一種照明用大功率LED驅(qū)動(dòng)電路研究

照明用大功率無(wú)橋LED驅(qū)動(dòng)電路研究（修改稿）大功率高亮度發(fā)光二極管（即LED）具有發(fā)光效率高、體積小、圖一無(wú)橋大功率LED驅(qū)動(dòng)電路（主電路）由于LED特性的非線(xiàn)性和溫度重量輕、使用安全的特點(diǎn)，尤其可貴的是它的使用壽命極長(zhǎng)［1］，是一種非常理想的照明光源。由它來(lái)取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源將會(huì)為我們國(guó)家節(jié)省大量電力，有效減少溫室氣體排放和由于更新照明設(shè)施而產(chǎn)生的大量垃圾。但是的敏感性⑵它必須用恒流源為其供電，同時(shí)為了達(dá)到節(jié)電和減少對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響，還必須要求它的驅(qū)動(dòng)電路具有很高的性能，既很高的效率、很高的功率因數(shù)、向電網(wǎng)很小的諧波電流注入以及較低的成本和較小的體積重量。滿(mǎn)足這些要求且直接利用工頻電網(wǎng)供電的大功率LED驅(qū)動(dòng)電路已有討論［引但還很少，且都還有進(jìn)一步完善和提高之處。本文提出一種照明用大功率無(wú)橋LED圖一無(wú)橋大功率LED驅(qū)動(dòng)電路（主電路）由于LED特性的非線(xiàn)性和溫度2、電路工作過(guò)程該LED驅(qū)動(dòng)主電路如圖一所示，電路中和場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)的二極管是該場(chǎng)效應(yīng)管的寄生二極管。該電路的主要特點(diǎn)是：一、省去了整流橋，減少了工作電流 1IIIIUIIII————__IIIIIIUIIII——1—1_1—1———t提高電路的工作效率；二、由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的電子開(kāi)關(guān)Q1、Q2同時(shí)通斷，由于他們的源極共地，因而可簡(jiǎn)化其控制電路；三、場(chǎng)效應(yīng)管控制電壓的脈沖寬度和幅度均跟隨工頻電源電壓ui的幅度變化而按正弦規(guī)律變化，如圖二所示；四、用脈沖變壓器B替代儲(chǔ)能電感的作用并接在交流回路中；五、變壓器B的初級(jí)線(xiàn)圈L1、L2工作在電流準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)也就是在電感電流下降到零的時(shí)刻開(kāi)始一個(gè)新的周期，這樣可以保證電路的工作電流隨電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間按線(xiàn)性變化。脈沖變壓器B的次級(jí)線(xiàn)圈L3連接控制電路，使電子開(kāi)關(guān)Q1、Q2按預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行通斷變化。這個(gè)電路可同時(shí)完成電壓變換和功率因數(shù)校正(PFC)功能，在電源輸入端接一簡(jiǎn)單的LC濾波器可進(jìn)一步減小高頻諧波電流向電網(wǎng)的注入。通過(guò)功率器件的數(shù)目，可有效 圖二場(chǎng)效應(yīng)管控制信號(hào)波形（示意）

通過(guò)功率器件的數(shù)目，可有效 圖二場(chǎng)效應(yīng)管控制信號(hào)波形（示意）為分析電路工作原理方便，假設(shè)電路中脈沖變壓器B的初級(jí)線(xiàn)圈L.L的電感量l=l=L，電子開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管緩沖電容C「C的容1 2 1 2B 1 2量C二C二C，其余元件除作為負(fù)載的LED外均視為理想元件，且1 2 0電路工作狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定。電路的工作情況如圖三所示。設(shè)電源電壓為u二usin回，負(fù)載電iim壓為U且U>1U0 0 2im時(shí)，在ui的正半周，電路的工作過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段，波形如圖四所示。t0?t］期間，

Q1、Q2的控制信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，電感電流iL通過(guò)變壓器B的初級(jí)線(xiàn)圈L1和L2、場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q1的寄生二極管和電源ui形成回路從一個(gè)較小的負(fù)值按線(xiàn)性規(guī)律增大，到t1時(shí)刻電流達(dá)最大值ILm，此間電感線(xiàn)圈上的電壓匕二九產(chǎn)氣廣4。在t0時(shí)刻由于場(chǎng)效應(yīng)管Q2上的電壓已基本為零且電流iL上升較慢，因而Q2可近似認(rèn)為是零電壓零電流開(kāi)通。t1?t3期間，在t1時(shí)刻場(chǎng)效應(yīng)管的控制信號(hào)回落到低電平Q2關(guān)斷。由于關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)管的這段時(shí)間很短可以假定電感電流繼續(xù)流通并保持不變，它首先給Q2的緩沖電容C2充電使電壓uc2線(xiàn)性上升，并且在場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷過(guò)程中，uc2上升尚小，因而可以認(rèn)為Q2為零電壓關(guān)斷。到t2時(shí)刻uc2上升至ui,而電感電壓下降為0ot2時(shí)刻以后電感電壓改變極性，繼續(xù)為緩沖電容C2充電，到t3時(shí)刻使uc2即場(chǎng)效應(yīng)管Q2上電壓%2上升至m+2U，電感電壓U下降為i0 L2U0o圖四正半周時(shí)工作波形t3?t4期間，此間由于電感電壓改變極性使二極管D1反偏截止，故變壓器B的初級(jí)線(xiàn)圈L1的電流也轉(zhuǎn)移

到L2上并通過(guò)二極管D2和負(fù)載形成回路，在t3時(shí)刻使通過(guò)電感線(xiàn)圈的電流iL2m增大到原來(lái)的2倍且按線(xiàn)性規(guī)律下降，成為該驅(qū)動(dòng)電路向負(fù)載的輸出電流i0，此間場(chǎng)效應(yīng)管Q2上的電壓uDS2和電感電壓uL保持t3時(shí)刻的值不變。而濾波電容C3可使通過(guò)負(fù)載(LED)的電流較為平滑。圖四正半周時(shí)工作波形t4?t6期間，在t4時(shí)刻通過(guò)電感線(xiàn)圈的電流iL2下降到零，而場(chǎng)效應(yīng)管Q?的緩沖電容C上的電壓u。仍為m+2U，于是緩沖電容2 2 c2 ,? 0C2和變壓器B的初級(jí)線(xiàn)圈L1、L2構(gòu)成諧振回路并進(jìn)行振蕩放電，使場(chǎng)效應(yīng)管Q2及其緩沖電容C2上的電壓按正弦規(guī)律下降，而電感線(xiàn)圈上的電壓uL則按正弦規(guī)律以相反的方向變化。到t6時(shí)刻電壓uc2或UDS2下降到零，為下一周期場(chǎng)效應(yīng)管的再次開(kāi)通做好了準(zhǔn)備。在電源電壓ui的負(fù)半周，電路的工作過(guò)程和上相同。由上述可見(jiàn)，該電路的控制方式雖然使開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓較高u=U+2UDSMim 0但該電路即使不用緩沖電路，也可以實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開(kāi)通和零電壓關(guān)斷的效果，因而有較低的開(kāi)關(guān)損耗。3、參數(shù)計(jì)算和主電路設(shè)計(jì)3-1、參數(shù)計(jì)算我們知道，如果脈寬為t的電壓U加在電感L上，那么通過(guò)這個(gè)電感的電流最大值應(yīng)為

I=Ut [ 5 ]LmL對(duì)于我們現(xiàn)在要討論的無(wú)橋LED驅(qū)動(dòng)電路，由于變壓器B兩個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈的等效電感為單個(gè)線(xiàn)圈的4倍⑹，在輸入電源電壓u=22UJsin3t的某個(gè)正半周內(nèi)、電子開(kāi)關(guān)Q1、Q2第n次開(kāi)通時(shí)，如i i 1 2果認(rèn)為場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)通期間輸入電壓ui的值就是其開(kāi)通前輸入電壓ui的值且在開(kāi)通期間沒(méi)有變化，那么通過(guò)變壓器初級(jí)兩個(gè)線(xiàn)圈LrL2的電流最大值，既由輸入電源電壓ui提供的電流最大值為，2UJsin3tI= i (n).Tim(n) 4L 0(n)B其中，Ui是輸入電源電壓有效值，T0(n)是場(chǎng)效應(yīng)管在t(n)時(shí)刻開(kāi)始的開(kāi)通時(shí)間。此后電子開(kāi)關(guān)受控關(guān)斷，關(guān)斷后原來(lái)通過(guò)變壓器兩個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈的電流將集中在線(xiàn)圈L2流通，由于能量守恒通過(guò)線(xiàn)圈L2的電流初始值將為原來(lái)的2倍⑺，因此在輸出電壓為U0的條件下，通過(guò)變壓器初級(jí)線(xiàn)圈的電流經(jīng)過(guò)時(shí)間L八T=-2-211(n)U im(n)0將下降到零，將(3)式是代入(4)式得驅(qū)動(dòng)電路為負(fù)載提供電流的時(shí)間為2Usin3tT=i (n)T1(n) 2U 0(n)0

這里要求U>0。如前所述，由于在變壓器初級(jí)線(xiàn)圈的電流下降到零0時(shí)控制電路將控制場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2導(dǎo)通而進(jìn)入下一周期，因此電路的工作周期為T(mén)+T，由此可求得輸入電源電壓u在本次開(kāi)關(guān)周期0(n) 1(n) i內(nèi)提供的平均電流值為-TI20(n)im(n)T+T0(n) 1(n)代入(3)、(5)式，得(6)_ 22Usin(6)I=i (n)0(n)i(n) 8L 2UUsin3tB1+i(n)2U0由上式可見(jiàn)，要使該驅(qū)動(dòng)電路的輸入電流平均值按正弦規(guī)律變化，既電路向電網(wǎng)注入的諧波電流最小，應(yīng)使上式中的第二個(gè)分式為常數(shù)，因此可令'2UUsin3t'TOC\o"1-5"\h\zT=T1+ i cm0(n) 0(min) 2U0JT0(min)為電子開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管的最小導(dǎo)通時(shí)間。將(7)式帶入(6)式得_ >2Usin3tI=i (nxTi(n) 8L 0(min)B由上式可見(jiàn)電路輸入電流的平均值按正弦規(guī)律變化。我們只須控制場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2在電感電流下降到零時(shí)導(dǎo)通，并讓場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通時(shí)間隨電源電壓ui幅值的變化而按正弦規(guī)律變化,在這種情況下只需控制場(chǎng)效應(yīng)管的最小導(dǎo)通時(shí)間T0（mm）即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路輸出電流i0的大小控制或恒流控制。但要取得這樣一個(gè)控制信號(hào)稍微要困難一些，希望以后能有和此匹配的集成電路出現(xiàn)。

由（8）式，當(dāng)回=90。、既sin31=1時(shí)，電路輸入電流的平均值

（n）達(dá)到最大，即— —大 2iuI=I=221= iT（n） imi 8L 0（min）B其中Ii為該驅(qū)動(dòng)電路輸入正弦電流的基波有效值。由上式可計(jì)算場(chǎng)效應(yīng)管的最小導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)0(min)T0(min)8LI B~~iUi并且由（7）式場(chǎng)效應(yīng)管的最大導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)為.<2u.<2u i2U0T0(max)=T1T0(max)0(min)k如果忽略電路工作過(guò)程中的損耗，即認(rèn)為電路的輸入功率就等于負(fù)載的吸收功率，再結(jié)合（9）式，便有U2TUI=i。*)=UIii 8L 00B由上式可導(dǎo)出以下兩個(gè)重要關(guān)系UI—0—0Ui（12）（12）T 8UI 或 tTU20（min）= 00 或 L=0（min）iLU2 b8UIB i 00將（11）、（13）式代入（3）式并令T=T、sin3t=1，可得在0（n） 0（max） （n-1）電源電壓ui的一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)變壓器初級(jí)兩個(gè)線(xiàn)圈L1、L2的最大電流為) ) 0-Ui/Iim=211Iim0v由（13）、（14）式可知該LED驅(qū)動(dòng)電路在這種控制方式下，只要確定了輸入輸出各量，電子開(kāi)關(guān)Q1、Q2的最小導(dǎo)通時(shí)間T0（min）和變壓器初級(jí)線(xiàn)圈電感量LB的比值就為一常數(shù)、并且通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的電流峰值lim也隨之確定。因此設(shè)計(jì)電路時(shí)就可以在開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)速度允許的條件下選擇較小的最小導(dǎo)通時(shí)間T0（min），從而減小對(duì)變壓器初級(jí)線(xiàn)圈LB電感量的要求，并可最大限度的減小其體積和重量。同時(shí)根據(jù)（1）、（14）式既可選擇開(kāi)關(guān)器件的電壓電流容量。3-2、主電路設(shè)計(jì)根據(jù)上面的分析，可以方便的對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)：第一、根據(jù)所選開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度確定它的最小導(dǎo)通時(shí)間T0(min)；第二、然后既可根據(jù)（13）式確定變壓器初級(jí)兩個(gè)線(xiàn)圈電感量LB，變壓器次級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)可根據(jù)控制電路的需要來(lái)確定;第三、根據(jù)（1）、（14）式確定開(kāi)關(guān)器件Q1、Q2和D1、D2的電

壓、電流容量;第四、和發(fā)光二極管并聯(lián)的輸出濾波電容可根據(jù)發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻和輸出濾波電容形成的時(shí)間常數(shù)要大于電路的最長(zhǎng)工作周期來(lái)確定；第五、電路輸入端的LC濾波電路的元件參數(shù)可根據(jù)其諧振頻率要低于電路的最低工作頻率來(lái)確定，并盡量選擇較大容量的電容；第六、很多情況下場(chǎng)效應(yīng)管的緩沖電容C1、C2利用其自身的極間電容即可。4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于上面討論的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了固定輸出的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并按圖五所示的方框圖設(shè)計(jì)了控制電路，經(jīng)啟動(dòng)電路發(fā)出啟動(dòng)脈沖后即可正常圖五控制電路方框原理圖工作。其中線(xiàn)圈L3兩端的電壓反映了變壓器B初級(jí)線(xiàn)圈L1、L2兩端電壓的變化，經(jīng)全圖五控制電路方框原理圖波整流后的輸出電壓u，如圖四（e）所示，由分離電路分離出2U和L 0ui再結(jié)合控制電壓U（T0mm）形成單穩(wěn)電路輸出脈沖寬度的控制信號(hào)uk，而由分離電路分離出的脈沖信號(hào)uc1如圖四（f）所示，經(jīng)延時(shí)整理后取第二個(gè)脈沖作為單穩(wěn)電路輸出脈沖的觸發(fā)信號(hào)U一在Uk和山的作 10用下單穩(wěn)電路就可以在規(guī)定的時(shí)刻輸出規(guī)定寬度的脈沖信號(hào)了。單穩(wěn)電路輸出的脈沖經(jīng)緩沖后即可作為場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug。然后，我們通過(guò)控制U（T0mm）即可控制該LED驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流I0或?qū)崿F(xiàn)輸出電流的恒流控制。設(shè)定輸入工頻電源電壓Ui=220V，輸出電壓U0=200V，輸出電流I0=0.4A；選用場(chǎng)效應(yīng)