基于LLC谐振变换器的LED驱动电源研究

陈 辰

（南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044）

1 背景及研究意义

1.1 LED照明

伴随着全球经济稳定快速的发展，在社会不断进步的同时也带来了很多环境问题，这些环境问题已越来越受到人们的广泛关注，如何提高能源的利用率，减少环境污染，是我们目前丞待解决的一个重要课题。在日常生活中，灯光照明是必不可少的组成部分，其所消耗的电能占电能总消耗的20%以上，因此灯光照明部分的能源消耗是不可忽视的。

LED作为一种新型光源，在照明领域发挥着越来越重要的作用，而驱动电源的好坏直接决定了LED的品质。LED照明具有体积小、使用寿命长和节能环保等优点，被广泛应用于社会生活、工业生产等各个领域内。目前世界范围内正推行节能减排事业，因此推广LED照明具有重要的现实意义。

1.2 LED驱动电源

LED光源的光衰和色度漂移主要是由于散热设计的不合理性导致的，而近年来LED灯封装和散热技术不断发展趋于成熟，使得LED的稳定性得到了极大的提高，该类问题逐渐得到改善。相对于光衰和色度漂移，目前死灯或灯闪烁等问题则要严重得多。LED灯出现死灯或灯闪烁这类问题的原因大多是LED驱动电源出现了问题。因此，作为LED灯的关键组成部分，驱动电源对LED的性能和寿命有着至关重要的作用。

目前，由于我国在LED驱动电源领域没有制定强制性的统一标准，因此各厂家生产的驱动电源形状规格不尽相同，各产品间的互换性较差，再加上LED驱动电源大多采用内置式结构，从而使得LED驱动电源的维修困难，又由于部分厂家售后服务系统不完善，导致在LED照明出现问题时不能及时得到解决，使得大众对LED产生误解，影响了LED产品的推广。因此，高品质的LED电源驱动器对LED照明的稳定性和可靠性具有重要意义，必须重视电源驱动器的发展。

2 LLC谐振变换器

现代电源技术趋向于更高的效率和功率密度。提高DC-DC变换器的工作频率可以有效减小电路中储能元件的体积和重量，提高功率密度，但同时也会造成开关损耗的增加。近年来，LLC谐振变换器因能实现主开关管的零电压开通、副边整流二极管的零电流关断的软开关技术，实现高效能量转换，有效降低开关损耗，产生的EMI小、高功率密度等优点在高频功率变换领域得到广泛的重视和研究。

虽然，谐振变换器具有众多优点，但其也存在一些缺陷，如谐振变换器控制方法过于复杂、过载保护设计存在困难等。此外，其励磁电流过大而导致的开关管导通损耗影响了谐振变换器的整体效率。因此，对该变换器进行分析，提出一种可靠的设计方法，具有重要意义。

3 LLC谐振变换器研究现状及发展趋势

3.1 国内现状

关于LED驱动电源的电路拓扑，目前市场上应用较为广泛的主要是反激式和LLC谐振式，通常由负载的功率大小来选择这两种拓扑结构。近年来，国内对LLC谐振变换器的研究主要有以下几个方面。

1）对主电路的关键参数进行改进设计，例如用基波分析近似法对LLC谐振变换器进行建模，再通过工程软件MathCAD对直流电压增益进行分析，从而得出品质因数与电感系数的最佳取值范围，为关键参数的改进与设计提供更确切的参考[1]。

2）从动态和稳态特性两方面对谐振变换器进行研究，先是对变换器的工作原理与工作波形进行系统分析，在此基础上，对其动态和稳态特性进行更深入的分析，同时用相应的仿真实验以验证其正确性[2]。

3）从运行动态方面对变换器进行分析并优化，先将变换器的开关过程分解成多个不同的模态，基于模态间的相互转换条件建立其数值模型。在所建立的模型基础之上分析并优化LLC谐振变换器的运行动态过程[3]。

3.2 国外现状

国外关于LLC谐振变换器的研究近年来主要集中在以下几个方面。

1）从设计方法上对变换器进行优化改进，例如为了限制过载条件下的电流，提出了一种通过使用电容-二极管钳位的设计方法。对于功率要求较高的应用场合，则提出了使用交错式LLC谐振变换器，以此来降低输出电压的纹波，同时限制元件容差的影响[4]。

2）对变换器的控制方法进行对比分析，例如使用移相调制方法来提高全桥LLC谐振变换器在轻载条件下的效率。

3）改进变换器的开关结构，例如对一种全桥LLC谐振变换器的结构进行改进，通过使用附加开关，这些变换器可以将其结构从半桥转换到全桥，或是从全桥转换到半桥[5]。

3.3 发展趋势

未来驱动电源的发展除了对其寿命可靠性的要求更高之外，模块化设计和维护可行性也会是其发展的重要方向。随着现代建筑智能化的快速发展，智能且精准化的调光功能对LED灯的要求也随之要反映在驱动电源中，因此这种驱动电源将是未来市场中逐渐发展的一个趋势，在不久的将来必将得到重视和快速发展。