明系統(tǒng)、汽車燈具等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。因此，LED的推廣應(yīng)用對能源緊缺的世界各國具有十分重要的意義[1-2]。
LED應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是提供與其特性相適用的電源或驅(qū)動電路。隨著對LED照明要求的提高，LED照明對其驅(qū)動電源的要求也越來越高。對整燈光效的要求促使LED驅(qū)動電源必須具有較高的效率。另外，高功率因數(shù)也成為LED驅(qū)動電源必須具備的要求。由于安裝的要求，LED照明又對其功率密度提出了較高的要求[3-6]。針對上述LED驅(qū)動要求，該文提出了基于BUCK電路非隔離LED驅(qū)動電源方案。該方案具有以下優(yōu)點（1）沒有光耦且工作頻率較高，因此整個電路更加簡單，具有更高的功率密度。（2）具有較高的功率因數(shù)。（3）反饋電路工作在準(zhǔn)諧振的工作模式，使整個電路具有更高的效率。
1 基于Buck變換器的PFC機理
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路工作狀態(tài)
圖1為Buck PFC電路，Lf、Cf起濾波作用。為了簡化分析，假設(shè)：a）電路工作在穩(wěn)定態(tài)；b）所有元器件是理想的；c）電容Cout足夠大保證輸出電壓恒定；d）在一個開關(guān)周期內(nèi)輸人電壓是常數(shù)。
1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路工作狀態(tài)
設(shè)輸人工頻交流電壓為：
（1）
其中VP為輸人工頻交流電壓幅值。為輸人工頻交流電壓的角頻率。
當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時，流過開關(guān)S的電流iS，等于流過電感L的電流iL。
（2）
此處D為開關(guān)的導(dǎo)通比，TS為開關(guān)周期，t為一個開關(guān)周期內(nèi)的時間。因此，在每個開關(guān)周期開關(guān)電流的平均值為：
（3）
圖1中濾波電感電容Lf，Cf實現(xiàn)平均。
當(dāng)D較小時，（3）式可以近似表示為：
（4）
可見交流輸人電流與電壓幾乎同步，且輸入電流近似為正弦，功率因子接近1。
對于連續(xù)工作模式的BUCK變換器，當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時，電感和開關(guān)電流為：
（5）
輸入電流Iin即開關(guān)S在一個開關(guān)周期的平均電流為：
（6）
可見輸入電流始終有一個直流偏移量，這時功率因子將明顯降低。
1.3 臨界電感
由式（2）可見，在一個開關(guān)周期電感電流峰值（即開關(guān)電流峰值）為：
（7）
一個開關(guān)周期輸入能量為：
（8）
一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸入功率為：
（9）
半個工頻周期內(nèi)的平均輸入能量為：
（10）
因此從交流電網(wǎng)吸取的平均功率為：
（11）
平均功率為：
（12）
由于輸入和輸出功率必須保持平衡，考慮到變換器的效率?，可以得出：
（13）
因此臨界電感為：
（14）
當(dāng)Buck變換器用于功率因數(shù)校正時，其電感量應(yīng)小于LB，以保證較高的功率因數(shù)。
2 準(zhǔn)諧振谷點開通技術(shù)
開關(guān)波形如圖2所示，輸出電流波形可以用式15表示：
（15）
其中IPK 是電感峰值電流，TEFF是電感電流上升和下降有效時間，tS是開關(guān)周期。
準(zhǔn)諧振模式為Buck變換器提供了更低的開通電壓損耗。因此整個變化器具有更高的效率。（見圖3）
3 實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果
以輸入176Vac～264Vac，輸出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等為例設(shè)計樣機。
3.1 穩(wěn)態(tài)工作波形
輸入176Vac和264Vac的工作波形圖分別如圖4和圖5所示。
3.2 效率測試
效率隨輸入電壓的變化曲線如圖6所示。
3.3 基本參數(shù)設(shè)計
穩(wěn)態(tài)時基本參數(shù)測量結(jié)果如圖7所示。
4 結(jié)語
該文提出的基于Buck電路非隔離的LED驅(qū)動電路工作在準(zhǔn)諧振模式，且控制電路具有谷點檢測功能，因此與一般的BUCK電路相比該驅(qū)動電源具有更高的效率。實驗結(jié)果表明了該驅(qū)動電源具有較高的效率和功率因數(shù)。驗證了該LED驅(qū)動電源的可行性與有效性。
參考文獻
[1] 錢可元，胡飛.大功率白光LED封裝技術(shù)的研究[J].半導(dǎo)體光電，2005，26（2）：110-120.
[2] 雷開卓，韋力，劉樹林.DCM Buck-PFC電路的臨界電感與波形畸變[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，17（4）：589-593.
[3] 嚴(yán)百平，劉樹林，陳治明.Buck變換器實現(xiàn)PFC的機理及其仿真[J].電氣傳動自動化，1998，20（4）：68-71.
[4] 王兆安，劉進軍.電力電子裝置諧波抑制及無功補償技術(shù)的進展[J].電力電子技術(shù)，1997（1）：100-104.
[5] Bo-Tao，Yim-Shu Lee.Power-factor correction using Cuk converters in discontinuous capacitor voltage mode opera-tion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（5）：648-653.
[6] Hisahito Endo，Takashi Yanashida.A high power factor buck converter[C]//IEEE PESC'1992 Records USA：IEEE.1992：1072-1076.endprint
摘 要：該文針對LED照明對驅(qū)動電源高效率、高功率密度和高功率因數(shù)的要求，提出一種基于BUCK電路非隔離的LED驅(qū)動電路。該驅(qū)動電源工作在準(zhǔn)諧振模式，且控制電路具有谷點檢測功能，因此與一般的BUCK電路相比該驅(qū)動電源具有更高的效率。最后以80 V/200mA T8燈為例，給出了實驗結(jié)果。結(jié)果表明，該驅(qū)動電源具有較高的效率和功率因數(shù)。驗證了該LED驅(qū)動電源的可行性與有效性。
關(guān)鍵詞：BUCK 非隔離 準(zhǔn)諧振 谷點檢測
中圖分類號：F02 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0010-02
發(fā)光二極管作為光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長三大優(yōu)勢。近年來發(fā)展起來的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工業(yè)與民用照明系統(tǒng)、汽車燈具等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。因此，LED的推廣應(yīng)用對能源緊缺的世界各國具有十分重要的意義[1-2]。
LED應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是提供與其特性相適用的電源或驅(qū)動電路。隨著對LED照明要求的提高，LED照明對其驅(qū)動電源的要求也越來越高。對整燈光效的要求促使LED驅(qū)動電源必須具有較高的效率。另外，高功率因數(shù)也成為LED驅(qū)動電源必須具備的要求。由于安裝的要求，LED照明又對其功率密度提出了較高的要求[3-6]。針對上述LED驅(qū)動要求，該文提出了基于BUCK電路非隔離LED驅(qū)動電源方案。該方案具有以下優(yōu)點（1）沒有光耦且工作頻率較高，因此整個電路更加簡單，具有更高的功率密度。（2）具有較高的功率因數(shù)。（3）反饋電路工作在準(zhǔn)諧振的工作模式，使整個電路具有更高的效率。
1 基于Buck變換器的PFC機理
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路工作狀態(tài)
圖1為Buck PFC電路，Lf、Cf起濾波作用。為了簡化分析，假設(shè)：a）電路工作在穩(wěn)定態(tài)；b）所有元器件是理想的；c）電容Cout足夠大保證輸出電壓恒定；d）在一個開關(guān)周期內(nèi)輸人電壓是常數(shù)。
1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路工作狀態(tài)
設(shè)輸人工頻交流電壓為：
（1）
其中VP為輸人工頻交流電壓幅值。為輸人工頻交流電壓的角頻率。
當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時，流過開關(guān)S的電流iS，等于流過電感L的電流iL。
（2）
此處D為開關(guān)的導(dǎo)通比，TS為開關(guān)周期，t為一個開關(guān)周期內(nèi)的時間。因此，在每個開關(guān)周期開關(guān)電流的平均值為：
（3）
圖1中濾波電感電容Lf，Cf實現(xiàn)平均。
當(dāng)D較小時，（3）式可以近似表示為：
（4）
可見交流輸人電流與電壓幾乎同步，且輸入電流近似為正弦，功率因子接近1。
對于連續(xù)工作模式的BUCK變換器，當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時，電感和開關(guān)電流為：
（5）
輸入電流Iin即開關(guān)S在一個開關(guān)周期的平均電流為：
（6）
可見輸入電流始終有一個直流偏移量，這時功率因子將明顯降低。
1.3 臨界電感
由式（2）可見，在一個開關(guān)周期電感電流峰值（即開關(guān)電流峰值）為：
（7）
一個開關(guān)周期輸入能量為：
（8）
一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸入功率為：
（9）
半個工頻周期內(nèi)的平均輸入能量為：
（10）
因此從交流電網(wǎng)吸取的平均功率為：
（11）
平均功率為：
（12）
由于輸入和輸出功率必須保持平衡，考慮到變換器的效率?，可以得出：
（13）
因此臨界電感為：
（14）
當(dāng)Buck變換器用于功率因數(shù)校正時，其電感量應(yīng)小于LB，以保證較高的功率因數(shù)。
2 準(zhǔn)諧振谷點開通技術(shù)
開關(guān)波形如圖2所示，輸出電流波形可以用式15表示：
（15）
其中IPK 是電感峰值電流，TEFF是電感電流上升和下降有效時間，tS是開關(guān)周期。
準(zhǔn)諧振模式為Buck變換器提供了更低的開通電壓損耗。因此整個變化器具有更高的效率。（見圖3）
3 實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果
以輸入176Vac～264Vac，輸出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等為例設(shè)計樣機。
3.1 穩(wěn)態(tài)工作波形
輸入176Vac和264Vac的工作波形圖分別如圖4和圖5所示。
3.2 效率測試
效率隨輸入電壓的變化曲線如圖6所示。
3.3 基本參數(shù)設(shè)計
穩(wěn)態(tài)時基本參數(shù)測量結(jié)果如圖7所示。
4 結(jié)語
該文提出的基于Buck電路非隔離的LED驅(qū)動電路工作在準(zhǔn)諧振模式，且控制電路具有谷點檢測功能，因此與一般的BUCK電路相比該驅(qū)動電源具有更高的效率。實驗結(jié)果表明了該驅(qū)動電源具有較高的效率和功率因數(shù)。驗證了該LED驅(qū)動電源的可行性與有效性。
參考文獻
[1] 錢可元，胡飛.大功率白光LED封裝技術(shù)的研究[J].半導(dǎo)體光電，2005，26（2）：110-120.
[2] 雷開卓，韋力，劉樹林.DCM Buck-PFC電路的臨界電感與波形畸變[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，17（4）：589-593.
[3] 嚴(yán)百平，劉樹林，陳治明.Buck變換器實現(xiàn)PFC的機理及其仿真[J].電氣傳動自動化，1998，20（4）：68-71.
[4] 王兆安，劉進軍.電力電子裝置諧波抑制及無功補償技術(shù)的進展[J].電力電子技術(shù)，1997（1）：100-104.
[5] Bo-Tao，Yim-Shu Lee.Power-factor correction using Cuk converters in discontinuous capacitor voltage mode opera-tion[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（5）：648-653.
[6] Hisahito Endo，Takashi Yanashida.A high power factor buck converter[C]//IEEE PESC'1992 Records USA：IEEE.1992：1072-1076.endprint
