大功率LED驱动谐振电路设计

乐丽琴，李姿景

（黄河科技学院，河南郑州 450063）

0 引言

随着LED(Light-Emitting Diode)技术的发展和广泛应用，大功率LED(High-Power Light-Emitting Diode)照明在能源危机日趋严重的今天越来越受到世界各国的高度重视。LED由于具有高效节能、无汞毒害、光效高、长寿命等优点在照明领域得到广泛应用。据统计，发达国家的照明用电在所有用电量中达到19%，我国也达到了10%，而采用 LED技术可以节省照明电能50%以上［1］。但是大功率LED驱动电路设计复杂、调试比较困难，另外，成本高、可靠性低等因素也是影响LED灯具寿命的主要原因。本文重点研究了大功率LED驱动谐振电路的设计，为了提高效率，本设计采用半桥谐振LLC电路。

1 LED驱动技术概述

早期的LED多用于指示灯，由于工作电压低、电流较小，无需特殊考虑电路中的损耗，故驱动电路也较简单。如今的LED应用于照明方面，其功率一般不低于1 W，大功率时将达10 W以上。一般情况下，采用电力电子装置驱动大功率LED，此时电路中的总损耗不能被忽略，并且为使LED具有较好的光效，还需要进行恒流控制。

1.1 LED的驱动特性

LED是一种直流供电型光源，与传统光源的电子镇流器不同，根据其自身特性，流过LED的电流是一个恒定的电流，这样才能使其发光强度保持稳定。因此，LED驱动器需要完成将市网交流电转换为LED驱动所需的恒流电。目前常见的LED功率等级有1 W、3 W，某些场合也会出现5 W、8 W、10 W 等。流过LED的电流在200～1000 mA之间，其中350 mA、700 mA为多见。LED的伏安特性如图1所示。

流过LED的电流决定了它的发光强度。为了使LED的发光强度保持恒定，光色免受影响，其驱动电路必须能够在外界因素发生变化时，保持流过LED的电流不变，比如输入电压波动、温度发生变化导致其正向压降变化时，LED驱动电路需要自动调节。因此LED驱动方案必须采用高精度的恒流驱动方式。

图1 LED的伏安特性

1.2 大功率LED的驱动方案探讨

LED的驱动有多种不同方案，对于低功率LED的驱动，常采用线性稳压器，因为该方法成本低，电磁干扰低，但缺点是稳压器的输出电压总是低于电源电压，效率较低，损耗较大。对于功率不超过10 W的LED，采用某些LED专用驱动芯片即可，若用原边控制方式，则不加光耦和副边电流控制便可实现恒流输出，且电路结构简单，成本较低。根据IEC61000-3-2标准，IEC国际电工委员会对照明灯具提出明确的谐波要求，因此对于较大功率LED的照明应用，必须采用功率因数校正(PFC)控制技术。对于60 W以下LED的照明应用，通常采用单级PFC结构，这种方法元件数量少、体积小、性价比较高，能实现PFC和恒流输出，但不适用于更大功率的应用场合。对于更大功率的场合，为了同时实现PFC控制以及恒流输出自动调节功能，那么单级PFC就不能满足要求了，需采用两级电路结构实现，即 PFC+DC/DC两级结构［2］。PFC+DC/DC两级驱动结构如图2所示。

图2 PFC+DC/DC两级驱动结构

如图2所示，第一级采用传统的Boost FPC结构，具有功率因数校正功能，同时使用PFC满足照明驱动器的谐波要求，且为第二级提供直流母线;第二级通常采用一个隔离型的DC/DC变流器，为LED提供合适的电压电流。对于60～150 W的LED驱动器可采用Boost PFC+Flyback 两级拓扑结构［2］，而对于 150 ～300 W功率范围可以采用Boost PFC+隔离型DC/DC变流器。第二级的隔离型DC/DC可采用多种拓扑结构形式，如PWM全桥、半桥变流器、谐振型变流器等，其中采用谐振型DC/DC变流器，效率可以更高。DC/DC变流器的目标是较高的功率密度和较高的效率，这也是DC/DC变流器的发展趋势，为此需要使电路工作在更高的频率。但是工作频率越高，功率开关的开关损耗也越大。传统的PWM变流器由于工作在硬开关状态下，其开关损耗很大，于是它在高频场合的应用有所限制。而本文讨论的谐振型变流器工作在软开关状态，其开关损耗大大降低，在高频场合应用广泛。本课题也正是讨论为提高效率而采用的谐振型变流器。

常用的谐振型拓扑有四种，即串联谐振 SRC(Seires Resonant Circuit)，并联谐振PRC(Parallel Resonant Circuit)，串并联谐振SPRC(Seires-Parallel Resonant Circuit)(LCC)，以及 LLC［3］。其中串联谐振SRC只工作在降压模式下，易出现轻载调制的问题，并且在输入电压较高情况下优化比较困难;并联谐振PRC只工作在升压模式下，有较大的轻载损耗，且循环能量较大;串并联谐振LCC综合了SRC和PRC两者的优点，在降压模式下和升压模式下均可应用，循环能量很小，但同样的在输入电压较高情况下优化比较困难。LLC谐振变流器相对而言有许多显著优点［4］，比如能在全负载范围内实现功率开关管的零电压开通ZVS和整流二极管的零电流关断ZCS，以减小开关损耗;能进行升压变换、降压变换;能宽范围的调节输出/输入电压比;电路中元件电压和电流应力较低;能够去掉次级滤波电感，使滤波电路得到简化等。因此目前应用最广泛的一种谐振变流器便是LLC谐振变流器。

2 LED的驱动谐振电路

本文探索一种适合恒流宽范围输出的LLC设计方法。LLC半桥谐振变换器，由于具有较高的效率、较高的功率密度等优点成为应用最广泛的热门拓扑结构，但多用于恒压输出场合下。

2.1 LLC谐振拓扑

LLC半桥谐振变换器电路拓扑结构如图3所示。

图3 LLC谐振型LED驱动器拓扑

图3中，开关管S1和 S2互补驱动，占空比均为0.5，构成半桥结构。LLC谐振网络由三部分构成，即谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)和变压器的励磁电感(Lm)。变压器副边为全桥整流电路，由整流二极管D1～D4组成。为了进一步滤掉输出电流纹波成份，输出端采用滤波电容Co，以提供恒定电流给LED灯串。半桥LLC谐振电路可能有两个谐振频率，即fm和fr。当变压器原边电压被箝位时，即输出电压固定住了原边电压，此时只有Lr和Cr参与谐振，而励磁电感Lm不参于谐振，此时产生的串联谐振频率为fr。

当变压器原边电压不被箝位时，此时Lr、Cr和Lm均参与谐振，此时产生的谐振频率为fm。

半桥LLC主要有三种工作方式，连续模式、临界模式和断续模式。当工作频率fs等于串联谐振频率fr时，LLC工作在临界模式;当工作频率fs大于串联谐振频率fr时，LLC工作在连续模式;当工作频率fs小于串联谐振频率fr时，LLC工作在断续模式。以断续模式为例，其工作波形如图4所示。

图4 半桥LLC断续模式工作波形图

2.2 工作区间设计

半桥LLC的分析方法有很多种，最常用的是基波近似分析方法，在很多文献中有相关讨论。假设原边电流中只考虑基波分量，而忽略其他谐波分量的作用，即只有基波分量向副边传送能量［5］，则可用一个交流等效电阻代替变压器副边的整流桥电路，若为理想变压器，则可将这个交流等效电阻折合到变压器原边，则其两端的电压变为nUo，可得到半桥LLC的交流等效电路如图5所示。

图5 半桥LLC的交流等效电路

其中

由图5所示的LLC交流等效电路，可得出LLC的直流增益方程式，则其归一化的直流增益方程为

其中各个参数含义如下

根据半桥LLC的直流增益方程可画出其归一化的直流增益曲线，如图6所示。

图6 半桥LLC的归一化直流增益曲线

图6所示曲线中，每一条曲线所表征的Q值均不同，即输出电阻不同。由图中所示的虚线，LLC变换器的直流增益曲线可分成三个区，区间1、区间2和区间3。区间1对应连续模式，即工作频率fs＞fr时。区间2、区间3均对应断续模式，即工作频率fs＜fr时。而它们的分界线就应对临界模式。

2.3 工作范围选择

图6所示的半桥LLC归一化直流增益曲线中，区间1、区间2为感性区间，区间3为容性区间。

区间1中，工作频率fs＞fr，此时半桥LLC谐振变换器在连续模式下工作，这时谐振腔增益小于1。此区间为感性区间。在区间1和区间2的交界处，半桥LLC谐振变换器工作在临界模式下，即有fs=fr。这时有最大的谐振回路阻抗，变流器原边、副边电流有效值很小，损耗很小，且能同时实现原边开关管的ZVS开通和副边整流管的ZCS关断，故LLC谐振变换器最佳工作模式是临界模式。在此工作频率下，变换器增益始终为1，而不随负载发生变化，所有的负载增益曲线均经过该工作频率点。但为了使变流器有较宽的输出电压变化范围，工作频率一般要高于或低于这点，区间3可实现宽电压变化输出。但由于此点时损耗最小，效率最高，故一般情况下通常将满载工作点设计在此点。

区间2中，工作频率fs＜fr，谐振变换器工作在断续模式下，这时谐振腔的增益为大于1，也能同时实现副边整流管的ZCS关断和原边开关管的ZVS开通，避免了反向恢复。由于断续模式下的电流是断续变化的，因此原边、副边电流有效值很大，损耗很大。在宽电压范围输出恒流的设计里，由于负载变化较大，相应直流增益的变化较大，在满载时直流增益达到最大，输出电压达到最高，故在满载情况下工作频率为最低，满载时效率得不到优化。而一般情况希望满载情况下效率能够得到优化。

在区间3中，fs＜fr，变换器工作在断续模式。由于谐振腔的阻抗特性呈容性，原边开关管还是可以实现零电压开通ZVS，但副边整流管将不再满足零电流关断条件，关断时将产生较大的di/dt，增加开关损耗，同时引发整流管的反向恢复，影响变流器的整体性能。从直流增益曲线可以发现，此区间内直流增益曲线斜率很大，直流增益调节范围比较广，可以满足恒流宽电压范围输出设计要求。此时在满载时整机的效率达到最高，负载轻时半桥LLC变换器工作在连续模式下可以获得较佳的增益。区间3中开关器件损耗较大，且谐振电压滞后电流，严重时上下两个桥臂造成直通，以致出现工作状态不正常，直至电路失效。因此在所有设计中都需要避免电路工作在此区域。

3 总结

本课题通过分析对比各种不同LED驱动方案，介绍了LLC谐振变换器的拓扑结构、工作区间设计以及工作范围选择。根据LLC的特性探讨了一种适合恒流宽范围输出的LLC设计方法。使用基波近似的方法分析了LLC变换器，导出了LLC交流等效电路，推导出了LLC归一化直流增益方程和曲线。依据增益曲线讨论了LLC的三个工作区间，以及每个区间的特点和适用场合。LLC半桥谐振变换器具有高效率、高功率因数等优点，一般用于恒压输出场合。

［1］张治国，谢运祥，袁兆梅.高功率因数LCC谐振电路的多目标优化［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2012，40(11):94-100.

［2］董 艳，王英强，戴庆元.LLC半桥谐振电路设计方法和优化方法［J］.电源技术应用，2011，(4):36-42.

［3］徐根达，赵合昌.一种高效大功率LED驱动电源设计［J］.电源技术，2011，35(7):811-813.

［4］张冠群，李 琦.一种高效大功率LED驱动器的设计［J］.桂林电子科技大学学报，2013，(1):14-18.

［5］李姿景.新能源照明技术［M］.北京:北京大学出版社，2013.