0 引言

    近年来，LED凭借其节能环保等特点，发展迅速，现已占据照明市场大部分份额^[1]。LED驱动电源是LED发挥其优良性能的重要环节，对于中、大功率的场合，多用的是二级结构，即功率因数校正部分加谐振变换器部分，部分应用场合需要加入额外的整流或者均流部分^[2]。对于二级结构，开关管的数量以及其开关损耗不仅会影响驱动电源的效率，同时会增加电源的成本及体积。

    针对此问题，不同学者提出了不同的方法来消除电解电容。文献[3]提出了基于FLYBACK可调光LED驱动电源，可实现很高的效率，但是应用到中、大功率场合比较困难，无法实现；文献[4-5]提出了基于LCC谐振变换器的双级结构，可以实现开关管的零电压开通，一定程度提高驱动电源效率，但无法实现零电流关断；文献[6-7]提出了基于LLC谐振变换器的LED驱动电源，可以实现零电压开通或者零电流关断，但不能同时实现，因此效率仍可以进一步提升。

    本文提出一种基于LCLC谐振变换器的单级LED驱动电源。前级使用发展已经相对成熟的电感电流断续的BOOST功率因数矫正电路，第二级使用LCLC谐振变换器，其与LLC以及LCC谐振变换器相比，可以同时实现零电压开通以及零电流关断，一定程度减少开关损耗。同时，对于两级结构进行整合，使原有的3个MOSFET变为2个，提高效率的同时也降低电路成本。

1 电路结构分析

    所提出的两级结构示意图如图1所示，前级选用电感电流断续模式的BOOST功率因数校正电路，保证足够高的功率因数的同时为后面电路提供稳定的直流电压。

    第二级使用LCLC谐振变换器，其所能实现的零电压开通（ZVS）以及零电流关断（ZCS）是其他谐振变换器所不具备的，应用在LED驱动电源中可以发挥优良的性能，极大程度提高驱动电源效率。

    谐振变换器部分电路拓扑如图2所示。S₁与S₂两个MOSFET构成半桥桥壁。L_s、C_s、L_p与C_p为4个谐振器件。在单个周期内，两个MOSFET交替导通，各占50%占空比。同时，为防止两个开关管同时导通，造成短路，每个开关管导通之前均存在一定的死区时间。每个周期电路可分为10个工作状态，每个模式内开关管的开断情况以及电容、电感的充放电情况如表1所示，对应波形如图3所示。

    将该LCLC谐振变换器简化，得到等效电路如图4所示。R为等效负载。通过计算，系统的输入阻抗为：

    其中，

    为使MOSFET工作在零电压开通的状态，电压相位应超前于电流相位，此时应使输入阻抗角处于大于0的状态。而想要实现零电流关断，电压与电流需要处于相同的相位，此时阻抗角应该为0。故需保证输入阻抗角为大于0且非常接近于0的状态，便可以同时实现零电压开通以及零电流关断。

    此外，求得拓扑的电压增益为：

    对于开关管S₁与S₂的交替导通之间死区时间的选择，存在一定要求。在死区时间内，以t₀到t₁时间段为例，假设两MOSFET的寄生电容C_p1及C_p2大小相等，则其充放电速度相同，流经其中电流相等。为满足零电压开通的要求，在t₁时刻之前，C_p1两端电压应降为0，t₁时刻流经MOSFET的电流不能大于0，否则会继续给C_p1充电。根据上述分析，得到一个关于死区时间的表达式：

    其中，U_bus为LCLC谐振变换器部分输入电压，i_in0为t₀时刻通过MOSFET S₁的电流。

    通过上述分析，上述两级结构虽然具有高功率因数、高效率等特点，但其需要使用3个MOSFET，电路成本以及效率都会受到一定影响。若通过对拓扑的整合，在不影响电路优良性能的同时，减少MOSFET的数量，可以对电路性能进一步提升。

    对于未经整合的两级结构，如图5(a)所示。对图中的M与N两点进行分析。假设S₁与S₃开关状态完全相同，当两个MOSFET同时开通时，M、N两点均与地相连，电压相等；当两个MOSFET同时关断时，S₂导通，M、N处于联通的状态，电压相等。不难发现，M、N两点始终处于相同电位的状态，故可以用导向将两点短接，而不会影响电路工作。此时，S₁与S₃处于并联状态，而D₄与S₂的体二极管处于并联的状态，所以可以将S₃与D₄去除，对电路进行整理，得到整合后的单级拓扑如图5(b)所示。

2 电路拓扑仿真

    使用LTspice软件对驱动电源进行仿真。仿真电路原理图如图6所示，设置开关频率为100 kHz，两MOSFET交替导通，死区占空比为0.156%，得到的仿真波形如图7所示。参数设置为：U_inac=220 V，L=100 μF，C=20 μH，f=100 kHz，L_r=400 μH，C_r=140 nF，L_s=160 μH，C_p=17.6 nF，U_in=400 V，死区占空比0.176%。

    图7(a)中曲线1为输入电压波形，曲线2表示输入电流的波形，从图中可以看出输入电压与输入电流之间基本保持相同相位，可以实现非常高的功率因数；图7(b)中曲线1表示MOSFET驱动信号，曲线2表示MOSFET漏极和源极之间的电压，可以看出该结构在MOSFET开通时，漏-源电压已经达到零，可以实现零电压开通(ZVS)；图7(c)中曲线1表示MOSFET的驱动信号，曲线2表示通过L_s的电流(在开通时间内内与流过MOSFET电流相等)，可以看出当撤销驱动信号时，通过MOSFET的电流近似为零，可认为其可以实现零电流关断(ZCS)；图7(d)中曲线1表示流经L_s的电流，曲线2表示输出电流，输出电流恒定，纹波很小，可以实现非常好的供电效果。

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。实验平台各部分参数为：输入电压工频220 V AC，输出电流1.5 A，输出功率100 W，MOSFET开关频率109 kHz，对于各电感、电容元件，L为100 μH，L_s为400 μH，C_s为140 nF，L_p为160 μH，C_p为17.6 nF。

    图8(a)表示两个MOSFET的驱动信号，两者同以48.4%的占空比交替导通，且导通前存在1.6%的死区时间；图8(b)中曲线1表示输入电压，曲线2表示输入电流，从图中可以看出输入电压与输入电流基本保持相同相位，可以实现很高的功率因数；图8(c)中曲线1表示MOSFET S₁的驱动信号，曲线2表示其漏-源电压，当给S₁加入驱动信号时，其漏-源电压已经降为零，实现零电压开通；图8(d)中曲线1表示MOSFET S₁的驱动信号，曲线2表示L_s的工作电流(正负半个周期分别与两个MOSFET的工作电流相等)，当S₁的驱动信号结束时，其工作电流基本降为0，可以实现零电流关断；图8(e)表示输出电流，大小为1.5 A，其值保持稳定状态，且纹波非常小，可以为LED稳定供电。实验平台如图9所示。

    进一步检验整合后的一级拓扑对照两级拓扑效率方面的提升，在不同的电压等级下检测两种拓扑的效率，绘制效率曲线如图10所示。可以看出经整合后的拓扑对照整合之前有一定程度提升。

4 结论

    本文介绍了一种基于LCLC谐振变换器的单级LED驱动电源，其主要特点为：功率因数高；可实现MOSFET的零电压开通及零电流关断；通过整合使MOSFET数量较少，效率较高；输出电流稳定且纹波较小，可为LED稳定供电。本文对该拓扑进行详细分析，并进行了仿真实验以及实物实验，实验结果证明了设计的正确性。

参考文献

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[7] QIN H D，QIN H B，JIN B P，et al.Research on key parameters of LLC high-power LED driver[J].Chinese Journal of Power Sources，2016(2).

作者信息:

戴文桐，牟宪民，刘华生，焦海坤

（大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连116024）