具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路介紹及模式分析

圖 3.1 為本論文提出具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路圖，其中交流輸 入電源的電壓為220V/60Hz，經由 Lf與

C

f組成的濾波器以及全波整流電路(由 Dfb1、

D

fb2、Dfb3、

D

fb4組成)後送入到主電路架構，且主架構整合交錯式升壓轉換器(包含兩 個電容

C

in1與

C

in2、兩個二極體

D

b1與

D

b2、兩個升壓電感

L

1與

L

2、兩個功率開關

S

1與

S

2以及直流鏈電容

C

B)與半橋式 LC 串聯諧振串接全波整流之轉換器(包含兩個 功率開關

S

1與

S

2、一個諧振電容

C

r、一個諧振電感

L

r、四個輸出全波整流二極體

D

1

、 D

2

、 D

3與

D

4以及一個輸出電容

C

o)成為單一級的功率轉換電路，以提供能量給 LED 燈。設計兩個升壓電感 L1與

L

2操作在不連續導通模式(Discontinuous-Conduction Mode; DCM)，可自然具有功因修正的效果。本論文提出的電路中，功率開關 S1與

S

2為具交錯式升壓型轉換器與半橋式 LC 串聯諧振串接全波整流之轉換器共用，且 設 計 LC 串 聯 諧 振 槽 路 操 作 在 電 感 性 負 載 ， 兩 個 功 率 開 關 具 有 零 電 壓 切 換 (Zero-Voltage Switching; ZVS)的效果，可降低功率開關的切換損失，以提高整體電 路的效率。

  圖3.1 本論文提出之具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路架構

圖 3.2 為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路簡化圖，其中電壓源 Vrec1

與

V

rec2分別為電容

C

in1與

C

in2上的電壓，在分析單級LED 燈驅動電路的動作模式時 所做的假設如下所示：

(1) 功率開關 S1與

S

2操作於互補狀態，兩者之責任週期約為0.5，且考慮功率開關上 的寄生電容(Cs1與

C

s2)與本質二極體。

(2) 設計兩個升壓電感 L1與

L

2操作於不連續導通模式。

(3) 忽略輸出全波整流二極體(D1

、 D

2

、 D

3與

D

4

)的導通壓降與其等效電阻。

(4) 設計 LC 串聯諧振槽路(包含電感 Lr與電容

C

r)操作在電感性負載。

(5) 其餘電路元件視為理想。

接下來進行單級LED 燈驅動電路的動作模式分析，其中圖 3.3 至圖 3.10 為電路 動作模式一到動作模式八的分析圖，且圖 3.11 為在各個動作模式下之重要元件 的波形示意圖。

圖3.2 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路簡化圖

(1)動作模式一(t0~t1)：

圖3.3 所示為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路的動作模式一。假設在 上一個模式中，功率開關

S

1的寄生電容

C

s1能量釋放完畢，使開關電壓

v

DS1下降至 零，開關

S

1的本質二極體導通。諧振電感

L

r與諧振電容

C

r經由開關

S

1的本質二極 體、輸出二極體

D

2與

D

3，提供能量至直流鏈電容

C

B、輸出電容

C

O與LED 燈。電 壓源

V

rec2及升壓電感

L

2經由開關

S

1的本質二極體提供能量至直流鏈電容

C

B。當開 關

S

1導通時，此模式結束。

圖3.3 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路動作模式一

(2)動作模式二(t1~t2)：

圖 3.4 所示為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路的動作模式二，功率開 關

S

1被驅動而導通，且具有零電壓切換的特性。電壓源

V

rec1經由二極體

D

b1與開關

S

1提供能量給升壓電感

L

1，電感電流

i

L1呈現線性上升。電壓源

V

rec2及升壓電感

L

2

持續經由開關

S

1提供能量至直流鏈電容

C

B。直流鏈電容

C

B經由開關

S

1與輸出二極 體

D

1與

D

4，提供能量至諧振電感

L

r、諧振電容

C

r、輸出電容

C

O與LED 燈。當升 壓電感電流

i

L2等於零時，此模式結束。

圖3.4 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路動作模式二

(3)動作模式三(t2~t3)：

圖 3.5 所示為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路的動作模式三，電壓源

V

rec1持續經由二極體

D

b1與開關

S

1提供能量給升壓電感

L

1，電感電流

i

L1持續呈現線 性上升。直流鏈電容

C

B經由開關

S

1與輸出二極體

D

1與

D

4，持續提供能量至諧振電 感

L

r、諧振電容

C

r、輸出電容

C

O與LED 燈。當電感電流 iL1上升至最大值，此模 式結束。

圖3.5 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路動作模式三

(4)動作模式四(t3~t4)：

圖 3.6 所示為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路的動作模式四，電壓源

V

rec1與升壓電感

L

1經由二極體

D

b1提供能量給寄生電容

C

s1，電感電流

i

L1呈現線性 下降。直流鏈電容

C

B與寄生電容

C

s2經由輸出二極體

D

1與

D

4，提供能量至寄生電 容

C

s1、諧振電感

L

r、諧振電容

C

r、輸出電容

C

O與LED 燈。當開關 S2的寄生電容 上的電壓

v

DS2下降至零時，此模式結束。

圖3.6 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路動作模式四

(5)動作模式五(t4~t5)：

圖 3.7 所示為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路的動作模式五，由於上 一模式中，開關

S

2的寄生電容能量釋放完畢時，使得開關電壓

v

DS2下降至零，導致 開關

S

2的本質二極體導通。電壓源

V

rec1與升壓電感

L

1經由開關

S

2的本質二極體提 供能量給直流鏈電容

C

B，電感電流

i

L1持續呈現線性下降。諧振電感

L

r經由開關

S

2

的本質二極體、輸出二極體

D

1與

D

4，提供能量至諧振電容

C

r、輸出電容

C

O與LED 燈。當諧振電感電流

i

Lr下降至零以及開關

S

2導通時，此模式結束。

 

圖3.7 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路動作模式五

(6)動作模式六(t5~t6)：

圖 3.8 所示為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路的動作模式六，功率開 關

S

2被驅動而導通，且具有零電壓切換的特性。電壓源

V

rec2經由二極體

D

b2與開關

S

2提供能量給升壓電感

L

2，電感電流

i

L2呈現線性上升。電壓源

V

rec1及升壓電感

L

1

持續經由二極體

D

b1與開關

S

2提供能量至直流鏈電容

C

B，電感電流

i

L1持續呈現線 性下降。諧振電感

L

r經由開關

S

2與輸出二極體

D

2與

D

3，提供能量至諧振電容

C

r、 輸出電容

C

O與LED 燈。當電感電流 iL1等於零時，此模式結束。

圖3.8 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路動作模式六

(7)動作模式七(t6~t7)：

圖 3.9 所示為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路的動作模式七，開關 S2

持續導通，電壓源

V

rec2經由二極體

D

b2與開關

S

2持續提供能量給升壓電感

L

2，電感 電流

i

L2持續呈現線性上升。諧振電感

L

r經由開關

S

2與輸出二極體

D

2與

D

3，持續 提供能量至諧振電容

C

r、輸出電容

C

O與LED 燈。當開關 S2截止時，此模式結束。

  圖3.9 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路動作模式七

(8)動作模式八(t7~t8)：

圖 3.10 所示為具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路之動作模式八，當開 關

S

2關閉時，電壓源

V

rec2與升壓電感

L

2經由二極體

D

b2提供能量給寄生電容

C

s2，電 感電流

i

^L2呈現線性下降。寄生電容

C

^s1與諧振電感L^r經由輸出二極體

D

²與

D

³，提供 能量至直流鏈電容

C

B、諧振電容

C

r、輸出電容

C

o與LED 燈。當寄生電容上的電壓

v

^DS1下降至零時，此模式結束，且之後電路便輪回到動作模式一。

        圖3.10 具交錯式功因修正之單級 LED 燈驅動電路動作模式八

圖3.11 在各個動作模式下之重要元件的波形示意圖

為了方便說明電路參數設計方式起見，將本論文提出的單級 LED 燈驅動電路分 和(3-3)，且輸入交流電壓的有效值vAC-rms為220V以及直流鏈電容的電壓VDC為500V，

可分別求得參數內的α 和Y(α)如下所示：

在文檔中 I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/18742 (頁 22-33)