曲志华
（宁波赛耐比光电科技有限公司，浙江 宁波 315040）
引言LED 照明系统使用LED（Light Emitting Diode，LED）作为第三代发光元件具有很多的优点，如经久耐用、低耗电，属于典型的低碳环保照明光源[1]。采用普通整方式有较高的谐波污染，谐波污染问题随着电力电子装置的大量使用愈来愈严重。高谐波会增加线路传输损耗并影响其它设备正常运行。功率因数校正技术（Power Factor Correction，PFC）可以抑制谐波污染，提高电能质量，成为电力电子领域研究的热点[2]。随着氮化镓和碳化硅等宽禁带半导材料和工艺的成熟，使得相关器件得以应用。因照明朝轻薄小的方向方展，传统的Si 器件已不能满足要求。由于氮化嫁功率器件导通电阻极低，器件内没有PN 结这一特点使其具有接近零的反向恢复特性，其较高的电子迁移率降低了击穿电压，并降低了传导损耗[3]。随着开关频率的不断提高，导致电路中损耗增大，影响了DC/DC变换器的效率，LLC 谐振变换器的出现，解决了这个问题[4]。
本文主要介绍了一个基于氮化镓器件组成PFC及LLC 高效率高功率因素LED 驱动电路。PFC 采用NCL2801 控制芯片，其开关管管采用第三代GaN 器件NV6115。LLC 电路控制芯片采用NCP13992，其MOS 管采用NV6115。输出电流达到8.3A，LLC 副边采用同步整流电路控制芯片采用SRK2001 并给出LLC 电源设计过程。电源效率达到95.5%，功率因素达到0.985 7。
1 电路的原理图及功能电源参数：交流输入220 V、输出直流电压24 V、电流8.3 A。图1 原理图包括EMC 滤波电路、PFC 电路、LLC 及同步整流电路。
EMC 滤波电路包括共模滤波电感、滤波电容、避雷器、保险丝。PFC 电路包括整流桥BD1 何BD2、主电感L1、电流检测互感器L3、开关管Q1、控制芯片NCL2801 及滤波电容。NCL2801 电流模式临界导通型功率因数校正升压控制器IC，该器件适用于模拟/脉宽调制（PWM）可调光LED 驱动器。该器件的市场优势是优化的总谐波失真（THD）性能，同时在宽负载条件下最大化系统能效，在启动和动态负载期间还具备更小的过冲/下冲，线性电平检测实现最优化的环路增益控制，集成误差放大器易于环路设计和降低功耗，其开关管管采用GaN 器件NV6115，氮化镓功率芯片NV6115 内置驱动器以及复杂的逻辑控制电路，170 mΩ 导阻，耐压650 V，支持2 MHz 开关频率，采用5×6 mm QFN 封装，节省面积。因此系统功率因素在额定功率条件下可以达到0.9857。LLC 电路包括变压器T1、开关管Q2 和Q4、控制芯片NCP13992 及副边同步整流电路。为了提高电源效率LED 电源采用软开关技术LLC 谐振变换器设计及同步整流技术。LED 电源的功率损耗主要决定于开关管的开通和关断损耗，系统直流变换采用LLC 谐振变换器，该变换器工作在零电压开关（ZVS）状态，可以大幅度提高电源的效率。电源的开关管采用NV6115 氮化镓MOS管，其针对高频、软开关拓扑进行了优化。LLC 控制芯片NCP13992 是一款用于半桥谐振转换器的高性能电流模式控制器。在需要PFC 前级的应用中，NCP13992 具有一个专门的输出来驱动PFC 控制器。此功能结合专门的无噪声跳过模式技术进一步提高了整个应用的轻负载能效。NCP13992 提供了一套保护功能，可实现在任何应用中的安全运行。其中包括：过载保护、放置硬开关周期的过电流保护、欠电压检测、开路光耦合器检测、自动停滞时间调节、过电压（OVP）和高温（OTP）保护。同步整流芯片采用SRK2001A，具有用于LLC 共振转换器中二次侧同步整流的控制方案。该控制器提供两个大电流栅极驱动输出，每个都能直接驱动N 沟道功率MOSFET。单独控制每一个栅极驱动器，而联锁逻辑电路可防止两个同步整流MOSFET 同时导电。该系统采用LLC、氮化镓器件及同步整流技术，电源效率可以达到0.955。
2 LLC 电源参数设计LED 电源采用软开关技术LLC 谐振变换器设计及同步整流技术。PFC 输出直流电压370 V—410 V，输出功率200 W，输出电压24 V，电源工作频率为200 kHz。变压器磁芯选用选择到POT3314。
式中：Uo为输出电压，取24 V；UF为二极管压降，取0.5 V；UDCnom为PFC 输出电压，取410 V；N 为变压器变比。将数值代入公式计算得N=8.367。
根据式（1）计算变压器变比原边为25，副边为3，实际值为8.333。根据输入电压的变化范围，可由式（2）、式（3）确定所需要的最大和最小电压增益：
将数值代入公式计算得Gmax=1.104，Gmin=0.972。
负载端反射到原边的等效电阻Rac值根据式（4）计算：
式中：Uo为输出电压，取24 V；Po为输出功率，取200 W。将数值代入公式计算得Rac=162.33 Ω。
谐振电容Cr根据式（5）计算：
式中：Q 为品质因数，取0.327；fr为谐振频率，取200 kHz。将数值代入公式计算得Cr=15 nf。
谐振电感Lr和励磁电感Lm根据式（6）、式（7）计算：
将数值代入公式计算得Lr=42.26 μH，Lm=338.08 μH。
验证所取Q 值的合理性可由式（8）计算：
由图2 可知所取Q 值0.327 相对合理，在最低输入电压和最大负载下的产生最低开关频率：
空载时最大开关频率:
将数值代入公式计算得Fmin=128.14 kHz，Fmax=268.2 kHz。
3 实验测试数据及其波形图3 是实验测得输入电压和电流波形，C1 为电压波形，C3 为电流波形，示波器采用TELEDYNE LECROY。由图3 可知输入电流波形是基本是正弦波形。图4 输出电压纹波，由图4 可知电压纹波约为0.2 V。
图5 是由功率计和电子负载测得参数，输入电压为220.23 V，电流0.9671 A，输入功率209.98 W。输出电压为24.08 V，电流为8.33 A，输出功率200.59 W。根据输入输出功率可以计算整机效率达到0.955。
图6 是电源EMC 测试波形，图中EN55015 限值为欧盟灯具标准的峰值和平均值限值。由图6 可知电源测试的平均值和峰值均低于欧盟标准。由于采用氮化镓开关管，dU/dt 能够达到数百kV/μs 的开关速率（edge rate）较高“dU/dt”产生的跟高的电磁干扰EMI。经过对电源整机的整改，整机EMC 符合如图5 中EN55015 欧盟灯具标准。
4 结论本系统设计氮化镓器件组成PFC 及LLC 高效率高功率因素LED 驱动电路，PFC 采用NCL2801 控制芯片。LLC 电路控制芯片采用NCP13992，其开关管管采用氮化镓NV6115，并LLC 电源参数。实验结果表明，整机效率达到95.5%，功率因素达到0.985 7。电源EMC 符合EN55015 欧盟灯具标准。
