钜大LARGE | 点击量：1391次 | 2020年05月18日
高效率DC/DC恒流电源LED驱动创新设计方法
1引言
半导体照明作为21世纪的新型光源，具有节能、环保、寿命长、易维护等优点。用大功率高亮度发光二极管（LED）取代白炽灯、荧光灯等传统照明光源已是大势所趋。由于LED自身特性，必须采用恒流源为其供电。因此，高效率恒流驱动电源的设计成为LED应用中一个重要研究对象。LLC半桥谐振变换器以其高效率、高功率密度等优点成为现今倍受青睐的热门拓扑，但一般用于恒压输出场合，传统LLC被认为不适合应用于宽范围恒流输出。此处提出一种半桥LLC新的设计方法，使其在宽范围恒流输出场合依然保持高效率。
因此，LLC可作为LED驱动的很好的拓扑选择。
2恒流LLC谐振变流器的设计方法
2.1半桥LLC变换电路概述
半桥LLC谐振变流器电路原理如图1所示。
两个占空比为0.5互补驱动的开关管VS1，VS2构成半桥结构，谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器的励磁电感Lm构成LLC谐振网络，变压器次级由整流二极管VD1~VD4构成全桥整流电路。
图1半桥LLC谐振变流器电路拓扑
半桥LLC变流器有两个谐振频率。当变压器初级电压被输出电压箝位时，Lm不参加谐振，Lr和Cr出现的串联谐振频率为f1;当变压器不向次级传递能量时，Lm电压不被箝位，Lm，Lr，Cr共同参与谐振，构成谐振频率f2为：
2.2直流增益曲线及工作区间
采用基波近似方法，可推导出LLC谐振变流器的直流电压增益表达式为：
图2示出半桥LLC变流器在不同负载情况下的直流增益曲线。LLC工作在f1（即图中（1，1）点）时，谐振回路阻抗最小，损耗最低。所以在普通设计中，一般将满载工作点设计在该点。
图2半桥LLC的直流增益曲线
在图2所示3区间中，开关管工作在容性区域，开关损耗大，所以在任何设计中都应该防止电路工作在此区域。而2区间中，LLC工作在谐振电流断续模式，可同时实现初级开关管ZVS开通和次级整流管ZCS关断，防止反向恢复，所以恒压输出的设计中，一般将所有负载情况下的工作点设计在该区间中。但是在恒流宽电压范围输出设计中，负载变化大，对应的直流增益变化范围大，很难保证全负载范围内所有的工作点均在ZVS区域。并且电路工作在最大增益点和（1，1）点之间的曲线上，这段曲线增益越小，越接近谐振点。故仅能将满载工作点设计在直流增益高，即fs《f1的区间，输出电压小即轻载工作点设计在谐振点，满载效率不能得到优化，效率会很低。
在图2所示1区间中，fs》f1，LLC工作在谐振电流持续模式，初级开关管可实现ZVS开通，次级整流管不能实现ZCS关断，会有反向恢复过程，但在输出电流小的情况下影响不大。这一区间增益曲线斜率较大，直流增益可调的范围广，可满足恒流宽电压范围输出设计的要求。2.3恒流宽电压范围输出设计
半桥LLC的直流增益为：
式中：n为实际变压器绕组匝比；Uin，Uo分别为输入、输出电压。
可见，为得到最佳设计点（即谐振点），仅需取期望的变压器绕组匝比Nnor=Uin/（2Uo）。
由图2可见，曲线增益越小，斜率越大。若满载的工作点设计在谐振点，输出电压降至一半（即Gdc降至0.5）时的工作频率将达到2倍谐振频率以上，工作频率范围很广。为使工作频率范围变窄，可选择增益曲线斜率大的一段，即Gdc《1.由式（3）及Nnor计算式可知，若n《Nnor，则Gdc《1.图3示出n=0.88Nnor时的增益曲线及工作点。
图3恒流LLC的工作点
图3中，虚线为Uo在200~100V变化时对应的Gdc，实线为Uo为200~100V时等效负载的增益曲线，Uo相同时对应的实线和虚线的交点即为电路实际的工作点。在此设计中，Uo从200~100V变化时，工作频率的范围为1.22f1~2.11f1.
3参数分析与优化
3.1f1选择
考虑到磁元件的设计，电路满载时的工作频率设计在100kHz左右较为理想。为保证半载工作效率，半载频率不能太高。所以应当选择增益曲线中斜率较大的一段，即Gdc《1.电路实际的工作频率始终大于f1，所以应选f1《100kHz，设计在60~70kHz较为合理。
3.2谐振参数Cr，Lr
当f1一按时，Cr越小，Lr越大，Q越大，增益曲线的斜率越大，故减小Cr可使半载的工作频率显著降低。从提高半载效率的角度考虑，Cr越小越好，但Cr越小，其两端的电压峰值则越大，要降低Cr的电压应力，Cr应取越大越好。设计中应该折中考虑。Cr确定后，根据f1可计算出Lr为：
3.3n，Lm的选择
为使开关频率的范围缩窄，实际变压器绕组匝比应小于期望的变压器绕组匝比，n《Nnor.n减小，半载时的工作频率降低，但同时满载的工作频率增高，工作点偏离谐振点较远，电路工作在更持续的状态。在谐振电流还很大时，MOSFET被强行关断；二极管关断时流过它的整流电流也很大。这样MOSFET和整流管的开关损耗会增大，在大电流场合更加明显。所以n不宜取值过小。
从减小开关管导通损耗的角度考虑，变压器Lm的值越大，初级电流有效值越小，开关管的导通损耗也越小，故希望Lm越大越好。但Lr一按时，Lm越大则m越大，增益曲线的斜率变小。为保证所需的Uo使变换器的工作频率范围变宽，会影响Uo降到一半时的效率。所以，在保证一定的开关频率范围的前提下，Lm越大越好。
上述所有参数的设计要综合考虑多方面因素，根据设计目标进行合理的取舍，针对具体应用场合找到最佳设计参数。
4实验结果
根据上述理论分析，设计了一台恒流宽范围输出LLC变换器样机，并进行了效率优化。指标要求为：Uin=400V，输出电流Io=0.7A，Uo=200~100V.
主开关管选用FDp12N50，次级整流二极管选用SF1005G.Nnor需按输出电压最大值设计：Nnor=Uin/（2Uomax）=1.
实际变压器初次级匝比n《Nnor.采用多套不同实验参数进行效率优化后，得最佳参数：fr=60kHz，n=0.85，Lm=800μH，m=3.75，Cr=33nF，Lr=213μH，fs=84~150kHz.变换器在满载（Uo=200V）和半载（Uo=100V）时开关管两端电压波形uds、开关管驱动波形ug和谐振电流iLr波形如图4所示。
图4开关管ug，uds及iLr波形
测得样机的效率曲线如图5所示。可见，fs变化范围选择在80~150kHz，f1选在60kHz较为合理。样机效率较高，整机效率达到95.5%~97.2%.
图5半桥LLC的效率曲线
5结论
介绍了恒流宽范围输出LLC谐振变流器的设计方法，指出其与传统恒压LLC设计上的不同考虑，分析了各设计参数的影响。关于宽范围输出的LLC，工作区间应设计在开关频率高于谐振频率，直流增益小于1的区域。实验证明，在整个负载变化范围内效率均高于95.5%.该设计方法较适合于小电流输出场合，样机输出电流为0.7A.若是大电流输出，工作在持续状态下的LLC开关管导通损耗、二极管关断损耗影响明显，效率会下降。
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