多输出LED驱动器的无源精确均流方法研究

摘要

作为新型高效固体光源，发光二极管（Light-Emitting Diode-LED）具有长寿命、节能、绿色环保等显著优点，可望发展成为继热辐射电光源、低压气体放电电光源、高压气体放电电光源之后的第四代电光源。在能源危机日益突显的背景下，LED照明市场规模不断扩大，并显示出了越来越广阔的市场前景。受到散热及成本等因素的制约，为达到所需的光通量，需要同时使用多个LED模块。为保证各个LED模块性能一致，可直接将LED模块全部串联以保证各LED模块电流相等，但若其中的一个LED模块开路，将导致整个LED系统失效，同时还会带来器件电压应力及安全方面的问题。将LED模块并联使用时，由于LED模块的伏安特性与功率二极管类似，使用时易产生较大的电流偏差，因此必须引入均流技术，保持并联LED模块的电流均衡。本文将现有的多输出LED驱动器均流技术按照供电母线的类型，分为交流母线和直流母线两类。在比较已有的各种均流方法的均流能力、成本、损耗等技术指标基础上，针对已有方法的不足，在大功率LED照明和中小功率LED照明场合，分别提出了新颖的多输出LED驱动器无源精确均流方法。
　　针对大功率多输出LED驱动器，基于隔直电容充、放电电荷平衡原理，本文提出了电容电荷直接交换的多输出均流方法，构建了最少均流电容器的多路输出整流拓扑。该拓扑仅利用隔直电容和整流二极管作为均流元件，使相邻两串LED在一个开关周期的正、负半周分别与隔直电容串联，从而实现相邻两串LED负载的精确均流;同时通过本文提出的新型多输出整流结构，使上述隔直电容在正、负半周与相邻两个隔直电容分别串联，从而实现相邻隔直电容的电荷直接交换，获得各路负载间的精确均流。该整流拓扑实现了多路输出的精确均流，具有成本低、均流精度高、可靠性高等优点，适用于原边等效电路为交流电流源的逆变拓扑。
　　在隔直电容电荷平衡及电荷交换的均流方法基础上，结合高效率三元件串-并联谐振(LLC) DC-DC拓扑，将隔直电容与谐振电容复合，从而提出了一种LLCC谐振拓扑。该拓扑中，隔直电容作为串联谐振元件，与LLC拓扑中原有谐振腔串联，形成了新的四元件LLCC谐振腔，从而减小隔直电容所需容量，降低LED驱动器的体积和成本。由于复用的谐振电容位于变压器副边，能够消除占空比不对称时变压器励磁电流的直流分量，本文将不对称PWM控制策略应用于所提出的LLCC谐振拓扑，解决了传统PFM(Pluse-Frequency Modulation)控制的LLCC谐振变流器轻载时开关频率大幅提升的问题，提高了轻载变换效率，简化了变流器控制策略，拓展了输出电压和输出电流范围。
　　针对中小功率的LED照明场合，首先提出了反激变压器串-级联均流拓扑，简化了恒流多输出反激变流器的副边电气连接和原边准谐振控制实现方式，进而提出了整流二极管并联电容进行电荷补偿实现精确均流的方法。变压器串-级联均流拓扑中，前级变压器负责能量的传递，后级变压器利用变压器原边绕组串联的方法实现了多路输出均流;并通过在后级变压器副边的整流二极管两端并联谐振电容，利用该电容与后级变压器励磁电感谐振，对励磁电流差导致的输出电荷偏差进行补偿，获得了各路输出的精确均流。该方法实现了多路输出的精确均流，简化了原边控制方式和副边电气连接，降低了成本。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 照明光源发展现状

1．2 多路LED驱动器均流技术研究现状

1．2．1 LED驱动器均流技术的必要性

1．2．2 直流母线

1．2．3 交流母线

1．2．4 各种均流方法比较

1．3 交流均流方法工作机理分析

1．3．1 电容充放电电荷平衡均流

1．3．2 矩阵变压器

1．4 本文的选题意义及主要研究内容

第二章 多隔直电容的电荷直接交换均流方法

2．1 电容器最少的电容充放电电荷平衡及电荷直接交换均流方法

2．1．1 多电容电荷直接交换拓扑

2．1．2 多电容电荷直接交换均流原理

2．2 LLC四路输出LED驱动器

2．2．1 原边拓扑选择

2．2．2 工作原理分析

2．2．3 副边整流拓扑等效简化

2．2．4 输出均流范围推导

2．2．5 实验结果

2．3 本章小结

第三章 电容均流多输出四元件(LLCC)谐振拓扑及其控制策略

3．1 LLCC多路均流LED驱动器

3．1．1 工作原理分析

3．1．2 副边整流拓扑等效简化

3．1．3 电路直流增益推导

3．1．4 实验结果

3．2 不对称PWM控制LLCC谐振型双路LED驱动器

3．2．1 工作原理分析

3．2．2 谐振电容电压应力计算

3．2．3 副边整流拓扑等效简化

3．2．4 电路直流增益推导

3．2．5 实验结果

3．3 本章小结

第四章 变压器串-级联多输出精确均流方法

4．1 变压器串联的多路LED驱动器拓扑演进

4．1．1 储能电感外置的方案

4．1．2 两级变压器的方案

4．2 变压器串-级联均流多路输出反激变流器工作原理

4．3 利用电容谐振进行电荷补偿的反激变流器多输出精确均流方法

4．3．1 电路各工作模态时间推导

4．3．2 后级变压器励磁电流解析式推导

4．3．3 电容电荷补偿减小输出电流偏差限制条件

4．4 实验结果

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 后续研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果