1. 引言
发光二极管(LED)是一种应用于光电子领域的低成本固态光源，具有光效高、寿命长和无污染等优点，现已广泛应用于汽车照明、液晶背光、交通灯以及通用照明[1] -[3] 。LED驱动电源作为LED应用推广的重要保障，使得LED驱动技术的研究成为目前电力电子领域研究的热点之一[4] -[9] 。目前单颗LED的功率和亮度还不是很高，难以满足应用领域的需求，从而采用将多颗LED按照需要排列组合，以满足较大范围、较高亮度、动态显示、色彩变换等应用要求[10] -[12] 。串联方式要求LED驱动器输出较高的电压，并联方式要求驱动器输出较大的电流，因此，LED连接形式的多样性产生了LED负载与其驱动电源的匹配问题。开关变换器结构由于转换效率高，动态响应迅速，拓扑结构丰富以及反馈控制方式多样化，使得开关变换器结构用于驱动LED成为可能。
本文基于Boost拓扑与Cuk拓扑的有机组合，提出一种用于LED照明中的组合式Boost-Cuk变换器(Boost-Cuk Converter, BCC)拓扑(简称为新型组合式Boost-Cuk变换器)。该变换器既可实现不同类型的两路输出，也可以实现两路输出的串联输出。通过一个控制器便能实现对每一条输出支路的调节，从而可使每路分别驱动不同数量与不同类型的LED。
2. 新型组合式Boost-Cuk变换器的拓扑结构
图1表示新型组合式Boost-Cuk变换器拓扑结构，Boost变换器与Cuk变换器输入级具有相同的结构，
Figure 1. Topology of the proposed combined-type converter
图1. 新型组合式变换器拓扑结构
将两个变换器的输入级共用、输出级串联则构成了Boost-Cuk Converter(BCC)。图1中，实线框1中为Boost变换器，虚线框2中为Cuk变换器，当输出端接发光二极管组合LED1s、LED2s时，输端为两路输出，当接发光二极管组合LEDs时，输出端为串联输出。
3. 工作原理分析
新型组合式Boost-Cuk变换器不仅可以实现类型不同的两路输出，还可以实现两路输出的串联输出，下面是以两路输出的串联输出为例进行的工作原理分析。
假设电感电流连续，新型组合式Boost-Cuk变换器在一个开关周期内共有2个工作模态，其等效电路如图2(a)和(b)所示，图3表示稳态工作时的关键波形。设Ts为开关周期，Ton为一个开关周期内开关管的导通时间，Toff为开关周期内开关管的截止时间，D为功率开关管Q的导通占空比。其中，Ton = DTs，Toff = (1 − D)Ts。
工作模态I的等效电路如图2(a)所示，开关管Q导通，二极管D1、D2截止，电源电压加到电感L1上，电容C3通过开关管Q对电感L2放电，电感电流
，
均线性增加，电感L1、L2两端电压分别为：
(1)
(2)
(a) 模态I (b) 模态II
Figure 2. Topology of the proposed combined-type converter
图2. 各模态的等效电路
Figure 3. Key waveforms based on complementary control
图3. 关键工作波形
当t = ton = DTs时，
达到最大值
，在开关管Q导通期间，电流
的增量
为：
(3)
与此同时，
也达到最大值
，电流
的增量
为：
(4)
此时，LEDs由电容C1、C2供电，开关管Q中流过的电流为：
(5)
工作模态II的等效电路如图2(b)所示，当开关管Q截止时，二极管D1、D2导通，电源和电感L1同时释放能量，一方面经二极管D1向LEDs和电容C1供电，另一方面向电容C3充电，并同电感L2经二极管D2向电容C2充电。电感电流
，
均线性下降，电感L1、L2两端电压分别为：
(6)
(7)
此时，流过二极管D2的电流为：
(8)
在开关管Q截止期间，电感L1中电流iL1的减小量
为：
(9)
由于电感L2释放能量，所以流过L2的电流减小，在此期间其减小量
为：
(10)
由此可见，该电路当D > 0.5时，可以实现Boost环节和Cuk环节同时升压；而当D < 0.5时，可以实现Boost环节升压的同时Cuk环节降压。
4. 稳态工作性能分析
4.1. 稳态电压增益
根据电感L1的伏秒平衡原理，得出以下等式：
(11)
(12)
由式(11)，(12)，得出电容C1、C3两端电压：
(13)
根据电感L2的伏秒平衡原理，得出以下等式：
(14)
由式(14)得到电容C2两端电压：
(15)
(16)
结合式(13)，(15)及(16)，可推导出该变换器的稳态电压增益：
(17)
图4给出了组合式Boost-Cuk、Boost以及Cuk变换器电压增益与占空比的关系图，从图中可以看出组合式Boost-Cuk变换器的电压增益比Boost和Cuk变换器的电压增益相比，不仅实现输出电压的高增益，而且适用于低压输入源与LED相结合的照明系统(如LED光伏照明系统)中。
4.2. 器件电压及电流应力
开关管Q和二极管D1、D2在截止时承受的电压为：
(18)
Figure 4. Voltage gain versus duty cycle
图4. 电压增益与占空比的关系图
(19)
当开关管导通结束时其电流达到最大值IDSmax为：
(20)
电感L1、L2电流达到最大值
、
分别为：
(21)
(22)
由式(20)、(21)及(22)，开关管电流的最大值IDSmax表达式为：
(23)
式中等值电感
。
由于在一个开关周期中，流经电容的电流平均值为零，同时结合图2(b)，可以得出以下关系式：
(24)
由式(24)，可知二极管D1电流最大值
为：
(25)
根据图2(b)可知，
(26)
由式(21)-(22)及(25)-(26)，可知二极管D2电流最大值
为：
(27)
式中等值电感
。
5. 仿真结果
为验证理论分析的有效性，对新型组合式Boost-Cuk变换器进行仿真，电路仿真参数如表1所示，考虑到该变换器适用于低压输入源与LED相结合的照明系统中，因此输入电压选为低电压。图5给出了
Table 1. Parameters of the main prototype
表1. 主要电路参数
图5. 仿真波形
新型组合式Boost-Cuk变换器的仿真波形，图5(a)中分别为开关管Q的驱动波形及电感L1、L2的电压波形，可以看出，电感L1、L2上的电压近似相等；图5(b)中分别为开关管Q的驱动波形及流过电感L1、L2的电流波形，由图可知，流经电感L1的电流纹波(即输入电流纹波)较低；图5(c)分别为开关管Q的驱动波形及其对应的电流、电压应力波形，可以看出，开关电压应力近似等于输出电压Vo的5/8；图5(d)中分别为开关管Q的驱动波形及二极管D1、D2的电压应力波形，二极管D1、D2上的电压应力与开关管的电压应力一致近似等于输出电压Vo的5/8；图5(e)中分别为开关管Q的驱动波形和二极管D1、D2的电流应力波形。仿真结果与上述理论分析一致，验证了该拓扑结构的正确性和有效性。
6. 结论
针对LED驱动及其照明等相关系统的特点，本文提出了一种用于LED照明中的组合式Boost-Cuk变换器拓扑结构，并对该变换器的工作原理及稳态特性进行了详细分析。该变换器具有两个特点，特点一是Boost环节和Cuk环节共用输入支路，可以通过一个开关管同时实现两种类型的两路输出；特点二是该变换器输出端采用串联结构，实现了变换器的高电压增益。最后通过仿真验证了理论分析的正确性。该电路结构可用于LED驱动及照明其相关系统中，如光伏发电产生多种电压等级的直流照明系统中。