基于Sepic電路的工業(yè)照明設(shè)備節(jié)能電源設(shè)計(jì)

當(dāng)前，照明約占世界總能耗的20%左右。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅LED路燈節(jié)能一項(xiàng)，每年就能為中國節(jié)省約一座三峽大壩所發(fā)的電力。正是由于LED照明所具有的節(jié)能、環(huán)保優(yōu)勢(shì)，近年來，其全球產(chǎn)值年增長(zhǎng)率保持在20%以上，中國也先后啟動(dòng)了綠色照明工程、半導(dǎo)體照明工程、“十城萬盞”計(jì)劃等推進(jìn)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展。得益于LED技術(shù)的快速發(fā)展，各路資本積極介入投資LED產(chǎn)業(yè)，投資規(guī)模增長(zhǎng)迅速，資料顯示，LED光源市場(chǎng)到2015年預(yù)計(jì)可達(dá)到500億元。LED燈的光輸出效率在過去20里提高了近20倍，成本在過去10年間下降了90%，且性價(jià)比在不斷提高，LED照明技術(shù)很有發(fā)展前途。

功率因數(shù)校正

功率因數(shù)（PF）的定義

功率因數(shù)（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值

即：

由此可見，功率因數(shù)（PF）由γ（輸入電流的波形畸變因數(shù)）cos準(zhǔn)（基波電壓和基波電流的位移因數(shù)）決定。

功率因數(shù)校正的分類

功率因數(shù)校正，就是將畸變電流校正為正弦電流，并使之與電壓同相位，從而使功率因數(shù)接近于1。交流輸入電源經(jīng)整流和濾波后，非線性負(fù)載使得輸入電流波形畸變，輸入電流呈脈沖波形，含有大量的諧波分量，使得功率因數(shù)很低。

功率因數(shù)校正技術(shù)主要分為無源功率因數(shù)校正（PFC）和有源功率因數(shù)校正（APFC）［3］。無源校正電路，通常由大容量的電感、電容組成。加LC無源濾波器在AC/DC整流電路的輸入端，是對(duì)電網(wǎng)實(shí)施補(bǔ)償?shù)谋粍?dòng)方法。有源功率因數(shù)校正技術(shù)是對(duì)電力電子設(shè)備進(jìn)行自行改進(jìn)的主動(dòng)方法，它是對(duì)AC/DC整流電路內(nèi)部進(jìn)行功率因數(shù)校正，從而使電路盡可能不產(chǎn)生諧波，而且輸入電壓和電流同相位。有源功率因數(shù)校正技術(shù)，在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè)DC/DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流波形接近正弦，使功率因數(shù)提高到0.99以上。

基于 Sepic 電路的節(jié)能電源設(shè)計(jì)

Sepic

SEPIC（single ended primary inductor converter）是一種允許輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DCDC變換器。輸出電壓由主控開關(guān)（三極管或MOS管）的占空比控制。

這種電路最大的好處是輸入輸出同極性。尤其適合于電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合，允許電池電壓高于或者小于所需要的輸入電壓。比如一塊鋰電池的電壓為3V~4.2V，如果負(fù)載需要3.3V，那么SEPIC電路可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。

另外一個(gè)好處是輸入輸出的隔離，通過主回路上的電容C1實(shí)現(xiàn)。同時(shí)具備完全關(guān)斷功能，當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，輸出電壓為0V。

電路結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)分析

圖1 SEPIC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 Q1斷開時(shí)工作狀態(tài)（狀態(tài)1）

圖3 Q1導(dǎo)通時(shí)工作狀態(tài)（狀態(tài)2）

圖1為SEPIC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2為MOS管Q1斷開時(shí)電路的工作的工作狀態(tài)，電容Cs處于充電狀態(tài)，電感L1和L2處于放電狀態(tài)。圖3為MOS管Q2導(dǎo)通時(shí)電路的工作狀態(tài)，電容Cs處于放電狀態(tài)，電源給L1充電，電容Cs給電感L2充電。圖2和圖3電路中的電流流向如圖中箭頭所示。

有源功率因數(shù)校正（APFC）是抑制電流諧波，提高功率因數(shù)最有效的方法，其原理框圖如1所示。其基本思想是：交流輸入電壓經(jīng)全波整流后，對(duì)所得的全波整流電壓進(jìn)行DC/DC變換，并通過適當(dāng)控制使輸入電流自動(dòng)跟隨全波整流后的電壓波形，使輸入電流正弦化，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定。該電路有兩個(gè)反饋控制環(huán)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，使DC/DC變換器的輸入電流與全波整流電壓波形相同；外環(huán)也為電流環(huán)，使DC/DC變換器輸出恒定的電流。

主電路原理及分析

對(duì)主電路進(jìn)行詳細(xì)劃分，可分為兩部分，前一部分為橋式整流電路，后一部分為Sepic拓?fù)潆娐?，如圖2所示。橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，?個(gè)二極管分為兩組，根據(jù)輸入電壓的極性分別導(dǎo)通，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓；Sepic電路是由兩個(gè)電容、兩個(gè)電感以及一個(gè)開關(guān)管和二極管組成，單獨(dú)的Sepic電路只須工作在電流斷續(xù)狀態(tài)就能自然實(shí)現(xiàn)PFC。

交流市電經(jīng)全橋整流之后，送入隔離型Sepic電路。隔離型Sepic電路的母線電壓以半個(gè)工頻周期波動(dòng)，當(dāng)Sepic電路處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，其開關(guān)管的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母線電壓脈動(dòng)周期，因此在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，可以近似的認(rèn)為母線電壓是一個(gè)恒定的電壓。