LED驱动非对称半桥变换器的设计与实现

P.Aswini¹， k.s.帕维特拉夫人²

印度钦奈Sri Venkateswara工程学院电气与电子工程系研究生
印度钦奈Sri Venkateswara工程学院电气与电子工程系助理教授

摘要

本文介绍了一种高可靠性、高效率的低功耗发光二极管。交直流变换器是低压应用中一种常见的变换器拓扑方法。这种方法的最佳选择是非对称半桥变换器，它具有高效率、恒定的开关频率和小的输出滤波器。非对称半桥是SD-SR的完美候选，因为变压器没有死时间。另一个主要问题是它的闭环控制器不是很快，它还会取消之前显示的低频纹波。一种减小输出电压纹波的技术是前馈技术。所提出的方法是一种平均电流模式控制技术，在输出电压中产生低频纹波。该方法还克服了与AHB相关的一个问题。结果表明，在60w的拓扑结构下，AHB的效率为94%。指标术语-交直流转换器，非对称半桥(AHB)，自驱动同步整流(SD-SR)， LED驱动器

索引词

交直流变换器，非对称半桥(AHB)，自驱动同步整流(SD-SR)， LED驱动器

介绍

电力照明是我们生活中必不可少的一部分，也是能源消耗的主要组成部分。电气照明通常采用的照明设备类型有白炽灯、气体放电灯和固态照明设备。不同类型的照明设备有不同的调光技术。对于白炽灯，调光通常是通过控制晶闸管的发射角度来实现的。气体放电灯的调光技术主要围绕电压水平、占空比和频率的控制展开。对于固态照明设备，调光技术是改变正向电流[1]的直流电平。

由于led的高效率，它在世界上越来越有吸引力，特别是在工业应用中。高效率的LED系统需要高效率的电源为LED[3]供电。led因其优异的特性而成为极具吸引力的照明光源。许多类型的功率开关变换器用于适应一次能源的要求[5]。HB led因其优越的寿命、低维护要求和提高亮度而被广泛接受。对于LED负载，驱动电压的微小变化导致LED电流的大变化。LED电流具有较大的纹波会导致严重影响可靠性和寿命[6]。

随着近年来固态照明技术取得的巨大进步，led的发光性能已经接近于正常水平。led不含汞，在使用寿命结束时可以安全处理或回收。led被越来越多地用于不同的照明应用;具有优化控制电路的高效驱动器的必要性变得更加重要。由于led是电流驱动器件，其中的光是由注入的空穴和半导体结中的电子重新组合而产生的，led的发光强度通常是通过仅在一个方向上控制正向电流来控制的，另一种驱动led的方法是使用恒定的直流[8]。

本文设计了一种适用于低压大电流应用的电流互感器。本文还讨论了平均电流模式控制。平均电流模式控制是一种典型的双回路控制方法，有内电流环和外电压环。ACMC是一种电流控制技术，具有几乎恒定的频率，并产生用户定义的电流波形。

AHB

非对称半桥变换器因其简单和固有的零电压开关能力而备受关注。该转换器具有MOSFET电压和电流应力低，输出电容和电感小，元件数量少，控制简单等优点。AHB的电路原理图如图1所示。它由一个HB转换器组成，其开关由互补信号[14]控制。这种互补的驱动信号意味着输入电容的电压不一定相等

其中VC1和VC2为输入电容C1和C2上的电压，D为占空比，Vg为AHB的输入电压。

关于AHB的第二个重要方面是mosfet和二极管中的开关损耗。通过采用使mosfet达到零电压开关(ZVS)的技术，可以降低其开关损耗。由于漏感存储的能量不够大，在AHB中实现零电压是相当困难的。提出了采用非对称变换器控制实现半桥开关零电压运行的方法。两个驱动信号互补产生并分别应用于高侧和低侧开关。由于变压器一次电流对结电容进行充放电，两个HB开关可以在零电压状态下接通。但是，由于两个主开关占空比分布不对称，导致相应部件上的应力分布不对称。换句话说，开关上的电压和电流应力，包括一次侧和二次侧mosfet是不相同的。因此，需要使用额定电压较高的二极管或同步整流器，但代价是整流级的性能和效率降低。

AHB的次级侧是自驱动同步整流。自驱动驱动方案是最简单的同步整流驱动方案。在自驱动技术中，次级变压器上的电压被用来驱动同步整流器的门，如图4所示。变压器二次侧的独立绕组可用于驱动正向同步整流器和自由轮同步整流器。这通常是为了允许从初级绕组到栅极驱动绕组的不同匝数比，允许同步整流用于更高或更低的输出电压。同步整流器是一种模拟二极管的电路，允许电流在一个方向上通过，而不能在另一个方向上通过，而没有与结或肖特基器件相关的损耗。所述电路包括一传递元件(通常为功率MOSFET)、一传感元件、一传感信号调节器和一驱动器。有两种广泛的技术来实现同步整流功能。所述第一控制器从所述主控制器派生同步信号。但是这种方法通常需要控制信号穿过一个电势垒，这可能是昂贵的，消耗很大的电路板面积，并限制了转换器的频率上限。

第二种方法通过感知通元件上的电气条件独立地获得控制信号。在关闭状态下，传感元件检测施加到通元件的电压的极性。信号调节器放大感应信号并确定感应电压的极性。当施加的电压具有正导的正确极性时，信号调节器打开驱动器，驱动器提供操作通元件所需的信号。SR提高了效率、热性能、功率密度、可制造性和可靠性，并降低了供电系统的整体系统成本。两个mosfet必须以互补的方式驱动，在它们的传导间隔之间有一个小的死区，以避免射穿。同步FET工作在第三象限，因为电流从源流到漏极[16]。

在高性能、大功率转换器中使用SR的优点包括更好的效率、更低的功耗、更好的热性能、更低的外形、更高的质量、通过自动化装配过程提高的制造产量(更高的可靠性)以及同步fet并行时固有的最佳电流共享。如上所述，可以并联多个mosfet以处理更高的输出电流。自驱动同步整流是最简单的一种，因为同步整流mosfet的驱动信号是从变压器的二次绕组获得的。因此，不需要额外的控制器，也不会出现编程延迟的问题。然而，当二次绕组电压的峰值不随输出电压的改变而改变时，SDSR是一种更可取的方法。如果二次绕组上的电压不随输出电压变化而变化，则可以很容易地设计驱动电路，以确保SR mosfet的驱动信号在可接受的电压范围内。

对于低压大电流应用，同步整流是必须的，以实现高效率。SD-SR是最简单的，因为SR mosfet的驱动信号是从变压器的二次绕组获得的。

平均电流模式控制技术

平均电流模式控制与峰值电流模式控制的不同之处在于，它试图控制电流的平均值以遵循参考，而不是控制开关峰值电流。平均电流模式控制(ACMC)通常是一种双回路控制方法(内环，电流;外回路，电压)用于电力电子变换器。ACMC的优点是噪声裕度大，不需要额外的斜率补偿，易于限流实现，电压和电流调节性能好，补偿简单，在连续和间断电流模式下都有良好的性能，并具有固有的Vin和Vout前馈特性。ACMC是一种电流控制技术，具有几乎恒定的频率，并产生用户定义的电流波形。它具有快速的响应时间，并能够支持广泛的功率电路拓扑。

ACMC基于补偿电路，补偿积分滤波器传递函数的极点。电流控制技术广泛应用于功率转换。该技术通过控制峰值电感电流来调节变换器输出。对于输出电流相对较高的转换器(5A至25A)，降低电流模式控制(CMC)技术中的电流感应电阻值有助于提高效率。在本文中，CMC意味着恒频峰值电流传感。

设计过程

在本节中，以图1为参考，给出了设计过程。整流级采用中心抽头变压器。本文选取了60W/12V输出的交直流变换器作为设计实例。采用平均电流模式控制的AHB具有低电压、大电流和相应的高效率。

设计规范如下:

表我

组件及参数值

AHB的输入功率为:

要计算给定最大输出功率下的最大输入功率，必须估计功率转换效率。效率为:

确定变压器匝数比与输出电压对应为

选择占空比损耗为开关周期的10%，得到漏感为:

输出纹波电感选择电流纹波为20%

充磁电感值与零电压条件密切相关，因为它决定了开关过渡期间的峰值电流水平。

求输出滤波器电容值:

最大电容电压理论上是输入电压的一半。然而，如果mosfet的泄漏电流不平衡，它可以在变换器不工作时达到输入电压。因此，额定电压应高于最大输入电压。

仿真结果

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开环非对称半桥变换器仿真图如图所示。它的主要特点是主开关由互补信号驱动，因此，其中一个总是打开的。由于必须保持充磁电感中的伏秒平衡，这些互补的驱动信号意味着输入电容器的电压不一定相等。在此仿真图中，二次侧采用自驱动同步整流。

上面的仿真图显示了所提出的平均电流模式控制方法，该方法同时给出了闭环电路中的电压和电流。平均电流模式控制与峰值电流模式控制的不同之处在于，它试图控制电流的平均值以遵循参考，而不是控制开关峰值电流。平均电流模式控制与峰值电流控制相比具有更好的抗干扰性。这是由于在平均电流控制器中采用了更高的电流放大器增益。

表二世

对开环电路与常规闭环电路的性能进行了比较。传统闭环输出波纹明显减小。对不同输入电压下的电路进行了仿真。当输入电压范围为425V ~ 450V时，输出电压保持在恒定值12V。对所提出的电路进行了不同电压下的仿真。

结论

本文主要研究了用于LED驱动器的板载交-直流变换器的AHB拓扑结构，并对其控制技术进行了研究，主要从效率和输出电压的低频纹波这两个方面进行了研究，这是对板载交直流变换器的两个关键要求。主要观点总结如下。由于半桥变换器的普及性、简便性和低电压大电流应用的适应性，本文主要研究半桥变换器。首先，半桥转换器只需要两个mosfet，这只是全桥拓扑中使用的数量的一半。这有助于降低实际应用的成本。led是慢负荷，可以设计一个优化的前馈环来消除这种低频纹波，而闭环控制确保了稳定性和输出电压调节，因为led的特性变化是由它们的预热决定的。该AHB的效率为94.5%。对于低压大电流应用，这为相应的输入电压提供了12V电压和5A电流。

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