一种新型的AC LED变换器拓扑电路设计方法

摘要：针对传统的LED 灯整流电路的滤波电容使整流前端的交流输入电流波形变成尖脉冲，造成功率因数低、谐波成分增加等问题，提出了一种新型的AC LED 变换器拓扑电路。分别对Buck PFC 功率因素校正电路和LCC 电路进行了详细的分析。分析了Buck PFC 电路的工作原理、开关管工作频率和电容值的大小，同时理论和仿真分析了半桥电路的工作原理和参数值的选择。最后通过实验验证了该电路拓扑结构能提高功率因数。该电路拓扑结构能克服传统整流电路由于后端电容造成控制器使用寿命和谐波成分减小等问题。

传统的LED 灯恒流控制是通过AC/DC,再通过DC/DC变换器进行恒流控制，在AC/DC 变换器中，通常在整流电路后面用滤波电容使输出的电压平滑，但是大电容的存在造成交流端的输入电流波形变成尖脉冲，而不再是正弦函数（降低功率因数）。基于以上LED 控制存在的缺陷，本文采用ACLED 变换器控制。DC LED 变换器中由于输入功率为脉动的，输出功率为恒定的，需要中间储能电容来平衡两者的差值，因此，储能电容一般值较大，并采用电解电容，但数值高的电解电容寿命远小于LED 的寿命，导致整体变换器的寿命降低。

如果采用AC LED,输入和输出功率都是脉动的，则需要的储能电容值较小，会提高整体变换器的寿命。现有AC LED 灯电路结构有串联结构，梯形结构和桥式结构。在AC LED 电路结构中，当输入AC 源为电网电压220 V,50 Hz 时，若不串联限流电阻，则需要大量LED 灯串联以限制LED 电流，此时增大了总的开启电压导致功率因数很低。当串联限流电阻时，则需要串联的LED 数量减小，功率因数有所提高，但是因为限流电阻将导致效率降低。另外，当LED 工作频率为50 Hz 时，光源将明显产生闪烁现象；而工作频率为100 Hz 时，大部分人感觉不到灯光的闪烁情况。为了解决AC LED 存在的功率因数和效率低，以及提高负载结构所示的频率问题，本文提出了一种新型的AC LED 变换器拓扑电路，并对该拓扑电路及控制方法进行分析和研究。

1 AC LED 灯的变换结构

图1 为所提出的AC LED 变换器结构图。vdc为220 V 交流电压经过不控整流的脉动电压，为了提高功率因数，本文采用Buck PFC 电路来校正电流波形。Buck PFC 电路输出电压经过半桥变换器转换成交流信号，作为后级LCC 电路的输入电压，提供给负载LED 灯。因此，该拓扑电路主要包括整流电路、Buck PFC、半桥变换器和LCC 谐振电路。从图1 中可以看出，C1和C2的取值很小能达到，因此，该电容对整个拓扑电路的寿命没有影响；LCC 谐振电路输入和输出交流电压的基波频率为100 Hz,从而负载LED 的电压频率也为100 Hz,该频率看不出电压的闪烁。

图1 新型的AC LED 变换器

1.1 Buck PFC 电路参数的设定

在图1 中，如果整流后的输入电压为：

V 为正弦输入电压的有效值，则输入电流为：

I 为正弦输入电流的有效值。由变换器的输入电压和输出电压之间的关系可知：

将（2）带入（3），可得d（t）的表达式为：

联立（2）、（3）、（4）式可得：

所以电容纹波电流的有效值为：

对于双管正激电路，变压器原边电流和副边电流的关系如下：

首先设定主开关管频率为fs1=16.6 kHZ.因为电解电容影响变换器的使用寿命，因此尽量使得储能电容C1和C2小，取C1=C2=1 mF.当电感电流工作于连续导电模式（CCM 模式）下时，电流纹波大小为：

式中：D 为开关管S1的占空比，CCM 模式下D = Vce/Vdc.考虑到Vdc最大值为310 V,根据Buck PFC 电路输出电压限制Vce峰值不宜超过220 V,设定电感电流纹波ΔI L1最大值不超过4A,则L1最佳参考值为：

考虑Buck PFC可以工作在断续导电模式（DCM）下，电感L1值可取0.865 mH.

1.2 LCC 参数的选择

下面我们分析LCC 参数的计算方法，通过开关管S2和S3互补导通，使得LCC 谐振电路输入为交流，工作状态如图2 所示。

图2 LCC等效电路

根据其工作状态可得到LCC 等效电路，其中C=2 C1=2 C2,LED 用其等效模型代替。

Von为串联开启电压23.5V,Re为串联等效电阻7Ω。当输出电压Vo绝对值小于开启电压Von时，io=0,相当于空载情况，输入输出传递函数为：

当输出电压Vo绝对值大于开启电压Von时，负载等效为Ro,输入输出传递函数为：

根据负载特性，当|Vo| <Von时，应尽快使得|Vo|上升至Von,以使得LED尽快点亮。从而可使得式（12）的谐振频率等于S2的开关频率fs=45kHz即：

当输出电压Vo绝对值大于开启电压Von时，同时希望Vo变化速度变慢使得LED持续导通，输入输出传递函数的增益也有所要求，增益值必须足够高使得输出电压可达到LED最高承受电压值。即：

式中：Vomax为输出电压的峰值，Vimax为|Vcc/2|的最大值。结合式（10）~（12）可得在满足式（13）等式条件下，根据式S95H的限制条件，可选择电感L2应小于0.45mH.

我们的设计目标为输出功率20W,输出最高峰值电压不超过34V.每串LED负载开启电压为23.5V,等效内阻为7Ω，流过最大峰值电流不超过1.5A.因此，选择电感r6值分别为50、100、150、200uH得到图3的仿真波形，根据增益和谐振频率限制条件，取L2=100uH,再由式（12）可得C2=133nF.

图3 带负载情况下带输入-输出传递函数Bode图

通过以上的理论分析，我们对图1中没有PFC校正电路和有PFC校正电路进行了仿真分析，如图4和图5所示。通过仿真分析可知，图1的拓扑电路结构和参数的选择是可行的。

图4 无PFC的输入交流电压和交流电流仿真波形

图5 有PFC的输入交流电压和交流电流仿真波形

2 实验验证

根据前面的理论分析，我们制作了AC LED 灯的控制模块，其设计参数以仿真数据为依据，输入交流电压Vin为220V,S1开关频率为20 kHz,S2和S3开关频率为30 kHz;主功率电感L1为0.865 mH;谐振电感L2为0.1 mH,储能电容C1和C2都为1.2 mF;谐振电容C3为133 nF,开关管的PWM 信号由DSP 产生。图6 为在图1 中没有PFC 电路时测试的电源输入端的交流电压和交流电流测试波形，图7 为有PFC 电路时测试的电源输入端的交流电压和交流电流测试波形。

图6 没有PFC电路时输入电压Vin和输入电流iin波形

图7 有PFC电路时输入电压Vin和输入电流iin波形

3 结束语

本文针对传统的LED 灯整流电路的滤波电容使整流前端的交流输入电流波形变成尖脉冲，造成功率因数低、谐波成分增加等问题，提出了一种新型的AC LED 变换器拓扑电路。通过对图1 新型的拓扑电路理论分析，在LCC 电路中的电容值较小，解决了传统整流电路的大电容给LED 带来的使用寿命短的问题。本文还理论分析了Buck PFC 电路参数值的选择，仿真分析了有功率因素校正电路与没有功率因素校正电路的输入电压和电流的相位关系，最后通过实验验证了本文提出的新型电路拓扑结构的可行性。