关键字 |
| 双级降压升压变换器(TSBB)，功率LED灯，不连续传导模式(DCM)，连续传导模式(CCM)，电隔离。 |
介绍 |
| 众所周知，由于发光二极管(LED)的高效率，LED在世界上越来越有吸引力，特别是在路灯的工业应用中。然而，高效率的LED系统需要高效率的电源为LED供电。钨丝灯只能提供8-10 lm/W，效率非常低，现在它们被荧光灯取代，LED的效率高达100lm/W[2]，它们大多是首选。这些LED的主要缺点是它们需要恒定的电压作为输入，并且在LED输入之前需要电流限制器。 |
| 在一般照明应用中，使用无源电路或有源电路都可以实现高功率因数。无源电路由电感、电容和无控整流器组成。这是实现高功率因数且不会产生电磁干扰(EMI)的良好解决方案。在有源功率因数校正电路中，采用开关电源来实现高功率因数、低THD和良好的输出电压调节。有源功率因数校正电路分为两类，两级方法和单级方法。 |
| 查阅文献可以发现，各种LED电源和驱动器解决方案，在实现接近统一输入功率因数的同时，可以精确控制LED的电流，[8]，[10]。该驱动器目前由基于开关模式电源(SMPS)的电力电子级实现。然而，在这些应用中需要电解电容器。不幸的是，这种电容器的工作寿命远远短于HB led的寿命，并且通常是电源中所有设备中最短的。因此，拆除电解电容器将意味着系统[3]，[4]的工作寿命和可靠性显著提高。 |
| PFC转换器可以分为两种类型:两级和单级。两级PFC变换器由PFC级和dc/dc级组成。单级PFC变换器集成了PFC级和dc/dc级，拓扑简单，成本低。它们适用于低功耗应用[7]。最简单的有源PFC电路采用单级实现功率因数校正。最常用的单级拓扑是反激变换器[5]，[6]工作在不连续传导模式(DCM)，被称为DCM反激PFC变换器。这些预稳压器的主要缺点是，一方面，由DCM和严重的EMI问题[3]引起的峰值电流应力，另一方面，由于低通滤波器(10 Hz-20 Hz)需要降低输入线路电流的总谐波失真(THD)，这些转换器执行的动态较差。因此，如果需要调光操作，必须在频率高于200hz的情况下进行，这些单级解决方案是不可行的。针对上述原因，需要进行两级功率因数校正，从而获得足够快的输出动态。 |
| 提出了一种两级降压升压变换器(TSBB)，从交流电源为LED灯供电，提供高功率因数(PF)，低LED电流纹波和高效率。使用双降压升压转换器，两个转换器与一个开关级联，它包括两个低值电感和电容器以及适当放置的二极管，因此LED灯可以提供低纹波和高效率的电源。第二节介绍了带隔离[1]的TSBB变换器的工作原理。第三节详细介绍了TSBB变换器[1]在各种模式下的分析与设计。第四节讨论了带隔离的TSBB变换器的仿真结果。第五节讨论了实验室样机的制作，并在第六节中讨论了结果和结论。 |
两级降压升压变换器 |
| TSBB变换器的原理图如图2所示。该变换器作为一个双降压-升压变换器，它是电隔离的，并连接到负载。输入降压升压变换器由L1、D2、D3、CB和M1组成，输出降压升压变换器由于加了电隔离而起到反激变换器的作用，由LO、D3、CO、M1组成。电容器CB中第一个变换器产生的反向极性由第二个变换器校正，给定相对于地的正输出电压，从而简化了负载电流的测量，在闭环操作中，也减少了传感电路，从而降低了成本。 |
| 输入电感器Li在不连续传导模式(DCM)下工作，通过线路的平均电流几乎与线路电压相一致，这导致线路功率因数接近单位，如果变换器在电网中从市电电压运行，这是很重要的。此外，输出电感LO可以在连续传导模式(CCM)或不连续传导模式下工作。DCM在CB上产生的总线电压与占空比和输出功率无关。但DCM有一个缺点，它需要较高的输出电容值来实现通过负载的低电流纹波。因此，为了避免输出电流纹波大，降低输出电容值，CCM操作是首选。除此之外，为了降低低频出现的纹波电压，TSBB的第二级以D = 50%(占空比)运行，因为占空比乘以buckboost变换器电压比。这样，甚至可以使用薄膜电容器来实现输出电容;这使得TSBB转换器的额定寿命更长，比电解电容器的使用效率更高。 |
| 此外，通过对变换器的精心设计，母线电容器也可以做得足够低，可以用薄膜技术实现，从而避免了整个变换器中电解电容器的低寿命额定值。这意味着转换器的设计，使其工作在α低于0.5。这样，输出变换器的电压比将小于1，从而减少了相同数量的低频电压纹波。 |
(a)需要隔离 |
| 非隔离开关稳压器由于成本低、操作简单，是一种非常常用的稳压器。这些转换器有一个缺点，那就是输入和输出之间有电连接。许多安全机构要求将应用的输入电压和输出电压分离，这通常是用户可访问的。一个隔离的DC-DC变换器将有一个高频变压器提供这种屏障。这种屏障可以承受从几百伏到几千伏的任何电压，这是医疗应用所需要的。在这一特殊的LED应用中，这些被广泛应用于大功率照明应用，因此隔离高功率负载和低功率控制部分是至关重要的。这里使用反激式变压器来满足需求。 |
TSBB变换器分析 |
| 在本节中，分析了从主电压运行时具有隔离功能的TSBB转换器，实现了接近统一的输入PF和通过功率LED负载的低纹波电流。假定线路电压为正弦波形，给定为vg(t)= vg sinwlt。 |
(a)线路电流 |
| 输入电流ig对应于0-DTS时间间隔内通过电感Li的电流，其中D为晶体管占空比，TS为晶体管开关周期。该电流由整流线电压[1]调制。因此，输入电流在线频处的平均值可计算为:[1]。 |
 (1） |
| 式中fs为开关频率，Vg为线路电压峰值，wL为线路角频率。从上面的方程，平均输入电流是一个正弦波形，将提供一个输入PF接近单位一旦过滤输入电磁干扰(EMI)滤波器。平均输入功率Pi可计算为: |
 （2） |
(b)输出和母线电压 |
| 理想变换器的输出电压VO可由输入和输出功率相等得到: |
 （3） |
| 式中，R为LED负载的静态等效电阻，由每个工作点上LED电压(VLED)与电流(ILED)的直流值之比得到。 |
 （4） |
| 其中，Vγ和Rγ为LED灯的电压和电阻参数。假设效率为100%，令(2)和(3)相等，则输出电压为: |
 （5） |
| 式中，K是一个无量纲因子，由 |
 (6） |
| 由于输出级对应于工作在CCM中的降压升压变换器，因此母线电压VB为， |
 (7） |
| 由式(5)和式(7)可以看出，当DCM的输入级和CCM的输出级运行时，总线电压和输出电压与占空比成反比。两个电压的和不依赖于占空比，只与线路峰值电压成正比， |
 （8） |
(c)能量传递部件或反应部件 |
| 根据输出功率计算输入端能量传递单元Li的值，假设效率为100%，则电感的值为: |
 （10） |
| 母线电容CB的计算是为了限制母线电压的低频纹波，这是施加到第二级的电压。通过电容器的电流由通过二极管D1和D2的电流给出。在这些二极管中，只有通过D1的电流由整流线频率调制。为了计算总线纹波，必须得到通过D1的电流的低频分量。通过D1的平均电流是， |
 （11） |
| 式中，iD1-peak为每个开关周期内通过D1的峰值电流，t1为该电流达到零所需的时间。这两个值在两倍的线频率后变化，并具有以下值。 |
 （12） |
 （13） |
| D1平均电流为， |
 (14） |
| 上式为， |
 (15） |
| 则通过D1和CB循环的低频交流分量为: |
 （16） |
| 电容CB上的低频峰间纹波电压ΔVBLF可得: |
 (17) |
| 对于母线电压中给定的峰间纹波，母线电容CB由式(17)计算如下: |
 (18) |
| 请注意，只要输出降压-升压转换器在CCM中工作，LED低频电流纹波仅依赖于母线电压纹波，因此依赖于母线电容CB。输出电容CO对这种低频纹波没有影响。最后，利用在CCM中工作的buck-boost变换器的已知表达式，得到输出电感和电容LO和CO。 |
 (19) |
 (20) |
| 式中ΔILo_HF为LO高频电流峰峰纹波，ΔV0_HF为输出电压高频峰峰纹波，Io为通过LED负载的直流电流。 |
仿真结果与讨论 |
| 利用MATLAB软件对带隔离的TSBB变换器进行了仿真。利用Matlab 7.8.0版本的Simulink进行仿真。MATLAB是控制领域最流行的软件之一，其图形化仿真环境SIMULINK因其丰富的工具箱和模块而非常适合于动态系统仿真。Simulink是一个用于动态系统建模、仿真和分析的软件包。仿真结果对于确定硬件实现中不同组件的评级非常有用。借助仿真结果，成功地得到了相关波形。 |
| 利用MATLAB/SIMULINK开发了一个街道照明应用的仿真原型。该灯由欧司朗的60个LW W5SG功率led组成串联阵列。负载额定电流350 mA，输出功率70Wand，总光通量1500 lm。在实验室对负载进行测试，得到如下模型参数:Vγ = 170 V, Rγ = 87Ω。额定功率下的等效负载电阻为R = 570 Ω。所选开关频率为50khz。线电压为230vrms，线频为50hz。转换器必须允许至少10%的线路电压变化，以确保通过负载的恒定电流。开关频率假设为50千赫。得到的输出电压为200v。 |
| 电路配置如图7所示，TSBB转换器在闭环模式下使用PI控制器进行隔离。PI控制器元素的值是这样选择的，以减少稳态误差。 |
| 图8表示所述变换器的输入电压和电流波形。从图中我们可以看到，输入电压与平均输入电流是同相的，因此功率因数变得统一，也显示了所提出的变换器的低纹波电流的输出电压。 |
| 图9表示了通过电感器和开关的电流和电压波形，也显示了二极管D3的电压和电流波形。 |
| 图10表示了通过二极管d1的电流和电压波形，也显示了通过二极管D2的电压和电流。 |
结论 |
| 本文对带隔离的两级降压升压变换器(TSBB)进行了仿真。这种电路结构适用于低功率应用。在闭环模式下，采用PI控制器。从上一节可以明显看出，与使用多个开关的转换器相比，具有闭环隔离的TSBB配置是有效的。 |
| 该转换器的附加优势是，这是适用于电源转换器用于医疗应用，其中隔离是必不可少的。隔离虽然会增加成本，但在某些应用中是不可忽视的安全方面。因此，在闭环模式下隔离的TSBB变换器在任何低功率负载下都更高效、安全、可靠。 |
数字一览 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
图10 |
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参考文献 |
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