（物理电子学专业论文）大功率led驱动电源设计.pdf

摘要 摘要 全球能源短缺一直是人类面临的重要的问题。我们平时广泛使用的白炽灯、荧光 灯等照明光源的光电转换效率通常很低，它们所消耗的能量中真正用于照明的部分相 当少，这就造成了能源的极度浪费。l e d 作为新一代照明光源，其节能、环保的特点 将引领一个崭新的照明时代。目前，l e d 日光管、球泡灯等小功率产品的驱动已经趋 向无电源化，但l e d 路灯、隧道灯等大功率产品的驱动方式仍是采用高频开关电源。 本文针对目前市场上l e d 路灯的功率等级，设计了一款1 2 0 w 的l e d 路灯驱动电 源。该方案输出电压高而输出电流相对较小，这样可以减少开关元件的损耗，不需要 同步整流仍然可以实现高效率，而且在不增加元件电压应力的基础上，减小元件的电 流应力要求，节省成本。为了体现l e d 绿色照明的优势，则要求驱动电源必须具有效 率高、对电网无污染等特点。基于此，本文采用3 级驱动电路结构。第l 级为b o o s t 拓扑 结构，实现高频开关电源的功率因数校正，减少对电网的污染；第2 级用l l c 拓扑结构 实现主功率级软开关的工作模式，减少开关器件的损耗，相比采用有源钳位正激式拓 扑结构驱动的l e d 路灯，其效率可以提高5 个百分点左右；第3 级为b u c k 拓扑结构，为 l e d 提供恒流模式驱动。该驱动电源为4 路输出，即第3 级为4 个b u c k 恒流电路并联，每 路输出3 0 w 。 文章首先介绍了p f c 的意义和工作原理，确定选用有源功率因数校正( a p f c ) 电路。 分析了其工作模式，并对主电路参数进行了推导与设计。控制芯片选用f a n 7 9 3 0 c ，其 工作频率高于目前市场上主流的p f c 芯片l 6 5 6 3 ，可使电感体积减小。其次介绍了不对 称半桥l l c 谐振变换器的工作原理，借助f h a 电路模型对其特性进行详细分析，并完 成了谐振网络参数和控制电路参数的设计，在设计变压器时，打破常规的计算方式， 将变压器次级的漏感折算到原边，使计算出的参数更接近实际值。控制芯片选用 f s f r 2 1 0 0 ，其内部集成 h i g h s i d em o s 和l o w - s i d em o s ，大大简化了驱动电路，减 少了外围电路元件，降低了成本。然后给出了基于b u c k 拓扑结构的恒流电路设计，并 进行了参数计算。最后画出电源的p c b 板，制作一台8 5 v a o 也6 4 v a c 输入，4 路6 0 0 m a 输出的l e d 驱动电源样机，并对其进行测试，给出电源关键部分电压电流波形，并加 以分析说明。实验结果表明该设计方案的合理性与可行性。 关键词：l e d 路灯；p f c ；软开关；l l c 谐振变换器；恒流源 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h e g l o b a le n e r g ys h o r t a g eh a s b e e na n i m p o r t a n t i s s u ew ef a c e d t h e p h o t o e l e c t r i c c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fi n c a n d e s c e n t ，f l u o r e s c e n ta n do t h e r l i g h t i n g e q u i p m e n tt h a tw ew i d e l yu s e di sv e r yl o w t h ee n e r g yu s e df o rl i g h t i n gt h a tt h e y c o r l s u m ei sv e r yf e w ，w h i c hc r e a t e st h ee x t r e m ew a s t eo f e n e r g y l e da l er e c o g n i z e d a san e wg e n e r a t i o no fl i g h t i n g ，e n e r g y s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a l l yf i i e n d l yf e a t u r e sw i l l l e a dt oan e we r ao fl i g h t i n g c u r r e n t l y , t h ed r i v eo fl e df l u o r e s c e n tt u b e ，b u l bl i g h t a n do t h e rl o w - p o w e rp r o d u c t sh a v et e n d e dt ow i t h o u tp o w e rs u p p l y b u tt h ed r i v e ro f l e ds t r e e tl i g h t s ，t u n n e ll i g h t sa n do t h e rh i g h - p o w e ra l es t i l lu s i n gt h eh i g h - f r e q u e n c y s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a c c o u r d i n gt ot h ep o w e rl e v e lo ft h el e ds t r e e tl a m po nt h em a r k e t ，a12 0 w l e ds t r e e tl i g h td r i v e ri sd e s i g e d t h i sp r o g r a mi sh i g ho u t p u tv o l t a g ea n dl o wo m p m c u r r e n t ，t h u sr e d u c e st h el o s so ft h es w i t c h i n ge l e m e n t s i nt h ec a s eo fn on e e d s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n , c a ns t i l l a c h i e v eh i g he f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ec u r r e n t s t r e s so ft h ec o m p o n e n t sw i t h o u ti n c r e a s et h ev o l t a g es t r e s s i no r d e rt op r e s e n t t h ec e t e e n l i g h t i n ga d v a n t a g e o fl e d ，t h ed r i v e ri s r e q u i r e de n f f i c i e n c l y a n d n o n - p o l l u t i n gt ot h eg r i d b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e ru s e st h r e es t a g e sd r i v ec i r c u i t t h e f i r s t s t a g ei s b o o s tt o p o l o g y b eu s e dt oc o r r e c tt h ep o w e rf a c t o rt or e d u c et h e p o l l u t i o no f t h eg r i d t h es e c o n ds t a g ei sl l ct o p o l o g y b eu s e dt oa c h i e v et h es o r s w i t c h i n go f m a i np o w e rs t a g et or e d u c et h el o s so fs w i t c h i n gd e v i c e s t h et h 矾s t a g e i sb u c kt o p o l o g y b eu s e dt om a k el e dw o r k i n go nt h ec o n s t a n tc u r r e n tm o d e t h e r e a l e4o m p u t so ft h i sd r i v e r s ot h e r ea l e4c o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i t si np a r a l l e li nt h e t h i r ds t a g ea n de a c ho m p u t3 0 w f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h e p f c ，d e t e r m i n e st o s e l e c tt h ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( a p f c ) ，a n a l y s e st h e o p e r a t i n gm o d eo fp f ca n dd e r i v e sa n dd e s i g n st h em a i nc i r c u i tp a r 龇n e t e r s s e l e c t s f a n 7 9 3 0 cc h i pw h o s e o p e r a t i n gf r e q u e n c yi sh i g h e r t h a nl 6 5 6 3 c h i pa s t h e c o n t r o l l e ro fa p f c ，s ot h a tt h ei n d u c t o rv o l u m ei sd e c r e a s e d s e c o n d l y , t h ep a p e r n a b s t r a c t d e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h el l cr e s o n a n tc o n v e r t e r w i t ht h ef h ac i r c u i t m o d e lt oc o n d u c tad e t a i l e da n a l y s i so fl l cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc o m p l e t e dt h ed e s i g n o f t h er e s o n a n tn e t w o r kp a r a m e t e r sa n dc o n t r o lc i r c u i tp a r a m e t e r s s e l e c t sf s f r 210 0 c h i pw h i c hi n t e g r a t e sw i t ht h eh i g h - s i d em o sa n dt h e l o w - s i d em o sa st h e c o n t r o l l e ro fl l ca n dg r e a t l ys i m p l i f i e st h ed r i v ec i r c u i t t h e ng i v e so u tt h ed e s i g no f t h ec o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o lc i r c u i tb a s e do nt h eb u c kt o p o l o g ya n dc a l c u l a t e st h e p a r a m e t e r s f i n a l l y , d r a w st h ep c bo ft h ed r i v e ra n dp r o d u c e sap r o t o t y p ew h i c hi s 8 5 - 2 6 4 v a ci n p u ta n d4 - w a y6 0 0 m a o u t p u t t e s tt h ep r o t o t y p ea n dg i v e so u tt h ek e y w a v e f o r m so ft h ev o l t a g ea n dc u r r e n t ，a n da n a l y s e s i t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w s t h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g n k e y w o r d s ：l e ds t r e e tl i g h t s ；p f c ；s o f ts w i t c h ；l l cr e s o n a n tc o n v e r t e r ；c o n s t a n t c u r r e n ts o u r c e i i ! 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s i r a c i l l c h a p t e ro n ei n t r o d u c t i o n i 1 1t h eb a c k g r o u n da n do r 远i no f t h et o p i c 1 1 1 1t h eb a c k g r o u d 1 1 1 2t h eo r i g i n 2 1 2t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f t h el e dd r i v e r 2 1 3m e a n i n go f t h et o p i c 3 1 4m a i nc o n t e n to f s t u d y i n g 4 1 5a r r a n g e m e n ta n ds t r u c t u r e 4 1 6b r i e fs u m m a r y 5 c h a p t e rt w ol e dw o r k i n g p r i n c i p l ea n dd r i v em o d e 6 2 1l e dw o r kp r i n c i p l e 6 2 1 1t h eb a s i cp r i n c i p l e so fl e dl i g h t i n g 6 2 1 2l e dv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c 7 2 2l e dd r i v em o d e 7 2 3b r i e fs u m m a r y 8 c h a p t e r t h l e ep f cc i r c u i td e s i g n 10 3 1t h em e a n i n go f t h ep f c 10 3 2t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ep f cc i r c u i t 1 2 3 2 1t h es e l e c t i o no f t h ep f cp r o g r a m 。12 3 2 2b c mb o o s tp f cc o n v e r t e rp r i n c i p l e 13 3 2 3b o o s tp f ci n d u c t a n c ed e s i g n 14 3 2 4b o o s tp f cs w i t c ha n dd i o d es e l e c t i o n 18 3 2 5b o o s tp f cc i r c u i to u t p u tc a p a c i t o rs e l e c t i o n 18 3 3b r i e f s m m m r y 1 9 c h a p t e rf o u rl l cr e s o n a n tc o n v e r t e r d e s i g n 2 0 4 1t h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo f l l c 2 0 4 2t h ew o r kp r i n c i p l eo f l l cr e s o n a n tc o n v c t t e l 2 1 c o n t e n t s 4 3f h a a n a l y s i sa n dd e s i g no f l l cm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s 2 4 4 3 1t h ef h a a n a l y s i s 2 4 4 3 2l l cr e s o n a n tn e t w o r kp a r a m e t e r sd e s i g n 2 7 4 3b r i e fs u m m a r y 3 3 c h a p t e rf i v et h ed e s i g no fd c - d cc o n s t a n tc u r r e n t p a r t 3 4 5 1t h es e l e c t i o no f d c d cc o n s t a n tc u r r e n tp r o g r a m 3 4 5 2d c - d cc o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i tp a r a m e t e rd e s i g n 3 5 5 2 1t h eb u c ki n d u c t o rd e s i g n 3 5 5 2 2t h ed e s i g no f c o n t r o lc i r c u i t 3 6 5 3b r i e f s u m m a r y 3 7 c h a p t e rs i xt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n da n a l s i s 3 8 6 1p f cc i r c u i tt e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 8 6 2l l cr e s o n a n tc o n v e n e rt e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 9 6 3b u c kc o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i tt e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s 4 3 6 4b r i e fs u m m a r y 4 4 c o n c l u s i o n s 4 6 r e f e r e n c e s 4 8 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gm a s t e r ss t u d i e s 5 1 t h eo r i g i n a ls t a t e m e n t 5 2 d i s s e r t a t i o nc o p y r i g h tl i c e n s es t a t e m e n t 5 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 4 v n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的选题背景和来源 1 1 1 选题背景 人类采用电光源照明的方式经历了白炽灯、气体放电灯( 荧光灯、卤素灯) 等 两个时代。随着地球环境的日益恶化，人们越来越注重自身健康，特别是环境因 素对人体健康的影响。照明光源的频闪、紫外线辐射、眩光等因素造成的光污染 对人体健康的影响已经到了不能被忽视的地步n ，。而l e d 作为无频闪、无紫外线 辐射的固态新型照明光源，加上应用光扩散技术消除眩光，使之成为节能环保的 绿色光源。 目前，在世界各国重视节能减排的背景下，l e d 被逐渐应用于通用照明领域， 道路照明则是其中一个极具潜力的应用方向n ，。由于其电光转化效率非常高，能 耗理论上仅有白炽灯的1 0 ，相比荧光灯，可以达到5 0 的节能效果，因而具有 节能环保的优势。可广泛应用于景观照明、安全照明、特种照明和普通照明等领 域，市场潜力巨大大功率l e d 照明设备已经获得了各国市场的广泛认同，并 逐渐呈现出对传统照明替代的趋势。为了推动传统照明向l e d 照明转变的产业升 级，各国政府在政策和资金上都给予了很大支持。未来在多重利益因素的影响下， 户外大功率l e d 照明市场将得到长足的发展，同时将带动大功率l e d 驱动电源市 场的同步发展。 由于我国经济的高速发展，2 0 0 3 年，国内出现用电紧张，政府明确指出“大 力推广节电新技术新产品，努力降低城市照明电耗积极推广半导体照明”， 并于同年6 月正式启动“国家半导体照明工程”- 。同时，我国将l e d 照明作为能源 战略发展的一部分，列入了国家科技部“8 6 3 计划”以及国家“十一五计划 纲要。 2 0 0 8 年底，国家出台“十城万盏”项目规划，并在0 9 年扩大至2 1 个应用试点城市， 从市场需求角度，拉动l e d 照明产业的快速发展。2 0 1 0 年1 0 月，六部委还联合出 台了 半导体照明节能产业发展意见，成为指导和推动该产业发展的核心政策 。2 0 1 1 年作为“十二五规划”的开局之年，科技部出台 国家“十二五”科学和技 术发展规划，明确了未来五年战略性新兴产业及其他产业的扶持重点。将半导 广东工业大学硕士学位论文 体照明列为节能环保产业技术发展的重点，其对l e d 发展目标的表述为：2 0 1 5 年半导体照明占据大陆通用照明市场3 0 以上份额，产值预期达n s o o o 亿元，推 动中国半导体照明产业进入世界前三强1 。而且l e d 发光效率也有突破，在技术 上已经可以满足通用照明领域的需求。 在国家相关政策的支持下大功率l e d 路灯已成为各地政府基础建设投资中 的重点。大功率l e d 驱动电源，是指主要用于l e d 路灯、隧道灯、地铁( 轻轨) 灯 等户外大功率l e d 照明设备的驱动电源，属于开关电源的一种，它的功能是把交 流市电转换成直流电，同时完成与大功率l e d 的电压和电流的匹配。大功率l e d 驱动电源市场与下游行业，特别是大功率l e d 路灯的发展密切相关。正是在这样 的背景下，本文把开关电源行业中逐渐成为研究热点的l l c 谐振变换器与l e d 驱 动器特点相结合，设计出一款高效率，高功率因数，性能可靠的大功率l e d 驱动 电源。 1 1 2 课题来源 本课题的来源是：广东省广州市某光电科技有限公司“l e d 路灯驱动电源设 计”的企业课题。 1 2l e d - b 区动电源的发展现状 l e d 是温度敏感型半导体器件，其工作电压和电流的变化都会影响其发热。 温度越高，在施加相等电压下其流过的电流越大，使其功耗增加，结温上升，形 成恶性循环，最终导致其失效。因而在实际应用中必须使l e d i 作在稳定的状态， 并提供相应的保护措施，从而产生了驱动电源的概念。l e d 对驱动电源的要求十 分苛刻，对于不同用途的l e d 灯，要设计不同的变换电路。国际市场上对l e d 驱 动电源的转换效率、功率因数、电源寿命、电磁兼容等要求都非常高，设计一款 好的电源必须要综合考虑这些因素，否则l e d 照明的优势将无法体现。 大功率l e d 驱动电源使用的是开关电源，这种驱动电源是目前效率最高的功 率变换器。在开关电源的交流输入端，由二极管和大容量的电解电容组成的整 流滤波电路被普遍使用。由于电路的非线性，这类电源的输入电流与电压并不是 同相的正弦波，包含了大量的奇次谐波，导致功率因数较低因此有必要对这类 2 第一章绪论 电源的输入电流波形进行整形，校正其功率因数。近几年来，p f c 技术得到大量 研究，有了多种实现方式。目前单级p f c 已成为研究的重点和热点，许多新的电 源技术被应用到单级p f c 拓扑中。但在单级p f c 电路中，由于单个开关管必须同 时实现p f c 功能和输出电压调节功能，因此其效率和性能都逊色于两级p f c 变换 器，一般这种p f c 电路多用在几十瓦的中小功率场合。两级式有源p f c 变换器是 比较成熟的功率因数校正方式。该校正方式的p f c 电路对谐波的处理很好，可 以达n 0 9 9 以上的高功率因数。具有独立的p f c 级和d c d c 主功率级，前级p f c 可以实现对d c d c 功率级的输入直流电压预调节。输出电压比较精确，带载能力 较强，效率高，适用于功率较高的场合。目前1 0 0 w 以上的l e d 路灯驱动电源多 采用两级p f c 变换器。 目前，在开关电源的电路结构上，l e d 驱动电源的主功率级同时存在b u c k 、 b o o s t 、反激式、正激式、半桥式等几种拓扑结构。b u c k 、b o o s t 电路用于非隔离 型驱动，但b u c k 电路使用较多，多用于l e d n 光管；反激式、正激式、半桥式用 于隔离型驱动，其中反激式电路常用在需隔离的小功率场合，变压器漏感需要吸 收电路，效率不高n 。如l e d 日光管、球泡灯、筒灯等。正激式和半桥式用于高 功率产品，如隧道灯、路灯。但半桥式结构已逐渐成为大功率l e d 驱动电源研究 的热点。目前软开关技术已开始用于l e d 路灯的驱动电源中，而以l l c 谐振半桥 实现软开关的技术，由于其设计复杂、困难，在过去很少受到关注，研究基本停 留在大学的实验室里面n 町。不过，这几年间，i c s j j 造商已开发出用于l l c i 孝振变 换器的控制芯片，而且发表了许多相关技术文章和设计工具，让其设计变得相对 容易，并使得这种技术获得更多的关注。在将来l l c 谐振变换器将成为大功率 l e d 驱动电源最流行的主功率级拓扑。 1 3 论文意义 l e d 驱动电源是l e d 产业链的发展的保障，l e d 驱动电源的品质直接制约了 l e d 产品的可靠性。目前，l e d 路灯驱动电源的种类繁多，基本上分为反激式、 正激式和半桥式等。l l c 谐振变换器是不对称式半桥拓扑结构，其可以在输入电 压全范围和负载从满载到空载变化的情况下，输出电压有良好的调节性，并且可 实现软开关功能，效率可以做得很高，这正符合大功率l e d 驱动电源的要求，l l c 3 广东工业大学硕士学位论文 谐振变换器具有重要的研究价值。 1 4 论文的主要研究内容 1 本论文需要研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) l e d 发光原理及驱动方式。 ( 2 ) 功率因数校正( p f c ) 的意义和原理，分析p f c 技术现状，给出设计过程。 ( 3 ) 借助f h a 模型介绍了l l c 谐振变换器的工作原理，分析其工作模式， 并给出具体设计方法。 ( 4 ) 输出级大功率l e d 恒流方案的设计。 ( 5 ) 制作出样机，并进行测试，验证分析。 2 根据本课题欲实现的功能和所要研究的内容，采取以下研究步骤来实现： ( 1 ) 进行系统整体功能分析与可行性研究，合理地将整个系统划分成各个 功能模块。 ( 2 ) 各个功能模块的电路原理设计、元器件选择与特性测试。 ( 3 ) 各个功能模块的调试、系统整体电路调试。 ( 4 ) 测试关键点波形，分析结果。 1 5 论文的结构安排 第一章介绍了本课题的选题背景和来源，分析l e d 驱动电源的发展现状，在 此基础上指出了本论文的意义所在和所做的主要工作，并对论文结构安排作了说 明。 第二章详细介绍l e d 发光原理和驱动方式。 第三章详细介绍p f c 的意义和原理，分析p f c 技术现状，给出设计过程。 第四章详细介绍l l c 谐振变换器的工作原理，分析其工作模式，给出具体设 计方法。 第五章详细介绍了输出级恒流方案的设计。 第六章制作样机，性能测试，并对测试结果进行分析。 最后是结论部分。对本文的工作进行总结和分析。 第一幸绪论 1 6 本章小结 第一章介绍了本课题的选题背景和来源，分析l e d 驱动电源的发展现状，在 此基础上指出了本论文的意义所在和所做的主要工作，并对论文结构安排作了说 明。 5 第二章l e d 工作原理与驱动方式 2 1l 印工作原理 2 1 1l e d 发光基本原理 l e d 是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，其实质是一个p n 结。热平衡状态下p n 结内部的扩散和漂移运动达到平衡，内建电场稳定。在常 态下n 区内部迁移率很高的电子与p 区内部迁移率较低的空穴不能发生自然复 合。当p n 结外加正向电压时，内建电场被削弱，使空间电荷区变窄，结区的势 垒降低，载流子的扩散运动加强。由于电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此电 子由n 区扩到p 区，空穴由p 区扩到n 区。当电子与空穴复合时，电子以辐射光子 的形式将多余的能量释放出来转化为光能，便形成电致发光现象。电子和空穴之 间的能量越大，产生的光子能量就越高m ，。除了这种发光复合外，还有一些电子 被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。 这些不能发光的载流子被杂质能级所捕获，最后以发热的形式消耗掉。图2 1 为 l e d 发光原理示意图。 结区 图2 1l e d 发光原理示意图 f i g 2 1l e d i l l u m i n a t i o np r i n c i p l es c h e m a t i cd r a w i n g 6 第一幸绪论 2 1 2l e d 伏安特性 l e d 与普通p n 结二极管具有相似的伏安特性。当l e d 外加正向偏置电压小 于阈值电压时，l e d 中有较小电流或没有电流流过；当外加正向偏置电压大于阈 值电压时，流过l e d 的电流将随电压增大而急剧增大。在很宽的工作电流范围内， 工作电流与工作电压近似成线性关系n ，其伏安特性曲线如图2 2 所示： 击穿区 i l i ： - v b 0爿； 弓呼一一一二。i 一正向工i 旷区7 、- 。? 正向死区 图2 2l e d 伏安特性曲线 f i g 2 2c u r v eo fl e dv o l t = a m p c r ec h a r a c t e r i s t i c ( 1 ) 、正向特性。当l e d 外加的正向电压v f 超过某一数值后，才有显著的电 流流过l e d ，如图2 - 2 中的正向工作区所示，此时l e d 发光，该电压值称为阈值 电压，如图2 - 2 中a 点。当v 削a 时，外加电场尚未克服少数载流子扩散而形成势 垒电场，此时l e d 正向电阻值很大，几乎没有电流流过，l e d 不发光，如图2 2 中的正向死区所示。 ( 2 ) 、反向特性。当l e d 夕f 加反向电压时，其反向电阻很大，反向漏电流很小， 此时l e d 处于反向截止状态，如图2 2 中的反向死区所示。当反向偏压v o 4 7c m 4 。 电感所需匝数由下式求得： = 箍 ( 3 1 7 ) 得到n b o o 曩= 3 1 8 ，取3 2 匝。由于电感电流最大有效值i l n 。f 1 9 4 a ，采用0 1 m m 的漆 包线，5 0 股并绕。由下式求得实际电流密度： 扛一刀x x n w l r e 。j 劬 求得j = 4 9 4a m m 2 。 1 7 广东工业大学硕士学位论文 由于f a n 7 9 3 0 芯片的z c d 引脚用来检测升压电感的电流过零点。当电感电流 变为零时，m o s f e t 漏极等效电容和升压电感产生谐振。为了最小化恒定开通时 间的恶化和开通损耗，当m o s f e t 漏源极电压v d 。达到谷底时，门极再次开通。 当输入电压低于输出电压一半时，如果在谷底处触发m o s f e t 开通，就可能实现 零电压开关( z v s ) 。该功能通过一个绕在升压电感上的辅助绕组来实现。辅助绕 组必须提供足够的能量，才能触发z c d 阈值电压开启零电流检测。最小辅助绕组 匝数计算如下： k 瓦了v z e d 面xd v = b o o a = 3 1 9 ) 其中v z 耐= 1 5 v 。为了保证工作稳定，在式( 3 1 9 ) 计算所得辅助绕组匝数的基础上， 再增蔓j i 2 - - - 3 匝。本文计算取5 匝。 3 2 4b o o s tp f c 电路开关管和二极管的选择 由于升压电感的峰值电流为4 7 5 a ，也即主开关管和二极管所承受的最大电 流，主开关管和二极管正常工作时所承受的电压应力都为4 0 0 v ，考虑裕量及损 耗，选择s t 公司的s t p l 0 n k 6 0 z f p 型6 0 0 v 1 0 a 的m o s 管。选择s t 公司的s t t h 8 r 0 6 f p 型6 0 0 v 8 a 超快恢复二极管。 3 2 5b o o s tp f c 电路输出电容的选择 选择b o o s tp f c 电路输出电容时应考虑输出电压纹波以及掉电维持时间两个 因素。从输出电压纹波的要求考虑，由，：c 华得 a t ， 丽艺赢了( 3 2 0 ) 将参数代入上式可以求得，要满足输出纹波的要求，输出电容的取值范围为 c 6 删1 3 3 u f 从掉电维持时间上考虑，当交流电网突然断电一个或两个周期时，p f c 输出 电压会跌落，为了维持后面电路继续工作，p f c 输出电容的选择取决于电压跌落 后的最低值。本文要求在交流电网掉电的一个周期内，输出电压不跌至3 5 0 v 以 1 8 第三章p f c 电路设计 下，则输出电容应满足： 丽兹惫 2 - ， 其中t h 为交流电网掉电时输出电压保持时间，本文取2 0 m s ，v o p f c m i , = 3 5 0 v 。将 参数代入上式可以求得，要满足维持时间的要求，输出电容的取值范围 c 6 删1 4 1 u f 。 综合输出电压纹波和维持时间的要求，选取1 5 0 u 4 5 0 v 的电解电容。 3 3 本章小结 本章首先介绍了功率因数的意义，接着介绍了功率校正电路的分类、工作模 式等。给出了本文实现p f c 电路的方案，描述了其工作原理。对本文采用的b o o s t p f c 电路方案的各关键参数进行了详细推导与计算，完成了本文p f c 电路的设计。 1 9 广东工业大学硕士学位论文 第四章l l c 谐振变换器的设计 提高开关电源的工作频率可以实现更高的功率密度，开关电源的高频化已成 为电力电子技术的发展趋势。但提高开关频率必然增加开关器件的开关损耗，为 了在不降低功率转换效率的前提下实现高频化，软开关技术就成为重要的实施方 式之一。它利用谐振的原理，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变 化。当电流自然过零时，使开关关断；或电压过零时，使开关开通，从而减少开 关损耗。l l c 谐振变换器作为软开关变换器中的一种，以其高效率，高功率密度， 低e m i 辐射等优点成为业界研究的热点，并被逐渐应用到现代化的产品上，如 l e d 、l c d 和p d p 电视等。它既吸收了串联谐振变流器谐振电容所起到的隔直作 用和谐振槽路中电流随负载变化而变化，轻载效率较高的优点，同时又兼具并联 谐振交流器可以工作在轻载的条件下，是一种比较理想的谐振变流器拓扑恤，。 4 1l l c 主电路结构 l l c 谐振变换器是在传统串联l c 谐振变换器的基础上改进产生的侧。在形式 上与传统的串联l c 谐振变换器类似，不同点在于l l c 谐振变换器在变压器初级 绕组等效一个并联电感，如图4 1 所示： 图4 1l l c 谐振变换器原理图 f i g 4 1l l cr e s o n a n tc o n v e r t e r s c h e m a t i c 传统串联l c 谐振变换器的l c 谐振网络与负载一起形成分压器，对输入驱动 电压v d 进行分压。由于分压作用，l c 谐振变换器的增益总是小于l 。在轻载的条 件下，相比谐振网络的阻抗而言，负载阻抗很大。全部输入电压被施加到负载上 2 0 第四辛l l c 谐振变换器的设计 _ i l _ i l i i i _ - i l l - i - i 一 这使得轻载下很难调节输出。在空载时，为了能够调节输出，理论上谐振频率应 该为无限大，实际上这根本不可能实现。l l c 谐振变换器打破了这种限制，并联 在变压器初级两端的电感可以增加初级绕组的环流，有利于电路的运行。在大多 数实际设计中，该并联电感采用变压器的励磁电感。l l c 谐振变换器能在较宽的 电源和负载波动范围内调节输出，而开关频率波动却较小。在整个工作范围内， 能实现零电压开关( z v s ) 。 4 2l l o i 皆振变换器的工作原理m ， 在l l c i 皆振变换器中有两种谐振频率：一个是开关频率 ，一个是谐振频率 哺1 。开关频率由i c 内部固定，谐振频率由外部的谐振电容g 、谐振电感l ，和变 压器初级的励磁电感l m 决定。并且根据励磁电感是否参与谐振，谐振频率有两个： 当变压器初级绕组被次级电压钳位时，l m 不参与谐振，此时电路的谐振频率称为 第一谐振频率： 厶2 赢 h j ) 当变压器初级绕组两端电压为0 时，l m 参与谐振，此时电路的谐振频率称为第二 谐振频率： 厶2 瓦需赢 2 ) l l c 谐振变换器的两只m o s 管采用对称驱动的方式，即两只m o s 管的驱动 信号占空比相等，极性相反。由于要留固定的死区时间，让m o s 管在死区时间 内实现z v s ，所以占空小于o 5 ，死区时间由控制芯片内部固定。l l c 谐振变换器 的m o s 管在电流为负时导通，即m o s 管导通前一时刻，电流从m o s 管的寄生体 二极管流过，m o s 管d s 间电压几乎被箝位在o v ( 忽略体二极管压降) ，