【学术论文】一种基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源
随着时代的发展，科技的进步，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)在生活生产中的各个领域得到了广泛发展，比如普通照明、医疗、交通等。因为LED是电流型器件，LED发出的光品质是由流经LED的电流大小和波动情况决定的，所以发展LED照明的关键在于其驱动器的创新与设计[1-2]。
如今LED驱动电源技术日益成熟，总体可分为单级式和两级式。单级式LED驱动电源拓扑包括Buck、Buck-boost、Fly-back等，结构简单，易于控制，成本较低，但是其功率因数较低，输出电流纹波较大，影响LED的发光品质。两级式LED驱动电源拓扑分为前级功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)模块和后级DC-DC模块。结构较单级式更为复杂，控制策略也更为繁琐，相对成本就更高，而其优点是功率因数会比较高，且输出电流纹波比较低，在交流供电场合，更能满足IEC 61000-3-2的谐波要求[3-8]。
文献[9]提出了一种基于二次型Buck无频闪无变压器的LED驱动电源，具有较高的功率因数，降低了输出纹波。但是其输入电流存在过零死区的问题，影响其总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）。
本文提出一种新型的的基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源，在二次型Buck拓扑的基础上，级联了一个Buck-boost变换器，消除了输入电流过零死区，改善了其THD，进一步提高了电源的功率因数。同时，采用两级式级联结构，降低了二极管的电压应力，使开关管的占空比工作在更合理的区域。
如图1所示为基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源的主电路拓扑图。此拓扑由一个Buck-boost拓扑和一个二次型Buck拓扑级联而成，共用一个开关管Q。Buck-boost拓扑包括开关管Q、电感L1、电容C1、二极管D2和二极管D3，二次型Buck拓扑包括开关管Q、二极管D4、D5、D6、D7、电感L2、L3和电容C2、Co。当电感L1和L2工作在电感断续模式(Discontinuous Conduction mode，DCM)下，电路自动实现PFC。为了使电源效率更高，使电感L3工作在临界连续模式(Critical Conduction Mode，CRM)下。
为了简化分析，在本文中，假设：
(1)所有的开关管、二极管、电感和电容均为理想元件。
(2)开关频率fS远大于电网频率fL。
(3)在开关周期内，电容电压为恒定值。
经过分析，变换器可分为开关管Q导通和关断的两个主要工作模态，变换器的主要工作模态等效电路如图2所示，驱动电源主要波形如图3所示。
(2)关断模态：如图2(b)所示，当开关管关断时,二极管D3、D5、D7导通，电感L1上的电流通过二极管D3续流，并向电容C1放电，电感L2上的电流通过二极管D4续流，并向电容C2放电，电感L3上的电流通过二极管D7续流，并向电容Co和负载放电。即电感电流峰值与续流时间的关系分别为：
其中，
分别为电感电流
的续流时间。
由于电感L3工作在CRM模式下，电感电流
与输出电流Io的关系为：
2.1 占空比D的分析
经过分析可得，理想情况下，驱动电源的电压传输比为：
根据式(11)作图4可得，与传统的二次型Buck拓扑相比，在相同的电压传输比的情况下，本文提出的电路拓扑能在更为理想的占空比的条件下工作，提高了电源稳定性和电源效率。
2.2 电容C1、C2的特性分析
2.3 电感L1、L2、L3的工作特性分析
由于电感L3工作在CRM模式下，根据式(10)和式(16)可得：
取电感L2=400 μH，经计算分析，电感L1，L2的取值满足式(22)和式(23)。
为了验证理论分析的正确性，设计了功率为32 W的LED驱动电源，输入电压为220 V，频率为50 Hz的交流电，输出为电流1.6 A，电压20 V的直流电，取开关频率为30 kHz，电感比值
具体实验参数取值如表1。
由图6可知，输入电流iin与输入电压uin基本保持同相位，且消除了原二次型Buck变换器输入电流存在过零死区的问题，极大的改善了输入电流的THD，PF值高达97.7%。输出电流Io基本为一直线，极大地降低了纹波，消除了频闪。
根据变换器的实验参数，由式(15)和式(16)可得
≈137 V，
≈273 V，从图7可以看出，实验结果与分析保持一致。
由图8分析可得，电感L1、L2工作在DCM模式下，电感L3工作在CRM模式下，也与理论分析保持一致。
本文提出了一种新型的基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源。共用了一个开关管，控制简单易行。消除了原二次型Buck拓扑结构的输入电流死区问题，进一步提高了功率因数，改善了输入电流THD。实验表明，输出电流纹波低，能实现恒流输出,满足LED驱动电源的要求。