关键词: LED 恒流驱动; LCL － T 谐振变换器; 二极管钳位断路保护; 两相交错并联

Abstract: LEDs being driven with constant current drive has become the consensus． In order to achieveit，this paper analyzes the principle of LED constant-current driver circuit based on the LCL-T half-bridgeresonant converter． By adding the clamping diodes to the circuit，the output circuit protection was achievedfor the failure load which may occur，and performance of the circuit was analyzed． For singleconstant-current drive circuit，the output current ripple is big，which may lead to the change of the LEDcolor，and the low efficiency of utilizing LED lamp． The analysis of two-phase interleaved constant-currentLED driver module with 90-degree phase shift was proposed to make the output current ripper small．In the end，the experimental results verify the rationality of theoretical analysis．
Key words: LED constant-current drive; LCL-T half-bridge resonant converter; diode clamp circuit protection;
two-phase interleaved

0 引言
      大功率高亮度发光二极管( LED) 具有节能、环保、体积小、寿命长、光效高、使用安全等优点而有望取代白炽灯成为第四代光源［1 － 2］，由于LED 发光特性的非线性和对温度的敏感性，必须用恒流源为其供电，以保持稳定的光输出，并提高其发光效率［3］，对LED 采用恒流驱动方式已形成共识。
      为了提高LED 驱动电源的可靠性，驱动电源的保护电路越来越受到重视。文献［4 － 6］提出了TVS 过压保护，但是它必须与PTC 热敏电阻配合使用，这不但增加了电路的复杂程度，而且增加了电阻损耗。文献［7］是通过增加集成芯片来进行保护控制，这使得驱动电源更加复杂，难以控制。文献［8］是采用单片集成保护电路，这种方法的缺点是需要另外添加有源器件才能实现。文献［9］采用可控硅加电阻保护电路，这不但增加了成本，效率也不高。文献［10 － 12］是通过电阻分压滞后的保护电路，这不但使电路复杂，而且电阻损耗也很大。

      针对上述问题，本文研究了二极管钳位型LCL－ T 半桥谐振恒流LED 驱动电源。在一定条件下，LCL － T 谐振变换器的输出电流与负载无关，即具有恒流源的特性［13 － 15］，可开环实现恒流输出并具备短路保护功能，此外，由于便于实现软开关，开关损耗小且受开关频率影响较小，因此可以工作在较高频率，有助于提高功率密度，通过增加两个二极管实现无源断路保护。本文首先分析了基于LCL － T 半桥谐振变换器LED 恒流驱动模块的工作原理; 在此基础上分析了负载发生故障时电路的工作情况，提出了通过增加钳位二极管来实现输出断路保护，以谐振网络体积最小及断路故障保护启动时间最短为优化目标，定量计算了变压器原副边匝数比的优化值; 另外，本文通过两相交错并联移相90°减小输出电流纹波，降低LED 发光色差，提高利用率。最后通过实验验证了上述理论分析的正确性。
1 稳定工作时的性能分析
      基于二极管钳位型LCL － T 半桥谐振恒流LED驱动电源主电路拓扑如图1 所示。其中，Vd为直流电压，电容C1，C2为均压电容，其容值足够大且大小相等，各分得Vd /2 的电压，逆变桥的输出电压Vin为正负幅值分别为Vd /2、－ Vd /2 的方波电压。开关管Q1和Q2在高频模式下互补工作，理想状态时工作占空比为0. 5。二极管DL1，DL2与变压器的原边相接于A 点后再与输入直流电源相连，使得当正在工作的LED 发生断路故障时，将变压器TR原边A 点处对地电压vAD钳制为与输入直流电压大小相同值，进而起到断路保护作用。

       额定条件下工作时，变压器原边A 点对地电压vAD为0 ～ Vd之间一个稳定的方波电压，此时二极管DL1，DL2因承受反向电压而关断，二极管不工作。因此在对主电路稳定工作情况下进行原理分析时，可以忽略钳位二极管DL1，DL2。

       逆变桥的输出电压Vin通过傅里叶变换可以得到其基波分量的峰值为
                           VinP = 2Vdπ 。( 1)
       为了简化分析，假定变压器变比n 为1。文献［14］对此主电路原理性能进行了详细分析。最后可以得到主电路稳定工作时的基波向量模型如图2所示，其中设V ·inP初相为0 度，V ·TP为θ 度。
                     V ·inP = 2Vdπ，V ·TP = 4nNVLEDπ ∠θ。( 2)

      定义变换器的谐振角频率ωo和与开关角频率ω 的归一化值ωn分别为
                         ωo = 1槡L1C，ωn = ωωo。( 3)
       特征阻抗及谐振网络的品质因数Q 定义为
                          Zn = L1 槡C，Q = ωoL1NRLED= ZnNRLED。( 4)
        电感L2与L1的比值定义为
                           γ = L2L1。( 5)
        LED 的特征参数kLED定义为
                            kLED = ULEDRLED。( 6)
         IB定义为
                           IB = VdZn。( 7)
        输出电流增益定义为
                            H = ILEDIB。( 8)
          由图2 可以得到
                            I·L2P = 2πQIBn2 － 2kLEDn( 1 － ω2n) ∠θ( 1 － ω2n) + j Qn2［( 1 + γ) ωn － γω3n］。( 9)
          由式( 9) 可以看出当归一化值ωn = 1，即ω =ωo = 1槡L1C时，可以得到

                            I·L2Pωn = 1= 2jπIB。( 10)
          即有
                             IL2Pωn = 1= 2πIB。( 11)
         此时，LED 驱动电流iLED的平均值
                             ILED = 4nπ2 IB。( 12)
     由式( 12) 可以看出，当输入电压Vd、谐振网络中谐振电感L1、谐振电容C 以及开关频率确定后，恒流LED 驱动电源的驱动电流ILED与LED 负载无关，即实现了对LED 恒流驱动。
       当归一化值ωn = 1 时，由式( 10) 可知，电感L2的电流iL2的初相为－ 90°，结合图2 可以得到电感L2的电压向量为
                             L2P = 2πγZn IB。( 13)
       电容C 的电压向量为
                                V ·CP = 2πZn (γIB － j 2nkLED + n2 IB ) Q 。( 14)
        电感L1的电流向量为
                                 I·L1P = 2π2nkLED + n2 IB[ Q － j( 1 － γ) I ] B 。( 15)
          电感L1的电压向量为
                                V ·L1P = 2πZn[( 1 － γ) IB + j 2nkLED + n2 IB ] Q 。( 16)
     下面将针对电感L1的电流，即恒流LED 驱动电源的输入电流iL1进行分析。由式( 15) 可以得到输入电流iL1与输入电压Vin的相位差为
                                 φ = arctan( γ － 1) IB × Q2nKLED + n2 I ( ) B。( 17)

       由式( 17) 知，当γ = 1 时，恒流LED 驱动电源的输入电压与输入电流同相，理论上逆变桥的输出功率因数为1，从而可以降低导通损耗。但实际上不可能完全保证γ = 1，通常取γ 略微小于1，使得输入电流相位略微滞后于输入电压，这样可以使得开关管Q1、Q2的寄生反并联二极管D1、D2总是先于Q1、Q2导通，从而实现开关管的零电压开通，减小开关损耗。
2 故障状态时的性能分析
     故障状态分为负载发生短路和断路故障。当发生短路故障时，该谐振恒流驱动电路可以自动实现短路故障保护。发生断路故障时，钳位二极管DL1，DL2工作，实现断路故障保护。
2. 1 短路故障发生时的性能分析
      由以上分析可知，在实际应用时，γ 取值近似为1，所以由式( 15) 可以得出恒流LED 驱动电源的输入电流可以近似为
                                     I L1P = 2π2nkLED + n2 IBQ 。( 18)
      由式( 18) 可以看出，输入电流IL1P大小与谐振网络的品质因数Q 成反比例关系，输出端短路时，由式( 4) 可以得出，谐振网络的品质因数接近于无穷大，即Q = ∞，又由式( 6) ，式( 7) 可知LED 的特征参数kLED与电流IB为一常数值，此时恒流LED 驱动电源输入电流IL1P
近似为零，即此恒流LED 驱动电源可自动实现输出短路保护。
2. 2 断路故障发生时的性能分析
      如果没有加入钳位二极管，则当恒流LED 恒流驱动电源所接负载LED 发生断路故障时，相当于在其输出端接入阻值为无穷大，即R = ∞的负载，由式( 4) 可知此时谐振网络的品质因数近似为0，即Q≈0，再由式( 18) 可知，恒流LED 驱动电源的输入电流IL1P理论上可以达到无穷大，因此，当LED 恒流驱动电源所接负载LED 发生断路故障时，其输入电流IL1P有可能会烧毁开关管，损坏电源。
       当发生断路故障时，相当于在其输出端接入阻值为无穷大，即R = ∞ 的负载，此时恒流LED 驱动电源的输出电流iLED变为零值，变压器原副边电流iT1，iT2也会变为0，即iT1 = iT2 = 0，此时可以得到驱动电源的等效电路如图3 所示。

      由于电感L2电流续流，当负载LED 发生断路后，电感L2的电流不会立刻变为0，而是通过二极管DL1和DL2续流后继续流动，当电感电流iL2正向流动时，其通过二极管DL1续流向直流电源充电，二极管DL2因承受反向电压而关断，此时图3 中A 点对地电压vAD被钳制，其值与直流输入电压Vd大小相等，当电感L2电流iL2反向流动时，二极管DL2导通续流，而二极管DL1因承受反向电压而关断，此时图3 中A 点对地电压vAD被钳制为0。因此，当负载LED 发生故障后，图3 中A 点的对地电压vAD最大值为Vd，最小值为0 的方波电压，A 与C 两点的电压vAC为正负幅值分别为Vd /2、－ Vd /2 的方波电压，通过傅里叶变换可以得到A 与C 两点电压基波分量的峰值为
                                 VAC = 2Vdπ 。( 19)
      由对恒流LED 驱动电源的性能分析可知，当其处于稳定工作状态时，电感L2的输出电流iL2的初相为－ 90°，并且与其负载LED 的等效电压同相位。因此，当负载LED 发生断路后，电感L2的输出电流iL2的初相保持－ 90°不变，由于钳位二极管的作用，LCL 谐振网络输出端相当于接入一正负幅值分别为Vd /2、－ Vd /2 的方波电压，其基波分量的相位与电感L2的输出电流同相位，都为－ 90°。对负载LED断路后的恒流LED 驱动电源应用交流分析法［15 － 16］进行分析，可以得到负载断路后的基波等效电路相量模型如图4 所示，其中
                                 V ·inD = 2Vdπ，V ·ACD = 2Vdjπ 。( 20)
      此处分析的定义与稳定工作原理分析中的定义相同，且是在归一化角频率ωn = 1 下进行的，由图4可以得到:
       电感L1的电流与电压向量分别为
                                 I·L1D = 2VdπZn［1 + j( γ － 1) ］， ( 21) 

                                 V ·L1D = 2Vdπ( 1 － γ + j) 。( 22
      电感L2的电流与电压向量分别为
                                  I·L2D = j 2VdπZn， ( 23)
                                  V · L2D = 2Vdπ 。( 24)
       电容C 的电流与电压向量分别为
                                   I·CD = 2VdπZn( 1 + jγ) ， ( 25)
                                   V ·CD = 2Vdπ( γ － j) 。( 26)
     由以上分析可知，当恒流LED 驱动电源负载端发生断路后，由于钳位二极管的作用，其输入端的电流是峰值为一固定值的正弦波，当电感L1
与电感L2取值相近，即γ 取值接近1 时，由式( 21)与式( 23) 可知两电感的电流值大小不变，因此恒流LED 驱动电源负载断路后，钳位二极管的加入限制了其输入电流的无限增大，起到了断路保护的作用。
2. 3 优化分析与设计
     根据前面的分析可知，基于二极管钳位型LCL－ T 半桥谐振恒流LED 驱动电源输出端所接负载LED 过多，即其处于满载状态时，图1 中A 点的对地电压vAD会超过输入直流电压Vd，从而使得续流二极管DL1，DL2导通，将其电压钳位为Vd，使得恒流LED 驱动电源的输出电流值减小，进而影响LED 的发光亮度，并降低驱动电源的驱动效率，因此实际应用时，应根据负载LED 的最大颗数N 对变压器的变比进行优化设计，使得驱动电源所接负载为额定负载时能正常工作，当LED 发生断路故障后能对变压器原边A 点电位快速钳位，使得故障响应时间最短，将故障后的输入电流控制在最小范围内。
     由以上原理分析知，当ωn = 1、γ≈1 时，恒流LED 驱动电源的性能达到最优，下面将针对当所接负载LED 最大颗数为N 时对变压器的变比参数进行优化设计，即接入负载LED 后使得A 点对地电压vAD近似与输入直流电源电压Vd相等。当ωn = 1、γ≈1时可以得到:
       由式( 13) 知电感L2的电压向量为
                                      V ·L2P = 2πZn IB。( 27)

      由式( 14) 知电容C 的电压向量为
                                      V ·CP = 2πZn (IB － j 2nkLED + n2 IB ) Q 。( 28)
      均压电容C2的电压为

                                         VC2 = Vd /2。( 29)
      由图1 可得，当恒流LED 驱动电源稳定工作时A 点的对地电压峰值为
                                   VAD = VC2 + |V ·CP －V ·L2P | =Vd+ 2π( 2nkLED + n2 IB)QI [ ] B。( 30)
     令恒流LED 恒流驱动电源稳定工作时A 点的对地电压vAD与直流输入电压Vd相等，可以得到理想的变压器原副边的变比为
                                   n = πVdNRLED( π2 ILED + 8kLED) 。( 31)
      根据以上分析，要实现恒流输出、单位功率因数，并实现断路输出保护功能，设计时需保证ωn =1、γ≈1，设计主要是确定谐振网络L1、L2和C 的大小，具体设计步骤如下:
      a) 根据LED 的特性确定驱动电流ILED;
      b) 由于输入电压已知，根据式( 6) 可计算出特征参数kLED，并由式( 31) 计算出变压器变比n;
      c) 由式( 7 ) 、( 12 ) 确定电流IB以及特征阻抗Zn。
      d) 由于ωn = 1、γ≈1，根据式( 3) 、( 4) 就可确定L1、L2和C 的大小。
3 两相交错并联电路的性能分析
      两相交错并联电路是将图1 所示的两个参数相同单元并联，通过驱动电路的控制使两相LED驱动电流相位相差90°叠加，实现其驱动电流纹波
小、色差小、利用率更高的性能，该电路每相输出电流iLED1，iLED2以及叠加的电流iLED波形如图5所示。
4 实验研究
4. 1 二极管钳位型电路的实验结果及分析
      实验参数如下: 输入电压Vd = 400 V，开关频率f = 100 kHz，最大负载为10 颗1 W 的LED，根据其数据手册，其等效电阻RLED约为0. 57 Ω，阈值电压VLED约为3 V，驱动电流平均值ILED = 0. 35 A。因此由式( 6) 可得
                                      kLED = VLEDRLED= 5. 26A。( 32)
       由式( 31) 可得变压器变比为
                                       n = πVdNRLED( π2 ILED + 8kLED) = 4. 84。( 33)
       实际应用时，变压器变比n 应略小于理论计算所得值，使得A 点的电位略小于直流输入电压。因此，此处选择变压器变比为n = 4. 5。由式( 12) 可得
                                    IB = π2 ILED4n = 0. 192A。( 34)
        由式( 7) 可得

                                     Zn = VdIB= 2 083. 33Ω。( 35)

         由式( 4) 可得
             L = Znωo= 2 083. 332π × 100 × 103 = 3. 32mH， ( 36)C = 1ω2o= 1( 2π ×100 ×103 ) 2 ×3. 32 ×10 － 3 =0. 764nF。( 37)
      电路稳定工作时的实验波形如图6 所示，图6( a)所示负载为10 颗LED 灯珠时半桥逆变输出电压以及电感电流的波形，可以看出的电流相位略滞后于电压相位，实现了开关管的零电压开通。图6( b) 是在10 颗LED 灯珠正常工作时，通过手动短接9 颗LED 灯珠从而将10 颗变为1 颗时的实验波形; 图6( c) 是手动断开短接线，灯珠由1 颗变为10 颗时的实验波形。可以看出，在负载变化时，驱动电流的平均值为350 mA 基本保持不变，实现了LED 的恒流驱动。
      电路故障状态时的实验波形如图7 和图8 所示。图7 为负载发生短路故障时输入电流iL1和输出电压vo的波形。可以看出，当负载发生短路时，恒流LED 驱动电源输入电流很小，平均值基本为零，可以自动实现输出短路保护功能。图8 为负载发生断路故障时iL1和vo的波形。可以看出，当负载发生断路故障时，输入电流iL1大小增加到一定程度后就不再改变，很好的限制了输入电流的继续增大，并且断路故障保护启动时间也很短，起到了短路保护的作用。
4. 2 两相交错并联移相90°电路的实验结果及分析
      两相交错并联电路的实验波形如图示9 所示。图形下方所示为每相的输出电流iLED1、iLED2波形，两相输出电流相位基本相差90°。大小基本相等。图形上方所示为两相叠加的LED 驱动电流波形，iLED 电流的纹波明显变小，验证了分析的合理性。
5 结论
      本文通过对LCL － T 半桥谐振变换器的LED 无源开环恒流驱动模块的工作性能进行分析，针对负载故障问题提出了一种通过增加钳位二极管的无源方案实现输出故障保护的电路并且分析了电路的性能，该主电路拓扑器件数量相对较少，具有较高的可靠性; 根据串接LED 的最大颗数以及发生断路故障保护启动时间最短为目标对变压器变比进行了优化分析; 接着提出了两相交错并联LED 恒流驱动来减小输出电流纹波，实现色差小，利用率高的性能。最后通过输出功率为10 W 的样机实验验证了上述理论分析的合理性。