摘要：針對傳統(tǒng)的LED 燈整流電路的濾波電容使整流前端的交流輸入電流波形變成尖脈沖，造成功率因數(shù)低、諧波成分增加等問題，提出了一種新型的AC LED 變換器拓?fù)潆娐?。分別對Buck PFC 功率因素校正電路和LCC 電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。分析了Buck PFC 電路的工作原理、開關(guān)管工作頻率和電容值的大小，同時理論和仿真分析了半橋電路的工作原理和參數(shù)值的選擇。最后通過實驗驗證了該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能提高功率因數(shù)。該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能克服傳統(tǒng)整流電路由于后端電容造成控制器使用壽命和諧波成分減小等問題。
傳統(tǒng)的LED 燈恒流控制是通過AC/DC，再通過DC/DC變換器進(jìn)行恒流控制，在AC/DC 變換器中，通常在整流電路后面用濾波電容使輸出的電壓平滑，但是大電容的存在造成交流端的輸入電流波形變成尖脈沖，而不再是正弦函數(shù)（降低功率因數(shù)）?；谝陨螸ED 控制存在的缺陷，本文采用ACLED 變換器控制。DC LED 變換器中由于輸入功率為脈動的，輸出功率為恒定的，需要中間儲能電容來平衡兩者的差值，因此，儲能電容一般值較大，并采用電解電容，但數(shù)值高的電解電容壽命遠(yuǎn)小于LED 的壽命，導(dǎo)致整體變換器的壽命降低。
如果采用AC LED，輸入和輸出功率都是脈動的，則需要的儲能電容值較小，會提高整體變換器的壽命。現(xiàn)有AC LED 燈電路結(jié)構(gòu)有串聯(lián)結(jié)構(gòu)，梯形結(jié)構(gòu)和橋式結(jié)構(gòu)。在AC LED 電路結(jié)構(gòu)中，當(dāng)輸入AC 源為電網(wǎng)電壓220 V，50 Hz 時，若不串聯(lián)限流電阻，則需要大量LED 燈串聯(lián)以限制LED 電流，此時增大了總的開啟電壓導(dǎo)致功率因數(shù)很低。當(dāng)串聯(lián)限流電阻時，則需要串聯(lián)的LED 數(shù)量減小，功率因數(shù)有所提高，但是因為限流電阻將導(dǎo)致效率降低。另外，當(dāng)LED 工作頻率為50 Hz 時，光源將明顯產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象；而工作頻率為100 Hz 時，大部分人感覺不到燈光的閃爍情況。為了解決AC LED 存在的功率因數(shù)和效率低，以及提高負(fù)載結(jié)構(gòu)所示的頻率問題，本文提出了一種新型的AC LED 變換器拓?fù)潆娐?，并對該拓?fù)潆娐芳翱刂品椒ㄟM(jìn)行分析和研究。
1 AC LED 燈的變換結(jié)構(gòu)
圖1 為所提出的AC LED 變換器結(jié)構(gòu)圖。vdc為220 V 交流電壓經(jīng)過不控整流的脈動電壓，為了提高功率因數(shù)，本文采用Buck PFC 電路來校正電流波形。Buck PFC 電路輸出電壓經(jīng)過半橋變換器轉(zhuǎn)換成交流信號，作為后級LCC 電路的輸入電壓，提供給負(fù)載LED 燈。因此，該拓?fù)潆娐分饕ㄕ麟娐?、Buck PFC、半橋變換器和LCC 諧振電路。從圖1 中可以看出，C1和C2的取值很小能達(dá)到，因此，該電容對整個拓?fù)潆娐返膲勖鼪]有影響；LCC 諧振電路輸入和輸出交流電壓的基波頻率為100 Hz，從而負(fù)載LED 的電壓頻率也為100 Hz，該頻率看不出電壓的閃爍。
圖1 新型的AC LED 變換器
1.1 Buck PFC 電路參數(shù)的設(shè)定
在圖1 中，如果整流后的輸入電壓為：
V 為正弦輸入電壓的有效值，則輸入電流為：
I 為正弦輸入電流的有效值。由變換器的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系可知：
將（2）帶入（3），可得d（t）的表達(dá)式為：
聯(lián)立（2）、（3）、（4）式可得：
所以電容紋波電流的有效值為：
對于雙管正激電路，變壓器原邊電流和副邊電流的關(guān)系如下：
首先設(shè)定主開關(guān)管頻率為fs1=16.6 kHZ.因為電解電容影響變換器的使用壽命，因此盡量使得儲能電容C1和C2小，取C1=C2=1 mF.當(dāng)電感電流工作于連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM 模式）下時，電流紋波大小為：
式中：D 為開關(guān)管S1的占空比，CCM 模式下D = Vce/Vdc.考慮到Vdc最大值為310 V，根據(jù)Buck PFC 電路輸出電壓限制Vce峰值不宜超過220 V，設(shè)定電感電流紋波ΔI L1最大值不超過4A，則L1最佳參考值為：
考慮Buck PFC可以工作在斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下，電感L1值可取0.865 mH.
1.2 LCC 參數(shù)的選擇
下面我們分析LCC 參數(shù)的計算方法，通過開關(guān)管S2和S3互補(bǔ)導(dǎo)通，使得LCC 諧振電路輸入為交流，工作狀態(tài)如圖2 所示。
圖2 LCC等效電路
根據(jù)其工作狀態(tài)可得到LCC 等效電路，其中C=2 C1=2 C2，LED 用其等效模型代替。
Von為串聯(lián)開啟電壓23.5V，Re為串聯(lián)等效電阻7Ω。當(dāng)輸出電壓Vo絕對值小于開啟電壓Von時，io=0，相當(dāng)于空載情況，輸入輸出傳遞函數(shù)為：
當(dāng)輸出電壓Vo絕對值大于開啟電壓Von時，負(fù)載等效為Ro，輸入輸出傳遞函數(shù)為：
根據(jù)負(fù)載特性，當(dāng)|Vo| 《Von時，應(yīng)盡快使得|Vo|上升至Von，以使得LED盡快點亮。從而可使得式（12）的諧振頻率等于S2的開關(guān)頻率fs=45kHz即：
當(dāng)輸出電壓Vo絕對值大于開啟電壓Von時，同時希望Vo變化速度變慢使得LED持續(xù)導(dǎo)通，輸入輸出傳遞函數(shù)的增益也有所要求，增益值必須足夠高使得輸出電壓可達(dá)到LED最高承受電壓值。即：
式中：Vomax為輸出電壓的峰值，Vimax為|Vcc/2|的最大值。結(jié)合式（10）~（12）可得在滿足式（13）等式條件下，根據(jù)式S95H的限制條件，可選擇電感L2應(yīng)小于0.45mH.
我們的設(shè)計目標(biāo)為輸出功率20W，輸出最高峰值電壓不超過34V.每串LED負(fù)載開啟電壓為 23.5V，等效內(nèi)阻為7Ω，流過最大峰值電流不超過1.5A.因此，選擇電感r6值分別為50、100、150、200uH得到圖3的仿真波形，根據(jù)增益和諧振頻率限制條件，取L2=100uH，再由式（12）可得C2=133nF.
圖3 帶負(fù)載情況下帶輸入-輸出傳遞函數(shù)Bode圖
通過以上的理論分析，我們對圖1中沒有PFC校正電路和有PFC校正電路進(jìn)行了仿真分析，如圖4和圖5所示。通過仿真分析可知，圖1的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)和參數(shù)的選擇是可行的。
圖4 無PFC的輸入交流電壓和交流電流仿真波形
圖5 有PFC的輸入交流電壓和交流電流仿真波形
2 實驗驗證
根據(jù)前面的理論分析，我們制作了AC LED 燈的控制模塊，其設(shè)計參數(shù)以仿真數(shù)據(jù)為依據(jù)，輸入交流電壓Vin為220V，S1開關(guān)頻率為20 kHz，S2和S3開關(guān)頻率為30 kHz;主功率電感L1為0.865 mH;諧振電感L2為0.1 mH，儲能電容C1和C2都為1.2 mF;諧振電容C3為133 nF，開關(guān)管的PWM 信號由DSP 產(chǎn)生。圖6 為在圖1 中沒有PFC 電路時測試的電源輸入端的交流電壓和交流電流測試波形，圖7 為有PFC 電路時測試的電源輸入端的交流電壓和交流電流測試波形。
圖6 沒有PFC電路時輸入電壓Vin和輸入電流iin波形
圖7 有PFC電路時輸入電壓Vin和輸入電流iin波形
3 結(jié)束語
本文針對傳統(tǒng)的LED 燈整流電路的濾波電容使整流前端的交流輸入電流波形變成尖脈沖，造成功率因數(shù)低、諧波成分增加等問題，提出了一種新型的AC LED 變換器拓?fù)潆娐贰Ｍㄟ^對圖1 新型的拓?fù)潆娐防碚摲治?，在LCC 電路中的電容值較小，解決了傳統(tǒng)整流電路的大電容給LED 帶來的使用壽命短的問題。本文還理論分析了Buck PFC 電路參數(shù)值的選擇，仿真分析了有功率因素校正電路與沒有功率因素校正電路的輸入電壓和電流的相位關(guān)系，最后通過實驗驗證了本文提出的新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性。
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