CN102164444A - 电容箝位型多串负载支路均流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容箝位型多串负载支路均流电路，包括恒流源和至少两个相互并联的负载支路，各负载支路均包含相互串联的负载单元和一个单向导通的可控开关，且负载单元的数量为一个或两个，所述负载支路的一端连接恒流源的正极，另一端连接恒流源的负极，且可控开关的阳极直接或间接与恒流源的正极连接，阴极直接或间接与恒流源的负极连接；还包括至少一个箝位电容，箝位电容的数目至少为比负载支路的数目少一个，箝位电容的一端连接在任意一条负载支路上除两端点之外的任意一点，另一端连接在其余任意一条负载支路上除两端点之外的任意一点，并使得任意一条负载支路至少与一个箝位电容连接。此种均流电路结构便于集成、成本低、变换效率高。

Description

电容箝位型多串负载支路均流电路

技术领域

本发明涉及一种电力电子变换器，特别是指一种多个发光二极管串的均流电路及其控制方法。

背景技术

高亮度发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是新一代照明光源，具有寿命长、高效率、光学性能好、无污染等优点。LED驱动器是指为其提供供电电压或电流的功率变换装置，多为电力电子变换装置，是LED照明光源的核心部件之一。

LED为半导体器件，其伏安特性与普通的稳压二极管类似。由于生产工艺等原因，在特定电流工作点上，即使同一批次的LED产品，其两端电压降落亦有较大的离散性，并且它们的电压降的温度系数也不同。因此，多个LED直接并联，或者多个LED串联后再并联时，由于在同一导通电流下其端电压不一致，容易引起某个LED或某串LED中流过的电流过大而烧毁的问题，且由于LED的导通压降为负温度系数，将加剧该不均流程度，严重影响LED驱动器的可靠性。但是，由于单个LED为小功率、低光通量输出的元件，在要求大的光通量输出的场合，多个或多串并联LED并联的应用是无法避免的。目前主要的解决方案有：

（1）每串LED单独采用一个DC-DC变换器，调节其端电压或输出电流，其电路框图如图2所示；然而，此种结构的缺点在于：当需要2串以上的LED串并联时，需要2台以上的DC-DC变换器，使得成本较高；

（2）每串LED串联一个三极管或MOSFET，该三极管或MOSFET承担电源与LED串之间的电压差值，完成LED串的电流调节，分别如图3（a）和图3（b）所示；但由于三极管或MOSFET上承担了较大的线性压降，因此损耗较大；

（3）Bernd Clauberg和Robert A. Erhardt提出采用高频交流供电，并通过参数设计使各LED串的高频交流阻抗近似相等，取得很好的均流效果，可参见美国专利号US 6853150一案；然而，此方案存在的缺陷是：由于LED串中通过的是高频正弦半波，且电流的峰均比为2，造成电路可靠性低，驱动电路成本高。

综上分析可知，目前虽然存在多种针对多串LED并联电路的均流方式，但效果均不尽如人意，有待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种电容箝位型多串负载支路均流电路，其便于集成、成本低、变换效率高。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种电容箝位型多串负载支路均流电路，包括恒流源和至少两个相互并联的负载支路，所述的各负载支路均包含相互串联的负载单元和一个单向导通的可控开关，且所述负载单元的数量为一个或两个，其中，所述负载支路的一端连接恒流源的正极，另一端连接恒流源的负极，且可控开关的阳极直接或间接与恒流源的正极连接，而可控开关的阴极直接或间接与恒流源的负极连接；

还包括至少一个箝位电容，所述箝位电容的数目至少为比负载支路的数目少一个，箝位电容的一端连接在任意一条负载支路上除该负载支路两端点之外的任意一点，另一端连接在其余任意一条负载支路上除该负载支路两端点之外的任意一点，并使得任意一条负载支路上至少与一个箝位电容连接。

上述各负载支路中负载单元的数量均为一个，且该负载单元的一端连接恒流源的正极，另一端连接可控开关的阳极，而可控开关的阴极与恒流源的负极连接。

上述负载单元为至少一个LED、至少一个稳压管、至少一个电压源或前述任意两种或三种的组合串联。

上述某负载支路中的负载单元为单个LED或至少两个LED依次顺序串联而成的LED串，且该负载支路中还另外包括一滤波电感，所述滤波电感串接在负载支路中的任意位置。

上述可控开关包含二极管和场效应管，且二极管的阴极与场效应管的漏极串联。

上述可控开关包含二极管和三极管，所述二极管的阳极与三极管的基极连接，二极管的阴极与三极管的集电极连接。

上述可控开关的驱动信号的导通角依次错开的电角度为360°/n，导通占空比等于n的倒数，其中n为并联的LED串支路的个数。

上述可控开关的驱动信号的导通角依次错开的电角度为360°/n，导通占空比为(1/n)+(△t/Ts)，其中n为并联的LED串支路的个数, △t为导通重叠时间，Ts为开关周期。

采用上述方案后，本发明通过设置箝位电容，根据均流原理，箝位电容的存在决定了各支路的均流，且各LED串支路中，无论LED的数量是否相同，伏安特性是否一致，均可达到均流效果，便于集成、成本低、变换效率高。

附图说明

图1是本发明的较佳实施结构图；

图2 是DC-DC变换器控制的多路均流电路；

图3（a）是采用MOSFET作为调整管的均流电路，各串采用独立的闭环调节；

图3（b）是采用三极管作为镜像电流源的LED串均流电路；

图4是带有滤波电感的电容箝位型多串LED均流电路；

图5（a）是带有滤波电感的适用于3个相互并联的LED串支路的均流电路；

图5（b）是带有滤波电感的适用于4个相互并联的LED串支路的均流电路；

图6是各LED串支路均不含滤波电感的多路均流电路图；

图7（a）是各LED串支路均不含滤波电感、且n=3时的多路均流电路图；

图7（b）是各LED串支路均不含滤波电感、且n=4时的多路均流电路图；

图8 是部分支路不含滤波电感的多路均流电路图；

图9（a）是部分支路不含滤波电感、且n=3时的多路均流电路图；

图9（b）是部分支路不含滤波电感、且n=4时的多路均流电路图；

图10是不含滤波电感的均流电路，其中部分LED串为稳压管串或等效电压源支路串；

图11是含有3个并联的LED串支路的均流电路，各LED串中，LED的数量分别为3、4、5；

图12（a）-（c）分别是单向导通的可控开关；

图13（a）为单向导通的可控开关的驱动时序图，其无导通重叠时间；

图13（b）为单向导通的可控开关的驱动时序图，其含有导通重叠时间；

图14是各LED串均不含滤波电感，且LED只数分别为3、4、5时的3路并联的均流电路图；

图15是LED串中LED只数分别为3、4、5时的LED串的仿真波形；

图16是箝位电容连接在LED串之间的均流电路图；

图17是含有3个并联的LED支路的均流电路，其中，箝位电容连接在LED串之间；

图18是图7（a）中可控开关与LED串依次顺序连接的电路图；

图19是各负载支路中可控开关串联在两个LED串之间的多路均流电路图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例对本发明的电路结构及有益效果进行详细说明。

首先如图1所示，是本发明所提供的一种电容箝位型多串负载支路均流电路的典型结构，其可具有多个变型，以下将分别介绍。

如图6所示，是本发明所提供的电容箝位型多串负载支路均流电路的一个较佳实施例，其中的负载支路采用LED串支路，所述的均流电路包括恒流源、n（n为大于1的自然数）个相互并联的LED串支路和h个箝位电容，其中，每个LED串支路的组成部件和连接结构均相同，LED串支路E_i（i =1，2，3，……，n）又包含相互串联的LED串D_i和单向导通的可控开关S_i，其中，LED串D_i又是由mi个LED（发光二极管）依次顺序串联构成，且LED串D_i的阴极与可控开关S_i的阳极的连接点为A_i。定义E_j为与LED串支路E_i具有相同构成形式的另一LED串支路，且j不等于i。各个LED串支路相互并联后，其一端与恒流源的正极相连，另一端与恒流源的负极相连。

所述的箝位电容C_ij跨接在连接点A_i和连接点A_j之间，连接点A_i与A_i之外的所有(n-1)个连接点之间均可连接箝位电容。为保证各LED串的电流均衡，只要保证各个连接点至少与1只箝位电容连接即可，因此保证可实现均流的最少的箝位电容数量为(n-1)。作为特例，箝位电容只跨接在相邻LED串支路的连接点之间，即取j=i+1，此时箝位电容的数量为(n-1)。对于具有n个相互并联的LED串支路的LED驱动器而言，仅考虑连接在A_i和连接点A_j之间的箝位电容的不同连接方式，即可得到                                                

种实施方式。

由于所述的LED串由mi个发光二极管串联构成，因此本申请书将首个发光二极管的阳极定义为整个LED串的阳极，末个发光二极管的阴极定义为整个LED串的阴极。而对于单向导通的可控开关，有多种组合式结构，本申请书将单向导通的可控开关的主电流的输入端作为其阳极，将单向导通的可控开关的主电流的输出端作为其阴极。

作为特例，n=3和n=4时的多路均流电路图如图7（a）和图7（b）所示。以n=3为例，仅考虑连接在连接点A_i和连接点A_j之间的箝位电容的不同连接方式，参考图7（a），有4种实施方式，分别为：①含有C_12、C_23、C_13；②仅含有C_12、C_23；③仅含有C_12、C_13；④仅含有C_13、C_23。

再请参考图4所示，是本发明的第二较佳实施例，其与前述实施例的不同在于：LED串支路B_i由滤波电感L_i、mi个发光二极管串联构成的LED串D_i及单向导通的可控开关S_i依次串联构成，LED串D_i的阴极与单向导通的可控开关S_i的阳极的连接点为A_i。B_j为与LED串支路B_i具有相同构成形式的另一LED串支路。各个LED串支路相互并联后，其一端与恒流源的正极相连，另一端与恒流源的负极相连。

所述的箝位电容C_ij跨接在连接点A_i和连接点A_j之间，连接点A_i与A_i之外的所有(n-1)个连接点之间均可连接箝位电容。为保证各LED串的电流均衡，只要保证各个连接点至少与1只箝位电容连接即可，因此保证可实现均流的最少的箝位电容数量为(n-1)。作为特例，箝位电容只跨接在相邻LED串支路的连接点之间，即取j=i+1，此时箝位电容的数量为(n-1)。对于具有n个相互并联的LED串支路的LED驱动器而言，仅考虑连接在A_i和连接点A_j之间的箝位电容的不同连接方式，即可得到

种实施方式。由于LED串由mi个发光二极管串联构成，因此本申请书将首个发光二极管的阳极定义为整个LED串的阳极，末个发光二极管的阴极定义为整个LED串的阴极。而对于单向导通的可控开关，有多种组合式结构，本申请书将单向导通的可控开关的主电流的输入端作为其阳极，将单向导通的可控开关的主电流的输出端作为其阴极。

作为特例，n=3和n=4时的多路均流电路图如图5（a）和图5（b）所示。以n=3为例，仅考虑连接在连接点A_i和连接点A_j之间的箝位电容的不同连接方式，参考图5（a），有4种实施方式，分别为：①含有C_12、C_23、C_13；②仅含有C_12、C_23；③仅含有C_12、C_13；④仅含有C_13、C_23。

再请参考图8所示，是本发明所提供的第三较佳实施例，其与第二实施例的区别在于：部分LED串支路B_i仅由mi个发光二极管串联构成的LED串D_i及单向导通的可控开关S_i依次串联构成，并不包含滤波电感，其中，LED串D_i的阴极与单向导通的可控开关S_i的阳极的连接点为A_i；而其余包含滤波电感L_j的LED串支路B_j中，LED串D_j的阴极与单向导通的可控开关S_j的阳极的连接点为A_j。各个LED串支路相互并联后，其一端与恒流源的正极相连，另一端与恒流源的负极相连。

所述的箝位电容C_ij跨接在连接点A_ i和连接点A_j之间，连接点A_i与A_i之外的所有(n-1)个连接点之间均可连接箝位电容。为保证各LED串的电流均衡，只要保证各个连接点至少与1只箝位电容连接即可，因此保证可实现均流的最少的箝位电容数量为(n-1)。作为特例，箝位电容只跨接在相邻LED串支路的连接点之间，即取j=i+1，此时箝位电容的数量为(n-1)。对于具有n个相互并联的LED串支路的LED驱动器而言，仅考虑连接在A_i和连接点A_j之间的箝位电容的不同连接方式，即可得到

种实施方式。由于LED串由mi个发光二极管串联构成，因此本申请书将首个发光二极管的阳极定义为整个LED串的阳极，末个发光二极管的阴极定义为整个LED串的阴极。而对于单向导通的可控开关，有多种组合式结构，本申请书将单向导通的可控开关的主电流的输入端作为其阳极，将单向导通的可控开关的主电流的输出端作为其阴极。

作为特例，n=3和n=4时的多路均流电路图如图9（a）和图9（b）所示。以n=3为例，仅考虑连接在连接点A_i和连接点A_j之间的箝位电容的不同连接方式，参考图9（a），有4种实施方式，分别为：①含有C_12、C_23、C_13；②仅含有C_12、C_23；③仅含有C_12、C_13；④仅含有C_13、C_23。

参考图16，是本发明所提供的第四较佳实施例，与上述三种实施例的不同在于：n个LED串结构中，LED的数量分别为m1、m2、…、mi、…、mn，第i串发光二极管的阴极与阳极的第k个连接点为A_ik，第j串发光二极管的阴极与阳极的第t个连接点为A_jt；LED串D_i的阴极与单向导通的可控开关S_i的阳极的连接点为A_j；另一LED串D_j的阴极与单向导通的可控开关S_j的阳极的连接点为A_j。各个LED串支路相互并联后，其一端与恒流源的正极相连，另一端与恒流源的负极相连。箝位电容C_ij任意跨接在连接点A_ik或A_i和连接点A_jt或A_j之间。

为保证各LED串的电流均衡，只要保证各个连接点至少与1只箝位电容连接即可，因此保证可实现均流的最少的箝位电容数量为(n-1)。作为特例，箝位电容只跨接在相邻LED串支路的连接点之间，即取j=i+1，此时箝位电容的数量为(n-1)。作为特例，n=3，各路LED支数分别为5、4、4的多路均流电路图如图17所示。

需要说明的是，在前述四种较佳实施例中，负载是采用LED或结合滤波电感串联而成，本发明中的负载还可以采用至少一个稳压管串联、至少一个电压源串联，或者LED、稳压管、电压源中任意两种或三种的组合。组成每个LED串或稳压管串或等效电压源支路串的发光二极管或稳压管或等效电压源，其数量及输出伏安特性均可以不同。即本发明还可用于n个稳压管串的并联均流、n个等效电压源支路的并联均流。并且，n个LED串中，发光二极管的数量分别为m1、m2、…、mi、…、mn，其中m1、m2、…、mi、…、mn为自然数。

图10给出了不含滤波电感的均流电路，其中部分LED串为稳压管串或等效电压源支路串。作为特例，图11给出了含有3个并联的LED支路的均流电路，各LED串中，LED的数量分别为3、4、5。其中箝位电容仅考虑连接在A_i和连接点A_j之间的一种连接方式。

在前述所有较佳实施例中，所述的单向导通的可控开关，为具有单向导电性能的可控开关，图12列举了几种单向导通的可控开关的组成结构。其中图12（a）是二极管101的阴极与场效应管104的漏极串联的构成的复合结构；图12（b）是二极管102的阴极与三极管105的集电极串联的构成的复合结构；图12（c）为二极管103与三极管106的组合结构，且二极管的阳极与三极管基极相连，二极管的阴极与三极管的集电极相连。随着半导体技术的发展，该单向导电的可控开关更可以是其它新型的具有单向导电性能的可控开关，不以本实施例为限。

针对上述电路方案，其单向导通的可控开关的驱动采用移相控制方式，驱动信号的导通角依次错开的电角度为360°/n，导通占空比等于n的倒数，其中n为并联的LED串支路的个数。由于本发明的供电源为恒流源，因此，各可控开关的驱动信号之间不能有死区。但允许有导通重叠时间，即单向导通的可控开关的驱动信号的导通角依次错开的电角度为360°/n，导通占空比为(1/n)+(△t/Ts)，△t为导通重叠时间，Ts为开关周期。图13（a）和图13（b）分别给出了单向导通的可控开关的驱动时序图，其中图13（a）无导通重叠时间，图13（b）含有导通重叠时间。

综上，本发明根据电容的原理，利用其“隔直流、通交流”的特性，实现了各LED串的均流。为便于理解，不失一般性，在工作原理阐述中采用各支路均不含滤波电感的多路均流电路为例进行分析。

（一）理论分析

①当S_1导通时，对C_12、C_23进行充放电分析

②当S_2导通时，对C_12、C_23进行充放电分析

③当S_3导通时，对C_12、C_23进行充放电分析

由于在整个周期内C_12和C_23上的电压变化量为零，可得：

化简得

即：

（二）仿真分析

针对图11所示的各LED串数量不相等的均流电路进行仿真分析，恒流源的电流为1050mA，各串电流的仿真波形如图15所示。图11中，取C_12=C_13=C_23=3uF，S_1、S_2、S_3的开关周期为3μs，每个开关管的占空比为1/3。图14中I_D1、I_D2、I_D3分别为各串电流。由图15说明：即使各LED串中LED的数量不同，采用本发明的均流电路和控制方法，仍可达到各串均流，且各LED串中的开关纹波小（电流纹波的峰峰值小于14mA，小于4%）。

综上所述，由均流原理可见，箝位电容的存在决定了各支路的均流，是否存在滤波电感并不影响直流电流的均衡，因此，部分LED串支路可以省去滤波电感（如图8），当然也可将全部LED串支路均省去滤波电感（如图6所示）。并且，各LED串支路中，无论LED的数量是否相同，伏安特性是否一致，均可达到均流效果。因此，该电路可应用于相互并联的稳压二极管串、等效电压源支路串等的均流，相应的电路图如图10所示。

由电路的均流原理可见，箝位电容的稳态电压等于其所连接的两个支路的稳态电压差值，要保证达到均流效果，就要求在稳态工作时箝位电容的电压基本保持不变，因此，可控开关应具有单向导通的性能，以免箝位电容的能量被泄放掉。为便于理解，图12给出了单向导通的可控开关的实例。

需要说明的是，在前述实施例中，所有负载支路中均只包含一个负载单元，各负载单元均可以是至少一个LED、至少一个稳压管、至少一个电压源或前述任意两种或三种的组合串联，且负载单元与可控开关以电流方向顺序串联，本发明还可以具有其它变型，如图18所示，该各负载支路中也只包含一个负载单元，且恒流源的正极连接可控开关的阳极，而可控开关的阴极连接负载单元的一端，负载单元的另一端连接恒流源的阴极，此种结构中箝位电容的连接方式与前述实施例相同，其任意一端可以连接在负载支路中除两端点以外的任意位置。

图19所示则是各负载支路中包含两个负载单元的电路结构，且可控开关串联在两个负载单元之间，其中一个负载单元的一端连接恒流源的正极，另一个负载单元的一端连接恒流源的负极，箝位电容的连接方式也可有多种可能性，在此不再一一列举。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电容箝位型多串负载支路均流电路，其特征在于：包括恒流源和至少两个相互并联的负载支路，所述的各负载支路均包含相互串联的负载单元和一个单向导通的可控开关，且所述负载单元的数量为一个或两个，其中，所述负载支路的一端连接恒流源的正极，另一端连接恒流源的负极，且可控开关的阳极直接或间接与恒流源的正极连接，而可控开关的阴极直接或间接与恒流源的负极连接；

还包括至少一个箝位电容，所述箝位电容的数目至少为比负载支路的数目少一个，箝位电容的一端连接在任意一条负载支路上除该负载支路两端点之外的任意一点，另一端连接在其余任意一条负载支路上除该负载支路两端点之外的任意一点，并使得任意一条负载支路上至少与一个箝位电容连接。

2.如权利要求1所述的电容箝位型多串负载支路均流电路，其特征在于：所述各负载支路中负载单元的数量均为一个，且该负载单元的一端连接恒流源的正极，另一端连接可控开关的阳极，而可控开关的阴极与恒流源的负极连接。

3.如权利要求1所述的电容箝位型多串负载支路均流电路，其特征在于：所述负载单元为至少一个LED、至少一个稳压管、至少一个电压源或前述任意两种或三种的组合串联。

4.如权利要求1所述的电容箝位型多串负载支路均流电路，其特征在于：所述某负载支路中的负载单元为单个LED或至少两个LED依次顺序串联而成的LED串，且该负载支路中还另外包括一滤波电感，所述滤波电感串接在负载支路中的任意位置。

5.如权利要求1所述的电容箝位型多串负载支路均流电路，其特征在于：所述可控开关包含二极管和场效应管，且二极管的阴极与场效应管的漏极串联。

6.如权利要求1所述的电容箝位型多串负载支路均流电路，其特征在于：所述可控开关包含二极管和三极管，所述二极管的阳极与三极管的基极连接，二极管的阴极与三极管的集电极连接。

7.如权利要求1所述的电容箝位型多串负载支路均流电路，其特征在于：所述可控开关的驱动信号的导通角依次错开的电角度为360°/n，导通占空比等于n的倒数，其中n为并联的LED串支路的个数。

8.如权利要求1所述的电容箝位型多串负载支路均流电路，其特征在于：所述可控开关的驱动信号的导通角依次错开的电角度为360°/n，导通占空比为(1/n)+(△t/Ts)，其中n为并联的LED串支路的个数, △t为导通重叠时间，Ts为开关周期。

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