（电力电子与电力传动专业论文）多路输出200w+led驱动电源设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h es e v e r eg l o b a le n e r g ys h o r t a g e ，t h ec o n c e p to fg r e e nl i g h t i n gi sr a p i d l y s p r e a d e d d u e t ot h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y ，l o n gl i f e ，p o l l u t i o n - f r e ea n ds a f e t y , w h i t el e db e c o m e sp o p u l a ri nt h ef i l e do fg e n e r a li l l u m i n a t i o n ，m a k i n gt h ed e s i g no f r e l i a b l el e dd r i v e rah o ti s s u ei nb o t ha c a d e m i aa n di n d u s t r y i n t h i sp a p e r , am u l t i - o u t p u tl e dl a m p sd r i v e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sf o rs t r e e t l i g h t t h ec a s c a d e dt h r e e - s t a g ec o n f i g u r a t i o ni s s e l e c t e d ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e sa n dt h ec o m p a r i s o nw i t h d i f f e r e n tc o u n t e r p a r t s f i r s to fa 1 1 t h eb o o s tp f cm o d u l ew o r k i n gi nc r i t i c a l c o n d u c t i o nm o d e ( c r m ) i si n t r o d u c e d t h ed e s i g ne q u a t i o n sa r ea c c o m p l i s h e d ， g i v i n gt h ec i r c u i tp a r a m e t e r s s e c o n d l y ，t h ep r i n c i p l e so ft h eh a l f - b r i d g er e s o n a n t c o n v e r t e ra r ep r e s e n t e d f u r t h e rm o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fl l cr e s o n a n tc o n v e r t e ri s a n a l y z e d ，u s i n gf u n d a m e n t a la p p r o x i m a t i o nm e t h o di nd e t a i l ，a n dt h ei n f l u e n c et ot h e c o n v e r t e rc h a r a c t e r i s t i c sd u et ot h ep a r a m e t e rv a f i a t i o n sa r ed i s c u s s e d t h er e s o n a n t t a n kc o m p o n e n t sa n dt h ec o n t r o l l e rc i r c u i ta r ea l s oc o v e r e d f i n a l l y , ac o m p a r i s o n b e t w e e nt w ok i n d so fc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d sf o rl e di sd o n e ，l e a d i n gt ot h e d e s i g no fac o n s t a n tc u r r e n tb u c kc o n v e r t e r a d o p t i n gt h ep r o p o s e ds c h e m e ，a2 0 0 wl e dd r i v e rw i t hm u l t i p l ec o n s t a n t c u r r e n to u t p u t si sd e s i g n e d t h ep r o t o t y p ei sb u i l ta n dt e s t e d ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h ep r o p o s e da p p r o a c h k e yw o r d s ：l e dd r i v e r ，p f c ，l l cr e s o n a n tc o n v e a e r ，c o n s t a n tc u r r e n tb u c k n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸至三盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：唆班 签字日期： 勿矽年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：唆诱 签字日期：i 啤了月罗日 椭各唧喝 签字日期：7 咖年 月歹日 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 时光荏苒，两年半的硕士求学生活即将结束，值此论文即将完成之际，我谨 向我的导师何湘宁教授和邓焰副教授表示衷心的感谢! 何老师渊博的专业知识， 敏锐的科学洞察力，严谨治学的态度，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响 深远邓老师学识渊博，经验丰富，从课题选材到完成，项目的每一步进展，都 倾注了邓老师大量的心血，在此我向邓老师表示深切的谢意与祝福! 感谢课题组石健将副教授和赵菁老师；感谢吴建德老师对我孜孜不倦的教导 和热心的帮助，才使得我研究生期间的项目得以顺利进展! 特别感谢博士后师兄 李武华，李师兄勤奋刻苦、严于律己、对待学术研究一丝不苟的态度令人敬佩， 在平时的学习与生活中，曾给与我很多方向性的指导与帮助，祝愿他在今后的工 作和生活中一帆风顺，也希望他能够从科研与工作中多抽一些时间给自己! 两年多的时间虽短，也让我结实了很多好朋友，在我困难、无助的时候，曾 给与我真诚的帮助和鼓励感谢好友孔杰、室友张颖、卢冰和成品晶，祝愿她们 诸事顺利，希望我们的友谊能够地久天长! 还要感谢课题组的师兄师姐、师弟师妹，是他们给了我一个紧张而又愉快的 学习氛围；与他们朝夕相处的时光，我将倍加珍惜。他们是：同级同学韩云龙、 吕豪杰、范玲莉、徐同武、盛立丞、王宝臣、汪鏊；博士生师兄刘军、赵一、杨 波、谢瑞；博士师姐陈娜、马铭瑶；0 8 级师弟肖建国、田水林、李楚山、吴海 蒙、杨冰建、杨永飞、李威辰、罗劫、丁宏、陈超、程隽；0 9 级师妹李慧、王 亚超；0 9 级师弟李鹏、廖永凯、谭成、郭堂堂、崔文峰、苟伟、吴罡、刘全伟、 袁昊、尹凯、周灵兵特别感谢师弟肖建国在平时项目工作中给与我的帮助! 感谢杭州奥能照明公司提供给我一个平台，感谢研发人员冷超靖、马亮和付 晓，祝愿他们工作烦利! 最后，要特别感谢我的父母，感谢他们对我的关心与支持，愿他们身体健康! 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 能源是人类赖以生存和发展的物质基础，在目前全球能源紧张的大环境下， 节能减排是当前国内外共同探讨的焦点据最新统计，在我国照明耗能已占全国 总发电量的1 2 ，并正以年均5 的速度增长，而我国目前的照明依旧是以低效 照明为主可见，照明节能意义深远 1 1 人类照明的发展及特点 普罗米修斯之火使人类摆脱了茹毛饮血的蒙昧时代，照亮了人类夜晚的天 空；1 9 8 7 年爱迪生发明了白炽灯，人类从漫长的火光照明进入了电气照明时代 经过人们对电光源的不断研究，电光源共经历了四代发展： 第一代电光源：白炽灯( 卤钨灯) ； 第二代电光源：荧光灯( 日光灯、节能灯) ； 第三代电光源：高强度气体放电灯( h i d ) ； 第四代电光源：半导体发光二极管( l e d ) 白炽灯是将灯丝加热到白炽状态，利用其热辐射而发出可见光的电光源目 前仍被广泛的使用它发出的光线具有连续光谱，并且显色性好、亮度高、易于 聚光、不需要点灯电路、点灯非常容易等优点但是它存在发光效率低、热辐射 量大等缺点 荧光灯是一种热阴极低压汞蒸汽放电灯利用放电产生的紫外线，通过荧光 粉转换成可见光的光源。至今仍是气体放电灯中使用最广泛、最成功的灯之一 其原因是它能最有效地把电能转化成可见光 h i d ( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ) 是高压汞灯、金属卤化物灯以及高压 钠灯的总称高压汞灯是利用在充有汞的电弧管内产生高压的汞蒸汽放电，从而 获得可见光金属卤化物灯是将卤化物充入电弧管内，利用金属原子电离激发而 发光高压钠灯则是利用高压钠蒸汽放电发光的 l e d 是利用半导体p n 结或类似结构在通以正向电流时发出可见光或红外、 紫外辐射的电光源高亮度l e d ，特别是白色l e d 已经逐渐走进照明应用中 下图为几种传统光源光效特性表。 浙江大学硕士学位论文绪论 表1 1 传统光源光效特性表【1 1 辐射光效可见辐射所实际光效 光源种类显色指数 色温( k ) ( 1 i i l 、) 占比例( 1 1 )( 1 n v w ) 白炽灯 1 5 41 0 1 1 5 61 0 02 8 0 0 荧光灯 2 8 92 0 4 5 98 02 4 1 0 高压钠灯3 3 83 6 1 1 2 22 0 1 4 8 0 佥卤灯 2 8 83 4 9 87 23 7 6 6 表中可见，各种光源的实际光效并未达到辐射光效，即灯的输入功率并没有 像理想情况那样全部转换成可见光，可见光所占比例都不大对于白炽灯，除部 分热传导损失外，辐射功率的8 0 是红外辐射，可见光辐射所占比例很小；对于 荧光灯，除去电极损耗、管壁损失外，剩余部分经汞蒸汽放电产生2 5 3 7 n m 的紫 外线照射荧光粉产生二次发光由于该紫外线光子能量是二次发光光子能量平均 值的2 3 倍，这意味着二次发光造成机理上的损失近5 5 ，加之荧光粉的量子效 率( 9 0 l ：f l , 上) 损失，得到的二次发光损失近6 0 而对于高压钠灯，金卤灯， 其可见辐射在总辐射中所占比例约为3 4 - - - , 3 6 ，热导损失约5 0 ，红外紫外辐 射约1 5 与传统光源相比，大功率l e d 作为一种新兴的半导体光源，具有以下显著 优点： ( 1 ) 光效高由表l 可知，传统光源辐射能量中可见光所占比例并不高， 导致实际光效很低，而l e d 光谱窄，几乎全部集中在可见光频段，可达8 0 - , 9 0 随着l e d 技术的日新月异，大功率白光l e d 目前实验室里已经达到1 5 7l m w 的 水平，并且已有1 0 2 1 m w 的大功率白光l e d 进入商业化【2 1 ( 2 ) 功耗低l e d 采用直流驱动，具有电压低、电流小、亮度高的特性。 产生同样的照明效果，l e d 的耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一 美国科学家预言，全球的白炽灯和日光灯都被白光l e d 取代的话，将节约3 8 座 核电站的发电量。 ( 3 ) 寿命长l e d 的使用寿命长达1 0 万小时。而一般白炽灯的寿命仅约l 千小时，荧光灯、金卤灯的寿命不超过1 万小时，高压钠灯的寿命也不超过2 万小时 ( 4 ) 响应时间短气体放电光源从启动至光辐射稳定输出，需要几十秒至 浙江大学硕士学位论文绪论 几分钟的时间，这是由气体放电光源的发光机理决定的因为多数气体放电灯的 工作物质在常温下是液态或固态，启动后需要一个加热汽化的过程方可达到稳定 的工作状态白炽灯是热辐射光源，启动后大约需要零点几秒的上升时间，而 l e d 的响应时间只有几十纳秒因此在一些需要快速响应的场合，l e d 光源是 最佳的选择 ( 5 ) 安全环保l e d 是固态发光体，耐震。抗冲击、无热辐射，属于冷光 源，且不合汞、钠等可能危害健康的物质，没有污染并且是低压直流驱动，安 全可靠 大功率白光l e d 作为新兴的固态光源可以广泛应用于日光通用照明、装饰 照明、汽车信号灯、交通信号灯、背光灯、特种工作照明、军用照明等各个领域。 但l e d 若在照明中全面普及，仍存在光提取率低、散热问题、光色不佳、价格 昂贵等技术性问题 1 2 大功率l e d 介绍 半导体发光器件l e d ，作为真正绿色的固体光源，其发展历史已经有几十年 随着l e d 技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，l e d 的应用市场将更加广泛， 特别是在全球能源短缺的背景下，l e d 在照明市场的前景更备受全球瞩目大功 率白光l e d 目前实验室里已经达到1 5 7l m w 的水平大功率、高光效、低成本 三大瓶颈正在被逐步突破。可以说，白光l e d 进入普通照明领域的曙光已经显现 因此，业界认为，半导体照明将创造照明产业的第四次革命 1 2 1大功率l e d 的发光原理 l e d 本质上就是一个p n 节，其发光原理可以用p n 结的能带结构来解释： 制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下形成p n 结，扩散和漂 移运动相等，内建电场稳定，此时n 区有很多迁移率很高的电子，p 区有较多的 迁移率较低的空穴。在常态下，二者不能发生自然复合但当p n 结外加正向电 压时，外加电场将削弱内建电场，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。由于电子的迁移率总大于空穴的迁移率，因此电子由n 区扩 散到p 区是载流子扩散运动的主体由半导体能带理论可知，当导带中的电子与 价带中的空穴复合时，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，便产生电 致发光现象除了这种发光复合外，还有一些电子被非发光中心( 这个中心介于 浙江大学硕士学位论文绪论 导带、价带中间附近，也就是杂质能级或缺陷) 捕获，而后再与空穴复合，每次 释放的能量不大，不能形成可见光也就是说，这些不能发光的载流子将可能被 杂质能级( 或缺陷) 所捕获，最后以发热的形式消耗掉 n 区 结区p 区 图i il e d 发光原理 1 2 2l e d 光源的特性 l e d 的伏安特性( 又称v i 特性) 与普通二极管大致相同，流过l e d 的电 流与其两端电压咋的关系为： = 厶0 e r p 灯一1 ) ( 1 1 ) 式中以一。e d 反向饱和电流；e 电子电荷；x 波尔兹曼常数。本节均 以美国c r e e 公司e z 6 0 0 系列l e d 为例3 1 图1 2 是l e d 的v - i 特性曲线 1 | l l l l l o on 51 o1 52 02 53 o& 54 d4 5曩0 v f l 、，l 图1 2l e d 伏安特性曲线 枷 黜 鼢 渤 搬 恤 偶 o 一：一 浙江大学硕士学位论文 绪论 l e d 是温度敏感型器件l e d i 均发光强度与工作温度有很大的关系，一般温 度越低，发光越强，反之则越弱。图1 3 是l e d 发光强度随温度的变化曲线可 见，为了获得较高的光强度，应严格控制l e d 的温度温度的升高也会影响l e d 的频谱分布，使其主波长向长波方向漂移m ，如图1 4 所示 a t i v el i g h ti n t e n s i t yv sj u n c t i o nt e m p e r a l u 阳 5 07 51 0 01 2 51 5 0 j u n c t i o nt e m p e r a t u r e ( 。c l 图1 3l e d 光强随温度的变化 图1 4l e d 主波长随温度的变化 1 3l e d 的驱动现状研究 在l e d 照明领域，要体现出l e d 节能和长寿命的优势，设计好的驱动至关 重要如果没有好的驱动相匹配，采用l e d 照明的优势将无法体现为了满足 工业、商业、家居等照明领域对l e d 照明的需求，开发出高效、可靠、低成本 的l e d 驱动电源成为一项迫切任务 浙江大学硕士学位论文 绪论 由图1 2 的v - 一i 特性曲线可以看出，加在l e d 两端电压的微小波动便会引 起很大的电流变化电流的增大会导致不希望的温升，而l e d 又是温度敏感型 器件，温度的变化不仅会影响发光主波长发生偏移( 如图1 4 所示) ，产生色偏； 更重要的是会影响l e d 的光输出量( 如图1 3 所示) 和寿命所以l e d 应该采 用恒流源驱动图1 5 是l e d 的光强度随交流的变化曲线，因此若要得到恒定 的光强，只需为l e d 提供恒定的电流源 图1 5l e d 光强度随电流的变化 大功率白光l e d 驱动目前主要有两个发展方向，单级p f c 方案和传统多级 方案 采用传统方案，如图1 6 所示，前级p f c ，中间甥r d c d c 实现隔离与降压，后 级l e d 恒流驱动采用传统方案的缺点在于：l e d 的寿命长达2 5 年，传统p f c 电路的大电解电容寿命却相对很短 5 1 1 6 优点是：电路方案比较成熟，控制实现 简单，效率和p f 值相对较高 图1 6 传统多级方案 浙江大学硕士学位论文绪论 随着l e d 驱动器的不断发展，成本越来越被大家所关注单级p f c 电路将p f c 级和d c d c 级合二为一，开关管共用，采用一个控制回路，在体积和成本方面具 有明显的竟争优势1 7 隔离式电路主要有不对称半桥、推挽、正激、反激电路等； 非隔离式的有b o o s t 、b u c k 、b u c k b o o s t 、s e p i c 、c u k 等。表2 给出了几种电路 拓扑的比较【8 】【9 1 b o o s tp f c g 屠j 在需要升压的高输出电压的场合，简单高效； 与其他电路相比，s e p i c 电路具有良好的功率因数，但是效率却较低【1 川；f l y b a c k 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【l u ；但是在 3 0 0 w 的中等功率等级下，需要双管电路如对称半桥、不对称半桥来达到较高的 功率因数和较高的效率，也可以使用双管正激、有源箝位正激电路单级p f c 存 在一个非常严重的问题：当负载变轻时，由于输出能量迅速减小，但占空比瞬时 不变，输入能量不变，输入功率大于输出功率，中间储能电容电压迅速攀升，此 时占空比减小以保持输出稳定，最终达到一个新的平衡状态这样，单级p f c 便 需要一颗耐压很高的储能电容，甚至高于1 0 0 0 v 1 2 1 表1 2 几种电路拓扑的比较 b o o s t f l y b a c ks e p i ch a l f - b r i d g e 效率( ) 8 5 9 57 5 8 57 5 8 58 5 9 2 p f0 8 5 0 9 5o 8 5 0 9 5o 9 2 加9 90 9 2 加9 8 场砀升压升降压升降压升降压 储能电容中低低 中 开关管 lll2 高压二极管 10l4 输出二极管 0l02 变压器 ol0 l 电感 1o2l 1 4 方案的比较与确定 本课题所要设计的2 0 0 w 大功率白光l e d 驱动电源的具体参数如下： 1 输入电压：市电全电压9 0 - 2 6 4 v a c ； 2 输出功率：2 0 0 w ，驱动6 路l e d ； 3 输出电压：6 7 9 2 v d c ； 4 功率因数：p f 2 0 9 9 ； 浙江大学硕士学位论文绪论 5 原、副边隔离； 6 符合e m c 要求以及安规要求； 7 满足i p 6 6 防护等级 在通用照明领域，当有功输入功率大于2 5 w 时，必须采用功率因数校正技术， 使谐波满足i e c6 1 0 0 0 3 2c l a s sc 的标准【1 3 】如表3 所示 表1 3c 类设备的限值 基波频率下输入电流百分数表示的最大允许 谐波次数n 谐波电流( ) 22 33 0 五 51 0 77 95 1 1 r 3 93 旯是电路功率因数 鉴于本课题的要求，输入有功功率已经大于2 5 w ，功率因数校正电路是必 须的单级p f c 方案的优势很明显：器件少、成本低、体积小、便于高功率密 度化；但是其劣势在于：控制复杂且目前不够成熟、需要耐压很高的储能电容、 p f 值和效率普遍偏低传统多级驱动方案相对器件多、成本高、体积大，但是 技术成熟，并能达到较高的功率因数和效率本系统采用传统的多级方案系统 结构图如图1 7 所示 - 一恒流驱动坤 e m l d c ， f i l t e r p f c ： d c 一恒流驱动础 图1 7 系统结构 对于前级p f c ，一方面完成功率因数校正，另一方面为中问级提供恒定的直 流输入；中间级d c d c ，主要完成隔离和降压的要求，同时达到较高的转换效 率；最后一级电路，主要是为l e d 提供恒定的电流源，主要完成电压源向电流 源的转换 浙江大学硕士学位论文绪论 1 5 本课题的主要研究任务 本课题主要是设计一台全市电范围输入、2 0 0 w 多路输出的大功率白光l e d 驱动电源，选取多级驱动方案，即p f c + l l c 谐振半桥+ 恒流b u c k 的三级式结构 第二章主要完成b o o s tp f c 电路的设计；第三章主要l l c 谐振半桥交流器工作 原理介绍、参数设计与优化；第四章主要是介绍恒流b u c k 电路；第五章给出了 实验结果，并对结果进行比较和分析；最后，第六章对该方案进行了总结和展望 浙江大学硕士学位论文p f c 电路的设计 2p f c 电路的设计 2 1 主电路方案的确定 根据i e c 6 1 0 0 0 3 2c l a s s i cc 的谐波抑制标准，输入有功功率大于2 5 w 的电 源产品必须采用谐波抑制技术来限制谐波的含量因此，本设计的驱动电源必须 加入前级功率校正电路 功率因数校正技术主要分为两种- 一种是无源功率因数校正技术( p p f c ) 这种方法简单，即在整流桥的前端或后端接电感、电容滤波器来增加输入电流的 导通角以提高功率因数，但是输入谐波的抑制效果不是很好，在体积、重量、价 格等方面也限制了它的应用范围；另一种是有源功率因数校正( a p f c ) ，它的优 点是- 能够实现p f 2 0 9 9 的功率因数值；可在较宽的输入电压范围和宽频带下工 作；体积小、重量轻；输出电压恒定，可简化下一级交流器的设计等因此，采 用有源功率因数校正技术( a p f c ) 是最佳方案 适用于a p f c 的电路拓扑有很多，其中应用最广泛的是b o o s t 电路。根据电 感电流是否连续，其工作模式分为连续导电模式( c c m ) 、断续导电模式( d c m ) 和临界导电模式( c r m ) 在c c m 工作模式下，输入电流和输出电压的纹波都比较小，可以获得很大 的功率转换能量但结构复杂且需要双环控制，开关管不是零电流开通，因此开 通时的尖峰电流会给开关管带来较大的损耗，二极管也存在反向恢复问题：这种 导电模式一般适用于大功率、大电流的产品中 在d c m 工作模式下，由于输入峰值电流自动跟踪输入电压，只需单环控制， 因此结构简单，且不存在二极管的反向恢复问题。但是在同等功率等级下，输入 电流的纹波比较大，因此开关管的关断损耗、二极管的开通损耗、器件电流应力 都比较大，输出电压的纹波也比较大因此一般适用于小功率场合 c r m 有源功率因数校正技术可以做到两者的折衷与c c m 模式相比，c r m 模式不存在二极管的反向恢复问题，开关管是零电流开通，且控制相对简单，成 本较低与d c m 模式相比，c r m 工作模式输入电流和输出电压的纹波都比较 小，器件应力比较小因此，在3 0 0 w 以下的中小功率场合，c r m 工作模式应 浙江大学硕士学位论文p f c 电路的设计 用极为广泛 基于以上分析，本系统前级功率因数校正电路选用了工作于c r m 模式的 b o o s t 型p f c 控制芯片选用s t 公司的l 6 5 6 2 ，它是专门为工作于电流临界导 电模式的p f c 电路开发的专用芯片电路原理图如下图所示： 图2 1 b o o s tp f c 电路原理图 2 2 主电路的设计 前级b o o s tp f c 电路的参数指标为： 1 、输入电压：9 0 2 6 4 v a c ； 2 、额定输出电压：3 9 5 v ； 3 、输出功率：2 0 0 w ； 4 、输出电压纹波：p 户1 0 矿； 5 、功率因数：p f 0 9 9 图2 2 是b o o s t 变换器工作于c r m 模式的电路图与电感电流的主要波形图其 工作原理为：在一个开关周期中，当电感电流下降为零时，二极管关断，此时开 通开关管，电感电流开始线性上升，当它达到整流桥输出正弦母线电压给定值时， 开关管关断，二极管开通，电感电流由峰值开始线性下降，直到下降为零，下一 个工作周期开始1 1 4 浙江大学硕士学位论文p f c 电路的设计 b o o s t 变流器电路图工作于c r a m 模式的电感电流波形 图2 2 工作于c r a m 模式的b o o s tp f c 2 2 1 b o o s t 电感的设计 b o o s t p f c 工作于c r m 模式，电感电流波形如图2 3 所示 图2 3电感电流波形 由三孚：“可知，当开关管开通时， a t 盟：盟 ( 2 1 ) l 乙 当开关管关断时， 幺二堡盟：巡 ( 2 2 ) l t 唾 其中v m ( t ) 为输入电压的瞬时值，o 为一个开关周期内开关管的关断时间， t o n 为开通时间，( f ) 是电感电流在一个开关周期内的峰值 浙江大学硕士学位论文f f c 电路的设计 由式【2 1 ) 翠以得到 。= 等 他3 ， 由式( 2 2 ) 可以得到 o ：坐 ( 2 4 ) o 2 上v 删- v a t ) 【2 4j 由于电感电流临界断续，所以电网瞬时输入电流幺( f ) 与电感电流峰值k ( f ) 右如下姜桑： k ( f ) = 2 x ( f ) ( 2 5 ) 假设电源的效率为，7 ，则有 匕= 己x r 其中昂、乞分别是p f c 电路的输入和输出功率 ( 2 6 ) 令输入电压为v i 。( t ) = v rx s i n ( w t ) ，输入电流为i i , ( t ) = i p xs i n ( w t ) ，可以得到 己= 姓2 由上式可以得到 = 争 将式( 2 6 ) 带入上式得 = 焘 将上式带入式( 2 5 ) 得 删= 焘s i n ( m 现将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 3 ) 得 。= 筹 - 1 3 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 浙江大学硕士学位论文p f c 电路的设计 将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 4 ) 得 钰2 石i 4 p o , , 瓦, xl j xs i 丽n ( w t ) 由式( 2 11 ) 和式( 2 1 2 ) 可得开关周期t 丁= + 锄= 筹+ 丽4 p 瓦o u , x l 厕x s i n ( w t ) 开关频率可求得，即 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 厂；rxvpzx(v叫-vrs i n ( w t ) )( 2 1 4 ) r = = 一 iz 。 4 气x l x 由上式可知，在输入电压达到最大值时，开关频率最小，即 厶。：! ：堡：兰坠二兰! ( 2 1 5 ) r= = - - - - 二- - - - - 二一i z ， 。 4 乞x l x 则由上式可以解得电感值 ：! 兰兰：兰! 竺兰二兰!( 2 1 6 )，。= = - - - - - - - - - - - - - ；一 i 上- o ， 4 乞x 厶 由于b o o s t 变流器的最小开关频率厶需要大于2 0 k h z ( 低于2 0 k h z 人耳 可以听到) ，这里设定厶= 3 0 k h z ，7 = 9 0 ，= 3 9 5 v ，p o 以= 2 0 0 w ，当输入电 压有效值在9 0 v a c - 2 6 4 v a e 范围内变化时，电感量与输入电压有效值之间的关系 如下图所示： 9 d 一 $ - i 一 7 1 一 l ( v 4 i 一 5 1 4 1 3 - 1 一 图2 4 电感量与输入电压有效值之问的关系 1 4 浙江大学硕士学位论文p f c 电路的设计 应选取整个电压变化范围内所需的最小电感值作为b o o s t 电感的取值，由上 图可知，电感值应取为3 5 0 u h 。 图2 5 是在该电感取值情况下，在半个工频周期内，开关频率随输入电压变 化的曲线图。从图中可见，随着输入电压有效值的增大，开关频率的变化范围也 越大；在同一输入电压下，电压相位过零点处的开关频率最大 图2 5 开关频率随输入电压的变化曲线 经以上分析，取电感l = 3 5 0 u h ，由式( 2 1 0 ) 可得到最大的电感峰值电流 一一= 6 9 8 a 由图2 3 得，电感电流在一个开关周期内的有效值 k ( f ) = ：掣( 2 1 7 )= - 二；一iz 1 ， 3 计算得到电感电流最大有效值k 一嘣= k 一7 磊= 4 。3 a 用a p 法设计b o o s t 电感其中 4 4 ( 等等p 他 浙江大学硕士学位论文p f c 电路的设计 其中4 为磁心- 1 4 - 有效截面积，4 为线圈窗口面积，既为饱和限制的最大磁通 密度( 取o 3 t ) ，k = k 毛，1 0 4 ，k 为线圈电流密度( 取5 0 0 乡乙：) 毛。为线 圈窗口填充系数 选用e c 4 2 磁芯，4 = 1 2 1 0 c m 2 ，厶= 1 3 5 0 c m 2 电感线圈的匝数由下式求 得 ：墨兰垒竺(219) 4 圪 得到n = 6 7 3 ，取6 8 匝由于电感电流最大有效值为4 0 3 a ，采用0 2 5 m m 漆包 线，1 2 股并绕 b o o s tp f c 交流器选用s t 公司的控制芯片l 6 5 6 2 ，需要一个辅助绕组检测 电感电流过零点用于电流过零点检测的电压滞环比较器的上升沿触发电平为 2 1 v ，故原边绕组匝数n 与副边绕组匝数n 的应满足： 型垒二堡竺(220) 由上式得到n 6 6 0 ，取7 匝采用单股0 3 3 m m 的漆包线绕制 所占用窗口面积为 4 = i 1 万( 1 2 o 2 5 2 + n x l o 3 3 2 ) ( 2 2 1 ) 计算得4 = 。4 l 伽2 ，窗口利用率丛- l = 。3 。，可以绕得下 2 2 2b o o s t 开关管的选择 由式( 2 1 0 ) 可求得最大电感峰值电流为j 斑一= 6 9 8 a ，也即主开关管所承 受的最大电流，主开关管正常工作时所承受的电压应力是3 9 5 v ，考虑裕量及开 关管的损耗，选择s t 公司的m o s f e t ：2 s k 3 5 6 8 ( v o s = 5 0 0 v ，如( n ) = o 4 q ， 厶= 1 2 a ) 2 2 3 二极管的选择 由式( 2 1 0 ) 可求得最大电感峰值电流为一= 6 9 8 a ，也即二极管所流过 的最大峰值电流，二极管_ t - 作时所承受的电压应力为3 9 5 v ，流过的平均电流为 浙江大学硕士学位论文 p f c 电路的设计 p 负载电流：厶一p = 笋= o 5 l 彳考虑裕量和二极管的恢复时间选择s t 公司的 超快恢复二极管：s t t h 8 r 0 6 ( 厶( = s a ，= 6 0 0 v ，珞= 1 4 v ， 0 一懈= 2 5 n s ) 2 2 4 输出滤波电容的选择 输出滤波电容主要是滤除电压纹波，使输出电压满足纹波要求假设输出 电压恒定，滤波之前的输出端电流由下式决定： 圳= 芈= 百v j x , 7 ( 1 - c o s ( 2 删 ( 2 2 2 ) 由上式可以看出，输出电流中含有低频的二次脉动量，频率为电网频率( 我国为 5 0 h z ) 的二倍输出滤波电容便是用来吸收这个脉动量，从而使输出为恒定的 电流 由t ；c 冬可以得到 a t ，2 球吉庐等c o s ( 2 雠 ( 2 2 3 ) 其中c 为输出滤波电容的容值，a v u z 一刀为输出滤波电容上电压的峰峰值， 积分求解得到： ，2 = 器= 赢 汜2 4 ， 其中厂为电网频率 为了使输出电压峰峰值小于1 0 v ，即如d c 一印 i o v ， 由上式解得 c _ _ 二咝 ( 2 2 5 ) 鑫l x 酞蛇带x v 嫩 解得c 3 2 2 3 4 u f ，取3 3 0 u f 4 5 0 v 电容 2 2 5 控制电路的设计 ( 1 ) 输出反馈电阻的计算 恐、恐、足、蜀是设置输出电压的反馈电阻，当输出电压增大，使得 浙江大学硕士学位论文 p f c 电路的设计 流入芯片1 脚的电流增量达到4 0 u a 时，芯片启动过压保护功能。是、足的阻 值由下式决定： 尼+ 足：丝 ( 2 ) 。叶a u a 姒_ j 。2 6 取= 4 0 v ，则是= b = 5 0 0 k 由于1 脚的电平为2 5 v ，故 ；娶：华掣 ( 2 2 7 ) 玛足r + 足 取局= 6 8 k ，足= 1 0 0 k ( 2 ) 电流采样电阻的设计 属，与l 6 5 6 2 的c s 脚相连，该引脚是芯片内部比较器的反向输入端，其同相 输入端为乘法器的输出端通过电阻墨，检测电感瞬态电流，它与乘法器的输出 电压相比较，达到乘法器输出电压时触发芯片内部关断开关管。 为了防止主电路过流，l 6 5 6 2 设置的过流保护工能，c s 脚的最高箝位电压为 1 7 v 为使电路正常工作，采样电阻应满足： 墨5 罢：o 2 4 q ( 2 2 8 ) 麻蜘镕 取蜀5 为0 2 2 f i ( 3 ) 乘法器分压电阻设计 电流基准信号由下式给出【1 5 1 ： 圪= k x p 幺船( a 静一2 5 )( 2 2 9 ) 足为内部乘法器的增益，典型值为0 6 0 ，为误差放大器的输出，取 0 4 0 v v u t , z r 为m u l t 脚的电压， v m u l i = - 志啪) = 志s i n ( w 玲 ( 2 3 0 ) 当0 - - - 9 0 , 压v 时，有k 一衄9 8 a ，此时c s 脚达到最大值，圪= k 一一墨， 为1 5 4 v 结合式( 2 3 0 ) ，得到曷3 = 8 2 k , 恐+ 冗7 = 1 4 3 m 浙江大学硕士学位论文p f c 电路的设计 ( 4 ) 补偿网络的设计 为了达到环路稳定，必须加入一个补偿网络以提供合适的相位和增益裕量 为了获得较高的功率因数，临界连续模式的功率因数校正电路的电压环增益曲线 的穿越频率必须小于输入电压频率的二分之一，使输出电压反馈误差放大器的输 出信号在一个工频周期内近似恒定。一般在最大输入电压下，穿越频率不应大于 2 0 - 2 5 h z 1 6 1 对于输入电压和负载变化情况不是很坏的情况，这个补偿网络仅需 一个电容，如图2 1 中的c | ，它提供一个低频极点且提高直流增益一般可在频 率为i o o h z 处提供误差放大器6 0 d b 的衰减来决定补偿电容c 8 的值，即 c s2 丽瓦1 0 两 ( 2 3 1 ) 浙江大学硕士学位论文l l c 谐振半桥变流器的设计 3 l l c 谐振半桥交流器的设计 为了寻求更高的功率密度和效率，改进d cn c 交流器在高频下的工作能力， 谐振变流器越来越受到关注谐振交流器是以谐振电路为基本单元，利用电路发 生谐振时，电流或电压周期性的过零点，使得开关管在零电压或零电流条件下开 通或关断，从而实现软开关l l c 谐振变流器是在传统串联和并联l c 谐振交流 器的基础上改进产生的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【1 7 1 3 1 主电路结构 l l c 谐振半桥变流器在形式上与传统的串联谐振变流墨一样，如图3 1 所示 所不同的是，在传统串联谐振变流器中，励磁电感往往比谐振电感大得多，而不 参与谐振因此若要获得主开关管的z v s ，开关频率必须高于的l c 本证谐振频 率z 而在l l c 串联谐振变流器中，励磁电感与谐振电感是一个数量级，励磁电 感也参与谐振，因此开关频率可以低于l c 本征谐振频率上，而只需高于l l c 的 本证谐振频率六即可实现开关管g , # z v s t l 引 一 y o lr j n s l c 0 卞 、 色 图3 1l l c 谐振半桥交流器主电路 如上图所示，电路主要有以下元件组成：两个功率m o s f e t 、谐振电容c r 、 串联谐振电感l r ，并联谐振电感l m ( 可用变压器的励磁电感实现) 、中心抽头 变压器( 变比1 3 l ：1 ) 、输出整流二极管d l 和d 2 、输出电容c o 、负载i 沁 其中q 1 和q 2 采用固定死区的互补驱动，占空比均为o 5 d o s s 和c o s s 分别是 浙江大学硕士学位论文l l c 谐振半桥变流器的设计 m o s f e 的体二极管和结电容 l l c 谐振交流器有两个谐振频率，一个是k 不参与谐振，谐振电感与谐 振电容c r 的谐振频率z ，另一个是乙参与谐振，三者的谐振频率，即 ， 1 正2 2 u x - f f r , , c ， 厶2 瓦厩霞两 1 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 3 2l l c 谐振变流器的工作原理1 9 l 3 2 1 厶呵弧时的工作原理1 2 0 l 厶 f f s 是l l c 谐振交流器最常用的工作区域【2 ，该工作区被称b o o s t l 墨，这 个状态被称为过谐振状态。变流器在该状态下的各点波形如图3 2 所示，一个开 关周期的工作过程可分为8 个阶段，假设输出电容c o 足够大，输出电压恒定 以下将对各工作阶段做出分析各工作阶段的等效电路图如图3 3 所示【2 2 1 浙江大学硕士学位论文l l c 谐振半桥变流器的设计 。 il i ii 圪2k ： i。 ； r i 吃：吃。 ：吃。 ： xx；* ： i l ii i iil i i iii o i i ii1 ii 佼 兮 li ii ii 侈 、 么 ll il ii 多t 。心 j 多 。心 0： l l i l 心 ， 刊弋 1 弋 q ? ， il l ： t 1 7 ii l i ii ， - 图3 2 l l c 谐振变流器各点波形( 厶 厂 z ) - 2 2 - 浙江大学硕士学位论文 l l c 谐振半桥交流器的设计 阶段1 ( t o f ) 阶段2 ( f 乞) 阶段3 ( t 2 t t 3 ) 阶段4 ( f 3 t ) 2 3 - - p 1 一一 二宗j 至。制 ；讨s 1 _ 一一一一一 - ：n s 2 l 一 。遁二二二二蜊色一 l _ c。制 ：n s l - ：n s 2i 丽! - c o 宗lj 、 i 童工 d 2 浙江大学硕士学位论文l l