王磊

（韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣東潮州 521041）

一種改進(jìn)的基于PWM調(diào)光的直流LLC半橋諧振LED驅(qū)動(dòng)器

王磊

（韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣東潮州 521041）

以直流LLC半橋諧振LED驅(qū)動(dòng)器為研究對(duì)象，提出了一種基于PWM調(diào)光的改進(jìn)控制方案，此LLC變換器的主電路參數(shù)設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)頻率調(diào)制控制更容易在一個(gè)較窄的理想頻段實(shí)現(xiàn)，變換器的特性在較寬的負(fù)載范圍都能夠達(dá)成較好的軟開(kāi)關(guān)特性.通過(guò)改進(jìn)控制方案的電路實(shí)施，然后用仿真較好地驗(yàn)證了基于新的控制策略的LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案.

LLC半橋；諧振變換器；LED驅(qū)動(dòng)；PWM調(diào)光

隨著對(duì)產(chǎn)品小型化的要求，開(kāi)關(guān)電源的工作頻率必須進(jìn)行提升，因此帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題唯有采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)解決.在開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到1 MHz左右時(shí)，曾經(jīng)被遺忘的諧振電路表現(xiàn)出了很好的性能.其中LLC半橋諧振開(kāi)關(guān)變換器以其主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)相對(duì)方便，能實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)的零電壓（ZVS）開(kāi)通，副邊整流管的零電流（ZCS）關(guān)斷的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，具有電磁干擾小、效率較高等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[1-4].

LLC諧振變換器屬于串并聯(lián)諧振變換器中的一種，其原型是半橋變換器，由于諧振發(fā)生在兩個(gè)電感一個(gè)電容之間而得名，采用副邊及雙二極管同時(shí)續(xù)流.為了達(dá)成副邊整流管的ZCS，LLC變換器輸出不能接有儲(chǔ)能濾波電感[5-6].常規(guī)LLC變換器采用脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制，在重載時(shí)開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較低，輕載時(shí)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)到重載的4～5倍，令濾除電磁干擾的濾波器難以設(shè)計(jì).而且由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)是固定占空比0.5的互補(bǔ)信號(hào)，為避免出現(xiàn)直通故障，通常會(huì)設(shè)定固定時(shí)間的死區(qū)，這個(gè)死區(qū)在輕載時(shí)造成真實(shí)占空比的減小，令軟開(kāi)關(guān)難以實(shí)現(xiàn).

本文首先對(duì)LLC諧振半橋變換器的運(yùn)行原理進(jìn)行了分析，基于LED驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，提出了一種基于PWM調(diào)光的改進(jìn)控制方案，此LLC變換器的主電路參數(shù)設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)頻率調(diào)制控制更容易在一個(gè)較窄的理想頻段實(shí)現(xiàn)，變換器的特性在較寬的負(fù)載范圍都能夠達(dá)成較好的軟開(kāi)關(guān)特性.文中提出了改進(jìn)控制方案的電路實(shí)施，然后用仿真較好地驗(yàn)證了基于新的控制策略的LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案.

1 LLC諧振半橋的工作原理

LLC諧振半橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（a），其中開(kāi)關(guān)管Q1和Q2互補(bǔ)導(dǎo)通，且它們的占空比在除去死區(qū)后都很接近0.5，電路采用PFM控制，能實(shí)現(xiàn)Q1和Q2的零電壓ZVS（Zero Voltage Switching）開(kāi)通，以及副邊整流管的零電流ZCS（Zero Current Switching）關(guān)斷.變換器軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，有效地降低了開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾.而且不同于一般軟開(kāi)關(guān)電路，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件少、設(shè)計(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)，特別適合中小功率的應(yīng)用.

圖1 LLC諧振半橋的電路圖及諧振波形圖

LLC諧振變換器電路有兩個(gè)諧振頻率，分別為諧振電感Lr和電容Cr的串聯(lián)諧振頻率fr，及Lr與變壓器原邊磁化電感Lm和Cr的串并聯(lián)諧振頻率fp.

圖1（b）給出了LLC諧振變換器的關(guān)鍵波形.LLC變換器穩(wěn)態(tài)的工作原理為：

1）〔t0，t1〕當(dāng)t=t0時(shí)，Q2關(guān)斷，進(jìn)入第一段死區(qū)時(shí)間，原邊諧振電流為負(fù)，因此它開(kāi)始給Q1的寄生電容放電，一直到Q1兩端電壓為零.然后Q1的體二極管導(dǎo)通，諧振電流開(kāi)始對(duì)輸入充電，負(fù)向減?。煌瑫r(shí)變壓器原邊承受正壓，副邊的整流管D1導(dǎo)通，Lm上的電壓被輸出電壓Vo鉗位于nVo，因此，只有Lr和Cr參與諧振.

2）〔t1,t2〕當(dāng)t=t1時(shí)，Q1在零電壓的條件下導(dǎo)通，變壓器原邊仍被鉗位于nVo，Lm在此電壓下線性充電；D1繼續(xù)導(dǎo)通，Q2及D2截止.此時(shí)Cr和Lr參與諧振，而Lm不參與諧振.當(dāng)諧振電流與Lm電流相等時(shí)，此階段結(jié)束.

3）〔t2,t3〕當(dāng)t=t2時(shí)，Q1仍然導(dǎo)通，而D1與D2處于關(guān)斷狀態(tài)，T1副邊與電路脫離，此時(shí)Lm、Lr和Cr一起參與諧振.因?yàn)閷?shí)際Lm＞＞Lr，這個(gè)階段可以近似認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變.

4）〔t3,t4〕當(dāng)t=t3時(shí)，Q1關(guān)斷，進(jìn)入第二段死區(qū)時(shí)間，諧振電流給Q2的寄生電容放電，一直到Q2上的電壓為零，然后Q2的體二極管導(dǎo)通；此時(shí)副邊D2導(dǎo)通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位于-nVo，因此，只有Lr和Cr參與諧振.

5）〔t4,t5〕當(dāng)t=t4時(shí)，Q2在零電壓的條件下導(dǎo)通，T1原邊承受反向電壓-nVo；D2繼續(xù)導(dǎo)通，而Q1和D1截止.此時(shí)僅Cr和Lr參與諧振，Lm上的電壓被輸出電壓箝位，而不參與諧振.

6）〔t5,t6〕當(dāng)t=t5時(shí)，Q2仍然導(dǎo)通，而D1和D2處于關(guān)斷狀態(tài)，T1副邊與電路脫開(kāi)，此時(shí)Lm、Lr和Cr一起參與諧振.實(shí)際電路中Lm＞＞Lr，因此，在這個(gè)階段可以認(rèn)為激磁電流和諧振電流都保持不變.

2 LLC諧振半橋的分析

對(duì)LLC諧振半橋的分析通常采用“基波分析”[3-4]方法，這種分析法主要基于變換器電壓電流傅里葉級(jí)數(shù)的基波分量，忽略諧波分量來(lái)分析輸入輸出的關(guān)系，這樣可以將諧振電路模型極大簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)化成交流電路來(lái)分析.圖2所示的是降壓型LLC諧振開(kāi)關(guān)變換器的交流等效電路.

圖2 LLC變換器交流等效電路

其中Rac是圖1所示的降壓型LLC諧振開(kāi)關(guān)變換器中LED負(fù)載等效電阻RLd折算到變壓器原邊側(cè)的交流等效阻抗，可表示為

變換器的串聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)Q為

網(wǎng)絡(luò)的輸入/輸出傳遞函數(shù)為

從（4）式可以看出，所要設(shè)計(jì)的諧振元件Lr、Cr和Lm三元件參數(shù)就包含在LLC諧振變換器的直流增益中，可以依據(jù)它進(jìn)行變換器的設(shè)計(jì).

3 LLC諧振半橋的設(shè)計(jì)

LLC諧振開(kāi)關(guān)變換器諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)流程可分為5步：

3.1 最大開(kāi)關(guān)頻率的確定

根據(jù)LLC諧振變換器的工作原理及所設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率范圍可知，最大的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)對(duì)應(yīng)于諧振電感Lr和諧振電容Cr發(fā)生諧振時(shí)，所以有

3.2 變壓器原副邊匝比n的確定

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs工作在fp和fr之間時(shí)，最高輸入電壓Vmax對(duì)應(yīng)最大頻率點(diǎn)，且直流增益最小點(diǎn)為諧振頻率點(diǎn)fr處，即x=1處，此時(shí)直流增益為1/(2n)，所以有

3.3 激磁電感與諧振電感比值k的確定

隨著k值的增大，變換器的直流增益曲線的幅值變小，并且直流增益曲線向左側(cè)移動(dòng)，變換器的工作頻率變化范圍變大[1].在工程上，一般k值取在2～8之間，本文由于不采用磁集成，并且由于環(huán)路控制不擔(dān)心高頻端的問(wèn)題，k值可以偏大些，取為4.

3.4 串聯(lián)品質(zhì)因數(shù)值的確定

Q值的選取原則為在滿足最低輸入電壓且滿載的直流增益時(shí)，選取盡可能大的Q值.Q值取為0.5.

3.5 最終確定諧振元件的參數(shù).

通過(guò)以上的分析，對(duì)fmax、k、Q的選取后，聯(lián)立式（3）、（5），可以得到關(guān)于LLC變換器諧振元件Lr、Lm和Cr的三個(gè)參數(shù)方程，可求解出三個(gè)參數(shù)值.LLC變換器的電路參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 LLC變換器的電路參數(shù)

設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用磁集成的思路，因?yàn)檫@樣變壓器的漏感較大，造成變壓器實(shí)際變比和理想變比的偏差，以及引起副邊漏感的問(wèn)題.本文用一個(gè)獨(dú)立的小電感實(shí)現(xiàn)Lr.

4 改進(jìn)控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

LLC變換器的改進(jìn)控制線路見(jiàn)圖3.由于LED的特性，需要對(duì)LED進(jìn)行電流的采樣和控制.LED負(fù)載的調(diào)節(jié)，通過(guò)改變其電流基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn).按照LLC變換器的增益特性，在頻率越高的時(shí)候增益變小，因此通常設(shè)定輕載的開(kāi)關(guān)頻率較高.為此電流基準(zhǔn)接入運(yùn)放負(fù)端，電流采樣接入正端，當(dāng)基準(zhǔn)被調(diào)小，導(dǎo)致差值升高，這個(gè)差值會(huì)被按比例轉(zhuǎn)換為高頻率.

圖3 LLC變換器改進(jìn)控制電路

當(dāng)負(fù)載達(dá)到額定負(fù)載的1/4時(shí)，此時(shí)檢測(cè)到電流基準(zhǔn)足夠小，由比較器將系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)入雙頻工作模式.當(dāng)負(fù)載繼續(xù)降低，開(kāi)關(guān)頻率改為由Iref決定，不再改變，而是通過(guò)改變?cè)诘皖l工作的占空時(shí)間比例達(dá)到平均輸出降低的效果，這時(shí)LED負(fù)載其實(shí)是由低頻脈沖電流驅(qū)動(dòng)的.

為了防止負(fù)載特殊情況下在兩種控制臨界區(qū)域的跳變?cè)斐森h(huán)路振蕩，必須在比較器設(shè)定一個(gè)滯回區(qū)域，滯回區(qū)域的寬度應(yīng)與輸出電流的紋波可比.需要說(shuō)明的是，由于LED特性，當(dāng)?shù)皖l工作頻率不小于200 Hz時(shí)，LED燈的發(fā)光不會(huì)引起頻閃，和恒定平均電流驅(qū)動(dòng)下的LED達(dá)成同樣的照明效果.

5 LLC諧振半橋的仿真驗(yàn)證

輸入電壓為230V～300 VDC，輸出為30 V/1A.用表1同樣的參數(shù)，采用PSIM軟件對(duì)LLC諧振半橋變換器進(jìn)行了仿真，得到圖4的波形.其中圖4（a）是LLC諧振半橋的ZVS波形，可以看到在Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgq1變高之前，由于Q1體二極管的導(dǎo)通（此時(shí)Iq1為負(fù)），Vq1已變?yōu)榱悖虼薗1實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通.圖4（b）是輕載時(shí)LLC變換器切換到高頻脈沖電流輸出的波形，可見(jiàn)輸出端二極管電流變?yōu)殚g斷的高頻脈沖電流，經(jīng)過(guò)輸出電容的濾波，最終驅(qū)動(dòng)LED的電流脈動(dòng)相對(duì)比較小.

圖4 LLC諧振半橋的ZVS及高頻脈沖輸出的波形

6 結(jié)論

本文提出了一種基于PWM調(diào)光的改進(jìn)控制方案，LLC變換器的主電路參數(shù)設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)頻率調(diào)制控制更容易在一個(gè)較窄的理想頻段實(shí)現(xiàn)，變換器的特性在較寬的負(fù)載范圍都能夠達(dá)成較好的軟開(kāi)關(guān)特性.本文的結(jié)果對(duì)LLC半橋LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)有一定的實(shí)用價(jià)值.

[1]李大偉.LLC諧振開(kāi)關(guān)變換器的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[2]陳威，呂征宇.第四類LLC諧振變流器模塊功能準(zhǔn)同構(gòu)拓?fù)涮角蠹白冃窝芯縖J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009（9）：35-42.

[3]余昌斌.LLC諧振半橋dc-Dc變換器的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[4]朱立泓.LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[5]XINKE W,CHEN H,JUNMING Z,et al.Analysis and Design Considerations of LLCC Resonant Multi-output DC/DC LED Driver With Charge Balancing and Exchanging of Secondary Series Resonant Capacitors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(2):780-789.

[6]HAORAN W,SHU J,FRED C L,et al.Multi-channel constant current(MC3)LLC resonant LED driver[C].Phoenix IEEE ECCE,2011:2568-2575.

A Novel DC LLC Resonant Half-Bridge LED Driver Based on PWM Dimming

WANG Lei
（College of Physics and Electronic Engineering,Hanshan Normal University,Chaozhou,Guangdong,521041）

This paper presents an improved control scheme based on PWM dimming for DC LLC resonant half-bridge LED driver.As a result,the main circuit parameter design of the LLC converter becomes easier than the traditional in a narrow ideal frequency band.The soft switching characteristics can be achieved in a wide range of load.A circuit implementation of the improved control scheme is provided,and the overall design of the LED driver is verified by the simulation result.

LLC half-bridge;resonant converter;LED driver;PWM dimming

TM 463

：A

：1007-6883（2016）06-0024-05

責(zé)任編輯 朱本華

2016-10-09

王磊（1978-），男，湖南婁底人，韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院講師，華南理工大學(xué)在讀博士生.