亢瑋冬，裴東興*，沈大偉

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

多路均流輸出LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)與仿真*

亢瑋冬1，2，裴東興1，2*，沈大偉1，2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

由于LED自身的特殊光電特性，所以無(wú)法直接使用交流市電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，需要專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了給LED提供一個(gè)性能優(yōu)良，均流效果好的多路輸出驅(qū)動(dòng)電源，詳細(xì)介紹了半橋LLC諧振變換器的工作過(guò)程、電容無(wú)源均流的電路結(jié)構(gòu)與原理，以及電路中各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為38 W的基于LLC諧振變換器的兩路輸出LED均流樣機(jī)，并且用Saber仿真軟件搭建模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析。

諧振變換器；均流；仿真；驅(qū)動(dòng)電源

近年來(lái)，能耗與供給的矛盾已經(jīng)開(kāi)始嚴(yán)重制約我們國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了秉持可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀，降低能耗已經(jīng)迫在眉睫［1］。由于LED具有很長(zhǎng)的工作壽命，較高的亮度，而且環(huán)保，能夠很好的節(jié)能已經(jīng)在逐漸被人們認(rèn)可。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，對(duì)LED要求越來(lái)越高。一些大功率LED照明的領(lǐng)域，需要多顆LED串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)組合。在這種情況下如果各路LED的電流存在差異，將會(huì)使多路LED間的發(fā)光不均勻，甚至還有可能產(chǎn)生過(guò)流，損壞LED，因此LED要能夠?qū)崿F(xiàn)多路均流輸出［2］。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和工作原理

總體設(shè)計(jì)采用的是以半橋LLC諧振電路為主電路，主電路主要包括方波發(fā)生，諧振網(wǎng)絡(luò)，均流網(wǎng)絡(luò)3部分。其中諧振網(wǎng)絡(luò)的勵(lì)磁電感由變壓器的原邊構(gòu)成。變壓器的次邊則由平衡電容和整流輸出回路組成，采用的是對(duì)稱(chēng)的全波整流結(jié)構(gòu)。平衡電容來(lái)均衡兩路LED電流，同時(shí)還能夠折算回變壓器的原邊來(lái)參與諧振。系統(tǒng)的控制電路采用L6599芯片控制，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，并設(shè)置了一個(gè)固定的死區(qū)時(shí)間來(lái)保證軟開(kāi)關(guān)的正確進(jìn)行。采樣電路采用電流采樣電路，對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，經(jīng)由LM358和 TL431構(gòu)成恒流控制電路［3］。其中有TL431產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓經(jīng)由分壓電路進(jìn)行分壓，然后將產(chǎn)生的分壓信號(hào)作為電流環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)電流采樣信號(hào)超過(guò)了基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，光耦PC817會(huì)將電流信號(hào)耦合到原邊控制電路來(lái)控制PWM信號(hào)，從而保持恒流。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

半橋LLC諧振變換器能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）或零電流開(kāi)關(guān)（ZCS），使開(kāi)關(guān)管的損耗得以降低，減小了體積和重量。它的性?xún)r(jià)比很高，效率也很高，是制作大功率LED驅(qū)動(dòng)電源的最佳選擇［4］。

LLC諧振均流電路的主電路拓?fù)淙鐖D2所示，LLC諧振變換器包括方波產(chǎn)生電路、諧振網(wǎng)絡(luò)和和均流整流網(wǎng)絡(luò)［5］。其中半橋逆變網(wǎng)絡(luò)由開(kāi)關(guān)管Q1、Q2構(gòu)成，Q1、Q2占空比為50%，存在一定的死區(qū)時(shí)間。諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電容Cr，諧振電感Lr以及變壓器的原邊電感Lm組成。拓?fù)渲械淖儔浩鳛槔硐胱儔浩鳌４芜呌衅胶怆娙軨b，整流二極管D1～D4構(gòu)成兩路整流輸出，采用的是對(duì)稱(chēng)的全波整流結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩路均流輸出［6］。其中半橋LLC諧振有兩個(gè)諧振頻率，分別為：

圖2　LLC諧振均流電路的主電路

2　半橋LLC諧振電路的波形分析

在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，LLC有8個(gè)工作階段。波形如圖3所示。

圖3　半橋LLC諧振變換器波形

波形分析如下：

階段1（t0～t1）在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q1和Q2都處于關(guān)斷的狀態(tài)。諧振電流流過(guò)開(kāi)關(guān)管Q1的寄生二極管，實(shí)現(xiàn)了Q1的ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）開(kāi)通。諧振電流此時(shí)處于負(fù)半周，并且在以正弦波的方式在減小。在t1時(shí)刻之前，流過(guò)Q1的電流已經(jīng)下降至零，此時(shí)電流iLr大于電流iLm，次邊的感應(yīng)電壓經(jīng)由D1、D2和Cb向負(fù)載供電，此階段Cb放電。t1時(shí)刻時(shí)，iLr變?yōu)檎?，Q1的寄生二極管關(guān)斷。

階段2（t1～t2）t=t1時(shí)刻，Q1正向?qū)ǎ娏髁鬟^(guò)由負(fù)變正，iLm將線性增大。由于開(kāi)關(guān)周期大于諧振周期，將出現(xiàn)iLr與iLm相等，導(dǎo)致原邊次邊電流為零，iLm達(dá)到最大值。

階段3（t2～t3）t=t2時(shí)，D1、D3截止，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，此時(shí)iLm達(dá)到最大值。變壓器將在原邊形成一個(gè)串聯(lián)諧振回路；變壓器次邊Cb放電通過(guò)D2、D4給LED2供電，與此同時(shí)C4放電，維持LED1工作。到t3時(shí)刻，Q1關(guān)斷，此時(shí)橋臂中點(diǎn)的輸出電壓與電源電壓相等。

階段4（t3～t4）t3時(shí)刻，Q1、Q2關(guān)斷，進(jìn)入死區(qū)，Lr放電，Cr繼續(xù)充電。此時(shí)iLr下降速度比iLm快，兩者之間的電流差值為流過(guò)變壓器原邊的電流值。到了t4時(shí)刻，Cb放電已經(jīng)結(jié)束，兩端二極管導(dǎo)通，Q2實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

下半周期同上半周期相比電路工作過(guò)程相似，只是相應(yīng)的電流方向相反，下半周期工作的波形與上半周期完全對(duì)稱(chēng)［7］。

通過(guò)上面的分析可以知道，當(dāng) fm＜f＜fs時(shí)，主開(kāi)關(guān)管Q1和Q2在零電壓開(kāi)通條件下工作，輸出的整流二極管D1～D4在零電流關(guān)斷條件下工作，這就說(shuō)明了半橋LLC諧振電路能夠很好地實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)控制，這樣就使得變換電路的效率大大提高。

跟普通的LLC諧振電路相比，本電路次邊多了一個(gè)平衡電容，根據(jù)上述工作原理的分析，可以了解到平衡電容讓變壓器次邊的整流二極管的換流更容易實(shí)現(xiàn)，縮短了二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，減小了關(guān)斷損耗；并且諧振電路中的能量傳遞到次邊后，要減去平衡電容中儲(chǔ)存的能量，抑制了電路效率的提高。

3　LLC的參數(shù)設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖如圖4所示。

圖4　參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖

（1）變壓器的變比N：

（2）確定品質(zhì)因數(shù)Q：

實(shí)現(xiàn)ZVS的條件之一是發(fā)生在最小輸入電壓及最大增益時(shí)，此時(shí)

實(shí)現(xiàn)ZVS另一個(gè)條件是發(fā)生在最大輸入電壓及空載時(shí)，可以得到最大歸一化頻率為

由下式可得QZVS2的取值：

由下式取合適的品質(zhì)因數(shù)，并且留有一定的裕量

（3）諧振電容Cr：

（4）諧振電感Lr：

（5）勵(lì)磁電感Lm：

通過(guò)計(jì)算出這些參數(shù)的值，便可以進(jìn)行LLC諧振變換器主電路設(shè)計(jì)，通過(guò)這些值我們可以得到勵(lì)磁電流峰值是大于td時(shí)刻的諧振電流的，所以滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)管零電壓導(dǎo)通的條件［8］。

4　電路仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1電路仿真

按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一款38 W的兩路均流LED驅(qū)動(dòng)電源，采用了LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，額定輸入電壓為350 V。通過(guò)Saber軟件進(jìn)行仿真，但由于軟件中沒(méi)有L6599芯片，所以本次仿真只能進(jìn)行開(kāi)環(huán)仿真。根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)中的取值：變比為3.14，諧振頻率 fr=100 kHz，諧振電容Cr= 15.8nF，諧振電感Lr=160μH，勵(lì)磁電感Lm=800 μH，均流電容Cb=100nF。

仿真所得波形如圖5～圖7所示。

圖5　諧振電感電流iLr和勵(lì)磁電感電流iLm

圖6　橋臂中點(diǎn)輸出電壓Vn和驅(qū)動(dòng)電壓Vp

圖7　諧振電容電壓Vcr

如圖5為諧振電感電流iLr和勵(lì)磁電感電流iLm的波形（其中實(shí)線為諧振電感電流，虛線為勵(lì)磁電感電流），從圖中可以看到由于諧振電感，勵(lì)磁電感和諧振電容在此階段共同產(chǎn)生諧振，此時(shí)變壓器副邊電流基本為零，導(dǎo)致iLr有些時(shí)間幾乎趨于不變。從圖6的波形圖（其中虛線為驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)線為橋臂中點(diǎn)輸出電壓）可以清楚地看到電路有軟開(kāi)關(guān)。從圖7可以看出由于參數(shù)的選擇，使得電路并沒(méi)有完全諧振，所以波形有些誤差。分析這些波形可以知道電路是工作在感性區(qū)域內(nèi)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通以及次級(jí)二極管的零電流關(guān)斷從而能避免反向恢復(fù)。而且通過(guò)計(jì)算出的兩路負(fù)載電阻、輸出電壓、輸出電流及電流誤差。我們發(fā)現(xiàn)誤差沒(méi)超過(guò)5%，因此有較好的均流效果。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)輸入為250 V交流時(shí)兩路負(fù)載輸出的電流波形，其中兩路阻值均為170Ω。圖形如圖8和圖9所示。

圖8　第1路LED電流波形

圖9　第2路LED電流波形

因此，可見(jiàn)在兩路負(fù)載相等的情況下基本能夠?qū)崿F(xiàn)均流。

當(dāng)輸入為250 V交流時(shí)兩路LED負(fù)載電流波形，其中第1路的阻值為170Ω，第2路的阻值為120Ω。圖形如圖10和圖11所示。

圖10　第1路LED電流波形

圖11　第2路LED電流波形

因此可以看出：兩路電流基本一致，因此在兩路負(fù)載不相等的情況下也可以實(shí)現(xiàn)均流。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析半橋LLC諧振變換器的工作過(guò)程、電容無(wú)源均流的電路結(jié)構(gòu)與原理，以及電路中各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程［9］。設(shè)計(jì)了一款38 W功率的兩路輸出LED均流樣機(jī)。利用Saber電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，并分析所得的波形，仿真結(jié)果表明LLC變換器的開(kāi)關(guān)管能在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，并且能夠?qū)崿F(xiàn)兩路均流輸出，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可行性。

［1］陳為，王小博.一種具多路LED自動(dòng)均流功能的反激式磁集成變換器［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，30：30-36+7.

［2］羅全明，鄒燦，支樹(shù)播，等.基于無(wú)源諧振恒流網(wǎng)絡(luò)的多路輸出LED驅(qū)動(dòng)電源［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（18）：73-79.

［3］李磊.LED照明電源的研究與設(shè)計(jì)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013.

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［9］蔣婷.多路輸出LED驅(qū)動(dòng)器混合均流技術(shù)研究［D］.浙江：浙江大學(xué)，2014.

亢瑋冬（1991-），男，中北大學(xué)在讀研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軇?dòng)態(tài)測(cè)控，274892170@qq.com；

裴東興（1970-），男，山西襄汾，漢族，現(xiàn)為中北大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)閻毫迎h(huán)境下動(dòng)態(tài)信息的獲取及校準(zhǔn)技術(shù)，peidongxing@nuc.edu.cn；

沈大偉（1979-），男，山西太原，講師，漢族，中北大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)控與智能儀器設(shè)計(jì)，bensdw@sina.com。

Design and Simulation of a Multi-Current-Sharing Output LLC Resonant Converter*

KANG Weidong1，2，PEI Dongxing1，2*，SHEN Dawei1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Due to the special photoelectric properties itself，LED cannot be directly driven by commercial power，thus special power supply is in need.In order to provide LED a multi-output drive power with good performance and current-sharing effect，the working process of half bridge LLC resonant converter is introduced，the principle and circuit structure of capacitive passive current sharing，and the process during designing parameters in the circuit，then a 38 W power dual-output LED current-sharing prototype is designed based on LLC resonant converter.By using Saber simulation software，the model of the prototype is built，and its experimental test and analysis are performed finally.

resonant converter；current sharing；simulation；driving power

TP206.1

A

1005-9490（2016）05-1199-05

2015-09-19修改日期：2015-12-05

EEACC:1290B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.035