CN102570861B - 无电解电容的高功率因数led恒流驱动电源 - Google Patents

无电解电容的高功率因数led恒流驱动电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源,包括交流输入电源vin、桥式整流电路、主开关管、储能电容、续流二极管、辅助电路、变压器、整流电路及滤波电容。本发明主要技术特点是,采用反激变换器拓扑,工作在电流断续模式,自动实现功率因数校正,得到高输入功率因数,同时在主电路中加入储能电容,当输入功率pin高于输出功率Po时,多余的能量将存储于储能电容中;而当输入功率pin低于输出功率Po时,不足的能量将由储能电容提供,因此可实现对LED提供恒定工作电流。同时,由于储能电容上的电压脉动较大,需要的储能电容与滤波电容容值都很小,可以采用非电解电容的其它类型电容,如陶瓷电容等。

Description

无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源
技术领域
[0001] 本发明涉及一种无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源,属于电能变换装置 中的交流-直流变换器技术领域。
背景技术
[0002] 发光二极管(Light Emitting Diode, LED)以其节能、环保、高效、长寿命等诸多 优点,成为新一代的绿色照明光源。随着LED照明技术的日益成熟,它将被广泛应用于各 个领域,并成为照明光源的首选。制造高效率、高功率因数、长寿命的驱动电源是保证LED 发光品质及整体性能的关键。在市电输入的日常照明场合,常采用图1所示的驱动电源架 构,分为适配器和驱动器两部分。适配器的功能是实现输入功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)和交流-直流转换(AC/DC),为后级LED驱动器提供稳定电压。驱动器由 LED专门驱动芯片组成,为LED提供恒定的工作电流。两级式LED驱动电源可以较好的保证 LED的发光品质,但是存在器件多、体积大、寿命短等缺点。
[0003] 假设PFC变换器输入功率因数为1,则输入电流iin是与输入电压vin同相位的正 弦波,如图2所示。此时输入功率p in是正弦平方形式,要实现恒压输出,即Po恒定,需要采 用容值较大的电解电容实现输入、输出功率的平衡。电解电容的寿命与LED的工作寿命相 差甚远,因此电解电容成为影响LED驱动电源整体寿命的主要因素。而且,电解电容体积较 大,影响了驱动电源功率密度的进一步提高。为了去除LED驱动电源中的电解电容,目前主 要有两种方法,一是采用降低输入功率因数的方法,如专利申请号为200910027360. X中提 到的方法,在输入电流中注入适量的低次谐波以降低输出电流峰均比,此方法虽然可以降 低部分电解电容的容值,但存在有两个不足,一是降低了输入功率因数(降为〇. 9左右),二 是提供给LED的工作电流是脉动的,不是恒定电流,会产生频闪现象。另一种方法是输出脉 动电流的方法,如专利申请号为201010568595. 2中提到的方法,直接为LED提供与输入整 流后电压同相位的脉动电流,此方法虽然可以得到较高的功率因数,但LED的工作电流不 是恒流,会产生频闪现象。
发明内容
[0004] 发明目的:为了克服上述两级式LED驱动电源因使用电解电容而不能与LED的长 寿命相配的严重缺陷,本发明提供一种不使用电解电容、自动实现功率因数校正而得到高 输入功率因数的无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源。
[0005] 技术方案:一种无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源,其特征在于:包括交 流输入电源vin、桥式整流电路、主开关管、储能电容、续流二极管、辅助电路、变压器、整流电 路及滤波电容;
[0006] 其中所述桥式整流电路由第一二极管1^、第二二极管、第三二极管Dri和第 四二极管Drt组成;所述辅助电路由第二开关管Q2和第六二极管Da2串联组成;变压器由第 一原边绕组N pl、第二原边绕组Np2和副边绕组Ns组成,整流电路由第三开关管Q3和第七二 极管DK串联组成;
[0007] 所述变压器的第二原边绕组Np2的同名端与第一原边绕组Npl的异名端相连结,连 结点与桥式整流电路的正输出端以及储能电容的负端相连;第一原边绕组N pl的同名端与 主开关管的一端相连结,同时连结点经续流二极管与储能电容的正端相连;主开关管的另 一端与桥式整流电路的负输出端相连;储能电容的正端经辅助电路与第二原边绕组N p2的 异名端相连;变压器的副边绕组Ns的同名端经整流电路与滤波电容的正端相连,副边绕组 Ns的异名端与滤波电容的负端相连,滤波电容两端接LED负载。
[0008] 有益效果:与现有技术相比,本发明主要技术特点是,采用反激变换器拓扑,工作 在电流断续模式,自动实现功率因数校正,得到高输入功率因数,同时在主电路中加入储能 电容,当输入功率p in高于输出功率P。时,多余的能量将存储于储能电容中;而当输入功率 Pin低于输出功率P。时,不足的能量将由储能电容提供,因此可实现对LED提供恒定工作电 流。同时,由于储能电容上的电压脉动较大,需要的储能电容与滤波电容容值都很小,可以 采用非电解电容的其它类型电容,如陶瓷电容等。
附图说明
[0009] 图1是现有技术中LED驱动电源结构框图;
[0010] 图2是现有技术中PFC变换器中输入电压、输入电流、输入功率和输出功率波形 图;
[0011] 图3是本发明的无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源结构框图;
[0012] 图4是本发明的无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源主功率结构图;
[0013] 图5是本发明的无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源主要工作波形图;
[0014] 图6是本发明中当输入功率pin低于输出功率P。时开关时序波形;
[0015] 图7是本发明中当输入功率pin低于输出功率P。时等效电路示意图;
[0016] 图8是本发明中当输入功率pin高于输出功率P。时开关时序波形;
[0017] 图9是本发明中当输入功率pin高于输出功率P。时等效电路示意图;
[0018] 图10是本发明的工程样机在输入电压为110VAC时的输入电压vin、输入电流i in、 储能电容电压以及输出电流I。的实验波形;
[0019] 图11是本发明的工程样机在输入电压为220VAC时的输入电压vin、输入电流i in、 储能电容电压以及输出电流I。的实验波形;
[0020] 图12是本发明的工程样机在输入电压为110VAC时的输入电压vin、第二开关管Q 2 的门极驱动电压vgs(Q2)、第三开关管Q3的门极驱动电压vgs(Q3)以及输出电流I。的实验波形;
[0021] 图13是本发明的工程样机在输入电压为220VAC时的输入电压vin、第二开关管Q 2 的门极驱动电压vgs(Q2)、第三开关管q3的门极驱动电压vgs(Q3)以及输出电流I。的实验波形;
[0022] 图14是本发明的工程样机在pin < P。时的第一开关管%的门极驱动电压vgs(Q1)、 第二开关管Q2的门极驱动电压v gs(Q2)、变压器原边电流ip以及变压器副边电流iK的实验波 形;
[0023] 图15是本发明的工程样机在pin > P。时的第一开关管%的门极驱动电压vgs(Q1)、 第三开关管Q3的门极驱动电压v gs(Q3)、变压器原边电流ip以及变压器副边电流iK的实验波 形;
[0024] 图16是本发明的工程样机测得的功率因数随输入电压变化曲线。
[0025] 其中,vin、输入电压;iin、输入电流;Ca、储能电容;、储能电容电压;、储能电容 平均电压;V M min、储能电容最低电压;VM max、储能电容最高电压;T,、变压器;ip、变压器原边 输入电流、变压器副边输出电流;im、折算到N pl的变压器激磁电流;C。、输出滤波电容; I。、输出电流;V。、输出电压;pin、输入功率;P。、输出功率;TliM、输入电压周期;T S、开关周 期。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各 种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0027] 如图3-4所示,桥式整流电路1由第一二极管Drt、第二二极管、第三二极管比 3 和第四二极管Drt组成;辅助电路5由第二开关管Q2和第六二极管Da2串联组成;变压器6 由第一原边绕组N pl、第二原边绕组Np2和副边绕组Ns组成,整流电路7由第三开关管Q3和 第七二极管D K串联组成;
[0028] 变压器6的第二原边绕组Np2的同名端与第一原边绕组Npl的异名端相连结,连结 点与桥式整流电路1的正输出端以及储能电容3的负端相连;第一原边绕组N pl的同名端与 主开关管2的一端相连结,同时连结点经续流二极管4与储能电容3的正端相连;主开关管 2的另一端与桥式整流电路1的负输出端相连;储能电容3的正端经辅助电路5与第二原 边绕组N p2的异名端相连;变压器6的副边绕组Ns的同名端经整流电路7与滤波电容8的 正端相连,副边绕组N s的异名端与滤波电容8的负端相连,滤波电容8两端接LED负载。
[0029] 下面以图4为主电路结构,结合附图5〜9叙述本发明的具体工作原理。图5是 本发明的无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源主要工作波形图。由图4可以看出, 由输入整流桥、变压器6的原边绕组N P1、副边绕组Ns、开关管%、变压器6的副边整流电路 以及输出滤波电容C。可以组成一个反激式变换器(Flyback),经控制,第一开关管%在一 个工频周期内的占空比几乎保持不变,而反激式变换器被设计工作于电流断续模式(DCM), 自然可以获得很高的输入功率因数,实现功率因数较正功能。当输入功率P in低于输出功率 P。时,储能电容Ca释放能量以补充输入能量的不足,第三开关管Q3 -直处于开通状态,第二 开关管Q2用于控制为LED提供恒定工作电流,此时储能电容Ca上电压下降;当输入功率 Pin高于输出功率Ρ。时,多余的能量将存储于储能电容Ca中,储能电容Ca上电压上升, 此时第二开关管Q 2 -直处于关断状态,第三开关管Q3用于控制为LED提供恒定工作电流。 可见,Pin < P。与Pin > P。时的驱动电源工作原理是不一样的,下面对这两种情况的工作原 理分别加以说明。
[0030] 1 Pin < P。时驱动电源的工作原理
[0031] 由附图6可知,驱动电源在一个开关周期有4种开关模态,分别是[V tj、[tp t2]、[t2, t3]、[t3, t4],下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
[0032] (1)开关模态1 [tQ,tj [对应于图7 (a)]
[0033] h时刻之前,ip和im都为零,滤波电容C。向LED负载供电。在h时刻,第一开关 管%被开通,第一二极管和第四二极管Drt (或者第二二极管和第三二极管Dri)导 通,假设输入电压Vin在一个开关周期内保持不变,则激磁电流im从零开始线性增加,有
[0034]
Figure CN102570861BD00061
(1)
[0035] 其中U是变压器原边绕组Npl的自感。
[0036] (2)开关模态2 [心,t2][对应于图7 (b)]
[0037] 在&时刻关断第一开关管%并且开通第二开关管Q2。应当注意到当p in < P。时, 第三开关管Q3 -直处于开通状态,此时虽然第三开关管Q3处于开通状态,但并没有电流流 过。第二开关管Q2开通后,储能电容C a被放电,激磁电流im继续线性增加。假设储能电容 Ca电压在一个开关周期内保持不变,则有
[0038]
Figure CN102570861BD00062
[0039] 其中Di是第一开关管%的占空比。
[0040] (3)开关模态3 [t2, t3][对应于图7(c)]
[0041] 在t2时刻关断第二开关管Q2,储存在变压器中的能量经副边整流电路向滤波电容 C。释放,根据式(2),t2时刻的激磁电流乜为
[0042]
Figure CN102570861BD00063
[0043] 其中D2为第二开关管Q2的占空比。
[0044] im是折算到变压器原边绕组Npl的激磁电流,则折算到变压器副边绕组Ns的激磁 电流为i mNpl/Ns,变压器副边绕组Ns的的自感为/ Λ^,因此变压器副边电流iK为
[0045]
Figure CN102570861BD00064
[0046] 在t3时刻,iK降为零,t2到t 3的时间间隔为
[0047]
Figure CN102570861BD00065
[0048] (4)开关模态4 [t3, t4][对应于图7⑷]
[0049] 在这个开关模态中,变压器的原副边绕组都没有电流流过,变压器被磁复位。滤波 电容C。向LED负载供电。
[0050] 从上面分析可见,当pin < P。时,为了向LED负载提供恒定工作电流,输入不足的 能量将由储能电容Ca提供,由于第一开关管%的占空比在一个工频周期内几乎保持不变, 因此第二开关管Q 2的占空比将被调节,以保证向LED负载提供恒定工作电流。
[0051] 2 pin > P。时驱动电源的工作原理
[0052] 由图8可知,驱动电源在一个开关周期有4种开关模态,分别是[V tj、[tp t2]、 [t2, t3]、[t3, t4],下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
[0053] (1)开关模态1 [tQ,tj [对应于图9 (a)]
[0054] 和图7(a)的开关模态类似,第一开关管%被开通,第一二极管和第四二极管 Dri (或者第二二极管和第三二极管Dri)导通,输入电压vin使激磁电流im从零开始线性 增加。应当注意到当p in > P。时,第二开关管Q2 -直处于关断状态。
[0055] (2)开关模态2 [心,t2][对应于图9 (b)]
[0056] 在h时刻关断第一开关管%并且开通第三开关管Q3,则储存在变压器6中的能量 经副边整流电路向滤波电容C。释放,参考式(1)和式(4),变压器6副边电流1,为
Figure CN102570861BD00071
[0057]
[0058]
Figure CN102570861BD00072
[0059] 为了保证向LED负载提供恒定工作电流,在一个开关周期中向变压器6副边释放 的能量必须恒定,在t 2时刻关断第三开关管Q3,根据式(6),在t2时刻变压器6副边电流iK 为
[0060]
[0061] 其中D3为第三开关管Q3的占空比。
[0062] 为了保证反激式变换器6在这个开关模态中正常工作,储能电容电压的最低值 Vca _必须满足
[0063]
Figure CN102570861BD00073
[0064] (3)开关模态3 [t2, t3][对应于图9(c)]
[0065] 第三开关管仏被关断后,变压器中剩余的能量将通过变压器6第一原边绕组Npl和 续流二极管第五二极管Dal释放到储能电容Ca中,储能电容Ca被充电且激磁电流i m线性下 降,假设储能电容电压在一个开关周期内保持不变,则有
[0066]
Figure CN102570861BD00074
[0067] 在t时刻,激磁电流下降到零,t9到t的时间间隔为
[0068]
Figure CN102570861BD00075
[0069] (4)开关模态4 [t3, t4][对应于图9 (d)]
[0070] 在这个开关模态中,变压器6的原副边绕组都没有电流流过,变压器6被磁复位。 滤波电容C。向LED负载供电。
[0071] 从上面分析可见,当pin > P。时,为了向LED负载提供恒定工作电流,输入多余的 能量将由储能电容Ca吸收,由于第一开关管%的占空比在一个工频周期内几乎保持不变, 因此第三开关管Q 3的占空比将被调节,以保证向LED负载提供恒定工作电流。
[0072] 从上面分析可见,虽然在主电路中有三个开关管,但在一个开关周期中,只有两个 开关管处于开关状态,从而降低了开关损耗,提高了变换效率。
[0073] 具体实验验证
[0074] 下面对本发明的无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源进行实验验证。输入 电压v in的范围为110VAC〜220VAC,负载为15个CREE白光LED串联,每个LED的额定电 流为300mA,额定电压为3V,即LED驱动电源的输出电压约为45V,输出功率约为13. 5W。
[0075] 表1是本发明的电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源工程样机的主要设计参 数,从中可以看出,储能电容ca选择3yF/630V电容,输出滤波电压C。选择10yF/100V电 容,都可以选用非电解电容的其它电容。
[0076] 表1是本发明的无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源工程样机的主要设计 参数
[0077]
Figure CN102570861BD00081
[0078] 图10和图11是本发明的工程样机分别在输入电压为110VAC和220VAC时的输入 电压v in、输入电流iin、储能电容电压L以及输出电流I。的实验波形;
[0079] 图12和图13是本发明的工程样机分别在输入电压为110VAC和220VAC时的输入 电压vin、第二开关管Q2的门极驱动电压vgs(Q2)、第三开关管Q3的门极驱动电压v gs(Q3)以及 输出电流I。的实验波形;
[0080] 图14是本发明的工程样机在pin < P。时的第一开关管%的门极驱动电压vgs(Q1)、 第二开关管Q2的门极驱动电压v gs(Q2)、变压器原边电流ip以及变压器副边电流iK的实验波 形;
[0081] 图15是本发明的工程样机在pin > P。时的第一开关管Qi的门极驱动电压vgs(Q1)、 第三开关管Q3的门极驱动电压v gs(Q3)、变压器原边电流ip以及变压器副边电流iK的实验波 形;
[0082] 从图10到图15可以看出,实验结果与前面的理论分析保持一致,通过储能电容(; 对输入功率的调节,一方面可以去除电解电容的需要,另一方面还可以向LED负载提供恒 定工作电流,同时,输入电压v in与输入电流iin相位一致,可以获得很高的功率因数。
[0083] 图16是本发明的工程样机测得的功率因数随输入电压变化曲线,本发明的LED 驱动电源在保持了无电解电容以及提供恒定工作电流的特性外,还可以获得很高的功率因 数。

Claims (1)

1. 一种无电解电容的高功率因数LED恒流驱动电源,其特征在于:包括交流输入电源 vin、桥式整流电路(1)、主开关管(2)、储能电容(3)、续流二极管(4)、辅助电路(5)、变压器 (6)、整流电路(7)及滤波电容(8);所述主开关管⑵即为第一开关管仏;所述储能电容 (3)即为储能电容Ca;续流二极管(4)即为二极管Dal ; 其中所述桥式整流电路(1)由第一二极管、第二二极管、第三二极管1\3和第四二 极管Drt组成;所述辅助电路(5)由第二开关管Q2和第六二极管Da2串联组成;变压器(6) 由第一原边绕组N pl、第二原边绕组Np2和副边绕组Ns组成,整流电路(7)由第三开关管Q 3 和第七二极管DK串联组成; 所述变压器(6)的第二原边绕组Np2的同名端与第一原边绕组NP1的异名端相连结,连 结点与桥式整流电路(1)的正输出端以及储能电容(3)的负端相连;第一原边绕组NP1的同 名端与主开关管(2)的一端相连结,同时连结点经续流二极管(4)与储能电容(3)的正端 相连;主开关管(2)的另一端与桥式整流电路(1)的负输出端相连;储能电容(3)的正端 经辅助电路(5)与第二原边绕组N p2的异名端相连;变压器(6)的副边绕组Ns的同名端经 整流电路(7)与滤波电容⑶的正端相连,副边绕组N s的异名端与滤波电容⑶的负端相 连,滤波电容(8)两端接LED负载;当输入功率pin低于输出功率P。时,第一开关管%的占 空比在一个工频周期内几乎保持不变,第三开关管Q 3 -直处于开通状态,第二开关管Q2用 于控制为LED提供恒定工作电流,此时储能电容Ca上电压下降,储能电容C a释放能量以 补充输入能量的不足,从而实现输出恒流驱动;当输入功率Pin高于输出功率P。时,此时第 二开关管Q 2 -直处于关断状态,第一开关管Qi的占空比在一个工频周期内几乎保持不变, 第三开关管Q3用于控制为LED提供恒定工作电流;多余的能量将通过二极管D al存储于储 能电容Ca中,储能电容Ca上电压上升,从而实现输出恒流驱动。
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