新型次級諧振單級PFC LED驅動電源

楊岳毅，曾怡達，李　郎，何　林

(1.鄭州鐵路職業技術學院，鄭州450052; 2.西南交通大學電氣工程學院，成都610031)

由圖2可知，諧振電容Cr電壓在一個穩態開關周期內變化量為2ΔVCr。根據諧振電容Cr電荷平衡原理，可得ΔVCr為:

式中:D2T為一個開關周期內次級電流衰減到0的時間。結合式(6)與式(7)可知，諧振電容電壓平均值VCr=Vo－Vin/n，因此可得次級電流為:

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新型次級諧振單級PFC LED驅動電源

楊岳毅1*，曾怡達2，李郎2，何林2

(1.鄭州鐵路職業技術學院，鄭州450052; 2.西南交通大學電氣工程學院，成都610031)

摘要:通過在傳統單級反激PFC(Power Factor Correction)變換器的二次側加入由電容和二極管組成的諧振單元，實現對變壓器次級漏感能量的再利用，提高變換器效率，而且有效解決了傳統單級反激變換器開關管、輸出二極管電壓應力較大的問題。本文分析了新型次級諧振單級反激PFC變換器工作于電感電流斷續模式DCM(Discontinuous Current Mode)時的工作模態及其穩態工作特性，與傳統型單級反激PFC變換器進行對比分析，并將該變換器應用于LED驅動電路。最后，通過實驗驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞:LED驅動功率因數;校正斷續導電模式;次級漏感諧振

小功率LED驅動電路出于多路輸出和安全角度考慮常采用單級反激PFC變換器［1－5］。但傳統的單級反激PFC變換器由于變壓器漏感嚴重影響了電路的工作效率，同時造成變換器開關管和輸出二極管的電壓應力過大［6］。為了解決存在的問題，本文在傳統單級反激PFC變換器的二次側加入一個諧振電容和一個快恢復二極管構成的新型次級諧振單級反激PFC變換器。分析結果表明該驅動電路不僅提高了變換器的工作效率，而且有效解決了傳統單級PFC變換器開關管、輸出二極管電壓應力較大的問題，并且也可以實現開關管的軟導通和二極管的零電流關斷。

1　工作原理分析

新型次級漏感單級反激PFC變換器如圖1所示，由一個二極管整流橋，一個輸入電容Cin，一個變壓器T，一個開關管S，一個諧振支路Cr和二極管Do1，一個輸出二極管Do2和一個輸出電容Co組成。

1.1輸入電壓正半周時工作模態分析

新型次級諧振單級反激PFC變換器的工作模態與傳統單級反激PFC變換器相似，輸入電壓正半周工作模態與負半周時相同。為了簡化分析，作出假設:(1)輸出電容Co足夠大，輸出電壓保持不變; (2)變壓器漏電感很小，諧振電容Cr遠小于輸出儲能電容Co; (3)不考慮開關器件寄生參數的影響。

圖1　新型次級諧振單級反激PFC變換器

輸入電壓正半周時，工作于DCM模式下的次級諧振反激PFC變換器存在4個工作模態，其主要工作波形如圖2所示。

圖2　正輸入電壓時變換器工作模態的主要波形

模態1［t0～t1］:t0時刻，開關管S導通，勵磁電感Lm兩端電壓等于輸入電壓－Vin，勵磁電感電流iLm線性下降;次級漏感Llk與諧振電容Cr發生諧振，二極管Do1關斷，二極管Do2導通;電容Co向負載放電。在t0～t1期間，勵磁電感電流iLm與次級電流is耦合到初級的電流疊加構成初級電流ip;諧振電容電壓，初、次級電流與勵磁電流分別為:

模態2［t1～t2］:t1時刻，次級電流is諧振到零，次級電流is諧振到0，次級諧振支路停止諧振，諧振電容電壓VCr保持為Vo－Vin/n－ΔVCr，二極管Do2零電流關斷，二極管Do1承受反向電壓Vo－ΔVCr而保持關斷;電容Co向負載放電以維持輸出電壓不變。在t1～t2期間，開關管S仍導通，勵磁電流iLm繼續線性下降。在t0～t1期間，初級電流ip等于勵磁電流iLm。為了在模態2期間實現二極管Do1的零電流關斷，開關管需要在諧振支路發生諧振的半個周期后關斷，即需滿足式(5):

式中:D1T為開關管的在一個穩態開關周期內的導通時間。

模態3［t2～t3］:t2時刻，開關管S關斷，二極管Do1為次級電流is提供續流通路而導通，二極管Do2承受反向輸出電壓Vo而保持關斷;由于變壓器次級漏感Llr遠小于初級勵磁電感Lm，諧振支路的諧振可以忽略;電容Co向負載放電以維持輸出電壓不變。t2～t3期間，諧振電容電壓為:

由圖2可知，諧振電容Cr電壓在一個穩態開關周期內變化量為2ΔVCr。根據諧振電容Cr電荷平衡原理，可得ΔVCr為:

式中:D2T為一個開關周期內次級電流衰減到0的時間。
結合式(6)與式(7)可知，諧振電容電壓平均值VCr=Vo－Vin/n，因此可得次級電流為:

模態4［t3～t4］:t3時刻，由于次級電流is衰減到零，諧振電容兩端電壓上升到Vo－Vin/n+ΔVCr;二極管Do2承受電壓Vin/n－ΔVCr而關斷，二極管Do1零電流關斷;電容Co向負載放電以維持輸出電壓不變。

依據勵磁電感Lm伏秒平衡原理，結合式(3)與式(8)可得:

2　新型變換器特性分析

將VCr=Vin/n代入式(9)可得在交一個穩態開關周期內，該變換器的直流穩態增益為:

依據圖2可得負載電流Io為:

結合式(10)與式(11)可得:

3　實驗

搭建工作于DCM模式下的新型次級諧振單級PFC LED驅動電源的實驗樣機［7－9］，樣機參數為:輸入電壓Vin:85Vrms～135 Vrms，Po= 60 W，Io= 500 mA，f=50 kHz，Lm= 402 μH，Cin= 0.22 μF/400 V，Co= 470 μF/250 V，Lr=4.2 μH，Cr=0.66 μF。采用基于LT494芯片和光耦隔離驅動芯片HCPL3120的單電壓環控制電路來實現LED的恒流控制。

由圖3可知，交流輸入電壓為85Vrms時變換器的輸入電流與輸入電壓同相位，且輸入電流很好的跟蹤輸入電壓的波形，實現了功率因數校正功能。

如圖4所示，兩者都實現了軟導通，而新型次級諧振單級PFC LED驅動電源的開關管電壓應力要明顯小于傳統單級PFC LED驅動電源的開關管電壓應力，新型LED驅動電源的開關管電壓被箝位于nVo+ΔVCr與nVo－ΔVCr之間，而傳統LED驅動電源開關管兩端電壓為初級輸入電壓與輸出電壓耦合到初級的電壓值之和，即nVo+Vin。

圖4　開關管電壓vS與輸入電流ip波形

圖5　快恢復二極管電壓與次級電流波形

如圖5所示，新型單級PFC LED驅動電源的快恢復二極管均能夠實現零電流關斷，有效的消除了二極管的反向恢復損耗;且快恢復二極管承受電壓最大值為Vo，明顯低于傳統型LED驅動電源的次級二極管電壓應力。

在相同實驗樣機上，對新型LED驅動電源與傳統型LED驅動電源的效率進行比較。由圖6可知，新型次級諧振單級PFC LED驅動電源的滿載效率達到91%以上，遠高于傳統型驅動電源的效率。

圖6　滿載時變換器效率曲線

4　結論

研究了一種新型次級諧振單級PFC LED驅動電源，詳細分析了該變換器在DCM模式下的工作過程，并與傳統型LED驅動電源進行了比較分析。分析及實驗結果表明:新型LED驅動電源能夠實現功率因數校正，同時提高了變換器效率，有效解決了傳統反激PFC變換器開關管、輸出二極管電壓應力較大的問題，并且可以實現開關管的軟導通和二極管的零電流關斷。最后，通過實驗驗證了理論分析的正確性。

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楊岳毅(1987－)，男，漢族，河南省洛陽市人，鄭州鐵路職業技術學院助教，碩士研究生，研究方向為功率因數校正技術，yyy94227@163.com;

曾怡達(1973－)，男，博士生，副教授，主要研究方向為功率開關變換器，yidaz@126.com。

Design and Implementation of Wireless Group Controller of Micro-Robots*

ZENG Yan*
(Si Chuan Information Technology College，Guangyuan Sichuan 628040，China)

Abstract:As wireless data transmission and multi-channel servo controller are required in the group control of microrobots，we propose a design of controller that realizes wireless group control of the 16-channel servo on the basis of STC12C5A60S2 and CC2530.In this design，independent control of the rotation angle and speed of multi-channel servo is achieved by adopting polling and incremental PWM method.In this way，it allows Ad Hoc network，wireless transmission and remote ISP to function based on Z-STACK Protocol Stack.The design is tested through experiments and it makes possible the wireless group control of several micro-robots that contain multi-channel servo.

Key words:robot controller; polling algorithm; wireless group control; remote upgrade

doi:EEACC:7210B10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.017

收稿日期:2014－09－15修改日期:2014－11－02

中圖分類號:TM46

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0794－04