《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 作者:廖志凌,刘 康,丁蔓菁,吴 超,姜宇珺
2018/2/1 13:02:00

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BuckBuck-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。

    关键词: LED驱动电源;Buck-boost;二次型Buck;过零死区

    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:

dy4-gs17-21.gif

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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。

dy4-t6.gif

    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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