新型AC LED變換器拓撲電路設計

　摘要：針對傳統的LED 燈整流電路的濾波電容使整流前端的交流輸入電流波形變成尖脈沖，造成功率因數低、諧波成分增加等問(wèn)題，提出了一種新型的AC LED 變換器拓撲電路。分別對Buck PFC 功率因素校正電路和LCC 電路進(jìn)行了詳細的分析。分析了Buck PFC 電路的工作原理、開(kāi)關(guān)管工作頻率和電容值的大小，同時(shí)理論和仿真分析了半橋電路的工作原理和參數值的選擇。最后通過(guò)實(shí)驗驗證了該電路拓撲結構能提高功率因數。該電路拓撲結構能克服傳統整流電路由于后端電容造成控制器使用壽命和諧波成分減小等問(wèn)題。

　　傳統的LED 燈恒流控制是通過(guò)AC/DC，再通過(guò)DC/DC變換器進(jìn)行恒流控制，在AC/DC 變換器中，通常在整流電路后面用濾波電容使輸出的電壓平滑，但是大電容的存在造成交流端的輸入電流波形變成尖脈沖，而不再是正弦函數（降低功率因數）?；谝陨螸ED 控制存在的缺陷，本文采用ACLED 變換器控制。DC LED 變換器中由于輸入功率為脈動(dòng)的，輸出功率為恒定的，需要中間儲能電容來(lái)平衡兩者的差值，因此，儲能電容一般值較大，并采用電解電容，但數值高的電解電容壽命遠小于LED 的壽命，導致整體變換器的壽命降低。

　　如果采用AC LED，輸入和輸出功率都是脈動(dòng)的，則需要的儲能電容值較小，會(huì )提高整體變換器的壽命?，F有AC LED 燈電路結構有串聯(lián)結構，梯形結構和橋式結構。在A(yíng)C LED 電路結構中，當輸入AC 源為電網(wǎng)電壓220 V，50 Hz 時(shí)，若不串聯(lián)限流電阻，則需要大量LED 燈串聯(lián)以限制LED 電流，此時(shí)增大了總的開(kāi)啟電壓導致功率因數很低。當串聯(lián)限流電阻時(shí)，則需要串聯(lián)的LED 數量減小，功率因數有所提高，但是因為限流電阻將導致效率降低。另外，當LED 工作頻率為50 Hz 時(shí)，光源將明顯產(chǎn)生閃爍現象；而工作頻率為100 Hz 時(shí)，大部分人感覺(jué)不到燈光的閃爍情況。為了解決AC LED 存在的功率因數和效率低，以及提高負載結構所示的頻率問(wèn)題，本文提出了一種新型的AC LED 變換器拓撲電路，并對該拓撲電路及控制方法進(jìn)行分析和研究。

　　1 AC LED 燈的變換結構

　　圖1 為所提出的AC LED 變換器結構圖。vdc為220 V 交流電壓經(jīng)過(guò)不控整流的脈動(dòng)電壓，為了提高功率因數，本文采用Buck PFC 電路來(lái)校正電流波形。Buck PFC 電路輸出電壓經(jīng)過(guò)半橋變換器轉換成交流信號，作為后級LCC 電路的輸入電壓，提供給負載LED 燈。因此，該拓撲電路主要包括整流電路、Buck PFC、半橋變換器和LCC 諧振電路。從圖1 中可以看出，C1和C2的取值很小能達到，因此，該電容對整個(gè)拓撲電路的壽命沒(méi)有影響；LCC 諧振電路輸入和輸出交流電壓的基波頻率為100 Hz，從而負載LED 的電壓頻率也為100 Hz，該頻率看不出電壓的閃爍。

　　圖1 新型的AC LED 變換器

　　1.1 Buck PFC 電路參數的設定

　　在圖1 中，如果整流后的輸入電壓為：

　　V 為正弦輸入電壓的有效值，則輸入電流為：

　　I 為正弦輸入電流的有效值。由變換器的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系可知：

　　將（2）帶入（3），可得d（t）的表達式為：

　　聯(lián)立（2）、（3）、（4）式可得：

　　所以電容紋波電流的有效值為：

　　對于雙管正激電路，變壓器原邊電流和副邊電流的關(guān)系如下：

　　首先設定主開(kāi)關(guān)管頻率為fs1=16.6 kHZ.因為電解電容影響變換器的使用壽命，因此盡量使得儲能電容C1和C2小，取C1=C2=1 mF.當電感電流工作于連續導電模式（CCM 模式）下時(shí)，電流紋波大小為：

　　式中：D 為開(kāi)關(guān)管S1的占空比，CCM 模式下D = Vce/Vdc.考慮到Vdc最大值為310 V，根據Buck PFC 電路輸出電壓限制Vce峰值不宜超過(guò)220 V，設定電感電流紋波ΔI L1最大值不超過(guò)4A，則L1最佳參考值為：

　　考慮Buck PFC可以工作在斷續導電模式（DCM）下，電感L1值可取0.865 mH.

　1.2 LCC 參數的選擇

　　下面我們分析LCC 參數的計算方法，通過(guò)開(kāi)關(guān)管S2和S3互補導通，使得LCC 諧振電路輸入為交流，工作狀態(tài)如圖2 所示。

　　圖2 LCC等效電路

　　根據其工作狀態(tài)可得到LCC 等效電路，其中C=2 C1=2 C2，LED 用其等效模型代替。

　　Von為串聯(lián)開(kāi)啟電壓23.5V，Re為串聯(lián)等效電阻7Ω。當輸出電壓Vo絕對值小于開(kāi)啟電壓Von時(shí)，io=0，相當于空載情況，輸入輸出傳遞函數為：

　　當輸出電壓Vo絕對值大于開(kāi)啟電壓Von時(shí)，負載等效為Ro，輸入輸出傳遞函數為：

　　根據負載特性，當|Vo| 《Von時(shí)，應盡快使得|Vo|上升至Von，以使得LED盡快點(diǎn)亮。從而可使得式（12）的諧振頻率等于S2的開(kāi)關(guān)頻率fs=45kHz即：