《电子技术应用》

基于CUK电路无电解电容的AC-DC LED驱动电源设计

2017年电子技术应用第10期
戴文桐,牟宪民,范永升
(大连理工大学 电气工程学院,辽宁 大连116024)
摘要: 为提高LED驱动电路的使用寿命并优化其整体性能,提出了一种新型的基于CUK电路的非隔离型AC-DC电路拓扑。该拓扑通过在基本的CUK电路上增加一个MOSFET来实现。可实现高功率因数并消除电解电容。对于该结构进行了详细分析,并且使用LTspiceIV软件对其进行了开环和闭环的仿真,最后通过带载实验来证实分析的正确性。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170462
中文引用格式: 戴文桐,牟宪民,范永升. 基于CUK电路无电解电容的AC-DC LED驱动电源设计[J].电子技术应用,2017,
43(10):153-156.
英文引用格式: Dai Wentong,Mu Xianmin,Fan Yongsheng. A non-isolation electrolytic capacitor-less AC-DC LED driver based on CUK converter[J].Application of Electronic Technique,2017,43(10):153-156.

A non-isolation electrolytic capacitor-less AC-DC LED driver based on CUK converter

Dai Wentong,Mu Xianmin,Fan Yongsheng
(School of Electrical Engineering,Dalian University of technology,Dalian 116024,China)
Abstract: In order to improve the lifespan of the LED driver and optimize its overall performance,this paper presents a novel non-isolated AC-DC converter based on CUK converter. The topology is implemented by adding a MOSFET to the basic CUK converter. In this paper,the structure is analyzed in detail and the LTspiceIV software is used on the open loop and closed loop simulation. Finally,the correctness of the analysis is verified by experiment.

0 引言

    当今人类面临着严重的能源问题,而照明引起的能源损耗更是大的惊人。在此背景下,有着节能环保等诸多优点的LED在近些年发展迅速[1]。LED的使用需要性能优良的驱动电源作为支撑,常用的LED驱动电源需要大的电解电容来降低输出电流纹波,而电解电容是LED驱动电源中寿命最低的一个环节,其使用会大大降低整体的寿命,同时,也会引起功率因数的降低。

    针对此问题,不同学者提出了不同的方法来消除电解电容,但主要是基于两个思想,其一,通过优化电路拓扑的控制策略以避免电解电容的使用;其二,通过改善电路的拓扑结构来消除电解电容。基于第一种思想,文献[2-3]提出了通过向输入端注入谐波电流以达到对电路参数进行优化,从而达到消除电解电容的目的;文献[4]提出了利用PWM调光技术来改善输出电流,可避免使用电解电容;文献[5]提出了通过使用恒流调节器控制负载的功率,达到调节输出电流稳定的目的。基于第二种思想,文献[6-7]不但实现了消除电解电容的目的,同时很大程度提升了拓扑整体效率。

    本文提出一种非隔离式基于CUK电路AC-DC LED驱动电源拓扑。具有以下优点:(1)具有很高的功率因数;(2)很长的使用寿命(未使用电解电容);(3)输入输出能量平衡;(4)较小的输出电流纹波。

1 电路结构分析

    所提出的LED驱动电源拓扑如图1所示。基于分析做出以下假设:

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    (1)输入电压Vg=Vmsin(ω1t)为一个理想的正弦波,Vm为输入电压幅值,ω1=2πf,f为输入电压频率;

    (2)假设电路稳态运行时所有元件都工作在理想状态下;

    (3)MOSFET的开关频率远大于输入电压频率,故在每个开关周期内可以视输入电压为恒定值;

    (4)电感L工作在电流断续状态;

    (5)电感L0,电容C0,电阻RL可视为恒流源。

    单个开关周期内电路可分为四种工作状态,工作波形如图2所示。以下将对每个工作阶段做具体分析。

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    0-t1阶段:S1接通S2断开,电感L处于充电过程,工作电路如图3所示。

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    t1-t2阶段:S1和S2同时接通,电感L继续充电至峰值,电容C开始对负载放电,工作电路如图4所示。

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    t2-t3阶段,S1断开S2接通,二极管D接通,Vg与L同时给电容C充电,工作电路如图5所示。

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    t3-t4阶段,S1和S2同时断开,二极管D接通续流,工作电路如图6所示。

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    根据工作波形以及四种工作状态的分析可以得出输出电压为:

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    图7显示了输入功率,电容C储存能量以及输出功率等波形。输入电压以及输入电流均为正弦波形,输入功率频率为二倍输入电压频率。为了使输出功率恒定,电容C上储能波形频率应与输入功率相同,并且其幅值变化需要与输入功率相对应,这样可以使电容吸收大部分无功,使输出功率保持恒定状态,输出电流为稳定直流,负载LED便可正常工作。

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2 电路拓扑仿真

    使用LTspiceIV仿真软件对该电路进行仿真,仿真实验电路如图8所示。首先进行开环仿真,以10 Ω电阻为负载,选择不同的开关频率及占空比,单个周期内控制S1在0时刻导通,S2延后于S1导通,得到不同情况几组波形如图9所示。图中,1为输入电流,2为输出电流,3为电容C电压,4为输入电压。

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    其次进行闭环仿真,以LED为负载,对输出电流值进行采样,与设定值进行比较,根据输出电流变化控制开关管S2的开通(单个开关周期内延后于S1导通)。不同开关频率及占空比下几组仿真波形如图10所示。图中,1为输入电流,2为输出电流,3为电容C电压,4为输入电压。

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    通过几组仿真波形可以看出,储能电容C两端电压为二倍输入电压频率,可得出其储能值曲线变化趋势与输入功率相同。虽然输出电流仍然存在一定程度的纹波,但是整体与期望的结果大致相同,说明了理论分析的正确性。闭环情况相较于开环情况输出电流纹波更小(电流轴量程开环情况为闭环情况的10倍),并且更容易控制输出电流值,对于电容充放电的控制更加方便。

3 实验验证

    基于仿真实验的结果,搭建实验平台对该电路拓扑进行实验验证。采用闭环控制,分别以7.5 W(输入电压70 V)和10.5 W(输入电压11 V)进行实验,实验中,控制电路采用电流传感器LA28-NP采样流经L2的电流,转换成电压信号之后通过比较器LM393与设定值进行对比,输出PWM波控制MOS管S2的开断,保证输出电流恒定。实验中使用的各个元件参数如下:MOSFET:47N60C3;二极管:HER504;电感L1:1 mH;电感L2:3 mH;电容C:1 μF;电容C3:0.33 μF;负载:1.5 W LED灯珠若干。

    不同开关频率及占空比下实验波形如图11所示,其中,1为输入电流,2为输出电流,3为电容C电压,4为输入电压。

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    实验分别在70 V以及110 V下进行,以单个功率为1.5 W的LED模组作为负载,总功率分别为7.5 W和 10.5 W,输出电流稳定,LED正常发光。根据以上实验波形可以看出,电流存在一定纹波,但是纹波很小,在允许范围之内,不影响LED正常发光,不会造成频闪等问题。输出电流易于控制,对于电容充放电的控制非常方便,电容功率变化与输入功率相同,可吸收大部分无功,实现恒定功率输出,保证LED正常工作。同时,输入电压与输入电流基本保证同相位,功率因数非常高。

4 结论

    本文介绍了一种非隔离AC-DC LED驱动电源,其主要特点是:功率因数高、寿命长并且输出电流纹波比较小。前文对电路的具体工作规律进行了分析,并且对电路进行了仿真实验以及实物实验,实验结果与理论分析相匹配,验证了该设计的正确性。未来工作将进一步优化电路结构,以完成更高电压等级闭环实验,达到更精确的要求。

参考文献

[1] HUI S Y R,LI S N,TAO X H,et al.A novel passive offline LED driver with long lifetime[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(10):2665-2672.

[2] 顾琳琳,阮新波,姚凯,等.采用谐波电流注入法减小储能电容容值[J].电工技术学报,2010(5):142-148.

[3] 顾琳琳,杨飞.采用谐波电流注入法以减小储能电容容值[C].2008年中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会,2009.

[4] 杨洋,阮新波,叶志红.无电解电容AC/DCLED驱动电源中减小输出电流脉动的前馈控制策略[J].中国电机工程学报,2013,33(21),18-25.

[5] 闫胜利,孙敬贤.动态光调节下的数字式LED驱动电源设计[J].电气应用,2015(6):91-95.

[6] MA H,LAI J S,FENG Q,et al.A novel valley-fill SEPIC-derived power supply without electrolytic capacitor for LED lighting application[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(6):3057-3071.

[7] MA H,ZHENG C,YU W,et al.Bridgeless electrolytic capacitor-less valley fill AC/DC converter for twin-bus type LED lighting applications[C]//Future Energy Electronics Conference,2013:304-310.



作者信息:

戴文桐,牟宪民,范永升

(大连理工大学 电气工程学院,辽宁 大连116024)

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