SEPIC LED 驅(qū)動研究

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1引言

傳統(tǒng)的白熾燈效率低、耗電高；熒光燈可以省電，但使用壽命短、易碎，廢棄物存在汞污染；高強度氣體放電燈存在效率低、耗電高、壽命短等缺點[1]。LED是繼白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈之后的第四代光源，已廣泛應(yīng)用于城市景觀照明、大屏幕顯示和一些特殊場合（如礦山、潛水、搶險、軍用裝置的照明等[2]）。作為通用照明光源，高功率發(fā)光二極管(LED)具有高光效、長壽命、環(huán)保和體積小等優(yōu)點[3-7]，已引起學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為研究的焦點。

高功率白光LED的典型工作電流為200～700mA，驅(qū)動電壓則為2.5～4V。單個LED產(chǎn)生的光通較弱，因此，一般采用多個LED串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)[8]。作為商用和住宅應(yīng)用的作為LED的供電電源，必須滿足以下要求：①寬的交流電壓適應(yīng)范圍（85～270Vrms）；②在保證功率因數(shù)要求的同時，高性能的控制LED電流；③小尺寸、長壽命和低成本；④PWM調(diào)光功能。本文主要研究高效的PFC預(yù)處理器。

兩級式PFC具備最好的功率因數(shù)和電壓調(diào)節(jié)能力，但成本和效率制約了其在低功率場合應(yīng)用和推廣[9]。相比較而言，單級結(jié)構(gòu)具有電路簡單、低成本及高效率特點，更適合于LED照明驅(qū)動應(yīng)用。不論是非隔離型Buck，Boost，Buck-Boost，SEPIC、Cuk，Zeta，還是隔離型的Flyback、非對稱半橋、推挽和正激拓撲，都可用于LED照明驅(qū)動的PFC處理級。

Boost變換器因其高效性和高功率因數(shù)特性，成為最常用的功率因數(shù)拓撲，但由于其本質(zhì)的升壓特性，只適合于大的LED串。Flyback是低功率中另一個最常用的拓撲，特別是需要隔離的場合。它能工作于寬的輸入電壓范圍，而且輸出電壓不受限制，很容易滿足IEC61000—3—2ClassC標準，但開關(guān)管電壓應(yīng)力較高（Vin+nV0），而且必須加入吸收電容來抑制變壓器漏感引起的振蕩和尖峰，更為重要的是變壓器工作于第一象限，變壓器磁利用率不高，因此效率較低，通常約85%[10]。SEPIC變換器拓撲雖然效率不及Boost變換器，但存在如下優(yōu)點：①擁有較高的功率因數(shù)性能；②不存在變壓器漏感的問題；③很容易改變?yōu)楦綦x性結(jié)構(gòu)；④兩個磁性元件增加了成本，但它們能夠集成在同一個磁心上[8,10]，因此不會增加成本。

基于以上優(yōu)點，很多文獻對SEPICPFC在LED照明驅(qū)動中的應(yīng)用進行了研究。文獻[8,10-12]提出了基于DCMSEPIC和InterleavedSEPIC的LED照明驅(qū)動，但效率較低，僅84%。文獻[1]將SEPIC變換器工作于BCM模式，大大提高了效率。中國臺灣科技大學的邱煌仁教授將磁耦合技術(shù)和自適應(yīng)輸出電壓反饋控制引入到BCMSEPIC，大大提高了SEPIC的效率[13]。但以上LED照明驅(qū)動都存在如下缺點：①其電容C1上的電壓均等于Vin，因此開關(guān)管電壓應(yīng)力為Vin+V0，電壓應(yīng)力較高；②電容C1無法實現(xiàn)功率解耦，因此為了滿足輸出電壓的紋波要求，通常需要很大的輸出電容進行濾波，如文獻[8,10,11]所述C0=680μF，故只能選用電解電容，但LED驅(qū)動中電解電容的使用會大大降低LED燈的使用壽命。

為了解決以上問題，本文在分析傳統(tǒng)SEPICPFC工作原理的基礎(chǔ)上，對其進行了改進，提出了一種改進型SEPICPFC。改進后的PFC不但降低了開關(guān)管電壓應(yīng)力，而且大大降低了輸出電容的值，因此可以消除電解電容，增加驅(qū)動管的壽命。詳細描述了改進型SEPIC的工作原理，分析和設(shè)計方法。

在實驗室研制了一臺50W的試驗樣機，實驗結(jié)果很好地證明了理論分析和設(shè)計的合理性，實際測試效率達到91.6%，PF值達0.98。

2傳統(tǒng)SEPICPFCLED照明驅(qū)動

傳統(tǒng)SEPIC變換器用于PFC可工作于CCM、DCM以及BCM(這里工作模式的區(qū)分是指一個開關(guān)周期內(nèi)輸出二極管的電流是否為零)。CCM模式雖然功率因數(shù)較高，但控制復(fù)雜，不適合于低功率、低成本應(yīng)用。BCM雖然能實現(xiàn)輸出二極管的ZCS工作，提高效率，但由于工作于變頻模式，使得電感的設(shè)計變得十分復(fù)雜。

工作于DCM模式的SEPIC電路具有本質(zhì)的PFC特性，功率因數(shù)高，而且輸出二極管可實現(xiàn)ZCS，控制簡單，因此很適合于低成本、低功率的LED照明驅(qū)動。基于DCMSEPICPFC的LED照明驅(qū)動電路如圖1a所示，其中虛線框內(nèi)為LDO電流控制器和PWM調(diào)光電路，用于控制每串LED電流和實現(xiàn)PWM調(diào)光。

設(shè)交流輸入電壓為:acmlv=Vsin(ωt)，易知Cin上的電壓rectmlv=Vsin(ωt)，其中Vm為交流輸入電壓峰值。假設(shè)開關(guān)頻率遠大于母線頻率，在一個開關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓可認為恒定，用Vi表示。由“準穩(wěn)態(tài)”分析方法和SEPIC電路工作原理可知，在一個開關(guān)周期內(nèi)，電路工作可分為3個模態(tài)，如圖1b所示。基于電感L1和L2伏秒平衡，有求解式（1）、式（2）可得中間電容電壓：VC1=Vi。

基于以上分析可知，當傳統(tǒng)SEPIC用作PFC時，中間儲能電容C1的電壓不僅含有開關(guān)頻率，而且包含2倍于母線頻率的低頻紋波，其波形如圖1c所示。為了滿足輸出電壓紋波的要求，這個2倍于線頻率的紋波必須由輸出電容C2來處理，因此大容量的輸出電容成為SEPICPFC的必需。

很容易計算，輸出電壓紋波和輸出電容的關(guān)系約為以Vo=50V，Pout=100W為例，即使使用1000μF的電容，那么輸出電壓紋波也至少為2.5V。文獻[8,10,11]中對于滿載50W，選用680μF的輸出電容。

通過上面的分析，可得出基于傳統(tǒng)SEPICPFC的LED照明驅(qū)動存在如下缺點：①中間電容C1沒有功率解耦的功能，功率解耦只能依靠輸出電容C2，為了滿足紋波要求，必須大容量的電解電容，不適合于小體積要求的LED照明驅(qū)動；同時電解電容壽命較短，這將影響LED燈的使用壽命；②效率低，以50V、100W的功率為例，即使使用1000μF的輸出電容，則至少造成LED照明系統(tǒng)整體效率下降5.3%；因為LDO必須處理SEPIC輸出電壓上大的低頻紋波。此結(jié)論同樣適用于CCMSEPICLED照明驅(qū)動。故傳統(tǒng)的SEPIC對于LED照明驅(qū)動不是最佳選擇，為了解決以上兩個問題，下面提出了一種改進型SEPICPFC。

3改進型SEPICPFC工作原理和分析

3.1工作原理

本文提出的新型SEPIC電路拓撲如圖2a所示。該電路與傳統(tǒng)SEPIC不同的是增加了二極管VDx，VDx用來打破傳統(tǒng)SEPIC變換器的低頻功率回路。在介紹改進型SEPIC變換器工作原理之前，先做如下假設(shè)：（1）vrect表示二極管橋式整流后的電壓，其表達式為：rectmlv=Vsin(ωt)，其中，Vm是交流電壓峰值，lω是電網(wǎng)角頻率，llω=2π/T。（2）所有元器件都是理想的，因此效率為100%。（3）由于開關(guān)頻率遠高于交流電壓頻率，因此在一個開關(guān)周期內(nèi)母線電壓可認為是不變的，即認為Cin上的電壓Vrect是恒定的。（4）電容C1和C0足夠大，因此VC1和V0在一個開關(guān)周期內(nèi)可認為恒定。（5）變換器處于穩(wěn)態(tài)。電路共分為4個工作模態(tài)：Mode1[t0,t1]:MOS管V、VDx導通，VD5截止，為電感儲能階段，等效電路如圖2b所示。在t=t0時，MOS管V導通，二極管VD5截止。此時形成兩條回路：①電源Cin、Lb、VD5和V回路，在VCin的作用下，電感電流iLb線性增長；②C1、V和L0回路，電感電流iL0線性增長，同時C2向負載供電。

對應(yīng)圖3所示電流波形的D1Ts段。

Mode2[t1,t2]：MOS管V關(guān)斷，VDx，VD5導通,該階段為Lb和L0共同放電階段，等效電路如圖2c所示。t=t1時MOS管V關(guān)斷，此時同樣形成兩個回路：①Cin、Lb、VDx和C1經(jīng)過二極管VD6到負載，電源和電感Lb同時向C1和負載饋送，C1儲能增加，iLb線性下降；②L0經(jīng)VD5至負載的回路，L0儲能釋放到負載，iL0線性下降。此時，電感Lb和L0上電壓分別為VCinVC1V0和V0。該過程持續(xù)到iLb=0。此階段，iLb和iL0的表達式為

Mode3[t2,t3]：MOS管V關(guān)斷，VDx因為電感Lb電流為零而自動關(guān)斷，VD5繼續(xù)導通，等效電路如圖2d所示，iL0在V0作用下繼續(xù)下降，直到為零。同時，由于VDx的反向阻止作用，iLb繼續(xù)保持為零。

Mode4[t3,t4]:MOS管V、VDx和VD5均關(guān)斷，iLb、iL0均為零，輸出電容C2向負載提供能量，等效電路如圖2e所示。

通過上述工作模態(tài)分析，可知：Lb的充放電時間分別為：D1Ts和D2Ts；L0的充放電時間分別為：D1Ts和D3Ts。

3.2改進型SEPICPFC的分析

3.2.1中間電容電壓VC1

如圖3b所示，改進型SEPICVC1電壓不再等于輸入電壓Vin，而是一個固定中間的值。VC1能夠起到功率解耦的作用。基于Lb和L0的伏秒平衡有式中，D2和D3分別是Lb和L0電感電流下降的占空比；D1則是開關(guān)管導通的占空比。同時，可以得到在一個線周期Tl，中間電容的電流平均值可表示為其中s1(t)CTi是電容電流在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)的平均值。在一個周期內(nèi)電容電流波形如圖3a所示，在開關(guān)管導通時，電容電流iC1(t)=iL0(t)，當開關(guān)管V關(guān)斷后，iC1(t)=iLb(t)。基于第二部分所表示的每個模態(tài)的電感電流iLb(t)和iL0(t)，可以求得根據(jù)電容電荷平衡原理可知，在半個線周期內(nèi)，電容電流的平均值必須為零，因此有式中VC1的隱式表達式，必須借助數(shù)值方法才能求解。因此可將其表示為：從式（16）可以看出，對于既定輸出電壓V0和交流電壓vac而言，在Lb和L0均工作于DCM模式時，VC1的值僅取決于Lb與L0的比。

3.2.2占空比D1的近似計算

占空比D1的計算基于以下兩種假設(shè)：①占空比D1基本恒定；②快速輸出電壓調(diào)節(jié)。根據(jù)電路工作原理，很容易知道，輸出功率主要來自于兩部分：①在開關(guān)管V關(guān)斷期間，電感L0直接傳輸?shù)截撦d；②在開關(guān)管V關(guān)斷期間，Lb通過中間電容C1傳遞到負載，因此由于快速的輸出電壓調(diào)節(jié)，故占空比近似為

4新型LED照明驅(qū)動實驗研究

本文提出的無電解電容的LED照明驅(qū)動如圖4所示。該驅(qū)動方案有以下3點不同：①為了消除電解電容，本文采用了增大紋波法，因此22μF的薄膜電容可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電解電容，從而提高LED驅(qū)動的壽命；②為了提高效率，LED電流調(diào)節(jié)器采用本文提出的超高效率的Twin-BusBuck開關(guān)變換器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4a所示。該電路的工作原理可以參考文獻[14]；③要求PFC預(yù)處理必須提供Twin-Bus電源，因此，必須對前面分析的改進型SEPIC變換器進行進一步改進，將電感L0用變壓器的勵磁電感代替，并將變壓器設(shè)計為中心抽頭形式，最終形成如圖4b所示結(jié)構(gòu)。

實驗室完成了一臺50W的原理樣機，該樣機設(shè)計指標為：輸入交流電壓Vrms:85～135V，60Hz；負載為3串16×1.1W的LED負載，功率約50W,PFC開關(guān)頻率53kHz，功率因數(shù)大于0.96，效率大于90%，無電解電容。

根據(jù)以上設(shè)計指標，結(jié)合第三部分的分析，本文設(shè)計的滿足上述指標的SEPICPFC參數(shù)如下：SEPIC-derivedPFC：共模電感8mH,輸入電容Cin0.22μF/500V，輸入電感Lb156μH,選用PQ2016磁心進行設(shè)計實現(xiàn)，VDx選用STTH3L06U600V/3A,C1選用450V/22μF的薄膜電容，功率開關(guān)管選用STB11NM60T4，L0感值為220μH，采用PQ32/30實現(xiàn)，變壓器匝數(shù)比為25:22:3，輸出電容則為100V、40μF的薄膜電容。

Twin-BusBuck變換器：調(diào)光管V_Dim選用100V耐壓的FDS3672；VD03～VD05為10V耐壓的肖特基二極管BAT60A_E6327；VD0為100V耐壓的肖特基二極管PDS5100H，電感L01～L03則選用SLF7045T-330MR82-PF電感，其值為33μH。控制器選用美國國家半導體公司的LM3407芯片，控制每串LED電流為恒定的350mA，其內(nèi)部集成了導通電阻最大0.77Ω的開關(guān)管。

圖5為輸入交流電壓Vrms為85V的實驗波形。從圖中可以看出，輸入電流與輸入電壓相位相同，輸入電流很好的跟隨輸入電壓，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正，實際測試PF值0.97。中間電容電壓VC1為115V，紋波約50V，正如圖3分析所示起到功率解耦。輸出電壓VDC1很好的穩(wěn)定在設(shè)計值50V上，說明控制器的調(diào)節(jié)功能很好。圖5b顯示了在輸入電壓峰值點電感Lb電流，開關(guān)管電壓Vds和輸出二極管電壓VD02的波形，證明電路工作模式正常，與預(yù)期完全一致。

圖6為輸入交流電壓Vrms為120V的實驗波形。從圖中可以看出，輸入電流與輸入電壓相位相同，輸入電流很好的跟隨輸入電壓，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正，實際測試PF值0.98。中間電容電壓VC1為180V，紋波約40V，正如圖3分析所示起到功率解耦。輸出電壓VDC1很好的穩(wěn)定在設(shè)計值50V上，說明控制器的調(diào)節(jié)功能很好。圖6b顯示了在輸入電壓峰值點電感Lb電流，開關(guān)管電壓Vds和輸出二極管電壓VD02的波形，證明電路工作模式正常，與預(yù)期完全一致。

可PWM調(diào)光Twin-BusBuck變換器的實驗波形如圖7所示。從圖7a可知，隨著調(diào)光管V_Dim的導通和關(guān)斷，LED電流能夠快速在0～350mA以400Hz為周期進行變換，完全滿足調(diào)光要求。LED電流的穩(wěn)態(tài)波形和低端開關(guān)管的波形如圖7b所示，從圖中可知V03管的電壓應(yīng)力僅為5V，正是VDC1和VDC2之差，和理論分析完全一致。

圖8a給出了LED照明驅(qū)動的PFC級效率、功率因數(shù)隨輸出功率的變化曲線。正如圖8a所示，系統(tǒng)的功率因數(shù)始終保持在0.92以上，最高效率為92.8%。圖8b為LED照明驅(qū)動的輸入電流諧波分布圖，從圖中可知，輸入電流諧波遠小于IEC—6100—3—2ClassC的指標要求。

5結(jié)論

當前，大容量電解電容的使用，已經(jīng)大大影響了LED照明驅(qū)動的使用壽命，成為制約LED廣泛用于照明的最大瓶頸。本文提出了一種無電解電容的LED照明驅(qū)動方案，該方案主電路拓撲采用改進型SEPIC變換器作為PFC預(yù)處理級，Twin-BusBuck變換器作為電流調(diào)節(jié)器。改進型SEPIC的提出和采用，在不降低系統(tǒng)效率的同時，克服了傳統(tǒng)SEPIC用于PFC時必須采用大容量電解電容的缺點，提高了LED照明驅(qū)動的使用壽命。詳細分析了改進型SEPIC的工作原理和電路特性。實驗樣機的研制和測試證明，所提出的無電解電容的LED照明驅(qū)動，同樣可達到滿載0.96以上的功率因數(shù)和整機效率91.6%。