L6563+L6599 - LLC经典设计

L6563+L6599 LLC经典设计

指标参数的确定

和电源方案的选择

指标参数的确定

本课题所要设计的地铁车厢LED供电电源样机的具体指标参数如下： a、整体电气指标

输入电压Vin_rms：140 Vac ~270Vac(为满足地铁列车错轨引起的电压波动) 电网频率f：47~63Hz

额定输出功率Po_rms：3.3V*0.33A*10*6=60W 最大输出功率Po_max：3.5V*0.33A*10*6=69.3W 额定输出电流Io：0.33A*6=1.98A

输出电压范围Vo：（3.2V~3.5V）*10=32V~35V 单串LED输出电流纹波：Io_pp：<16.5mA 工作温度：-20℃～60℃ 启动时间：<1.5S

掉电维持时间tholdup：<40mS

PF值： <0.95(输入：140 Vac ~270Vac；输出为额定功率) 效率： <92%(输入：140 Vac ~270Vac；输出为额定功率) b、国家国际规范要求[32]~[36]

1) 符合EN55015(灯具电磁兼容标准)

2) 符合IEC61373（铁路应用 机车车辆设备 冲击和振动试验） 3) 符合BS6853-1999（载客列车设计与构造防火通用规范） 4) 符合IEC60529/EN60529 IP67 （防水等级） 5) 符合IEC1000-3-2/EN61000-3-2

电源方案的确定

为满足高功率因数、高效率、高可靠性以及LED需要单串恒流供电等一系列要求，在本论文中我们对每串LED灯都采用独立的恒流模块进行控制。本方案是由AC/DC（PFC+LLC）模块和6个DC/DC恒流模块两部分组成。为了缩小电源体积、降低电源复杂度以及良好地散热，本方案中恒流模块和LED一起集成在铝基板上。

主要以输入为140Vac~270Vac、输出以地铁车厢LED照明灯具（灯具的规格是：10串*6并 *1W（3.3V/0.33A）的60颗LED灯组成）为负载的电源作为研究对象；电源选取方案为PFC+LLC谐振变换器，外加多组恒流模块的结构。依据地

铁车厢LED照明供电系统对电源的严格的技术要求，本文第二、三章主要介绍PFC、LLC以及恒流模块等部分的工作原理、参数设计与优化、关键元件的设计与选取等；第四章将主要讨论电源电磁兼容的设计过程；第五章主要针对整机结构的进行研究与设计；第六章主要是实验结果，并对结果进行分析；最后，在第七章中对这一方案在地铁车厢LED照明供电领域中的应用进行了总结与展望。

功率因数（PFC）部分的研究与设计 2.1.1 功率因数的特性

根据电工学的基本理论，功率因数（PF）定义为有功功率(P)与视在功率(S)的比值，用公式表示为：

（2.1） （2.2）

式（2.1）中， 为输入电流基波有效值； 为电网电流有效值； ， …… 为各次谐波有效值； 为输入电压基波有效值； 为输入电流畸变因数； 为基波电压、基波电流位移因数。

可见，功率因数由畸变因数 和基波电压、基波电流位移因数 决定。 低，则设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大； 低，表示设备输入电流谐波分量大，将造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时，会造成电子设备损坏。

但传统的功率因数概念是假定输入电流无谐波电流（即 或 ）的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了 。

总谐波畸变THD(Total Harmonics Distortion）用来衡量电流波形的失真情况，定义为：

（2.3）

因此，功率因数的表达式可变换为： （2.4） 又

（2.5）

由式(2.4)，式(2.5)可得

（2.6）

从而，当 时，

（2.7）

由式(2.4)看出，可以采用两种方法来提高功率因数：一是最大限度地抑制输入电流的波形畸变，使THD值达到最小；二是尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零，使 ，从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术，

可使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形的变化，使输入电流呈正弦波，并且和输入电压同相位。

2.1.2方案的确定

有源功率因数校正(APFC)是抑制电流谐波，提高功率因数最有效的方法，其原

理框图如图2-1所示。其基本思想是：交流输入电压经全波整流后，对所得的全波整流电压进行DC/DC变换，通过适当控制使输入电流平均值自动跟随全波整流后的电压波形，使输入电流正弦化，同时保持输出电压稳定。APFC电路一般都有两个反馈控制环：内环为电流环，使DC/DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同；外环为电压环，使DC/DC变换器输出稳定的直流电压。 图2-1 APFC电路原理图

适用于APFC的拓扑有很多，原则上任何一种DC/DC变换器：Boost变换器、Buck变换器、Buck-boost变换器、Flyback变化器、Cuk变换器等均可实现上述功能，都可作为PFC的主电路拓扑。在实际应用中，由于PFC是对输入电流进行控制，因此一般采用Boost和Flyback变换器，这样电感串联在输入端，电流反馈控制实质上就是对输入电流进行控制。Flyback型PFC虽然易于实现输入、输出间的隔离，但由于隔离变压器磁芯单向磁化，使得其磁通复位控制困难，变压器利用率低，适用于150W以下的电源和镇流器。Boost型PFC输入电流连续，储能电感也兼做滤波器抑制RFI和EMI噪声，功率因数高，总谐波失真小，输出电压高，允许电容储存更多的电能，能提供更长时间的掉电保护，这些优点促使Boost型PFC的应用更为广泛。

根据电感电流的状态划分，Boost型APFC又可以分为断续模式(DCM)，连续模式(CCM)和临街连续模式(CRM)。图2-2说明了这三种模式的工作原理。

(a) DCM模式下的电感电流波形 (b) CCM模式下的电感电流波形 (c) CRM模式下的电感电流波形 图2-2 三种有源功率因数校正技术的原理

DCM有源功率因数校正技术的特点是所需电感量小，由于电感电流断续，其输入的峰值电流可以自动跟踪输入电压，通常采用PWM的调制方式，而且只用单环控制即可，因此电路结构非常简单，整流二极管不存在反向恢复的问题，但是在同等输出功率的情况下，DCM模式的输入电流峰值大，开关管的关断损耗、二极管的开通损耗和器件电流应力都比较大。因此，一般只用于小功率的场合。

CCM有源功率因数校正技术的优点是可以用在较大功率的场合，由于电感电流连续，纹波较小，因此输入滤波简单。CCM模式也存在一些问题：开关管不是零电流开通，因此开通时的尖峰电流会给开关管带来较大的损耗。由整流二

极管反向恢复引起的di/dt会给整个电路带来严重的干扰。而且它的控制一般需要输出电压和电感电流两个状态量的反馈，因此电路结构比较复杂。

CRM有源功率因数校正技术可以做到DCM和CCM两者的折中。与DCM模式相比，CRM模式的器件应力较小，应用的功率场合比DCM更广泛。而与CCM模式相比，CRM模式不存在整流二极管的反向恢复，开关管是零电流开通，且控制电路相对简单。但受到器件应力的限制，CRM也不能用在较大输出功率的场合。在300W以下，CRM与其他两种模式相比，还是具有明显的优势。

基于上述描述，前级功率因数校正电路选用CRM模式的Boost型PFC。控制芯片选择ST公司的L6563[37]。

L6563内部有一个乘法器，交流输入电压经过分压后作为一个输入信号，另一个输入是输出电压和参考电压的误差信号，两者相乘作为电感电流采样信号的限制值。当MOS管开通，电感电流上升，直到达到限制值时，MOS管关断，电流下降。当过零检测网络检测到电感电流为零时会再次驱动MOS管开通，从而实现功率因数校正的功能。

2.1.3功率因数部分电感及其他参数的计算

所需要的PFC电路的参数指标： 输入电压Uin_rms：140~270Vac 电网频率f：47~63Hz

最大输入功率Pin_max：71.6W/0.92=77.8W 额定输出电压Uo：400V 输出电压纹波：Uo_pp：<16V

输出功率PDC_max：40V*1.7A/0.95=71.6W

掉电维持时间tholdup：18ms，保证PDC=71.6W，Uin_rms=140V/50Hz情况下 Uhold>360V

最小开关频率fs：30kHz

（1）功率因数校正部分电感值的确定：

功率因数部分电感及其他参数的计算

所需要的PFC电路的参数指标： 输入电压Uin_rms：140~270Vac 电网频率f：47~63Hz

最大输入功率Pin_max：71.6W/0.92=77.8W 额定输出电压Uo：400V 输出电压纹波：Uo_pp：<16V

输出功率PDC_max：40V*1.7A/0.95=71.6W

掉电维持时间tholdup：18ms，保证PDC=71.6W，Uin_rms=140V/50Hz情况下

Uhold>360V

最小开关频率fs：30kHz

（1）功率因数校正部分电感值的确定： 由CRM工作方式可知，在开关管Q导通时，有

（2.8）

开关管Q关断时有

（2.9）

其中， 为瞬时输入电压值， 为开关周期内开关关断时间， 为开通时间， 是一个开关周期内电感电流的峰值。

由（2.8）式可以得到

（2.10）

由（2.9）式可以得到

（2.11）

电网瞬时输入电流 与电感电流 有如下关系：

（2.12）

根据功率守恒（考虑转换效率 ）有

（2.13）

其中， 、 分别为PFC电路的输入和输出功率。 令输入电压为 ，输入电流 ,可以得到

（2.14）

由（2.13）式可以求得

（2.15）

结合（2.12）式和（2.15）式可以得到

（2.16）

由于CRM PFC在特定输出功率、输入电网电压的条件下，具有恒定的导通时间，将（2.16）代入（2.10），得到

（2.17）

将（2.16）代入（2.11），有

（2.18）

由（2.17）、（2.18）可知，开关周期

（2.19）

开关频率

（2.20）

由（2.20）式可知，在输入电压达到最大值时，开关频率有最小值为：

（2.21）

则相应的L值为

（2.22）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lu2t.html