基于LLC諧振變流器對LED驅(qū)動電源的設(shè)計

1 引言

半導(dǎo)體照明作為21 世紀(jì)的新型光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。用大功率高亮度發(fā)光二極管（LED）取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源已是大勢所趨。由于LED 自身特性，必須采用恒流源為其供電。因此，高效率恒流驅(qū)動電源的設(shè)計成為LED應(yīng)用中一個重要研究對象。LLC半橋諧振變換器以其高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)今倍受青睞的熱門拓?fù)洌?但一般用于恒壓輸出場合，傳統(tǒng)LLC 被認(rèn)為不適合應(yīng)用于寬范圍恒流輸出。此處提出一種半橋LLC 新的設(shè)計方法，使其在寬范圍恒流輸出場合依然保持高效率。

因此，LLC可作為LED驅(qū)動的很好的拓?fù)溥x擇。

2 恒流LLC諧振變流器的設(shè)計方法

2.1 半橋LLC變換電路概述

半橋LLC諧振變流器電路原理如圖1 所示。

兩個占空比為0.5 互補(bǔ)驅(qū)動的開關(guān)管VS1，VS2 構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)，諧振電感Lr、諧振電容Cr 和變壓器的勵磁電感Lm 構(gòu)成LLC 諧振網(wǎng)絡(luò)，變壓器次級由整流二極管VD1~VD4 構(gòu)成全橋整流電路。

圖1 半橋LLC 諧振變流器電路拓?fù)?/p>

半橋LLC 變流器有兩個諧振頻率。當(dāng)變壓器初級電壓被輸出電壓箝位時，Lm 不參加諧振，Lr和Cr 產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率為f1;當(dāng)變壓器不向次級傳遞能量時，Lm 電壓不被箝位，Lm，Lr，Cr 共同參與諧振，構(gòu)成諧振頻率f2 為：

2.2 直流增益曲線及工作區(qū)間

采用基波近似方法， 可推導(dǎo)出LLC 諧振變流器的直流電壓增益表達(dá)式為：

式中：m=Lm/Lr;fn =fs/f1，fs 為開關(guān)頻率；Ro 為等效輸出電阻。

圖2 示出半橋LLC 變流器在不同負(fù)載情況下的直流增益曲線。LLC 工作在f1（即圖中（1，1）點(diǎn)）時，諧振回路阻抗最小，損耗最低。所以在普通設(shè)計中，一般將滿載工作點(diǎn)設(shè)計在該點(diǎn)。

圖2 半橋LLC 的直流增益曲線

在圖2 所示3 區(qū)間中， 開關(guān)管工作在容性區(qū)域，開關(guān)損耗大，所以在任何設(shè)計中都應(yīng)該避免電路工作在此區(qū)域。而2 區(qū)間中，LLC 工作在諧振電流斷續(xù)模式，可同時實現(xiàn)初級開關(guān)管ZVS 開通和次級整流管ZCS 關(guān)斷，避免反向恢復(fù)，所以恒壓輸出的設(shè)計中， 一般將所有負(fù)載情況下的工作點(diǎn)設(shè)計在該區(qū)間中。但是在恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計中，負(fù)載變化大，對應(yīng)的直流增益變化范圍大， 很難保證全負(fù)載范圍內(nèi)所有的工作點(diǎn)均在ZVS 區(qū)域。并且電路工作在最大增益點(diǎn)和（1，1）點(diǎn)之間的曲線上， 這段曲線增益越小， 越接近諧振點(diǎn)。故僅能將滿載工作點(diǎn)設(shè)計在直流增益高，即fs

在圖2 所示1 區(qū)間中，fs>f1，LLC 工作在諧振電流連續(xù)模式，初級開關(guān)管可實現(xiàn)ZVS 開通，次級整流管不能實現(xiàn)ZCS 關(guān)斷，會有反向恢復(fù)過程，但在輸出電流小的情況下影響不大。這一區(qū)間增益曲線斜率較大，直流增益可調(diào)的范圍廣，可滿足恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計的要求。

2.3 恒流寬電壓范圍輸出設(shè)計

半橋LLC 的直流增益為：

式中：n 為實際變壓器繞組匝比；Uin，Uo分別為輸入、輸出電壓。

可見，為得到最佳設(shè)計點(diǎn)（即諧振點(diǎn)），僅需取期望的變壓器繞組匝比Nnor=Uin /（2Uo）。

由圖2 可見，曲線增益越小，斜率越大。若滿載的工作點(diǎn)設(shè)計在諧振點(diǎn)，輸出電壓降至一半（即Gdc 降至0.5）時的工作頻率將達(dá)到2 倍諧振頻率以上， 工作頻率范圍很廣。為使工作頻率范圍變窄，可選擇增益曲線斜率大的一段，即Gdc<1.由式（3）及Nnor 計算式可知，若n

圖3 恒流LLC 的工作點(diǎn)

圖3 中，虛線為Uo 在200~100 V 變化時對應(yīng)的Gdc， 實線為Uo 為200~100 V 時等效負(fù)載的增益曲線，Uo 相同時對應(yīng)的實線和虛線的交點(diǎn)即為電路實際的工作點(diǎn)。在此設(shè)計中，Uo 從200~100 V變化時，工作頻率的范圍為1.22f1~2.11f1.

3 參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1 f1 選擇

考慮到磁元件的設(shè)計， 電路滿載時的工作頻率設(shè)計在100 kHz 左右較為理想。為保證半載工作效率，半載頻率不能太高。所以應(yīng)當(dāng)選擇增益曲線中斜率較大的一段，即Gdc<1.電路實際的工作頻率始終大于f1，所以應(yīng)選f1<100 kHz，設(shè)計在60~70 kHz 較為合理。

3.2 諧振參數(shù)Cr ， Lr

當(dāng)f1 一定時，Cr 越小，Lr 越大，Q 越大，增益曲線的斜率越大，故減小Cr 可使半載的工作頻率顯著降低。從提高半載效率的角度考慮，Cr 越小越好，但Cr 越小，其兩端的電壓峰值則越大，要降低Cr 的電壓應(yīng)力，Cr 應(yīng)取越大越好。設(shè)計中應(yīng)該折中考慮。Cr 確定后，根據(jù)f1 可計算出Lr 為：

3.3 n ， Lm 的選擇

為使開關(guān)頻率的范圍縮窄， 實際變壓器繞組匝比應(yīng)小于期望的變壓器繞組匝比，n

從減小開關(guān)管導(dǎo)通損耗的角度考慮， 變壓器Lm 的值越大，初級電流有效值越小，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗也越小，故希望Lm 越大越好。但Lr 一定時，Lm 越大則m 越大，增益曲線的斜率變小。為保證所需的Uo 使變換器的工作頻率范圍變寬，會影響Uo 降到一半時的效率。所以，在保證一定的開關(guān)頻率范圍的前提下，Lm 越大越好。

上述所有參數(shù)的設(shè)計需要綜合考慮多方面因素，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行合理的取舍，針對具體應(yīng)用場合找到最佳設(shè)計參數(shù)。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)上述理論分析，設(shè)計了一臺恒流寬范圍輸出LLC 變換器樣機(jī)，并進(jìn)行了效率優(yōu)化。指標(biāo)要求為：Uin=400 V，輸出電流Io=0.7 A，Uo=200~100 V.

主開關(guān)管選用FDP12N50， 次級整流二極管選用SF1005G.Nnor 需按輸出電壓最大值設(shè)計：Nnor=Uin /（2Uomax）=1.

實際變壓器初次級匝比n

圖4 開關(guān)管ug，uds 及iLr 波形

測得樣機(jī)的效率曲線如圖5 所示?？梢姡琭s 變化范圍選擇在80~150 kHz，f1 選在60 kHz 較為合理。樣機(jī)效率較高，整機(jī)效率達(dá)到95.5%~97.2%.

圖5 半橋LLC 的效率曲線

5 結(jié)論

介紹了恒流寬范圍輸出LLC 諧振變流器的設(shè)計方法，指出其與傳統(tǒng)恒壓LLC 設(shè)計上的不同考慮，分析了各設(shè)計參數(shù)的影響。對于寬范圍輸出的LLC，工作區(qū)間應(yīng)設(shè)計在開關(guān)頻率高于諧振頻率，直流增益小于1 的區(qū)域。實驗證明，在整個負(fù)載變化范圍內(nèi)效率均高于95.5%.該設(shè)計方法較適合于小電流輸出場合，樣機(jī)輸出電流為0.7 A.若是大電流輸出，工作在連續(xù)狀態(tài)下的LLC 開關(guān)管導(dǎo)通損耗、二極管關(guān)斷損耗影響明顯，效率會下降。
來源；電子工程網(wǎng)