《电子技术应用》

一种基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源

2018年电子技术应用第1期
廖志凌,刘 康,丁蔓菁,吴 超,姜宇珺
(江苏大学 电气信息工程学院,江苏 镇江212001)
摘要: 提出了一种新型的LED驱动电源,分析了其工作原理和工作特性。主电路拓扑基于二次型Buck和Buck-boost变换器,通过级联,共用一个开关管,简化了拓扑结构和控制策略,降低了控制成本。采用两级式级联结构,消除了原二次型Buck拓扑结构的输入电流过零死区问题,进一步提高了功率因数,改善了输入电流的总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)。同时,开关管的占空比工作在更合理的区域。最后通过实验验证了理论分析的正确性。

A LED driving power supply based on buck-boost cascade quadtype buck topology

Liao Zhiling,Liu Kang,Ding Manjing,Wu Chao,Jiang Yujun
(Electrical and Information Engineering College,Jiangsu University,Zhenjiang 212001,China)
Abstract: A novel LED driver is proposed and analyzed in this paper. The main circuit topology is based on a quadratic buck and a buck-boost. They share a switch through cascading, simplifying the topology and control strategy, reducing the cost of the control circuit. Using two-stage cascade structure, the input current dead-time problem of the original quadratic buck topology is eliminate. It improves the power factor and the input current THD. At the same time, the duty cycle of the switch operates in a more reasonable area. Finally, the correctness of the theoretical analysis is verified by experiments.

廖志凌,刘  康,丁蔓菁,吴  超,姜宇珺

(江苏大学 电气信息工程学院,江苏 镇江212001)




    中图分类号: TN86

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170585


    中文引用格式: 廖志凌,刘康,丁蔓菁,等. 一种基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源[J].电子技术应用,2018,44(1):143-146.

    英文引用格式: Liao Zhiling,Liu Kang,Ding Manjing,et al. A LED driving power supply based on buck-boost cascade quadtype buck topology[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(1):143-146.

0 引言

    随着时代的发展,科技的进步,发光二极管(Light Emitting Diode,LED)在生活生产中的各个领域得到了广泛发展,比如普通照明、医疗、交通等。因为LED是电流型器件,LED发出的光品质是由流经LED的电流大小和波动情况决定的,所以发展LED照明的关键在于其驱动器的创新与设计[1-2]

    如今LED驱动电源技术日益成熟,总体可分为单级式和两级式。单级式LED驱动电源拓扑包括Buck、Buck-boost、Fly-back等,结构简单,易于控制,成本较低,但是其功率因数较低,输出电流纹波较大,影响LED的发光品质。两级式LED驱动电源拓扑分为前级功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)模块和后级DC-DC模块。结构较单级式更为复杂,控制策略也更为繁琐,相对成本就更高,而其优点是功率因数会比较高,且输出电流纹波比较低,在交流供电场合,更能满足IEC 61000-3-2的谐波要求[3-8]

    文献[9]提出了一种基于二次型Buck无频闪无变压器的LED驱动电源,具有较高的功率因数,降低了输出纹波。但是其输入电流存在过零死区的问题,影响其总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)。

    本文提出一种新型的的基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源,在二次型Buck拓扑的基础上,级联了一个Buck-boost变换器,消除了输入电流过零死区,改善了其THD,进一步提高了电源的功率因数。同时,采用两级式级联结构,降低了二极管的电压应力,使开关管的占空比工作在更合理的区域。

1 主电路拓扑的工作原理

    如图1所示为基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源的主电路拓扑图。此拓扑由一个Buck-boost拓扑和一个二次型Buck拓扑级联而成,共用一个开关管Q。Buck-boost拓扑包括开关管Q、电感L1、电容C1、二极管D2和二极管D3,二次型Buck拓扑包括开关管Q、二极管D4、D5、D6、D7、电感L2、L3和电容C2、Co。当电感L1和L2工作在电感断续模式(Discontinuous Conduction mode,DCM)下,电路自动实现PFC。为了使电源效率更高,使电感L3工作在临界连续模式(Critical Conduction Mode,CRM)下。

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    为了简化分析,在本文中,假设:

    (1)所有的开关管、二极管、电感和电容均为理想元件。

    (2)开关频率fS远大于电网频率fL

    (3)在开关周期内,电容电压为恒定值。

    经过分析,变换器可分为开关管Q导通和关断的两个主要工作模态,变换器的主要工作模态等效电路如图2所示,驱动电源主要波形如图3所示。

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    (2)关断模态:如图2(b)所示,当开关管关断时,二极管D3、D5、D7导通,电感L1上的电流通过二极管D3续流,并向电容C1放电,电感L2上的电流通过二极管D4续流,并向电容C2放电,电感L3上的电流通过二极管D7续流,并向电容Co和负载放电。即电感电流峰值与续流时间的关系分别为:

     dy4-gs4-6.gif

其中,dy4-gs4-6-x1.gif分别为电感电流dy4-gs4-6-x2.gif的续流时间。

    由于电感L3工作在CRM模式下,电感电流dy4-gs4-6-x3.gif与输出电流Io的关系为:

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2 LED驱动电源工作特性分析

2.1 占空比D的分析

    经过分析可得,理想情况下,驱动电源的电压传输比为:

    dy4-gs11.gif

    根据式(11)作图4可得,与传统的二次型Buck拓扑相比,在相同的电压传输比的情况下,本文提出的电路拓扑能在更为理想的占空比的条件下工作,提高了电源稳定性和电源效率。

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2.2 电容C1、C2的特性分析

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2.3 电感L1、L2、L3的工作特性分析

    由于电感L3工作在CRM模式下,根据式(10)和式(16)可得:

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取电感L2=400 μH,经计算分析,电感L1,L2的取值满足式(22)和式(23)。

3 实验结果分析

    为了验证理论分析的正确性,设计了功率为32 W的LED驱动电源,输入电压为220 V,频率为50 Hz的交流电,输出为电流1.6 A,电压20 V的直流电,取开关频率为30 kHz,电感比值dy4-gs22-23-x1.gif具体实验参数取值如表1。

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    由图6可知,输入电流iin与输入电压uin基本保持同相位,且消除了原二次型Buck变换器输入电流存在过零死区的问题,极大的改善了输入电流的THD,PF值高达97.7%。输出电流Io基本为一直线,极大地降低了纹波,消除了频闪。

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    根据变换器的实验参数,由式(15)和式(16)可得dy4-t7-s1.gif≈137 V,dy4-t7-s2.gif≈273 V,从图7可以看出,实验结果与分析保持一致。

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    由图8分析可得,电感L1、L2工作在DCM模式下,电感L3工作在CRM模式下,也与理论分析保持一致。

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4 结语

    本文提出了一种新型的基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源。共用了一个开关管,控制简单易行。消除了原二次型Buck拓扑结构的输入电流死区问题,进一步提高了功率因数,改善了输入电流THD。实验表明,输出电流纹波低,能实现恒流输出,满足LED驱动电源的要求。

参考文献

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