盡管LED在過(guò)去十年中已經(jīng)有了顯著的改進(jìn)，但是驅(qū)動(dòng)技術(shù)并沒(méi)有跟上步伐，在某些方面，它是新應(yīng)用的限制因素。尺寸是一個(gè)特殊的問(wèn)題。大幅增加開(kāi)關(guān)頻率有助于減小尺寸，但往往導(dǎo)致其他問(wèn)題或代價(jià)高昂。北歐電力轉(zhuǎn)換器公司的首席執(zhí)行官米奇·麥德森解釋了他的公司如何克服這些障礙，并通過(guò)設(shè)計(jì)高頻率的LED驅(qū)動(dòng)器使其變得可行。

　　傳統(tǒng)20 W驅(qū)動(dòng)器的比較，其中無(wú)源器件構(gòu)成大部分體積，開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz，而新型NPC技術(shù)為30 MHz

　　LED技術(shù)革新了照明市場(chǎng)的效率，外形，壽命和控制能力，并繼續(xù)提供新的解決方案。LED驅(qū)動(dòng)在過(guò)去的十年里有了些許的改進(jìn)和優(yōu)化，但是根本的問(wèn)題仍然存在:自從1970年代引入開(kāi)關(guān)電源以來(lái)，功率轉(zhuǎn)換技術(shù)基本上沒(méi)有改變。在尺寸、壽命和控制方面，LED已經(jīng)超過(guò)了驅(qū)動(dòng)它們的LED驅(qū)動(dòng)。縮小這種差距的一種方法是大幅度提高開(kāi)關(guān)頻率。這個(gè)想法并不新穎，但以一種商業(yè)可行的方式實(shí)現(xiàn)的可能性卻是。增加開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用技術(shù)減少了無(wú)源儲(chǔ)能元件的尺寸。因此，它降低了尺寸、重量，從而降低了LED驅(qū)動(dòng)程序的成本，同時(shí)提高了可靠性和壽命。

　　LED驅(qū)動(dòng)器引起的LED系統(tǒng)限制

　　在過(guò)去的十年中，LED的功效已經(jīng)提高了很多倍，并且價(jià)格也受到了相應(yīng)的影響，并且還將繼續(xù)下去。功效的提高導(dǎo)致功耗降低，因此降低了對(duì)冷卻的需求。所有這些都導(dǎo)致更小的燈具具有更高的設(shè)計(jì)自由度和更低的成本。然而，提供和控制LED所需的LED驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有看到相同的重大改進(jìn)。

　　首先，LED驅(qū)動(dòng)器的尺寸和形狀因子由所需的部件設(shè)定，例如無(wú)源儲(chǔ)能元件(電感器和電容器)。其次，所需組件的有限壽命限制了LED驅(qū)動(dòng)器的壽命和可靠性，導(dǎo)致它們成為L(zhǎng)ED系統(tǒng)故障的關(guān)鍵原因 - 并且通常早于用戶預(yù)期。第三，雖然LED驅(qū)動(dòng)器的成本隨著數(shù)量的增加而減少，但進(jìn)一步降低成本受到銅等傳統(tǒng)組件的原材料的限制。因此，LED驅(qū)動(dòng)器需要新的創(chuàng)新以趕上LED的發(fā)展并滿足市場(chǎng)需求。

　　LED驅(qū)動(dòng)器中無(wú)源元件的價(jià)值，尺寸和價(jià)格與開(kāi)關(guān)頻率成反比，開(kāi)關(guān)頻率的急劇增加將導(dǎo)致功率密度大大增加并降低成本。這個(gè)概念的好處是眾所周知的，同樣也是問(wèn)題所在。如下所述，增加的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)損耗，從而破壞硬開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電源(SMPS)的效率并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

　　傳統(tǒng)電源技術(shù)

　　第一款開(kāi)關(guān)電源是在20世紀(jì)70年代早期開(kāi)發(fā)的，從此成為電源和LED驅(qū)動(dòng)器的市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在40多年的研發(fā)中，電源的效率和功率密度得到了提高，從那時(shí)起，隨著技術(shù)的成熟和組件的優(yōu)化，電源的性能也得到了提升。然而，改善步伐大大減少。

　　對(duì)于大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器的功率水平，公布的一些最佳結(jié)果是效率約為95%，功率密度為0.88 W / cm 3。這些結(jié)果是在具有受控環(huán)境且不關(guān)注成本的實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于商業(yè)產(chǎn)品，接受較低的效率和功率密度以降低成本。

　　大眾市場(chǎng)上一些最小的電源是Apple著名的方糖筆記本電腦充電器。60W版本的功率密度為0.59W / cm。(包括外殼和插頭)，效率為90%。對(duì)于USB充電器，效率和功率密度較低，效率約為75%，功率密度約為0.31 W / cm3。同樣的趨勢(shì)適用于具有差異的LED驅(qū)動(dòng)器，具體取決于功率水平，規(guī)格，性能和價(jià)格。在較低功率水平下效率和功率密度的下降部分是由于外殼，插頭，控制，啟動(dòng)，保護(hù)和其他內(nèi)務(wù)處理電路與功率水平無(wú)關(guān)，部分原因是與價(jià)格的權(quán)衡。隨著功率水平的提高，效率變得更加重要，通過(guò)提高效率，價(jià)格上漲通常更容易接受。

　　開(kāi)關(guān)損耗會(huì)影響開(kāi)關(guān)頻率

　　傳統(tǒng)的SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如降壓，升壓和反激是硬開(kāi)關(guān)，這意味著電路板上的MOSFET半導(dǎo)體在其上有電壓和/或電流通過(guò)時(shí)會(huì)切換。結(jié)果是每次導(dǎo)通時(shí)MOSFET中的能量都會(huì)耗散。這被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗。在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器中，開(kāi)關(guān)頻率被選擇作為效率(開(kāi)關(guān)損耗)，尺寸和成本之間的折衷。在大多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品中，選擇50-400 kHz范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)頻率，因?yàn)檫@給出了公平的權(quán)衡。

　　該頻率范圍內(nèi)的典型SMPS如圖1所示。這里可以清楚地看到，無(wú)源儲(chǔ)能元件，電容器和磁性元件構(gòu)成了大部分體積。物料清單(BOM)的細(xì)分通常會(huì)導(dǎo)致無(wú)源和有源組件之間的分別為60%和40%。因此，通過(guò)減少無(wú)源元件可以實(shí)現(xiàn)顯著的尺寸和成本優(yōu)勢(shì)。由于這些元件的數(shù)值，尺寸和成本與開(kāi)關(guān)頻率成反比，直接的方法是將開(kāi)關(guān)頻率顯著提高到MHz范圍，甚至達(dá)到甚高頻(VHF)范圍(30) -300 MHz)。然而，將頻率簡(jiǎn)單地增加到VHF范圍將使開(kāi)關(guān)損耗增加近1,000倍。

　　為了避免開(kāi)關(guān)損耗并且能夠在保持高效率的同時(shí)增加頻率，必須使用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用諧振轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，從而可以避免由寄生開(kāi)關(guān)電容引起的開(kāi)關(guān)損耗。存在三組諧振轉(zhuǎn)換器：串聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。

　　串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器具有最高的效率和最低的復(fù)雜性，但在輸出調(diào)節(jié)方面存在基本挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于輕載和空載情況。

　　并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器具有更好的負(fù)載調(diào)節(jié)，但它們的諧振電流不隨輸出功率而變化。即使在輕負(fù)載時(shí)也會(huì)導(dǎo)致滿負(fù)載損耗，從而導(dǎo)致非常低的輕負(fù)載效率。

　　串并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器具有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振元件。這些元件可以平衡，以獲得串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，同時(shí)顯著降低其缺點(diǎn)。LLC轉(zhuǎn)換器是諧振轉(zhuǎn)換器最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它可以設(shè)計(jì)為零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，以減少開(kāi)關(guān)損耗并提高頻率。LLC轉(zhuǎn)換器通常用于降壓應(yīng)用，從幾百伏到幾十伏，通常功率范圍為400-4000瓦[1]。

　　自20世紀(jì)80年代以來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了研究，將諧振RF放大器(逆變器)與整流器結(jié)合用于DC / DC轉(zhuǎn)換器[2,3]。利用這些類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)ZVS和/或零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。在這種情況下，當(dāng)跨越/通過(guò)它的電壓和/或電流為零時(shí)，MOSFET導(dǎo)通。從理論上講，如果切換是在瞬間和恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間完成的，那么這應(yīng)該可以消除開(kāi)關(guān)損耗。在實(shí)踐中，可以通過(guò)與理想情況的輕微偏差實(shí)現(xiàn)非常高的效率。

　　VHF諧振轉(zhuǎn)換器

　　在過(guò)去十年中，在VHF系列中運(yùn)行的這類(lèi)轉(zhuǎn)換器的重點(diǎn)和研究已經(jīng)增加。進(jìn)入這個(gè)頻率范圍可以大大減少對(duì)被動(dòng)儲(chǔ)能和磁芯的需求。電解電容器可以用空心磁性元件和陶瓷電容器代替，從而最大限度地減小尺寸和價(jià)格，同時(shí)延長(zhǎng)使用壽命[4,5]。

　　開(kāi)關(guān)頻率在30到300 MHz之間，選擇拓?fù)鋾r(shí)的主要問(wèn)題是開(kāi)關(guān)損耗。由寄生輸出電容引起的MOSFET開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率線性增加，并成為這些頻率的主要損耗機(jī)制，如果拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。

　　大多數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都來(lái)自E類(lèi)逆變器，它利用了設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)的輸出電容，并確保在MOSFET導(dǎo)通之前電容完全放電。一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。這消除了由例如MOSFET封裝中的寄生電感引起的損耗。盡管在功率轉(zhuǎn)換器中通常不是很大的損耗機(jī)制，但這導(dǎo)致電壓的導(dǎo)數(shù)在開(kāi)關(guān)實(shí)例(ZdVS或ZDS)處為零，因此是相關(guān)的。如果MOSFET沒(méi)有在正確的時(shí)間完全導(dǎo)通，它可以減少影響，因?yàn)樗厦娴碾妷簩⒃谝欢螘r(shí)間內(nèi)接近零。

　　基本的E類(lèi)轉(zhuǎn)換器是迄今為止最不復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且有很好的描述。在各個(gè)組件不會(huì)相互嚴(yán)重影響的情況下，可以使用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)流程。逆變器僅由一個(gè)MOSFET，兩個(gè)電感器和一個(gè)電容器組成。它非常適合具有低輸入電壓的應(yīng)用，但對(duì)于具有高輸入電壓的應(yīng)用(例如電源)，電壓應(yīng)力是開(kāi)關(guān)上輸入電壓的3.5倍是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)。如果設(shè)計(jì)為在最佳情況下工作，則電感器對(duì)于限制瞬態(tài)響應(yīng)和功率密度的任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言是最大的。然而，逆變器可以設(shè)計(jì)成在較小的標(biāo)稱(chēng)情況下操作，具有較小的電感器和較快的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　SEPIC轉(zhuǎn)換器可以看作E級(jí)轉(zhuǎn)換器的略微修改版本，原理圖中唯一的區(qū)別是諧振回路中的電感器被移除。這不僅減少了電感器的數(shù)量，而且其余兩個(gè)電感器也將小于E級(jí)(如果設(shè)計(jì)為接近最佳值)。然而，SEPIC的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，因?yàn)槟孀兤骱驼髌鞑荒軉为?dú)設(shè)計(jì)，因此所有部件相互影響。因此，使用SEPIC可以在效率，瞬態(tài)響應(yīng)，尺寸和成本方面實(shí)現(xiàn)更好的性能，但設(shè)計(jì)更復(fù)雜。

　　類(lèi)φ 2

　　類(lèi)φ 2逆變器也是E級(jí)的改進(jìn)型，唯一的區(qū)別是增加了LC電路，通過(guò)使其更加梯形來(lái)降低MOSFET兩端的電壓。雖然這是降低電壓應(yīng)力的好方法，但陡峭的電壓曲線需要更大的電流，使損耗大于E類(lèi)逆變器。雖然它有2個(gè)額外的元件，但與E類(lèi)逆變器相比，物理尺寸可以或多或少與電感器相同。由于較高的諧振電流，總損耗大于E類(lèi)逆變器。如果可以從另一類(lèi)MOSFET中進(jìn)行選擇，例如100 V器件而不是150 V器件，那么這可能是可以接受的，但如果不是這樣的話。E級(jí)或SEPIC是更好的選擇。

　　DE

　　類(lèi)DE逆變器是由與E類(lèi)逆變器相同數(shù)量的元件組成的半橋逆變器; 只有最大的電感被開(kāi)關(guān)取代。因此，該拓?fù)鋬H具有一個(gè)電感器，其同時(shí)小于其他拓?fù)渲械娜魏坞姼衅鳌OSFET上的峰值電壓是迄今為止在任何逆變器中看到的最低電壓，電流也是最低的。

　　類(lèi)φ 2逆變器是單開(kāi)關(guān)逆變具有最低電