一种高性能BOOST型半导体照明驱动方法研究

摘要半导体照明Boos型驱动系统是目前应用较多的，本文在传统ACMC方法基础上采用辅助电感缓冲和函数发生器双环控制新方法，创建了基于Boost型函数发生器电流跟踪高效控制策略。该系统没采用传统控中的乘法器，无需检测电感电流，具有实现简单、抗干扰能力强、EMI及开关应力小、响应速度快且功率因数高等优点，适应输入电压和负载变化范围宽的场合。

【关键词】半导体照明 微分跟踪 函数发生器双环控制

随着半导体照明等电力电子设备的广泛应用，其驱动APFC技术又成为电力电子技术一个新的研究点。目前常用的APFC包括平均电流、电流峰值等技术，控制中需要采用电感电流信号检测环及乘法器，控制结构复杂、电路成本高，且乘法器的非线性失真大大增加了系统电流的谐波含量。本文以Boost 型为例提出了一种高效新型预测平均电流控制技术即基于函数发生器的新型电流控制法。

1 Boost大功率新型控制的基本思想及策略

传统的Boost驱动电路具有许多的优点，但在具体应用之中还存在实际问题，如因二极管的反向恢复特性会产生电流冲击和尖刺纹波噪声，二极管D与开关管Q容易损坏，同时电磁干扰大，严重影响了电气设备运行的环境。本文将传统的升压电感后串联一辅助小电感LP，如图1所示。开关管Q导通时，二极管D在反向恢复状态下，输出端瞬时直流高压经过几乎“短接”的二极管D，再由开关管和电感LP两者承担，且电感L上电流不会突变 。在开关管上不再产生很大的冲击电流，二极管D结温不会大幅度上升，器件的安全性与系统可靠性得到了有力的保障。

为了仰制电磁干扰避免因高压过流使得器件二次击穿和减小开关损耗，本主控电路使用了RCD缓冲电路，如 图1所示。由RP，DP，CP 组成，其参数可作如下计算。

（1）

其中，I0为器件关断时的漏极电流，Lz为主回路杂散电感，Ve为缓冲电容的电压稳压值。

（2）

其中，fs为开关频率。Dp吸收二极管使用了性能较好的快恢复二极管，其额定电流值大于主电路器件额定电流的十分之一。

提出的函数发生器新型电流控制方法是基于系统中微分约束关系，利用已知状态量在一个开关周期内对系统电流做出预测性控制，来预测下个采样时刻的电流，再用某种最优控制策略来算出当前的控制状态并加以控制，使得电流误差最小并迫使下个采样时刻的实际电流以最优特性跟踪其参考电流来实现相应功能，其控制电路中没有采用电感电流信号检测环及乘法器。

系统控制原理如图2所示，增加了一个产生最优控制的函数发生器，主驱动系统的输出电压Vo反馈给电压调节器，与参考电压信号Vref比较后产生电压误差信号Vn送入函数发生器，再以所置最优的控制策略产生一个函数输出信号Vfun，用来作为电流比较参考信号即电流跟踪信号。整流后的输入电流iin经检测电阻Rsen检测后反馈送到电流调节器，经过电流调节器后与函数发生器输出的电流基准信号比较，然后送入RS触发器的复位端，触发器的Q端输出信号与时钟信号作用驱动功率开关管，触发器的端用来复位函数发生器，使得这个周期的误差不影响下一个开关周期，并产生下一个采样电流的基准参考电压值，系统输入电流iin很好地跟踪了输入电压Vin，整个Boost型LED驱动器的功率因数得到了大的提高且输出电压Vo保持稳定。

下面分析系统最优控制策略，仅以研究电感电流连续模式为例，函数发生器的新型电流控制法在一个周期内的电流控制波形如图3所示。

减小谐波污染提高功率因数目的是使输入电流跟踪输入电压、相位差为零，即

（3）

其中iin、Vin为整流后的输入电流、输入电压，Re为系统等效电阻。基于函数发生器的新型电流控制法就是通过最优控制函数发生器，使系统主电流零相位跟踪整流后的输入电压。从图4可以看出，为了使电感电流即输入电流iin在一个周期内的平均值等于电流函数 f(iin)的平均值，该系统电流控制法的控制策略为：

（4）

由于，则函数发生器的控制策略有：

（5）

根据分析，利用函数发生器按以上相应参数关系来产生电流比较的基准信号，输入电流会很好地跟踪输入电压来提高功率因数，且电压输出稳定。

2 系统仿真及分析

为了验证函数发生器的新型电流控制Boost型LED驱动器控制策略有效性，对本控制系统进行建模与仿真，部分仿真参数如下，输入电压Vr为正弦220V，50Hz交流电压，输出电压设定为400V，时钟信号开关频率为20KHz，负载LED电阻为60Ω，输出电容Co为470uF，检测电阻Rsen为1Ω，电感 为2 mH。从图（4）～（5）所展现的波形可看出不论是交流输入还是整流后，输入电流是完全跟踪输入电压波形变化的，实现了零相位，控制系统输出性能稳定，总谐波干扰很小，减小了对电网的污染，并且系统输出电压稳定。

3 小结

本文在传统平均电流控制基础上采用辅助电感缓冲电路和函数发生器双环控制新方法，创建了基于函数发生器的新型电流控制Boost型驱动系统，没采用传统控制方法中的乘法器，且无需检测电感电流，具有实现简单、抗干扰能力强及系统输出稳定等优点，减小THD与开关应力，消除了低频振荡，功率因数接近1，满足了目前功率因数校正控制结构向简单化与高效稳定化的发展要求。

参考文献

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作者简介

徐仁伯(1972-)，男，工学研究生，高级工程师。主要从事半导体器件（如LED,OLED等）及其大屏显示驱动与芯片设计等研究。

作者单位

1.湖南信息科学学院电子系湖南省长沙市410083

2.中南大学物理与微电子学院湖南省长沙市410083

3.湖南送变电勘察设计院湖南省长沙市410083