CN103917017A

CN103917017A - 一种单级式无电解电容ac/dc led恒流驱动电源

Info

Publication number: CN103917017A
Application number: CN201410084921.0A
Authority: CN
Inventors: 汪飞; 钟元旭; 程超; 阮毅; 刘璐
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: CN103917017B

Abstract

本发明公开了一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，包括交流输入电源、桥式整流电路、主开关管、反激变压器、储能电容、整流电路、续流二极管、辅助电路以及滤波电容。所述桥式整流电路依次接主开关管、反激变压器、储能电容、整流电路、续流二极管、辅助电路、及滤波电容。本发明有如下特点和优点：1）反激变压器的副边侧加入储能电容，平衡输入功率p_in和输出功率P_o的功率脉动；2）为减小储能电容容值，储能电容电压设计为含较大脉动纹波电压形式，因而可以使用小容值非电解电容(如薄膜电容等)作为储能电容；3）辅助电路和第二开关管Q₂在不同输入功率条件下实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。

Description

一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电路，属于交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)变换器领域。

背景技术

高亮度发光二极管(High-brightness light-emitting diodes ,HB LEDs)具有光效高、寿命长、体积小、可靠性高、动态响应快、节能环保、易调光、电磁干扰低等优点。近年来LED关键技术取得重大突破，LED照明光源有望成为继第一代以白炽灯为代表的热辐射电光源、第二代以荧光灯为代表的低压气体放电电光源、第三代以高压钠灯为代表的高压气体放电电光源之后的第四代高效光源。目前LED照明已应用于城市景观照明、液晶屏幕显示、应急照明、路灯照明、普通照明、医疗和交通等领域。

由于LED具有独特的光—电—热特性，对驱动电源也提出了较严格的要求。为保证LED发光品质及整体性能，促进LED照明发展，开发效率高、成本低、体积小、寿命长、可靠性高、性能优良的驱动电源是关键。

传统的不同功率AC/DC LED驱动电源按拓扑结构形式可分为：单级拓扑、两级拓扑和多级拓扑，如图1、图2、图3所示。级联式的两级拓扑、多级拓扑结构中输入功率需要经过两级或者多级的能量变换装置才能到达LED负载，整机效率低，器件多、体积大、寿命短等缺点。而且，无论是哪一种拓扑结构形式的LED驱动电源，在交流供电场合，为了达到高功率因数(power factor，PF)，满足标准IEC61000-3-2的谐波要求，LED驱动电源都需要进行功率因数校正。当功率因数为1时，输入电流与输入电压为相同频率、相同相位的正弦波，其输入功率呈现两倍输入频率的脉动形式，而LED的输出功率为恒定功率，因此通常会选用容量较大的电解电容作为储能电容来匹配瞬时输入功率和输出功率的不平衡。高质量电解电容在额定温度105o C下，使用寿命一般在10 kh左右，远低于LED发光芯片80~100 kh的长寿命，所以电解电容是影响LED照明光源整体寿命的主要元件。

发明内容

发明目的在于克服两级拓扑、多级拓扑结构AC/DC LED驱动电源整机效率低，器件多、体积大等缺点，和克服因使用电解电容而降低LED照明光源整体寿命的不足，提供一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源。具有效率高、输入功率因素高、体积小、寿命长、可靠性高、驱动性能优良的特点。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，包括：桥式整流电路、主开关管、反激变压器、储能电容、整流电路、续流二极管、辅助电路、及滤波电容；其特征在于：桥式整流电路依次连接主开关管、反激变压器、储能电容、整流电路、续流二极管、辅助电路、及滤波电容。

所述桥式整流电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成；所述第一二极管的阳极连接所述第三二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接所述第四二极管的阴极，所述第一二极管与所述第二二极管的阴极对接，所述第三二极管与所述第四二极管的阳极对接；所述反激变压器由原边绕组和副边绕组组成，所述原边绕组的同名端和所述第一二极管和第二二极管的阴极连接，所述原边绕组的异名端与所述主开关管的漏极连接，主开关管的源极与所述第三二极管和第四二极管的阴极连接。

所述辅助电路由第三开关管、第六二极管和电感构成，所述第三开关管的源极与所述第六二极管的阴极，以及电感的一端相连，所述第六二极管的阳极与所述副边绕组的同名端、所述储能电容的负端、以及滤波电容的负端连接，所述电感的另一端与滤波电容的正端连接，所述第三开关管的漏极与所述续流二极管的阴极以及所述储能电容的正极连接；

所述整流电路包括第五二极管和第二开关管，所述第五二极管的阴极与第二开关管的漏极连接，其中间抽头与所述续流二极管的阳极连接，所述第二开关管的源极与滤波电容的正端连接，所述第五二极管的阳极与所述副边绕组的异名端连接。

所述由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成的桥式整流电路实现交流/直流变换。

所述反激变压器和主开关管共同作用实现输入功率因数校正和调节储能电容的电压。

所述储能电容匹配瞬时输入功率和输出功率的不平衡，并且储能电容的电压设计为含较大纹波的形式，其容值较小。

所述整流电路在输入功率大于输出功率(p _in >P _O)条件下实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。

所述续流二极管为储能电容提供能量储存通道。

所述辅助电路在输入功率小于输出功率(p _in <P _O)条件下实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。

所述滤波电容可以滤除输出电压纹波。

与现有技术相比，本发明主要技术特点和优点是：单级式LED驱动电源体积小、效率高；反激变压器工作在电流断续模式，自动实现功率因数校正，可以获得较高输入功率因数；辅助电路和第二开关管在不同输入功率条件可以实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流；储能电容的电压设计为含较大纹波的形式，这样就可以减小储能电容的容值，因而可以使用非电解电容的小容值作为储能电容。

附图说明

图1为传统的单级AC/DC LED驱动电源原理框图。

图2为两级AC/DC LED驱动电源原理框图。

图3为多级AC/DC LED驱动电源原理框图。

图4为本发明的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源原理框图。

图5为本发明的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源主电路实现结构图。

图6为本发明的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源主要工作波形图。

图7为本发明主电路不同输入功率条件下开关管逻辑序列。

图8为本发明中当输入功率p _in小于输出功率P _o时等效电路图。

图9为本发明中当输入功率p _in大于输出功率P _o时等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例一：如图4所示为发明的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源。在主电路中加入储能电容，该储能电容在不同输入功率条件可以实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。

实施案例二：如图5所示为本发明的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源的主电路。包括交流输入电源v _in、桥式整流电路(1)、主开关管(2)、反激变压器(3)、储能电容(4)、整流电路(5)、续流二极管(6)、辅助电路(7)、及滤波电容(8)；所述的桥式整流电路(1)依次接主开关管(2)、反激变压器(3)、储能电容(4)、整流电路(5)、续流二极管(6)、辅助电路(7)、及滤波电容(8)。其特别之处如下：

所述桥式整流电路(1)由第一二极管(D _r1)、第二二极管(D _r2)、第三二极管(D _r3)和第四二极管(D _r4)组成；所述第一二极管(D _r1)的阳极连接所述第三二极管(D _r3)的阴极，所述第二二极管(D _r2)的阳极连接所述第四二极管(D _r4)的阴极，所述第一二极管(D _r1)与所述第二二极管(D _r2)的阴极对接，所述第三二极管(D _r3)与所述第四二极管(D _r4)的阳极对接。所述反激变压器(3)由原边绕组N _p和副边绕组N _s组成，所述原边绕组N _p的同名端和所述第一二极管(D _r1)和第二二极管(D _r2)的阴极连接，所述原边绕组N _p的异名端与所述主开关管(2)的漏极连接，主开关管(2)的源极与所述第三二极管(D _r3)和第四二极管(D _r4)的阴极连接。

其特征在于：

所述辅助电路(7)由第三开关管(Q ₃)、第六二极管(D _a2)和电感(L _a)构成，所述第三开关管(Q ₃)的源极与所述第六二极管(D _a2)的阴极，以及电感(L _a)的一端相连，所述第六二极管(D _a2)的阳极与所述副边绕组N _s的同名端、所述储能电容(4)的负端、以及滤波电容(8)的负端连接，所述电感(L _a)的另一端与滤波电容(8)的正端连接，所述第三开关管(Q ₃)的漏极与所述续流二极管(6)的阴极以及所述储能电容(4)的正极连接；

所述整流电路(5)包括第五二极管(D _R)和第二开关管(Q ₂)，所述第五二极管(D _R)的阴极与第二开关管(Q ₂)的漏极连接，其中间抽头与所述续流二极管(6)的阳极连接，所述第二开关管（Q ₂）的源极与滤波电容(8)的正端连接，所述第五二极管(D _R)的阳极与所述副边绕组N _s的异名端连接。

下面以图5为本实施案例一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源的主电路，结合附图6—9叙述本发明的具体工作原理，设计原理：

图6为本文所提出的AC/DC无电解电容LED驱动电源的主要工作波形。为了达到较高的功率因素，反激变换器设计为工作在电流断续状态模(discontinuous current mode, DCM)，自动实现功率因数校正，得到高输入功率因数，并且开关管Q ₁的占空比在一个工频周期内基本保持不变。为了匹配瞬时输入功率和输出功率的不平衡同时，在反激变换器的副边测加入储能电容C _a。在一个工频周期内,当输入功率p _in小于输出功率P _o时，Q ₂一直开通，控制Q ₃的开关状态可以实现为LED负载提供恒定工作电流。此时，储能电容C _a释放能量至输出负载以补偿输出功率与输入功率的能量差，所以储能电容上的电压v _ca下降；当输入功率p _in大于输出功率P _o时，Q ₃一直关断，控制Q ₂的开关状态可以实现为LED负载提供恒定工作电流。此时剩余的能量储存在电容C _a上，所以储能电容上的电压v _ca上升。由此可见，该驱动电源在p _in <P _o的工作状态和在p _in >P _o的工作状态是截然不同的。图7为在不同输入功率条件下开关管逻辑序列，图7(a)：p _in <P _o;图7(b)：p _in >P _o。其中i _m为折算到原边线圈N _p的励磁电流。

1.不同输入功率条件下的工作原理分析

1.1 当p _in <P _o时工作原理分析

图7(a)为p _in <P _o条件下开关管的逻辑序列，此时共有五个不同的工作模态，其相应的等效电路如图8所示。

1）工作模态1，[t ₀ ,t ₁ ]：其等效工作电路如图8(a)所示。t ₀时刻之前，励磁电流i _m为零，滤波电容C _o向LED负载供电。在t ₀时刻，开关管Q ₁，在p _in <P _o功率条件下开关管Q ₂一直开通，二极管D _r1和D _r4(或者二极管D _r2和D _r3)导通，假设输入电压v _in在一个开关周期内保持不变，则励磁电流i _m从零开始线性增加，则有：

（1）

式中L _P为原边线圈N _p的自感。

2）工作模态2，[t ₁ ,t ₂ ]：其等效工作电路如图8(b)所示，在t ₁时刻开关管Q ₁关断，储存在变压器中的能量向滤波电容C _o释放，根据式(1)，t ₁时刻的励磁电流i _m为：

（2）

式中D ₁和T _s是开关管Q ₁的占空比和开关周期。

所以，在t ₁时刻开关管Q ₁关断后，变压器副边电流i _s可以表示为：

（3）

在t ₂时刻副边电流i _s下降为零，t ₁和t ₂的时间间隔为：

（4）

3）工作模态3，[t ₂ ,t ₃ ]：其等效工作电路如图8(c)所示，开关管Q ₃开通，储能电容C _a释放能量，电感L _a电流i _La线性上升。假设储能电容C _a电压v _ca在一个开关周期内保持不变，则有：

（5）

4）工作模态4，[t ₃ ,t ₄ ]：其等效工作电路如图8(d)所示，开关管Q ₃在t ₃时刻关断，所以在t ₃时刻电感L _a电流i _La可以表示为：

（6）

式中D ₃是开关管Q ₃的占空比。

所以，开关管Q ₃在t ₃时刻关断后，电感L _a电流i _La可以为：

（7）

在t ₄时刻，电感L _a电流i _La下降为零。

5）工作模态5，[t ₄ ,t ₅ ]：其等效工作电路如图8(e)所示，在这个开关模态中，变压器的原、副边线圈和电感L _a都没有电流流过，变压器被磁复位，电感L _a工作在断续状态。滤波电容C _o向LED负载供电。

在p _in <P _o功率条件下，为了使输出电流恒定从而保证输出功率恒定，需要储能电容C _a向LED负载提供能量。因为开关管Q ₁的占空比保持不变，所以应该调节控制储能电容释放能量大小的开关管Q ₃的占空比，以实现恒定电流输出。

1.2 当p _in >P _o时工作模态分析

图7(b)为p _in >P _o条件下开关管的逻辑序列，此时共有四个不同的工作模态，其相应的等效电路如图9所示。

1）工作模态1，[t ₀ ,t ₁ ]：其等效工作电路如图9(a)所示，与图4(a)类似。t ₀时刻之前，励磁电流i _m为零，滤波电容C _o向LED负载供电。在t ₀时刻，开关管Q ₁开通，在p _in >P _o功率条件下开关管Q ₃一直是截止状态，二极管D _r1和D _r4(或者二极管D _r2和D _r3)导通，励磁电流i _m从零开始线性增加。

2）工作模态2，[t ₁ ,t ₂ ]：其等效工作电路如图9(b)所示。在t ₁时刻开关管Q ₁关断，Q ₂开通，储存在变压器中的能量通过副边线圈向负载释放。变压器副边线圈的电流可以表示为：

（8）

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副边释放的能量必须恒定，在t ₂时刻关断开关管Q ₂，根据式(6)，在t ₂时刻变压器副边电流为：

(9)

式中D ₂是开关管Q ₂的占空比。

为了保证反激式变换器在这个开关模态中正常工作，储能电容电压的最低值V _{ca_min}必须满足：

（10）

3）工作模态3，[t ₂ ,t ₃ ]：其等效工作电路如图9(c)所示。开关管Q ₂关断后，变压器中剩余的能量将通过副边线圈释放到储能电容C _a中，储能电容C _a被充电且励磁电流i _m线性下降，假设储能电容电压v _ca在一个开关周期内保持不变，则有

(11)

在t ₃时刻，励磁电流i _m下降到零，t ₂到t ₃的时间间隔为：

（12）

4）工作模态4，[t ₃ ,t ₄ ]：其等效工作电路如图9(d)所示，在这个开关模态中，变压器的原、副边线圈和电感L _a都没有电流流过，变压器被磁复位，电感L _a工作在断续状态。滤波电容C _o向LED负载供电。

在p _in <P _o功率条件下，为了使输出电流恒定从而保证输出功率恒定，需要储能电容C _a向LED负载提供能量。因为开关管Q ₁的占空比保持不变，所以应该调节开关管Q ₂的占空比，以实现恒定电流输出。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容进行多种实施方式。应理解上述实施例子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。

Claims

1.一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，包括：桥式整流电路(1)、主开关管(2)、反激变压器(3)、储能电容(4)、整流电路(5)、续流二极管(6)、辅助电路(7)、及滤波电容(8)，其特征在于：所述桥式整流电路(1)依次接主开关管(2)、反激变压器(3)、储能电容(4)、整流电路(5)、续流二极管(6)、辅助电路(7)、及滤波电容(8)。

2.根据权利要求1所述的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，其特征在于：所述桥式整流电路(1)由第一二极管(D _r1)、第二二极管(D _r2)、第三二极管(D _r3)和第四二极管(D _r4)组成；所述第一二极管(D _r1)的阳极连接所述第三二极管(D _r3)的阴极，所述第二二极管(D _r2)的阳极连接所述第四二极管(D _r4)的阴极，所述第一二极管(D _r1)与所述第二二极管(D _r2)的阴极对接，所述第三二极管(D _r3)与所述第四二极管(D _r4)的阳极对接。

3.根据权利要求1所述的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，其特征在于：所述反激变压器(3)由原边绕组N _p和副边绕组N _s组成，所述原边绕组N _p的同名端和所述第一二极管(D _r1)和第二二极管(D _r2)的阴极连接，所述原边绕组N _p的异名端与所述主开关管(2)的漏极连接，主开关管(2)的源极与所述第三二极管(D _r3)和第四二极管(D _r4)的阴极连接。

4.根据权利要求1所述的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，其特征在于：所述辅助电路(7)由第三开关管(Q ₃)、第六二极管(D _a2)和电感(L _a)构成，所述第三开关管(Q ₃)的源极与所述第六二极管(D _a2)的阴极，以及电感(L _a)的一端相连，所述第六二极管(D _a2)的阳极与所述副边绕组N _s的同名端、所述储能电容(4)的负端、以及滤波电容(8)的负端连接，所述电感(L _a)的另一端与滤波电容(8)的正端连接，所述第三开关管(Q ₃)的漏极与所述续流二极管(6)的阴极以及所述储能电容(4)的正极连接。

5.根据权利要求1所述的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，其特征在于：所述整流电路(5)包括第五二极管(D _R)和第二开关管(Q ₂)，所述第五二极管(D _R)的阴极与第二开关管(Q ₂)的漏极连接，其中间抽头与所述续流二极管(6)的阳极连接，所述第二开关管(Q ₂)的源极与滤波电容(8)的正端连接，所述第五二极管(D _R)的阳极与所述副边绕组N _s的异名端连接。

6.根据权利要求1所述的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，其特征在于：所述反激变压器(3)设计在电流断续模式工作，实现输入功率因素因素校正功能。

7.根据权利要求1所述的一种单级式无电解电容AC/DC LED恒流驱动电源，其特征在于：所述储能电容(4)的电压设计为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，可以消除AC/DC LED恒流驱动电源对电解电容的依赖。