楊岳毅，曾怡達(dá)，李　郎，何　林

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450052; 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031)

由圖2可知，諧振電容Cr電壓在一個(gè)穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變化量為2ΔVCr。根據(jù)諧振電容Cr電荷平衡原理，可得ΔVCr為:

式中:D2T為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)次級(jí)電流衰減到0的時(shí)間。結(jié)合式(6)與式(7)可知，諧振電容電壓平均值VCr=Vo－Vin/n，因此可得次級(jí)電流為:

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新型次級(jí)諧振單級(jí)PFC LED驅(qū)動(dòng)電源

楊岳毅1*，曾怡達(dá)2，李郎2，何林2

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450052; 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031)

摘要:通過(guò)在傳統(tǒng)單級(jí)反激PFC(Power Factor Correction)變換器的二次側(cè)加入由電容和二極管組成的諧振單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器次級(jí)漏感能量的再利用，提高變換器效率，而且有效解決了傳統(tǒng)單級(jí)反激變換器開(kāi)關(guān)管、輸出二極管電壓應(yīng)力較大的問(wèn)題。本文分析了新型次級(jí)諧振單級(jí)反激PFC變換器工作于電感電流斷續(xù)模式DCM(Discontinuous Current Mode)時(shí)的工作模態(tài)及其穩(wěn)態(tài)工作特性，與傳統(tǒng)型單級(jí)反激PFC變換器進(jìn)行對(duì)比分析，并將該變換器應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電路。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞:LED驅(qū)動(dòng)功率因數(shù);校正斷續(xù)導(dǎo)電模式;次級(jí)漏感諧振

小功率LED驅(qū)動(dòng)電路出于多路輸出和安全角度考慮常采用單級(jí)反激PFC變換器［1－5］。但傳統(tǒng)的單級(jí)反激PFC變換器由于變壓器漏感嚴(yán)重影響了電路的工作效率，同時(shí)造成變換器開(kāi)關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力過(guò)大［6］。為了解決存在的問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)單級(jí)反激PFC變換器的二次側(cè)加入一個(gè)諧振電容和一個(gè)快恢復(fù)二極管構(gòu)成的新型次級(jí)諧振單級(jí)反激PFC變換器。分析結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)電路不僅提高了變換器的工作效率，而且有效解決了傳統(tǒng)單級(jí)PFC變換器開(kāi)關(guān)管、輸出二極管電壓應(yīng)力較大的問(wèn)題，并且也可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟導(dǎo)通和二極管的零電流關(guān)斷。

1　工作原理分析

新型次級(jí)漏感單級(jí)反激PFC變換器如圖1所示，由一個(gè)二極管整流橋，一個(gè)輸入電容Cin，一個(gè)變壓器T，一個(gè)開(kāi)關(guān)管S，一個(gè)諧振支路Cr和二極管Do1，一個(gè)輸出二極管Do2和一個(gè)輸出電容Co組成。

1.1輸入電壓正半周時(shí)工作模態(tài)分析

新型次級(jí)諧振單級(jí)反激PFC變換器的工作模態(tài)與傳統(tǒng)單級(jí)反激PFC變換器相似，輸入電壓正半周工作模態(tài)與負(fù)半周時(shí)相同。為了簡(jiǎn)化分析，作出假設(shè):(1)輸出電容Co足夠大，輸出電壓保持不變; (2)變壓器漏電感很小，諧振電容Cr遠(yuǎn)小于輸出儲(chǔ)能電容Co; (3)不考慮開(kāi)關(guān)器件寄生參數(shù)的影響。

圖1　新型次級(jí)諧振單級(jí)反激PFC變換器

輸入電壓正半周時(shí)，工作于DCM模式下的次級(jí)諧振反激PFC變換器存在4個(gè)工作模態(tài)，其主要工作波形如圖2所示。

圖2　正輸入電壓時(shí)變換器工作模態(tài)的主要波形

模態(tài)1［t0～t1］:t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm兩端電壓等于輸入電壓－Vin，勵(lì)磁電感電流iLm線性下降;次級(jí)漏感Llk與諧振電容Cr發(fā)生諧振，二極管Do1關(guān)斷，二極管Do2導(dǎo)通;電容Co向負(fù)載放電。在t0～t1期間，勵(lì)磁電感電流iLm與次級(jí)電流is耦合到初級(jí)的電流疊加構(gòu)成初級(jí)電流ip;諧振電容電壓，初、次級(jí)電流與勵(lì)磁電流分別為:

模態(tài)2［t1～t2］:t1時(shí)刻，次級(jí)電流is諧振到零，次級(jí)電流is諧振到0，次級(jí)諧振支路停止諧振，諧振電容電壓VCr保持為Vo－Vin/n－ΔVCr，二極管Do2零電流關(guān)斷，二極管Do1承受反向電壓Vo－ΔVCr而保持關(guān)斷;電容Co向負(fù)載放電以維持輸出電壓不變。在t1～t2期間，開(kāi)關(guān)管S仍導(dǎo)通，勵(lì)磁電流iLm繼續(xù)線性下降。在t0～t1期間，初級(jí)電流ip等于勵(lì)磁電流iLm。為了在模態(tài)2期間實(shí)現(xiàn)二極管Do1的零電流關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管需要在諧振支路發(fā)生諧振的半個(gè)周期后關(guān)斷，即需滿足式(5):

式中:D1T為開(kāi)關(guān)管的在一個(gè)穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。

模態(tài)3［t2～t3］:t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，二極管Do1為次級(jí)電流is提供續(xù)流通路而導(dǎo)通，二極管Do2承受反向輸出電壓Vo而保持關(guān)斷;由于變壓器次級(jí)漏感Llr遠(yuǎn)小于初級(jí)勵(lì)磁電感Lm，諧振支路的諧振可以忽略;電容Co向負(fù)載放電以維持輸出電壓不變。t2～t3期間，諧振電容電壓為:

由圖2可知，諧振電容Cr電壓在一個(gè)穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變化量為2ΔVCr。根據(jù)諧振電容Cr電荷平衡原理，可得ΔVCr為:

式中:D2T為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)次級(jí)電流衰減到0的時(shí)間。
結(jié)合式(6)與式(7)可知，諧振電容電壓平均值VCr=Vo－Vin/n，因此可得次級(jí)電流為:

模態(tài)4［t3～t4］:t3時(shí)刻，由于次級(jí)電流is衰減到零，諧振電容兩端電壓上升到Vo－Vin/n+ΔVCr;二極管Do2承受電壓Vin/n－ΔVCr而關(guān)斷，二極管Do1零電流關(guān)斷;電容Co向負(fù)載放電以維持輸出電壓不變。

依據(jù)勵(lì)磁電感Lm伏秒平衡原理，結(jié)合式(3)與式(8)可得:

2　新型變換器特性分析

將VCr=Vin/n代入式(9)可得在交一個(gè)穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，該變換器的直流穩(wěn)態(tài)增益為:

依據(jù)圖2可得負(fù)載電流Io為:

結(jié)合式(10)與式(11)可得:

3　實(shí)驗(yàn)

搭建工作于DCM模式下的新型次級(jí)諧振單級(jí)PFC LED驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)［7－9］，樣機(jī)參數(shù)為:輸入電壓Vin:85Vrms～135 Vrms，Po= 60 W，Io= 500 mA，f=50 kHz，Lm= 402 μH，Cin= 0.22 μF/400 V，Co= 470 μF/250 V，Lr=4.2 μH，Cr=0.66 μF。采用基于LT494芯片和光耦隔離驅(qū)動(dòng)芯片HCPL3120的單電壓環(huán)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)LED的恒流控制。

由圖3可知，交流輸入電壓為85Vrms時(shí)變換器的輸入電流與輸入電壓同相位，且輸入電流很好的跟蹤輸入電壓的波形，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能。

如圖4所示，兩者都實(shí)現(xiàn)了軟導(dǎo)通，而新型次級(jí)諧振單級(jí)PFC LED驅(qū)動(dòng)電源的開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力要明顯小于傳統(tǒng)單級(jí)PFC LED驅(qū)動(dòng)電源的開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力，新型LED驅(qū)動(dòng)電源的開(kāi)關(guān)管電壓被箝位于nVo+ΔVCr與nVo－ΔVCr之間，而傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)管兩端電壓為初級(jí)輸入電壓與輸出電壓耦合到初級(jí)的電壓值之和，即nVo+Vin。

圖4　開(kāi)關(guān)管電壓vS與輸入電流ip波形

圖5　快恢復(fù)二極管電壓與次級(jí)電流波形

如圖5所示，新型單級(jí)PFC LED驅(qū)動(dòng)電源的快恢復(fù)二極管均能夠?qū)崿F(xiàn)零電流關(guān)斷，有效的消除了二極管的反向恢復(fù)損耗;且快恢復(fù)二極管承受電壓最大值為Vo，明顯低于傳統(tǒng)型LED驅(qū)動(dòng)電源的次級(jí)二極管電壓應(yīng)力。

在相同實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上，對(duì)新型LED驅(qū)動(dòng)電源與傳統(tǒng)型LED驅(qū)動(dòng)電源的效率進(jìn)行比較。由圖6可知，新型次級(jí)諧振單級(jí)PFC LED驅(qū)動(dòng)電源的滿載效率達(dá)到91%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)型驅(qū)動(dòng)電源的效率。

圖6　滿載時(shí)變換器效率曲線

4　結(jié)論

研究了一種新型次級(jí)諧振單級(jí)PFC LED驅(qū)動(dòng)電源，詳細(xì)分析了該變換器在DCM模式下的工作過(guò)程，并與傳統(tǒng)型LED驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行了比較分析。分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:新型LED驅(qū)動(dòng)電源能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正，同時(shí)提高了變換器效率，有效解決了傳統(tǒng)反激PFC變換器開(kāi)關(guān)管、輸出二極管電壓應(yīng)力較大的問(wèn)題，并且可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟導(dǎo)通和二極管的零電流關(guān)斷。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

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楊岳毅(1987－)，男，漢族，河南省洛陽(yáng)市人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士研究生，研究方向?yàn)楣β室驍?shù)校正技術(shù)，yyy94227@163.com;

曾怡達(dá)(1973－)，男，博士生，副教授，主要研究方向?yàn)楣β书_(kāi)關(guān)變換器，yidaz@126.com。

Design and Implementation of Wireless Group Controller of Micro-Robots*

ZENG Yan*
(Si Chuan Information Technology College，Guangyuan Sichuan 628040，China)

Abstract:As wireless data transmission and multi-channel servo controller are required in the group control of microrobots，we propose a design of controller that realizes wireless group control of the 16-channel servo on the basis of STC12C5A60S2 and CC2530.In this design，independent control of the rotation angle and speed of multi-channel servo is achieved by adopting polling and incremental PWM method.In this way，it allows Ad Hoc network，wireless transmission and remote ISP to function based on Z-STACK Protocol Stack.The design is tested through experiments and it makes possible the wireless group control of several micro-robots that contain multi-channel servo.

Key words:robot controller; polling algorithm; wireless group control; remote upgrade

doi:EEACC:7210B10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.017

收稿日期:2014－09－15修改日期:2014－11－02

中圖分類號(hào):TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0794－04