大功率照明LED开关电源研究.doc

西安科技大学硕士学位论文大功率照明LED开关电源研究姓名：黄晖申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：韦力20090430论文题目： 大功率照明LED开关电源研究 专业：电力电子与电力传动硕士生： 黄晖(签名) 指导教师： 韦力(签名)摘要大功率照明LED(Light Emitting Diode)是新一代光源，它光转换效率高，也称作绿 色光源。由于大功率照明LED本身的伏安特性，大功率LED的开关电源的研究从一开 始就遇到了困难。而发展LED照明是现在节能环保的大趋势，所以研究开发一种新型 的大功率照明LED开关电源是很有必要的。本文简要介绍了大功率LED的发光特性、伏安特性及其驱动方案，并回顾了大功 率LED开关电源的发展历史，展望了未来趋势。给出了大功率LED开关电源课题的背 景，并分析了设计难点。在此基础上，提出了一种新型两级式方案，前级为PFC级，后 级为DCDC级。PFC级采用电感电流临界连续模式的Boost变换器，DCDC级采用准 谐振模式的反激变换器。为了提高PFC级在低电压输入时的效率，采用了变电压输出的 控制方案。文中首先对采用临界连续工作模式的功率因数校正级的工作原理和主电路参数进 行推导与设计，以及对基于L6562的PFC控制电路的设计进行了详细的研究。其次详 细介绍了准谐振模式的理论基础和应用，对基于NCPl377B的反激变换器的工作原理和 稳态特性进行了详细的分析；在此基础上提出了一种高效低损耗的准谐振变换器的设计 方案。论文详细介绍了该方案的工作原理和特点，并分析了钳位电路及基于TSMl03的 恒压恒流电路及线性稳压器在提出的两级式方案中的应用。结合上面提到的方案，本文研制了一台全球输入电压范围(90265Vac)，12V5A输 出的大功率照明LED开关电源，实验结果验证了所提方案的可行性。关键词：开关电源；大功率LED；功率因数校正；准谐振模式研究类型：应用研究Subject ：Design of Switching mode power supply for High Power LEDSpecialty：Power Electronics and Power TraName ：Huang HuiInstructor：Wei LiABSTRACTHi曲一power LED(Light Emitting Diode)is a new generation of high-power light source， its lligh optical conversion efficiency,also known as the“green lightAs a result of itseWs volt-ampere characteristics，switching mode power supply of highpower LED research fromthe outset，the difficulties encounteredm development of LED lighting is now the generaltrend of energy saving and environmental protection,SO the research and development of anew type of switching mode power supply of high-power LED lighting is necessaryT11is paper synopsis introduced the high-power LEDS lightemitting characteristics， volt-ampere characteristics and the solutions of the driver design，and then recalled the switching mode power supply of high-power LED development in the past and prospected future trendGiven the high-power switching power supply LED background issues，and analysis of the design dimcultOn this basis，we propose a new type of two-stage program， the former rank of PFC class，after class for the DCDC levelThe introduction of PFCinductor current critical continuous mode Boost converter,DCI)C-level model using quasiresonant flyback convertersIn order to increase the PFC level in the low-voltage input efficiency,a variable voltage output of the control program is in useFirst，the CRM mode PFC of the working principle and the main circuit parameters alederived and design嬲well as the L6562一based PFC control circuit design of the study in detailFollowed by detailed information on the theory of quasiresonant mode of basic and applied，based on the NCPl 377B flyback converter operating principle and steady-statecharacteristics of a detailed analysis；on this basis，a high-performance low-loss quasi-resonant converter designPaper introduced the program in detail，the working principle and characteristics，and analysis of the clamp circuit and the constant pressure on TSM 1 03 linear constant current circuit and voltage regulator in the proposed two-tier type of applicationprogramCombination of the abovementioned program，the paper developed a global inputvoltage range(90-265Vac)，1 2V5A output switching power supply of hi曲power LEDlightingThe experimental results verified the feasibility of the proposed programKey words：Switching mode power supplyHigh Power LEDPower FactorCorrection(PFC) QuasiResonantThesis：Application Research西要料技大学学位论文独创性说明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究T作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。J学位论文作者签纠f0单魄研彳莎删学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者甲位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。一签彩妒擎 指导教师签名： 咖年 彦月彩日少叼1绪论1绪论在电光源发展的一百多年来，光源照明电气己经经历了三个重要的发展阶段，这三 个阶段的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯【lJ【2】。现在人们普遍认 为大功率照明LED是第四代光源。白炽灯是最早成熟的人工电光源，其工作原理是灯泡中的钨丝通电后受热激发灯泡 中的气体而发光。它具有以下特点：体积小，成本低；显色性好，色温低，给人以舒适 感，适用于卧室、客厅等生活居室照明；启动性能好，特别适合于应急照明；工作电压 范围也较宽，光输出随电压变化而连续变化，便于实现亮度调节。但其发光效率较低， 寿命也较短。气体放电灯这类光源的发光原理是利用两电极间的气体受电子激发而发光。根据放 电管中放电气体的气压不同又可以将其分为两种：低压气体放电灯和高压气体放电灯 (也叫高强度气体放电灯)。荧光灯作为低压气体放电灯的典型代表，是室内照明的主， 要光源，具有白炽灯无法比拟的优点：光效高，寿命长，显色性好，色温范围宽，不影 响视觉。目前，荧光灯还主导着商业和工业照明。高强度气体放电灯主要包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等。这类灯的发光 原理基本相同，但有不同的光输出。高压汞灯光效相对较低，显色性较差且寿命短，主 要应用于室外照明及某些工矿企业的室内照明。而高压钠灯和金属卤化物灯则具有光效 高、显色性好、发光集中等优点，广泛应用于大型场所照明和车用照明等领域。11大功率照明LED的发展及趋势131LED是Light Emitting Diode发光二极管的简称，是一种固体光源，当它是利用固 体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光 子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用 LED作为光源制造出来的照明器具。发光二极管的核心部分是由P型半导体和n型半导体组成的晶片，在P型半导体和13型半导体之间有一个过渡层，称为Pn结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少 数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转 换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。目前发光半导体材料主要由IIIV族元素组成，例如磷化镓(GAP)、砷化镓(GaAs)，氮化镓等等。就整个全球 产业界而言，基于MOCVD外延生长的技术路线是发展GaN基光电子材料与器件的主 要技术潮流。GaN基材料的外延生长是发展GaN基高亮度LED和全固态半导体白光照 明光源的核心技术，是所有关键难题中的重中之重。西安科-t,k大学硕士学位论文无论是信息产品，通讯用品还是消费性家电制品，LED普遍用于各种电子匹I路中， 通常用来做为“显示状态”的用途。LED当初被发展出来时，只有红、黄及黄绿色，用途 被局限于指示、显示，用于显示广告牌上的颜色也仅有黄绿色、黄及红色，而不能显示 全部，用途有限，因此LED一度被称为夕阳工业。因为国际上对绿色、节能、环保光源的渴求促进了LED技术的迅速发展，组成白 光的重要原色蓝光于上世纪90年代初由日本R亚化学工业(Nichia)I拘中村修二发明成 功，纯绿色LED随后也被发展出来，至此，光源三原色红、绿等均己齐各，LED的应 用进入一个全新的领域及市场，LED产业从夕阳工业转身一变，又成为新兴工业。H 1 1 LED麓展走势圈【4】1 E+od至1 E+03电Cost|Lume”(Slim) 、，l 1 E+位 ，Lam(h)J薯 1 E+01“、一眠耋 1 E+00盆1 E埘：。怎：羚I 1 E-02 ，理，唑“_u1 E031螂197019751鲫1晰1蛳19婚2C00 2。晒2010 2015Ye，图1 2Haitz定律曲线白光LED在1996年由Nichia发表出来，而且其亮度的提升非常快，因此白光LED1绪论被视为下一代的照明光源，以取代现有的照明灯管，如图11所示。早在2003年，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz就提出，LED大约每经过18到24个月可提升一倍的亮度， 这就是著名的Haitz定律，也被称为LED行业的摩尔定律。根据这个定律，具有突破性 质的亮度达1001mW的LED约在20082010年间出现。实际上，2006年6月日本日亚 化学公司就推出1001mW白光LED工程样品，2007年6月Cree宣布推出在350mA下 最小光通量为1001m的高亮度LED，飞利浦与Agilent的合资公司目前已研发并生产出 光效达到171mW的白色LED，已达到白炽灯的水平。Roland Haitz从1965年LED商 业化至今的发展历程观察得出，LED的价格每10年将为原来的110，性能则提高20 倍，给LED的未来留出更多想象空间，如图12所示。LED的额定电流各不相同，普通的LED电流一般为20mA，大功率的LED电流一 般为40rnA或350mA不等。具体要按各封装厂提供的电流参数值。12大功率照明LED开关电源的发展与趋势15ll伽11 l开关电源作为能量变换中效率最高的一种方式，特别适用于大功率LED的电源驱 动。与传统的电压型Buck，BuckBoost，Boost-Buck(Cuk)变换器不同的是大功率LED 的驱动电路的反馈量是流过LED的电流信号而不是输出电压信号，以此来满足LED的 恒流驱动要求。下面介绍适用于大功率LED驱动的四种基本的开关变换电路。121 Buck型变换电路图13 Buck型大功率LED驱动电路Buck型大功率LED驱动变换器电路与传统的Buck变换器电路在结构有所不同。 由于要控制LED的电流，通常在开关管S后面串入电流检测电阻。图13所示是峰 值电流控制Buck型大功率LED驱动电路。这是一种定周期、定时刻导通的控制方式， 通过控制LED的峰值电流来调节LED的亮度，整个控制电路结构比较简单。122 BuckBoost变换电路与传统的BuckBoost变换器相比，用于大功率LED驱动的Buck-Boost型变换器电3西安科技大学硕士学位论文路是将开关管移至输入电压的负端，从而使得开关管的驱动更加简单，如图14所示。 通过控制LED的峰值电流及其导通占空比，来调节LED的平均电流，以达到LED亮 度调节的目的。123 BoostBuck(Cuk)变换电路BoostBuck(Cuk)型大功率LED驱动变换器与传统的Cuk变换器也基本相似，只是 这里对输出电流进行控制，输出侧的电容省略掉，LED直接与输出侧电感串联。如图15所示电路采用滞环电流模式控制技术，对输入及输出电流进行调节。通过设置输出 侧电流检测电阻的阻值就可以确定流过LED的平均电流，从而调节其亮度。图14 BuckBoost型大功率LED驱动电路图15 Cuk型大功率LED驱动电路4l绪论121具有PFC功能的大功率照明LED开关电源电路拓扑选择由于输入功率75W的开关电源必须有功率因数校正(PowcFactor Correction，PFC)功 能。具有PFC功能的开关电源的电路拓扑的概括起来可分为两类：两级式方案和单级式 方案。(1)单级式变换器：单级式变换器是将PFC变换器与DCDC变换器集成在一个主 功率电路中，只有一套控制电路，同时对输入电流整形和对输出电压调节。控制电路只 调节输出电压，稳态工作时，在整流桥输出电压周期里其占空比基本不变，要求输入电 流能自动跟随输入电压。其方框图和输入电压、输入电流和占空比波形如图16所示【町【9】【lo】。单级式变换器结构相对简单，成本低，但是它功率因数低，电流谐波较大，动态响 应速度慢，而且设计较复杂ll。伊婚产蟛-。dDCDC(dPFC)(a)单级式方案方框图(b)输入电压，机、电流和占空比D图16单级式方案方框图及主要波形(2)两级式变换器：两级式变换器就是将变换器分为两级：PFC级和DCDC级，方 框图如图14(a)所示【3】【4】。前级通常采用Boost变换器实现输入电流整形以减小输入电流 谐波，与此同时，将全球输入电压范围的交流电压转换为直流电压，其变化范围一般 为380-400V。再通过后级DCDC变换器实现隔离和变换，得到需要的直流输出电压， 并实现对输出电压的快速调节。5西安科技大学硕士学位论文；CB + 人咖。I-。，_YY、 i喜 善L奉-：，_Y、竹知。：VB：； 一：一：S pFr S nc，nc；dPFc：；docn：cI熟HI暨篾卜J。乒户。留_(a)两级式方案方框图(b)输入交流电压、电流和占空比 图17两级式变换器及主要波形图17(b)是两级式变换器的输入交流电压v胁、电流如和占空比变化波形。PFC级 的占空比dpFc在半个交流周期内随输入电压变化，最大可为1，使输入电流跟随输入交 流正弦电压，可以使输入电流接近正弦。稳态工作时，由于DCDC变换器输入输出电 压恒定，所以DCDC变换器的占空比dDclnc是恒定的。两级PFC方案具有优良的性能，如输入电流的总谐波失真度(Total Harmonic Distortion，THD)一般小于5，功率因数可以到0999；由于近似恒定，DCDC变换 器可以被优化；此外，由于相对较高，对于一个给定的保持时间可采用较小的储能 电容。在两级式变换器中，可实现PFC功能的拓扑有：升压变换器(Boost)、反激变换器 (Flyback)、SEPIC变换器等。Boost结构简单，输入电流脉动小，断续、临界连续、连 续模式均可实现PFC功能，技术很成熟，已有针对Boost变换器作为PFC的控制芯片， 如：Unitrode公司的UCl854AB和UCl855，Toko公司的TK3854，Micro Linear公司的ML4821，Siemens公司的TDA4815和TDA4819东芝公司的TA8310等。Flyback变换器结构简单，可实现电路输入输出的电气隔离，但只能工作在断续工 作模式，输入电流脉动大，往往需要较复杂的EMI滤波设计，只适合于小功率的场厶【121。 SEPIC变换器具有输入电流脉动小，电气隔离等优点，但是结构复杂，动态性能比较差，只适合于中小功率场合【13】。 符合开关电源两级式方案的DCDC拓扑有：反激变换器、正激变换器、半桥变换器和全桥变换器等。反激变换器方案变压器的体积大，输入电流脉动大，EMI难处理； 正激变换器需要磁复位电路，变压器是单方向磁化，体积和重量较大；半桥变换器需要 增加一只高耐压的大电解电容；全桥变换器有四个开关管，对于开关电源来说，过于复 杂，成本的压力比较大【141。从上面的分析可看出，两级式变换器和单级式变换器各有优缺点。两级方案适合于 对性能要求高、价格不敏感、中大功率应用；单级方案适用于体积要求较小，性能要求61绪论不高的应用场合。因此在设计开关电源时，应根据具体设计要求选择合适的方案。122准谐振技术【23】传统的反激变换器工作于两种模式，一种为非连续模式，另一种为连续模式。非连 续模式的工作模式取决于输入电压、变压器感量和输出的负载电流。也就是说当感量、 工作频率和输入电压固定时，输出的负载电流增加，它的工作模式会由非连续模式进入 到波谷切换再到连续模式。因为在波谷点的Vos是最低点，所以此时它的功率消耗损失尸妇也是最少和效率最高的状态。使用PWM控制芯片使反激变换器不管在轻载或满载情况下都工作在波谷点，此时 工作频率是变动的。这种工作状态我们称之为准谐振。123 LED伏安特性对开关电源设计的新要求【151一般LED在反向电压：忙5V的条件下，反向电流：坯10衅。LED功率的大小也各不相同，有70mW、100mW、1W、2W、3W、5W等，所以 必须根据所选择的LED，设计合理的使用电路和配置合适的LED数量，使其完全满足 LED电源的额定值，如果设计的电路使每个LED分担电压或电流过高就会严重影响 LED的使用寿命甚至烧毁LED，如果分担的电压或电流过低则激发的LED光强不够， 就不能充分发挥LED应有的效果。(1)串联：这种电路需要电源提供较高的电压。 Va=各LED的之和=p知+琢才p知+砂名矿一+ph Ia=单颗LED的后值(2)并联：这种电路需要电源能提供较高的电流。 yf单颗LED的值 l萨各LED髑IF芝昶=lFl+lF2+IF寸I附-+lFN(3)串联并联组合在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列。LED连接成串联并联组合的形式，可大幅减低因少数LED的VF不一致造成的影响。阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化。串联并联组合的形式会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著。 (4)为了能有效控制电路中的电流，须在电路中配置适当的限流电阻。 R=(y拟归圪肋管芎压沙黜撇蝴詹薄，限流电阻的作用主要是控制LED的电流，使电压更平滑，并使各并联支路的亮度更均匀。限流电阻阻值大效果较好，但是限流电阻的7西安科技大学硕士学位论文取值也不能太大，否则会增加电能的损耗及元件温度升高。 与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能之一是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。LED的正向伏安特性如图18所示：。一“V图18 LED正向伏安特性所以，LED伏安特性的数字模型可用下式表示：VF=玩彻矿R,dr-(aVFAT)(r-25 0C)(11)其中，朋册是LED的启动电压，见表示伏安曲线的斜率，丁环境温度，AVFAT 是LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为2W。LED是电流控制元件，通过流过的电流，直接将电能转变为光能，故也称光电转换 器。因其不存在摩擦损耗和机械损耗，所以在节能方面比一般的光源的效率高，但是 LED光源必须配置一个电压转换装置，提供满足其额定的电压、电流，才能正常使用， 即LED专用开关电源。从LED的伏安曲线及伏安特性的数字模型看，LED在正向导通后其正向电压的细 小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变 影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电源在 输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期 工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，并有可能失效。各种不同的LED电源其 性能和转换效率各不相同，设计合适、高效的LED驱动电源，才能真正体现LED光源 高效特性。因为低效率的LED驱动电源本身就需要消耗大量电能，在配合LED的使用 过程中就无法体现LED的高效节能特性。而且LED驱动电源也必须是高可靠性电源， 才能与高可靠性的LED光源匹配。LED的伏安特性要求其配套驱动电源具备恒流恒压输出性能，即当LED电源带载 时其输出为恒流特性，当LED电源空载时，其输出为恒压特性。124大功率照明LED开关电源的发展趋势在德国汉诺威举行的CeBIT 2009展会传递出IT业界对大功率照明LED的殷切期 待。分析人士认为，用于照明和显示领域的比重得到成倍的增长，二者份额之和有望在81绪论2010年达到整个市场的半壁江山。 其中高亮度和小型化是将来大功率照明LED的发展趋势；其开关电源则将以大电流和集成化为发展方向。 然而，对于LED来说，如果只是单纯加大电流，LED就会出现过热现象，这会直接影响到LED的演色结果，并对LED使用寿命也会有负面影响。所以大功率照明LED 的过热保护也是将来大功率照明LED开关电源的趋势之一。13 75W大功率照明LED开关电源的提出据美国能源部(DOE)表示，美国22的电能用于照明。DOE声称在今后20年中， LED照明将在美国得到快速普及，可以减少62的照明电能需求。另外，它能消除258 亿吨的二氧化硅排放量，少建133座新的电厂。采用LED照明能使财政节减1 150多亿*一天兀a在中国，国家半导体照明工程研发及产业联盟已经成立。联盟制定的技术规范，将 通过研讨、培训等方式在联盟内部推广使用，并向政府采购部门和标准管理部门推荐， 纳入到国家和行业标准工作体系中，引导和推动国家和行业标准的制定与实施。联盟在 适当的时机将成立“联盟标准化技术委员会”，邀请政府领导、行业专家、标准化专家、 质检机构、检测设备专家等共同参与。国家已经出台高效照明产品推广财政补贴资金 管理暂行办法，这是我国政府加大力度推广高效照明产品，促进实现节能减排目标的又 一重要举措，确保实现“十一五”期间通过财政补贴方式推广高效照明产品15亿只，可 节电290亿千瓦时，减少二氧化碳排放2900万吨。而随着大功率照明LED在灯光装饰和照明中的普遍使用，其开关电源显得越来越 重要。道路照明灯使用大功率LED照明将成为可能性。道路照明灯是使用时间最长而 且耗电最大的灯，路灯采用LED灯将大大减轻了城市的电力能源紧缺，节约国家能源。 由于路灯都是横插式的，使用LED制造只能制成单面发光，但只需在安灯泡时调 正位置，不影响光照效果。路灯的功率分20W、30W，40W，50W，用大功率LED制 造，使用寿命长、免维护。由于LED耗电省、电压低、电流小，安装电缆的截面相应减小，节约了安装成本。 下一代LED路灯的功率为75120W，本文的研究内容是研制75W的大功率照明LED开关电源，其性能指标如下： 输入电压：90-265Vae 电网频率：4763Hz额定输出电压(电流)：12V(5A)，最大输出可达75W 功率因数：O99(Vi=110V) 满载效率：90(Vin=220V)9西安科技大学硕士学位论文 启动时间：2s输出电压纹波：Voutxl514 75W大功率照明LED开关电源设计难点在前面我们已经提到，开关电源不仅要求体积小，重量轻，空载损耗小的特点，同 时也必须做到效率高，能满足各国的安规、电磁兼容与环保要求和能在全球输入电压范 围内使用。因此75W大功率照明LED开关电源设计难点是：LED的伏安特性，高功率 因素，高效率。具体地说：第一，LED的伏安特性要求其配套驱动电源具备恒流恒压输出性能，即当LED电 源带载时其输出为恒流特性，当LED电源空载时，其输出为恒压特性。为完成恒流恒 压输出特性，LED电源的控制环需要同时具备电压环和电流环。第二，大功率照明LED开关电源需要在空载、轻载和重载时均能保持高功率因素和高效率，以符合现在环保节能的要求。15本文的主要内容和研究意义151本文的主要内容本文研究内容按照从理论到实践，最后是总结的顺序展开。 第一章绪论总体介绍大功率照明LED的特点，回顾大功率照明LED开关电源的发展及趋势，并提出了75W大功率照明LED开关电源的研究目标。 第二章提出一个75W两级式方案，并对其工作原理和特点进行详细阐述。 第三章为提高PFC级低输入电压时的效率，PFC级采用变电压输出的控制方案，并与传统的两级式变换器进行比较。 第四章详细介绍了准谐振技术的原理以及在反激变换器中的应用。 第五章结合提出的开关电源两级式方案、Boost变换器变电压输出的控制和准谐振技术，详细阐述其主电路的参数设计和控制电路原理设计，给出实验的结果和实验分析。 第六章是对前面所有理论和实践的总结，并对开关电源的未来作出展望，最后提出下一步还要做的工作。152本文的研究意义本课题研究的是75W大功率照明LED开关电源的技术，现在处于一个新兴的热潮 中。本课题的研究将为更大功率的大功率照明LED开关电源的研究打下理论基础。102一种新型两级式75W开关电源2一种新型两级式75W开关电源21引言根据规定，75W的开关电源必须有PFC功能。由于两级式方案功率因数高，电流 谐波小，动态响应速度快，本开关电源采用两级式方案。本章将提出一种新型两级式方案，详细分析其工作原理，推导关键公式，为后面的 设计打下基础。22新型两级式方案两级式方案的前级为PFC级，后级为DCDC级。221 PFC级实现PFC的方法有许多种，拓扑可采用Boost、Flyback、SEPIC、Buck-Boost等， 由于Boost变换器结构简单，输入电流脉动小，选择Boost变换器作为PFC级的拓扑； 根据电感电流的模式，Boost变换器可工作在电感电流连续模式、断续模式和临界 连续模式。在电流连续模式下，功率因数高，输入电流脉动和有效值小，但是开关管是硬开通，二极管硬关断，有反向恢复的问题。在电流断续模式中，开关管零电流开通， 二极管零电流关断，没有反向恢复的问题。但是输入电流脉动和有效值较大，而且功率 因数较低。在临界连续模式下，开关管零电流开通，二极管零电流关断，没有反向恢复 的问题，而且功率因数高。但是开关频率是变频的。由于功率较小，综合考虑选择临界 连续模式。为了提高低输入电压时开关电源的效率，PFC级采用输出电压跟随输入电压变化而 线性变化的控制策略。222 DCDC级DCDC变换器考虑到输入电压范围宽，因此采用反激变换器。为了减小体积、重 量和输入、输出电流纹波，本文采用具二极管整流输出的反激变换器方案，反激变换器 工作在准谐振模式。西安科技大学硕士学位论文 PFC级D(M)C级瞩，印一垭， 陋、h71专 时矗Cf羊p 冀秭dr 图21两级式变换器主功率电路图图21为提出的新型两级式变换器的主功率电路图。PFC级采用Boost变换器，由 整流桥RB、电感LB、开关管SB、二极管DB和电容CB构成。DCDC级采用准谐振模 式反激变换器，变压器Tl、开关管Ql和输出电容Cf构成反激变换器，Cf为输出电容。23工作原理本节将分别详细分析两级变换器的工作原理，为分析方便，先做如下假设：1)所有开关管、二极管、电容、电感均为理想元器件；2)输出电容CB、Cf足够大；3)变压器T1的励磁电感、变压器原副边变比完全相同；4)变换器的效率为1。231 PFC级工作原理【161【17】H_ =RLdCi_-_(a)Boost变换器电路图(b)电感电流临界连续模式的主要波形图 图22 Boost变换器电路图和主要波形图图22是Boost变换器电路图与电感电流临界连续模式的主要波形图。其工作原理 为：在一个开关周期内，电感电流iLB为零时，二极管DB关断，此时开通开关管SB，妇 由零开始线性增加，当它达到整流桥输出母线的电压采样信号时，关断SB，Da开通， 协由最大值线性下降到零。整流桥输出电压的一个周期由多个开关周期组成。在每个开122一种新型两级式75W开关电源关周期内，如的平均值跟随整流桥输出电压波形，因此实现了PFC的功能。下面将详细分析各参数的关系和表达式。 (1)Boost变换器开关频率 B00st变换器在一个开关周期内的电感电流波形如图23所示。图23 Boost变换器电感电流在开关管SB导通期间，输入电压加在电感LB上，电感电流以vgLB的斜率线性增加。乞(r)=r(21)当电感电流咖达到它的峰值电流么一席时，关断SB，则导通时间TON茭3：已。，：生坠=二笠(22)瞄矽电感电流峰值屯耻为电感电流平均值的两倍，则：屯一雳=2压-一膦sin(a)t)=2,f2谚P了sin(cat)(23)式中厶嬲为输入电流有效值，为输入交流电压的角频率，如为输入功率，嬲为输入电压有效值。 整流桥输出电压瞬时值喙为：K=乏舢sin(cot) (24)将式(23)和(24)代入式(22)，则：=2如若监_(25)y加一RMS式(25)表明：在输入功率和输入电压一定时，开关管的导通时间在整流桥输出电压的周期内是固定的。在SB关断期间，电感电流iLB通过DB给输出电容CB和负载提供能量。电感电流以(Zo-VOtB的斜率线性减小到0。13西安科技大学硕士学位论文么咆，华r(26)lB电感电流峰值在一个开关周期内的表达式：b旷警=等产厶By2(27)则：Vo-vg To盼 (28) 名瓦：+TOFF：V。ro阡 (29) 名由(26)和(29)可得开关管的关断时间为：k=眚=谤I(210)由式(22)和(210)司得开关刷别Ts为：瓦=+=厶乞一肚而Vo211)I 2瓦忑2LB万Pt,面Vo(212)将式(23)和(24)代X(21 1)，可得：则Boost变换器的开关频率为：z=赢Vm2 RMS1_亟等塑】(213)其输出电压与输入电压的关系为：圪=尚(214)式(213)和(214)表RfJ：当输出电压变小，其他条件不变的情况下，Boost变换器的开关频率将变大，占空比D变小。 (2)Boost变换器电感电流有效值 参考图23，电感电流如在一个开关周期内的有效值为：LB_pk(215)。LBRMS一243 、将(23)代入(21 5)得：142一种新型两级式75W开关电源hr2层丧sm(硼(216)那么在一个整流桥输出电压的周期内，电感电流tB的有效值为：IL8一嗍=(217)式中Tii,孵=2xto，是交流输入电压的周期。整流后的电压的周期是交流输入电压周期的一半，因此在计算电感电流机的有效值时，积分时间为M。将式(215)代入式(21 7)得：ILB一嗍2 (218)即：乞一嬲=万2。丧(219)(3)Boost变换器开关管的有效值 SB的电流在一个开关周期内的表达式为：乜事_霄t(o引)(220)【o；(r)SB的电流在一个开关周期内的有效值为：lSn_RMS_T=阿=悟k砧电感电流临界连续模式Boost变换器的输入、输出电压的关系适合连续模式的输入、输出电压关系，因此71，丝生=D=1一 (222)、乃V。将(23)、(24)、(222)代入(221)得：_压专商(223)2x2P=一3圪嬲在一个交流输入电压的12周期内，SB的电流有效值为：15西安科技大学硕士学位论文1SB_RMS=-后融j(224)一2圪=J二二一3圪嬲(4)Boost变换器二极管电流平均值和有效值二极管DB的电流平均值协是负载电流，即：么一卯=k 2孑(225)SB关断期间，iL8流过DB，它以(V,)LB的斜率线性减小到0。则：锄(r)=么(，)=屯一砧FIOFP-t(226)在一个开关周期内，DB的电流有效值为：屯一嬲r压广(屯簪灿=蜃，么一础(227)将式(23)、(21O)式代入式(227)得：IDs RMS_T,=岳oVo鼍学=学南心觚删28，在一个交流输入电压的12周期内，DB的电流有效值为：气一嬲=仨r佗(锄一膦_2衍(229)因为：sin3(=百3sin(cot)一言sin(3cot)(230)将(228)、(230)代入(229)并化简得：乞一膦2；半。南(5)Boost变换器输出电容Ca的有效值 如图22(a)所示，输出电容Ca的电流为Do的电流与负载电流之差，即：屯=堍一屯(232)162一种新型两级式75W开关电源 则CB电流的有效值为：IcB懈2=怯，r彪【f2鹌2鹌)_2，锄盼鹕凇(233)式中勘膦为负载电流的有效值，它是DCDC变换器的输入电流有效值。由于二极管电流ioB(t)和负载(一般为PWM型DCDC变换器)电流幻(t)一般不能同步，P心锄(珍ko)衍的求解比较困难，但可以确定：IcBIlMS s 0I乞8嗍+I乙一嗍Q34)将式(23 1)代入式(234)可得：lc8眦sS (235)如果负载为纯阻性负载，则：lCB一嗍2(236)将oB席圪侬D和式(231)代入上式，得：(237)(6)Boost变换器输出电压的纹波 输出电容的纹波分为两部分：圭EsRBoost变换器电感电流的脉动造成电源输出电容的纹波就iuD是传统的开关纹波，同时电容的寄生电阻(Equivalent Series IResistance，ESR)也是造成开关纹波的一个方面。电容的等效电路 图24电容等效电路 如图24所示，在开关管关断期间，电感电流协流过二极管向负载和输出电容供电，这 时CB的电压的开关纹波为：17西安科技大学硕士学位论文；在开关管开通期间，输出电容 CB向负载提供所需的电流，这时CB的电压开关纹波为：上面的结论是基于在一个开关周期内，PFC级的输入输出的能量是平衡的，输 出电容的电压只有开关频率的纹波。事实上，对于PFC输出电容的电压有一个固有的低 频纹波在上面。因为PFC级的输入电压和电流是同相位的正弦波，其输入功率是正弦波 形的平方。即：