大功率白光LED驱动电源的研制

论文摘要

大功率白光LED凭借80%以上的能效水平、体积小、驱动电压低、无汞污染等优势而成为全球照明界的新焦点。但是环境温度严重影响LED的使用寿命。在电流谐波方面,根据GB17625.1-2003（电磁兼容限值谐波电流发射值国家标准）,作为照明用的LED必须符合其C类标准。因此为照明LED提供高功率因数值,高效率的电源对其推广有着非常重要的现实意义。针对以上要求,本文研制了一个为大功率白光LED提供恒定电流的开关电源。论文主要工作如下:在AC/DC部分设计了功率因数校正电路。该电路在Boost拓扑结构的基础上,采用了损耗较小的临界电感电流控制模式。利用状态平均法求出该电路的小信号模型,根据经典控制理论对电压反馈回路进行补偿。解决了原开环系统存在右半平面零点和穿越频率低的固有缺陷,提高了动态响应速度。在DC/DC部分设计了LLC谐振软开关电路。论文从时域上分析了LLC谐振电路实现零电压开关的原理、不同工作模式下的优缺点,根据仿真结果确定了谐振变换器的工作频率范围。通过基波分析法,求出各网络的等效变换模型后,得到输入输出的直流增益函数。通过分析各参数对增益函数的影响,为谐振元件的选择提供了理论基础。通过对上、下桥臂驱动脉冲死区时间的精心设置,确保开关管的零电压打开。仿真验证所设计电路参数的可行性。在此基础上,设计了一台样机,实现了开关管的零电压打开及整流二极管的软关断。改进了磁性器件的设计。分析了磁性元件的损耗来源及估算方法。通过优化绕组的缠绕方式及匝数,在原有基础上进一步提高了整个电源的效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 功率因数校正的提出、发展及意义
• 1.3 软开关技术的提出及发展
• 1.4 三种谐振变换器与LLC 的比较
• 1.5 磁性器件损耗及数值计算方法
• 1.6 论文的主要研究内容
• 第2章 临界电流模式的功率因数校正
• 2.1 引言
• 2.2 APFC 的工作原理及工作模式
• 2.2.1 APFC 的工作原理
• 2.2.2 APFC 的工作模式及应用范围
• 2.3 TM 模式下的控制策略
• 2.4 电路的小信号建模及反馈补偿
• 2.5 实验结
• 2.6 本章小结
• 第3章 LLC 半桥谐振电路的时序分析
• 3.1 引言
• 3.2 硬开关PWM 变换器中开关管损耗分析
• 3.3 LLC 半桥谐振电路的工作原理
• 3.4 LLC 半桥谐振电路回路工作时序分析
• 3.4.1 工作在在电感模式下的时序分析
• 3.4.2 整流二极管零电流关的实现
• 3.4.3 工作在电容模式下的时序分析
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 LLC 谐振网络的稳态分析
• 4.1 引言
• 4.2 谐振系统的基本结构
• 4.3 谐振变换器的稳态分析
• 4.3.1 开关网络的稳态分析
• 4.3.2 整流网络和低通滤波器的稳态分析
• 4.3.3 谐振网络的稳态分析
• 4.4 谐振网络的参数设计
• 4.4.1 变压器原副边的匝比
• 4.4.2 谐振电感，电容的取值
• 4.4.3 死区时间的设定
• 4.5 恒流的实现
• 4.6 待机模式及短路的处理
• 4.7 实验结果
• 4.8 本章小结
• 第5章 磁性元件损耗分析及改善
• 5.1 引言
• 5.2 铁心损耗
• 5.3 绕组铜线损耗
• 5.3.1 趋肤效应
• 5.3.2 邻近效应
• 5.3.3 各层线圈的损耗计算
• 5.4 谐振网络变压器、谐振电感的设计及损耗计算
• 5.4.1 变压器的设计及损耗估算
• 5.4.2 谐振电感的设计及损耗估算
• 5.4.3 PFC 电感的设计及损耗估算
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢