CN102510610B - 一种单级ac-dc大功率led照明驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单级AC/DC大功率LED照明的驱动器设计，本发明将无桥Boost拓扑的PFC电路和半桥谐振LLC电路有机结合，通过共用功率开关管和小容值电容器件，实现了输出脉冲电流驱动LED照明、功率开关管的软开通、电网输入电流的高功率因数和低谐波的功能，同时减少了功率器件数量，降低了驱动器的成本，提高了驱动器的可靠性。本发明的开关管工作在高频率、固定占空比条件下，控制电路简单。本发明取消了传统PFC电路直流侧的大容值电解电容，所设计电路中的电容同时也作为LLC半桥谐振电路的谐振电容使用，避免了电解电容对LED长寿命的不利影响。本发明输出低频率的脉冲电流驱动LED灯，适于普通照明领域中应用。
Description
技术领域
本发明属于一种大功率LED照明驱动器，尤其是一种单级AC/DC大功率LED照明驱动电路。
背景技术
LED作为继白炽灯、荧光灯之后的新型发光光源，具有发光效率高、环保、长寿命等诸多优点，在照明领域中显示出巨大的应用潜力，其应用也随着LED技术的不断发展而日益广泛。为LED光源提供高效、可靠、低成本的驱动则是其前述优点充分发挥的重要前提，因此设计出性能优良的LED驱动器是LED照明应用的一个重要环节。目前，交流市电供电的LED照明是其主流应用领域之一。为达到高功率因数的要求以及驱动稳定的效果，通常交流供电的LED驱动器包含PFC和DC/DC两级电路。这种AC/DC结构使用的器件多、体积大、费用较高，此外，其PFC电路中电解电容的可靠性易受温升影响，也常使驱动器的寿命低于LED光源的技术寿命，不利于LED光源在路灯等普通照明中的推广。设计单级结构的AC/DC LED照明驱动器可以降低成本，有利于LED照明的应用。为进一步提高驱动器的性能、寿命以及降低成本，本发明提出了一种基于谐振原理的单级AC/DC LED照明驱动器的新设计。
发明内容
本发明解决的技术问题是：构建一种新拓扑结构的单级AC/DC大功率LED照明驱动电路，克服现有技术LED驱动电路器件多、成本高、寿命短的技术问题。
本发明的技术方案是：构建一种新结构的单级AC/DC大功率LED照明驱动电路，包括进行功率因数校正的功率因数校正电路、进行直流变换的直流变换电路，所述功率因数校正电路为无桥Boost拓扑电路，所述直流变换电路为LLC半桥谐振电路。所述无桥Boost拓扑电路包括电感L、二极管Dr1和Dr2、功率开关管S1和S2、电容C1和C2，所述LLC半桥谐振电路包括谐振电感Lr、变压器T、开关管S1和S2，电容C1和C2。所述无桥Boost拓扑电路和所述LLC半桥谐振电路共用所述开关管S1和S2、所述电容C1和C2。此外，所述功率开关管S1、S2分别具有反向并联二极管D1、D2，D1、D2可由功率开关管S1、S2体内寄生二极管或外配二极管而形成。所述谐振电感Lr也可由变压器T的漏感来构成。
本发明的进一步技术方案是：所述无桥Boost拓扑PFC（Power Factor Correction，功率因数校正，简称“PFC”）电路中，所述二极管Dr1和Dr2串联，所述二极管Dr1和Dr2串联后与所述串联后的电容C1和C2并联，所述功率开关管S1和S2串联后也与所述串联后的电容C1和C2并联。所述电感L一端接在所述二极管Dr1的阳极，所述电感L另一端接在单相电网AC的一端，所述单相电网AC的另一端接在所述功率开关管S1的源极。所述二极管Dr1的阴极连接所述功率开关管S1的漏极和所述电容C1的一端，所述二极管Dr2的阳极连接所述功率开关管S2的源极和所述电容C2的一端。
本发明的进一步技术方案是：所述LLC半桥谐振电路中，所述谐振电感Lr一端连接所述变压器T的原边，另一端连接所述电容C1和C2串联的中间节点。所述变压器T原边的另一端连接所述 功率开关管S1和功率开关管S2串联的中间节点。所述变压器T副边为中心抽头结构，中心抽头为输出直流的负极，所述变压器副边的其余两个端子分别连接至二极管Do1、Do2的阳极。所述二极管Do1、Do2的阴极连接在一起，并连接所述电容Co的一端，该端也为输出直流的正极。Co的另一端连接所述变压器T副边的中心抽头。输出直流的正负极即为LED灯的连接端。
本发明的进一步技术方案是：所述电感L工作在电流断续模式（DCM）下。
本发明的进一步技术方案是：在所述LLC半桥谐振电路中，开关管S1和S2工作在占空比为50%、两管高频（几十kHz至几百kHz）交替导通的状态下。
本发明的进一步技术方案是：所述功率因数校正电路采用开环控制，开关管工作在高频开关下。
本发明的技术效果是：构建了一种新结构的单级AC/DC大功率LED照明驱动器，本发明将无桥Boost拓扑的PFC电路和LLC半桥谐振电路有机结合起来，实现了输出脉冲电流驱动LED、功率开关管的软开通、电网输入电流的高功率因数和低谐波的功能。本发明通过共用开关管和电容器件，减少了器件数量，降低了驱动器的成本。本发明取消了传统PFC直流侧的大容值电解电容，驱动器中的电容C1、C2容值小，且同时起到LLC谐振电路的谐振电容和PFC母线电容作用，避免了电解电容对LED寿命的不利影响。本发明的开关管工作在高开关频率以及软开通情况下，效率高，控制电路也简单。本发明实现输出低频脉冲电流驱动LED照明，可以在普通照明领域中应用。
附图说明
图1为本发明的主电路原理图。
图2为本发明的开关管驱动信号及关键电流的时序波形图。
图3为本发明的一种开环控制的实现电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明的具体实施方式之一是：构建一种单级AC/DC大功率LED驱动电路，包括进行功率因数校正的功率因数校正电路、进行直流变换的直流变换电路、驱动器的控制电路。所述功率因数校正电路为无桥Boost拓扑电路，所述直流变换电路为LLC半桥谐振电路，所述无桥Boost拓扑电路包括电感L、二极管Dr1和Dr2、功率开关管S1和S2、电容C1和C2，所述LLC半桥谐振电路包括谐振电感Lr、变压器T、开关管S1和S2，电容C1和C2。所述无桥Boost PFC电路和所述LLC半桥谐振电路共用所述开关管S1和S2、所述的无极性小容值的电容C1和C2。所述功率开关管S1、S2具有由其体内寄生二极管或外配二极管而形成的反向并联二极管D1、D2。所述驱动器的控制电路形成占空比为50%、相位差180°的高频率（几十kHz至几百kHz）方波控制脉冲，送至功率开关管S1、S2的门极。
如图1所示，本发明的进一步实施如下：所述无桥Boost拓扑PFC电路中，所述二极管Dr1和Dr2串联，所述二极管Dr1和Dr2串联后与所述串联后的电容C1和C2并联，所述功率开关管S1和S2串联后也与所述串联后的电容C1和C2并联。所述电感L一端接在所述二极管Dr1的阳极，所述电感L另一端接在单相电网AC的一端，所述单相电网AC的另一端接在所述功率开关管S1的源极。所述二极管Dr1的阴极连接所述功率开关管S1的漏极和所述电容C1的一端，所述二极管Dr2的阳极连接所述功率开关管S2的源极和所述电容C2的一端。
本发明的进一步技术方案是：所述LLC半桥谐振电路中，所述谐振电感Lr一端连接所述变压器T的原边，另一端连接所述电容C1和C2串联的中间节点。所述变压器T原边的另一端连接所述 功率开关管S1和功率开关管S2串联的中间节点。所述变压器T副边为中心抽头结构，中心抽头为输出直流的负极，所述变压器副边的其余两个端子分别连接至二极管Do1、Do2的阳极。所述二极管Do1、Do2的阴极连接在一起，并连接所述电容Co的一端，该端也为输出直流的正极。Co的另一端连接所述变压器T副边的中心抽头。输出直流的正负极即为LED灯的连接端。
如图1所示，本发明的具体工作过程如下：输入交流市电经无桥Boost电路的进行工频整流和功率因数校正，同时电容C1和C2上预稳压的直流输入LLC半桥谐振电路，再经过变换后即输出低频脉动电流，驱动LED灯。具体来讲，控制电路产生高频率（几十kHz至几百kHz）、占空比接近50%的两路交错的方波脉冲，并分别送给功率开关管S1和S2。通过合理设计电感L的值，可使其工作在电流断续模式。由于功率开关管S1和S2交替导通，该无桥Boost PFC电路在电网电压处于正半周期时，S1、D2作为Boost转换电路的功率开关工作；当电网电压为负半周期时，S2、D1作为Boost转换电路的功率开关。这样可使电感L的电流峰值跟随输入电压的波形而变化，从而取得输入电流的高功率因数（PF）和低谐波畸变（THD）。电感L的能量继而传送给电容C1、C2，由于电容C1、C2容值相对小些，其两端电压即呈现出较大幅值波动，波动的频率为2倍电网频率。功率开关管S1和S2同时也决定着LLC半桥谐振电路的工作。实际上，开关管S1和S2的工作方式与普通LLC谐振电路一样，因而本电路中LLC电路的工作原理与普通半桥LLC电路也相似，仅是本LLC的输入直流电压因母线电容值小而存在较大波动，其输出电压也相应波动而已。所以本电路最终输出为2倍电网频率的脉动电压，该脉动电压即形成脉动电流送给LED灯发光。图2具体示出了控制电路产生的驱动信号及电感L电流iL、谐振电流ir的时序波形。
如图3所示，其为本发明的一种具体的简单开环控制的实施方式，具体实施如下：图3的主电路与图1的主电路完全相同，其基本构成、工作过程也与图1电路相同，主要区别在于具体示出了LED驱动器的控制电路的一个实现电路。故下面主要介绍该控制电路的构成、具体实施方式和工作过程。
所述的控制电路以IR2153芯片为核心，由其产生占空比50%、相位差180°的高频率方波控制脉冲，并送至功率开关管S1、S2的门极。所述控制电路的具体构成包括所述电阻R1、所述稳压二极管VD、所述电容Cv1和Cv2、所述集成电路芯片IR2153、所述电阻RT、所述电容CT、所述二极管Ds、所述电容Cs、所述电阻Rs1和Rs2。所述稳压二极管VD与所述电容Cv1、所述电容Cv2并联连接，所述稳压二极管VD阴极与所述电阻R1的一端串联连接，所述电阻R1与稳压二极管VD阴极的串联支路与主电路二极管Dr1和Dr2串联支路并联连接，所述稳压二极管VD的阳极连接至所述二极管Dr2的阳极，所述稳压二极管VD的阴极连接至所述芯片IR2153的VCC端子。所述电阻RT与所述电容CT串联连接，所述电阻RT的另一端连接至所述芯片IR2153的RT端子，所述电容CT的另一端连接至所述二极管Dr2的阳极。所述二极管Ds阳极连接所述芯片IR2153的VCC端子。所述电容Cs的一端连接所述芯片IR2153的VB端子，所述电容Cs的另一端连接所述芯片IR2153的VS端子。所述电阻Rs1的一端连接所述功率开关管S1的门极，所述电阻Rs1的另一端连接所述芯片IR2153的HO端子。所述电阻Rs2的一端连接所述功率开关管S2的门极，所述电阻Rs1的另一端连接所述芯片IR2153的LO端子。所述芯片IR2153的COM端子连接至所述二极管Dr2的阳极。
所述的控制电路的具体工作过程如下：输入交流市电经无桥Boost PFC电路进行工频整流后，产生初步稳定的直流电压。该电压经所述电阻R1分压后，经所述稳压二极管VD和所述电容C1和C2进行细致稳压，产生12V稳定直流电压，该稳定的电压经所述芯片IR2153的电源端子VCC为控制电路供电。所述串联的电阻RT和电容CT构成振荡电路，使所述芯片IR2153产生（几十kHz至几百kHz）高频方波信号。所述芯片IR2153即在HO端子和LO端子产生两路占空比为50%、相位差180°的高频率（几十kHz至几百kHz）方波脉冲，这两路方波脉冲分别通过所述电阻Rs1、所述电阻Rs2送至开关管S1和S2，使其高频交替工作。这样所述控制电路即使整个LED驱动电器工作起来。
本发明与现有技术的LED驱动器相比，将PFC电路和DC/DC转换电路进行有机结合，形成了新的单级结构，减少了电路器件数量，避免了电解电容的使用，并利用开环控制使功率开关管工作在高频开关下，实现了输入电流高功率因数、输出低频脉冲电流驱动LED等功能，具有电路简单、成本低等优点，为普通LED照明的广泛应用提供了技术支持。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1. 一种单级AC/DC大功率LED驱动电路，其特征在于，包括进行功率因数校正的功率因数校正电路、进行直流变换的直流变换电路，所述功率因数校正电路为无桥Boost拓扑电路，所述直流变换电路为LLC半桥谐振电路，所述无桥Boost拓扑电路包括电感L、二极管Dr1和Dr2、功率开关管S1和S2、电容C1和C2，所述LLC半桥谐振电路包括谐振电感Lr、变压器T、开关管S1和S2，电容C1和C2，所述无桥Boost拓扑电路和所述LLC半桥谐振电路共用所述开关管S1和S2、所述电容C1和C2；所述无桥Boost拓扑电路中，所述二极管Dr1和Dr2串联，所述二极管Dr1和Dr2串联后与所述串联后的电容C1和C2并联，所述功率开关管S1和S2串联后也与所述串联后的电容C1和C2并联，所述电感L一端接在所述二极管Dr1的阳极，所述电感L另一端接在单相电网AC的一端，所述单相电网AC的另一端接在所述功率开关管S1的源极，所述二极管Dr1的阴极连接所述功率开关管S1的漏极和所述电容C1的一端，所述二极管Dr2的阳极连接所述功率开关管S2的源极和所述电容C2的一端；所述LLC半桥谐振电路中，所述谐振电感Lr一端连接所述变压器T的原边，另一端连接所述电容C1和C2串联的中间节点，所述变压器T原边的另一端连接所述功率开关管S1和功率开关管S2串联的中间节点，所述变压器T副边为中心抽头结构，所述中心抽头为输出直流的负极，所述变压器副边的其余两个端子分别连接至二极管Do1、Do2的阳极，所述二极管Do1、Do2的阴极连接在一起，并连接所述电容Co的一端，该端也为输出直流的正极，Co的另一端连接所述变压器T副边的中心抽头，输出直流的正负极即为LED灯的连接端。
2.根据权利要求1所述单级AC/DC大功率LED驱动电路，其特征在于，在所述LED驱动电路中，开关管S1和S2工作在占空比为50%、相位差180°的高频率方波脉冲控制下交替工作。
3.根据权利要求1所述单级AC/DC大功率LED驱动电路，其特征在于，所述电感L工作在电流断续模式下（DCM），以取得高功率因数。
4.根据权利要求1所述单级AC/DC大功率LED驱动电路，其特征在于，所述电容C1、C2参与LLC电路的谐振工作，同时为PFC电路直流母线预稳压作用。
5.根据权利要求1所述单级AC/DC大功率LED驱动电路，其特征在于，所述LLC半桥谐振电路中的谐振电感Lr可为单独电感器，也可由所述变压器T的漏感来实现。
6.根据权利要求1所述单级AC/DC大功率LED驱动电路，其特征在于，所述LED驱动器输出两倍电网频率的脉冲电流，驱动负载LED发光。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20120620 Assignee: SHANGHAI GUIDE LIGHTING ENGINEERING CORPORATION Assignor: Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School Contract record no.: 2014310000138 Denomination of invention: Single-stage AC-DC (alternating current-direct current) high-power LED (light-emitting diode) lighting drive circuit Granted publication date: 20140402 License type: Exclusive License Record date: 20140730 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140402 Termination date: 20201021 |