新型次级谐振单级PFC LED驱动电源

杨岳毅，曾怡达，李　郎，何　林

(1.郑州铁路职业技术学院，郑州450052; 2.西南交通大学电气工程学院，成都610031)

由图2可知，谐振电容Cr电压在一个稳态开关周期内变化量为2ΔVCr。根据谐振电容Cr电荷平衡原理，可得ΔVCr为:

式中:D2T为一个开关周期内次级电流衰减到0的时间。结合式(6)与式(7)可知，谐振电容电压平均值VCr=Vo－Vin/n，因此可得次级电流为:



新型次级谐振单级PFC LED驱动电源

杨岳毅1*，曾怡达2，李郎2，何林2

(1.郑州铁路职业技术学院，郑州450052; 2.西南交通大学电气工程学院，成都610031)

摘要:通过在传统单级反激PFC(Power Factor Correction)变换器的二次侧加入由电容和二极管组成的谐振单元，实现对变压器次级漏感能量的再利用，提高变换器效率，而且有效解决了传统单级反激变换器开关管、输出二极管电压应力较大的问题。本文分析了新型次级谐振单级反激PFC变换器工作于电感电流断续模式DCM(Discontinuous Current Mode)时的工作模态及其稳态工作特性，与传统型单级反激PFC变换器进行对比分析，并将该变换器应用于LED驱动电路。最后，通过实验验证了理论分析的正确性。

关键词:LED驱动功率因数;校正断续导电模式;次级漏感谐振

小功率LED驱动电路出于多路输出和安全角度考虑常采用单级反激PFC变换器［1－5］。但传统的单级反激PFC变换器由于变压器漏感严重影响了电路的工作效率，同时造成变换器开关管和输出二极管的电压应力过大［6］。为了解决存在的问题，本文在传统单级反激PFC变换器的二次侧加入一个谐振电容和一个快恢复二极管构成的新型次级谐振单级反激PFC变换器。分析结果表明该驱动电路不仅提高了变换器的工作效率，而且有效解决了传统单级PFC变换器开关管、输出二极管电压应力较大的问题，并且也可以实现开关管的软导通和二极管的零电流关断。

1　工作原理分析

新型次级漏感单级反激PFC变换器如图1所示，由一个二极管整流桥，一个输入电容Cin，一个变压器T，一个开关管S，一个谐振支路Cr和二极管Do1，一个输出二极管Do2和一个输出电容Co组成。

1.1输入电压正半周时工作模态分析

新型次级谐振单级反激PFC变换器的工作模态与传统单级反激PFC变换器相似，输入电压正半周工作模态与负半周时相同。为了简化分析，作出假设:(1)输出电容Co足够大，输出电压保持不变; (2)变压器漏电感很小，谐振电容Cr远小于输出储能电容Co; (3)不考虑开关器件寄生参数的影响。

图1　新型次级谐振单级反激PFC变换器

输入电压正半周时，工作于DCM模式下的次级谐振反激PFC变换器存在4个工作模态，其主要工作波形如图2所示。

图2　正输入电压时变换器工作模态的主要波形

模态1［t0～t1］:t0时刻，开关管S导通，励磁电感Lm两端电压等于输入电压－Vin，励磁电感电流iLm线性下降;次级漏感Llk与谐振电容Cr发生谐振，二极管Do1关断，二极管Do2导通;电容Co向负载放电。在t0～t1期间，励磁电感电流iLm与次级电流is耦合到初级的电流叠加构成初级电流ip;谐振电容电压，初、次级电流与励磁电流分别为:

模态2［t1～t2］:t1时刻，次级电流is谐振到零，次级电流is谐振到0，次级谐振支路停止谐振，谐振电容电压VCr保持为Vo－Vin/n－ΔVCr，二极管Do2零电流关断，二极管Do1承受反向电压Vo－ΔVCr而保持关断;电容Co向负载放电以维持输出电压不变。在t1～t2期间，开关管S仍导通，励磁电流iLm继续线性下降。在t0～t1期间，初级电流ip等于励磁电流iLm。为了在模态2期间实现二极管Do1的零电流关断，开关管需要在谐振支路发生谐振的半个周期后关断，即需满足式(5):

式中:D1T为开关管的在一个稳态开关周期内的导通时间。

模态3［t2～t3］:t2时刻，开关管S关断，二极管Do1为次级电流is提供续流通路而导通，二极管Do2承受反向输出电压Vo而保持关断;由于变压器次级漏感Llr远小于初级励磁电感Lm，谐振支路的谐振可以忽略;电容Co向负载放电以维持输出电压不变。t2～t3期间，谐振电容电压为:

由图2可知，谐振电容Cr电压在一个稳态开关周期内变化量为2ΔVCr。根据谐振电容Cr电荷平衡原理，可得ΔVCr为:

式中:D2T为一个开关周期内次级电流衰减到0的时间。
结合式(6)与式(7)可知，谐振电容电压平均值VCr=Vo－Vin/n，因此可得次级电流为:

模态4［t3～t4］:t3时刻，由于次级电流is衰减到零，谐振电容两端电压上升到Vo－Vin/n+ΔVCr;二极管Do2承受电压Vin/n－ΔVCr而关断，二极管Do1零电流关断;电容Co向负载放电以维持输出电压不变。

依据励磁电感Lm伏秒平衡原理，结合式(3)与式(8)可得:

2　新型变换器特性分析

将VCr=Vin/n代入式(9)可得在交一个稳态开关周期内，该变换器的直流稳态增益为:

依据图2可得负载电流Io为:

结合式(10)与式(11)可得:

3　实验

搭建工作于DCM模式下的新型次级谐振单级PFC LED驱动电源的实验样机［7－9］，样机参数为:输入电压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芯片和光耦隔离驱动芯片HCPL3120的单电压环控制电路来实现LED的恒流控制。

由图3可知，交流输入电压为85Vrms时变换器的输入电流与输入电压同相位，且输入电流很好的跟踪输入电压的波形，实现了功率因数校正功能。

如图4所示，两者都实现了软导通，而新型次级谐振单级PFC LED驱动电源的开关管电压应力要明显小于传统单级PFC LED驱动电源的开关管电压应力，新型LED驱动电源的开关管电压被箝位于nVo+ΔVCr与nVo－ΔVCr之间，而传统LED驱动电源开关管两端电压为初级输入电压与输出电压耦合到初级的电压值之和，即nVo+Vin。

图4　开关管电压vS与输入电流ip波形

图5　快恢复二极管电压与次级电流波形

如图5所示，新型单级PFC LED驱动电源的快恢复二极管均能够实现零电流关断，有效的消除了二极管的反向恢复损耗;且快恢复二极管承受电压最大值为Vo，明显低于传统型LED驱动电源的次级二极管电压应力。

在相同实验样机上，对新型LED驱动电源与传统型LED驱动电源的效率进行比较。由图6可知，新型次级谐振单级PFC LED驱动电源的满载效率达到91%以上，远高于传统型驱动电源的效率。

图6　满载时变换器效率曲线

4　结论

研究了一种新型次级谐振单级PFC LED驱动电源，详细分析了该变换器在DCM模式下的工作过程，并与传统型LED驱动电源进行了比较分析。分析及实验结果表明:新型LED驱动电源能够实现功率因数校正，同时提高了变换器效率，有效解决了传统反激PFC变换器开关管、输出二极管电压应力较大的问题，并且可以实现开关管的软导通和二极管的零电流关断。最后，通过实验验证了理论分析的正确性。

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［9］陈强，许建平，陈章勇.高效率无桥DCM Pseudo-Boost PFC变换器研究［J］.电力电子技术，2012，46(11):53－54.

杨岳毅(1987－)，男，汉族，河南省洛阳市人，郑州铁路职业技术学院助教，硕士研究生，研究方向为功率因数校正技术，yyy94227@163.com;

曾怡达(1973－)，男，博士生，副教授，主要研究方向为功率开关变换器，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

中图分类号:TM46

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0794－04