基于可變電感的諧振式多路均流LED驅動器

梁國壯，田涵雷，徐曉玉

(河北科技大學 電氣工程學院，河北 石家莊 050018)

基于可變電感的諧振式多路均流LED驅動器

梁國壯，田涵雷，徐曉玉

(河北科技大學 電氣工程學院，河北 石家莊 050018)

為了解決現有LED驅動器采用變頻控制實現后級的調光EMI高、脈寬調制(PWM)控制電路結構復雜，引入LLCC，LCLC等高階諧振拓撲實現恒流輸出系統體積大，成本高且功率密度低等問題，提出了一種基于可變電感的諧振式多路均流LED驅動器。采用可變電感(VI)代替固定電感值的方法，改變諧振頻率實現調光及后級控制；引入諧振實現各開關管零電壓開關 (zero voltage switching，ZVS)；將諧振電容用于各路均流以簡化驅動器系統結構。根據LED驅動電路理論分析和仿真，設計制作了11 W實驗樣機，實現了4路LED均流調光。研究結果表明多路LED驅動電路改善了驅動器的均流和變頻調光性能，提高了驅動器的功率密度和使用壽命，適合在手術照明和家庭照明中應用。

電子電路；LC諧振；可變電感VI；多路均流；LED調光

與現有燈具相比，LED具有壽命長、效率高、能耗低和響應快等特點[1-3]。然而LED受限于自身特性，難以滿足大功率照明場合。同時，作為電流型器件其光特性受驅動電流影響明顯，電壓的微小變化會造成電流急劇變化，進而導致大電流一路燈串發生光衰甚至損壞而影響整個LED驅動器壽命與可靠性，因此實現各路燈串均流尤為重要[4-5]。有源均流擁有高均流精度[6-7]，但大量開關器件與控制芯片的引入，導致整個系統效率下降，成本增加。為此文獻[8]提出采用電容充放電特性實現兩反并聯支路均流，但擴展單元功率密度較低。為了滿足驅動電路易擴展的性能，文獻[9]采用電容阻抗匹配實現均流，即利用電容容抗遠遠大于LED內阻的特點，使其每一路電流近似取決于電容，從而實現各支路自均流，但隨著路數增加均流效果銳減。文獻[10]同時利用電容阻抗匹配與電荷平衡實現多路均流，但為滿足定頻下恒流輸出而設計的LCLC，LLC諧振網絡使驅動器體積大幅度提升。文獻[11—12]利用可變電感在定頻下實現了多路輸出，但需要每一路增加反饋控制，勢必導致整個驅動器結構復雜、器件繁多，同時隨著路數增加導致可變電感數量倍增，導致損耗增大、成本增高。

為了克服上述LED驅動器優點不能兼顧的問題，本文從傳遞效率、小型化、定頻輸出考慮，提出基于可變電感的恒頻非隔離型多路LED驅動器： 利用可變電感改變諧振頻率實現調光，避免了變頻下高EMI的問題；且在均流電容的同時用于諧振電路，簡化了驅動器電路結構；電路結構易擴展，僅需一個電容與兩個二極管便可增加兩路輸出。

1 電路結構和工作原理

1.1 電路結構

圖1為基于可變電感的恒頻非隔離型多路LED驅動器原理圖，由半橋斬波電路、LC串聯諧振單元及整流單元組成，其中開關管：S1，S2，輸出電容：C01，C02，Ds1，Ds2，Cs1，Cs2分別為開關管S1，S2體二極管和寄生電容。Cn為參與諧振的均流電容，整流二極管D1-D4完成半波整流并隨輸出路數增多而增加，Lvi為可變電感與前級構成諧振使電路工作在感性區完成半橋軟開關(ZVS)。

1.2 工作模態分析

圖2為驅動器穩態工作周期波形，電流工作在連續狀態，各工作模態如圖3所示。為簡化分析，文中做出如下假設：1)電路中開關管均為理想器件；2)整流二極管無反向恢復時間；3)LED燈串兩端的輸出電容Co足夠大，紋波近似為零。

模態1[t0-t1]:t0時刻，S2得到觸發脈沖，諧振電流Ir通過體二極管Ds2與LED2，LED4構成回路。此時輸出電容Co為LED1，LED3提供能量。

模態2[t1-t2]:t1時刻，電流Ir通過零點極性由負變正，S2兩端被Ds2鉗位，開關管S2零電壓開通(ZVS)，此過程Ir與LED1，LED3構成回路。

模態3[t2-t3]:t2

模態4[t3-t4]:t3時刻，Ds1自然導通。同時，S1得觸發信號，但未導通。此時體二極管Ds2續流，并與LED1，LED3構成回路。

模態5[t4-t5]:t4時刻，Ir過零為負，S1兩端被Ds1鉗位，S1零電壓開通(ZVS)。此時Co為LED1，LED3提供能量。

模態6[t5-t6]:此階段，與模態3相似，由于Cs2作用，S1軟關斷。電路進入短暫的死區時間，死區結束繼續重復上述[t0-t6]工作周期。

1.3 多路LED自均流分析

驅動器每支路均流方式相同，因此僅取一路分析。[t0-t1]、[t4-t6]階段對電容Cn放電，[t1-t4]內對電容充電。 已知電量、開關周期Ts與電流Ir1關系，根據電容1周期內電荷平衡，可知：

式中：Ir1為第一支路流經電容Cn的諧振電流；Qdis為Cn一周期內放電量；Qch為Cn一周期內充電量。

通過式(1)可知，每支路兩串LED電流均衡僅取決均流電容Cn電荷平衡，而不受兩路LED電壓偏移影響。

任意兩支路阻抗模型如圖4所示，根據文獻[13]可知，正弦交流電源供電時整流電路與其并聯直流電阻Rdc可用交流電阻Rac等效，其中LED燈串電壓為ULED，且饋入整流電路的電流Ir峰值為Ip，則平均功率Pa為

(2)

根據電路能量守恒原則，則：

對式(3)簡化得Rac=2Rdcπ-2，其中任意兩支路阻抗為Zj與Zk，則兩支路的電流比值為A，其中ω=2πfs，當容抗遠遠大于LED燈串等效交流電阻Rac時，將式(6)重做推導，則：

分析式(5)，由均流電容Cn容值關系可知A=1，因此支路間可實現自均流。

2 VI設計與調光分析

2.1 VI設計

可變電感VI設計的重要環節為最大、最小電感值選取，同時必須考慮磁芯尺寸、氣隙、繞組導線、磁導率與匝比等問題[14-15]。VI采用EI磁芯，結構如圖5所示。VI輸出端電流Ir、兩側控制繞組電流Idc、控制繞組與輸出繞組匝數(Ndc，N)和磁通如圖5 a)所示。其中VI在Lvi-min—Lvi-max范圍內可調。圖5 b)為VI阻抗模型，則電感線圈磁通量Фcn：

由式(6)可知，當控制電流Idc值為零時，Фcn最小，此時Ir為最小值。左、右臂阻抗與中間臂阻抗相比可忽略。對等式(6)重做推導得

則最大電感

與式(8)分析不同，此時左、右橋臂阻抗為Zdc-max不能忽略。則最小電感值Lvi-min：

2.2 恒頻調光分析

與傳統串聯諧振相似，增益分析采用基波近似法，只考慮方波輸入的基波分量。其中Ceq，Req分別為m路等效容值與LED燈串等效電阻：

將式(10)代入式(11)整理，則：

XL=2πfsLvi。

(13)

觀察式(12)可知，電壓增益僅取決于XL，其余均為已知參數。在受到外界擾動時，控制回路通過調節VI值捕獲合適Q值曲線實現定頻下的恒流輸出。

根據歐姆定律，LED燈串輸出電流為Irn：

整流后Io的均方值(即平均輸出電流Ia)：

對式(15)分析知，VI改變直接影響平均輸出電流Ia，w值不變。在理論分析中，LED驅動器可實現10%～90%大范圍內調光。

3 仿真與實驗分析

3.1 仿真分析

為了驗證驅動器的可行性，根據文獻[16]提出的LED等效模型，綜合上述參數分析，設計仿真參數如表1所示，關鍵點的仿真波形如圖7、圖8所示。

圖7為4路近似直線的輸出，并且快速穩定在350 mA，說明了本文所提驅動器均流效果佳。

圖8為改變Lvi值后的4路輸出，基本穩定在120 mA，因此驗證了可變電感用于調光的可行性。

表1 仿真電路參數

3.2 實驗分析

為了進一步驗證LED驅動器的均流效果，基于上述理論和仿真分析，采用XR-E LEDs搭建了一臺11 W的原理樣機，驅動4路LED燈串輸出，4路燈珠數量分別為4，5，6，7以增大離散性驗證均流效果。實驗參數和仿真參數一致，具體實驗儀器和器件型號如表2所示，關鍵點實驗波形如圖9—圖13所示。

圖9中半橋斬波電路輸出電壓Vp超前諧振電流Ir，電路工作在感性區，因此主開關管軟開關(ZVS)得以實現，開關損耗低。

表2 實驗器件型號

圖10為4路輸出電流波形。支路內2路輸出電流波形互補相位相差半個周期，與理論分析一致。從4路近似直線的輸出可知，利用電容阻抗匹配與電荷平衡相結合實現了多路LED均流的優點。

圖11為4路輸出電流紋波，文獻[17—20]輸出電流紋波(即電流峰峰值)在10%以內，LED照明不會閃爍；然而，第3路LED燈串紋波最大為33 mA，仍在可接受范圍內。

圖12為通過控制線圈改變電感值后的4路輸出電流波形，由圖12幾乎直線的輸出，證明了論文利用可變電感實現LED亮度調節的可行性。

圖13表明，與傳統的PWM調光電路[12]相比較，論文所提多路LED驅動器結構擁有更高的傳遞效率。

4 結 論

本文設計了一種基于可變電感的諧振式多路均流LED驅動器，通過VI的控制線圈改變電感值實現后級調節，消除了采用LCLC，LLC等高階諧振網絡實現恒流造成功率密度較低的缺點。利用體積較小的可變電感與均流電容相結合實現了LED亮度大范圍調節，同時采用電容阻抗匹配與電荷平衡相結合實現多路均流，VI作為諧振單元實現了半橋開關管的ZVS，具有驅動電路結構簡單、效率高和成本低的優點。論文給出了多路LED驅動器電路理論分析和VI的設計步驟，通過實驗樣機驗證了驅動器電路的正確性和可行性，樣機效率達到92.1%，適用于手術燈、家庭照明等小功率場合。驅動器功率增大時VI輔助繞組損耗增加，導致功率密度下降，因此大功率LED驅動器需要進一步研究。

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A resonant multi-channel sharing current LED driver based on variable inductor

LIANG Guozhuang， TIAN Hanlei， XU Xiaoyu

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to solve the problems of the traditional LED driver adopting the frequency control with high EMI, pulse width modulation (PWM) with the complex control circuit，and the LLCC, LCLC resonant topology realizing constant current output system with the large volume, high cost and low power density, a resonant multi-channel sharing current LED driver based on variable inductor is presented. The variable inductor(VI) is used to replace the fixed inductance, which changes the resonant frequency for achieving dimming and controlling. Meanwhile, the resonant is introduced to realize the high conversion efficiency in ZVS(zero voltage switching) of all devices. The current sharing capacitor is used in each channel to simplify the structure of the circuit. Based on the theoretical analysis and simulation, an 11 W laboratory prototype is built to achieve the 4-channel LED driver. The research results show the multiple LED driver improves the characteristic of the current-sharing and frequency conversion dimming, as well as the power density and the service life of LED drivers, suiting for application in surgery dimming and home lighting.

electronic circuit; LC resonant; variable inductor VI; multi-channel current sharing; LED dimming

1008-1542(2017)06-0570-08

10.7535/hbkd.2017yx06010

TM46

A

2017-09-26；

2017-11-08；責任編輯：李 穆

國家高新技術研究發展計劃項目(863計劃)(2015AAXXXX11)

梁國壯(1968—)，男，河北蠡縣人，副教授，碩士，主要從事電力電子技術、電機電器及其控制技術方面的研究。

E-mail:guozhuangliang@hebust.edu.cn

梁國壯，田涵雷，徐曉玉.基于可變電感的諧振式多路均流LED驅動器[J].河北科技大學學報,2017,38(6):570-577.

LIANG Guozhuang，TIAN Hanlei，XU Xiaoyu.A resonant multi-channel sharing current LED driver based on variable inductor[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(6):570-577.