CN104066252A - Clc恒流网络型led自均流电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CLC恒流网络型LED自均流电路及其控制方法，适用于以LED光源为负载的照明场合。自均流电路包括全桥逆变电路，由在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路、高频变压器、均流电容单元组成的CLC恒流网络，LED输出模块。全桥逆变电路的开关器件工作在CLC谐振频率处，可实现输出电流恒定及输入阻抗纯阻性，保证变压器副边输出电流与负载特性无关，避免无功环流，减小器件应力，提高电压利用率和变换器效率。鉴于LED自均流电路工作在谐振频率处，避免LED非线性阻抗特性对输出电流的影响，提出了定频控制方法实现电路的恒流输出。

Description

CLC恒流网络型LED自均流电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及CLC恒流网络型LED自均流电路及其控制方法，适用于以LED光源为负载的照明场合。

背景技术

随着半导体发光二极管(Light-emitting-diode,LED)技术的发展，LED照明得到广泛的应用。LED是电流型器件，输出光特性和伏安电特性均受电流影响。为保证输出足够亮度、均匀光色的可见光，每条LED支路需流过相同的电流。

为实现LED支路均流，目前存在的方案可分为两类：有源均流和无源均流。其中，有源均流技术通过对每条LED支路进行闭环反馈控制来实现均流，均流精度高，但控制复杂，成本高，可靠性差。无源均流技术则通过采用无源器件，如电容和耦合电感等来实现电路的自均流，可靠性大为提高。其中电容均流方案采用电容阻抗远大于LED负载阻抗的原理，消除由负载阻抗差异造成的不均流现象，电路简单，易实现多路均流。但串联电容的较大容抗使得输入电压和电流之间存在相位差，电路中无功环流增大，电压利用率低，LED驱动器效率难以提高等。

发明内容

发明目的：本发明是为了克服电容无源均流方案中存在的较大无功环流，提高电压利用率和变换器效率，设计CLC恒流网络型LED自均流电路，并提出了其控制方法，可有效解决以上问题，实现高效均流。

技术方案：

本发明采用如下技术方案加以实现：

CLC恒流网络型LED自均流电路，包括：全桥逆变电路、LED输出模块，由在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路、变比为1:n的高频变压器、均流电容单元组成的CLC恒流网络，所述高频变压器原边绕组两端子之间有原边励磁电感，所述均流电容单元包含有N只均流电容，所述LED输出模块的数目与均流电容数目相同，n、N为自然数，

所述全桥逆变电路输入端接有直流电源，全桥逆变电路一个桥臂的中点接所述在谐振频率处呈现容性阻抗的LC谐振支路的一端，高频变压器原边绕组的一端接所述在谐振频率处呈现容性阻抗的LC谐振支路的另一端，高频变压器原边绕组的另一端接全桥逆变电路另一桥臂的中点，每只均流电容一极接高频变压器副边绕组一端，每个LED输出模块与任意一只均流电容的另一极连接，每只均流电容仅与一个LED输出模块连接，每个LED输出模块、高频变压器副边绕组的另一端共接地，

谐振频率f_r：C_E1为所述LC谐振支支路的等效电容值L₁为所述LC谐振支路的电感值，C₁为所述LC谐振支路的电容值，ω_r为角频率，ω_r＝2πf_r。

作为CLC恒流网络型LED自均流电路的进一步优化方案，在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路为依次串联连接的第一电感、第一电容。

作为CLC恒流网络型LED自均流电路的进一步优化方案，在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路包括：第一电感、第一电容、第二电容，所述第一电感串接在第一电容之后，第二电容并接在第一电感两端。

作为CLC恒流网络型LED自均流电路的进一步优化方案，在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路包括第一电容、第一电感、第二电感，所述第二电感串接在第一电感之后，第一电容并联在第二电感两端。

作为CLC恒流网络型LED自均流电路的进一步优化方案，LED输出模块包括：第一、第二整流二极管，第一、第二LED灯串，第一整流二极管阳极、第二整流二极管阴极并接后与均流电容连接，第一LED灯串的电流输入端与第一整流二极管阴极连接，第一LED灯串的电流输出端与第二LED灯串电流输入端并接后接地，第二LED电流输出端接第二整流二极管阳极。

作为CLC恒流网络型LED自均流电路的进一步优化方案，均流电容单元折算到高频变压器(3)原边的等效电容值与LC谐振支路(2)的等效电容值相等，所述等效电容的容抗值远大于LED输出模块折算到高频变压器(3)原边的等效电阻值R，CLC恒流网络的输入阻抗Z_IN：C_B为均流电容单元(4)在折算前的电容，C_B＝C_B1＝C_B2＝..＝C_BN，C_B1、C_B2、……、C_BN表示N只均流电容的电容值。

作为CLC恒流网络型LED自均流电路的进一步优化方案，LED输出模块包括：第一至第四整流二极管，LED灯串，所述第一整流二极管阳极、第二整流二极管阴极并接后与均流电容连接，第三整流二极管阳极与第四整流二极管阴极并接后接地，第一、第三整流二极管的阴极分别与LED灯串的电流输入端连接，第二、第四整流二极管的阳极分别与LED灯串的电流输出端连接。

作为CLC恒流网络型LED自均流电路的进一步优化方案，高频变压器的原边绕组或者副边绕组两个端子之间另外接有电感。

控制上述CLC恒流行网络LED自均流电路的方法，采用定频占空比策略控制全桥逆变电路中的功率开关管工作在谐振频率f_r处，在直流电源输出的可调电压范围内实现各LED输出模块的恒流输出，LED输出模块输出电流I_LED：V_IN为直流电源输出的电压，D为功率开关管的占空比

有益效果：

(1)本发明通过设计CLC恒流网络工作在谐振频率点处，可实现恒定的电流输出，输出电流大小与负载特性及均流电容无关；

(2)恒流网络的输入阻抗为纯阻性，避免无功环流，减小器件应力，提高电压利用率和变换器效率；

(3)以均流电容作为CLC恒流网络的一部分，有效减少了器件数量，又实现了LED支路的高效均流，简单可靠；

(4)鉴于LED自均流电路工作在谐振频率点处，保证变压器副边输出电流与负载特性无关，避免LED非线性阻抗特性对输出电流的影响，提出了定频控制方法实现恒流输出。

附图说明

图1是CLC恒流网络结构的LED自均流电路示意图。

图2是折算到原边的CLC恒流结构及诺顿等效结构。

图3是副边均流等效电路。

图4是变化负载的恒流效果图。

图5是四条负载支路的均流效果图。

图6是均流电容电压和副边恒流源波形图。

图7是输入电压与电流波形图。

图8(a)、图8(b)、图8(c)是LC谐振支路的三种电路连接方式。

图9(a)、图9(b)是高频变压器部分的两种电路连接方式。

图10是LED输出模块的另一种电路连接方式。

图中标号说明：1为全桥逆变电路，2为在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路，3为高频变压器、4为均流电容单元，5为LED输出模块，Q₁至Q₄为功率开关管，L_M为原边励磁电感，C_B1、C_B2、……、C_BN为均流电容，L₁、L₁₁、L₁₂为电感，C₁、C₁₁、C₁₂为电容，D₁、D₂、……、D_2N为整流二极管，C_f1、C_f2、……、C_f2N、C_f为滤波电容。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：CLC恒流网络结构的LED自均流电路，包括全桥逆变电路1、在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路2、变比为1:n的高频变压器3、N只均流电容C_B1、C_B2、……、C_BN组成的均流电容单元4、N个LED输出模块5。在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路2、高频变压器3、均流电容单元4组成CLC恒流网络结构。全桥逆变电路1包括：功率开关管Q₁、Q₃组成的桥臂(该桥臂中点为A)，Q₂、Q₄组成的桥臂(该桥臂中点为B)。高频变压器3原边绕组两端子之间有原边励磁电感L_M，此处高频变压器通过加入气隙调整励磁电感大小，使其满足谐振条件。全桥逆变电路1输入端接输出电压为V_IN的直流电源，LC谐振支路2一端接桥臂中点A，高频变压器3原边绕组一端接LC谐振支路2另一端，高频变压器3原边绕组另一端接接桥臂中点B，每只均流电容一极均与高频变压器3副边绕组一端连接，每个LED输出模块与任意一只均流电容另一极连接，高频变压器3副边绕组另一端以及各LED输出模块共地连接。其中，在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路2、LED输出模块5都有多种电路结构。

如图1所示：在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路2由串联连接的电感L₁、电容C₁组成；LED输出模块5包括：整流二极管D₁、整流二极管D₂，第一、第二LED灯串，整流二极管D₁阳极、整流二极管D₂阴极并接后与均流电容C_B1连接，第一LED灯串的电流输入端与整流二极管D₁阴极连接，第一LED灯串的电流输出端与第二LED灯串电流输入端并接后接地，第二LED电流输出端接整流二极管D₂阳极。LED灯串包括串接的若干LED(本例中串接了两个LED)，滤波电容C_f1并接在第一LED灯串两端之间，滤波电容C_f2并接在第二LED灯串两端之间。

在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路2还可以采取图8(a)、图8(b)、图8(c)所示的电路实现。图8(a)所示LC谐振支路为并联连接的电感L₁、电容C₁。图8(b)所示LC谐振支路包括：电感L₁、电容C₁₁、电容C₁₂，电感L₁串接在电容C₁₁之后，电容C₁₂并接在电感L₁两端。图8(c)所示LC谐振支路2包括：电容C₁、电感L₁₁、电感L₁₂，电感L₁₂串接在电感L₁₁之后，电容C₁并联在电感L₁₂两端。

若高频变压器不加气隙，此时励磁电感L_M可认为无穷大，为实现谐振，还可以如图9(a)、图9(b)所示，在变压器原边绕组两端子之间另接电感LP，或者在变压器副边绕组两端子之间另接有电感L_S，使其满足与电容谐振条件。

LED输出模块还可以采用图10的电路连接方式，具体包括：整流二极管D₁、D₂、D₃、D₄，LED灯串，整流二极管D₁阳极、整流二极管D₂阴极并接后与均流电容连接，整流二极管D₃阳极与整流二极管D₄阴极并接后接地，整流二极管D₁、D₃的阴极分别与LED灯串的电流输入端连接，整流二极管D₂、D₄的阳极分别与LED灯串的电流输出端连接。LED灯串两端之间并接有滤波电容C_f。这样可均流的支路为N条，对应的输出电流

LC谐振网络、高频变压器中的励磁电感L_M与N只均流电容构成CLC恒流网络结构，全桥逆变电路的开关器件工作在CLC谐振频率处，可实现输出电流恒定及输入阻抗纯阻性。N只相同的均流电容可实现N条电容串联支路均流，反并联连接的LED负载支路各自导通半个正弦周期，最终可实现2N条LED支路的均流。

本发明可以采用上述任意一种在谐振频率处呈现容性阻抗的LC谐振电路、任意一种连接方式的变压器与均流电容组成CLC恒流网络，组成的自均流电路均适用于本发明所提及的LED输出模块，但这不是对本发明保护范围的限制，符合本专利发明宗旨的实施例以及本发明实施例的等同替换形式均落入本发明的保护范围。下面对本发明保护的CLC恒流网络型LED自均流电路进行分析。

图2是折算到原边的CLC恒流结构及诺顿等效结构示意图，由附图1可知，L₁、C₁、L_M、C_B1,2..N构成了CLC网络，为简化分析，将变压器副边的N只均流电容C_B1,2..N折射到原边，用C_E2表示N只均流电容折算到高频变压器3原边的等效电容，LC谐振网络用等效电容C_E1代替，R_1,2...,N为各LED输出模块(每个LED输出模块为一负载支路)折算到高频变压器3原边的等效电阻，由此可得到CLC恒流网络。由诺顿定理可知，当C_E1与L_M谐振时，其输入源对外特性可等效为短路电流，即恒定的电流源，全桥逆变电路1输出正弦交流电流i_CE，i_CE＝v_AB·jω_rC_E1。由诺顿等效电路，其流过负载的电流亦恒定。C_E2＝C_E1，用来补偿输入阻抗，使其实现纯阻性，避免无功环流，此时变换器的输入阻抗其中R为所有LED负载折算到原边的等效电阻。

图3是副边均流等效电路图，i_CE'为i_CE折算到变压器副边的恒流源，i_CE'＝n·i_CE。由于均流电容C_B1＝C_B2＝...＝C_BN＝C_B，且那么流过每只均流电容的电流相等，所以均流电容上的交流电压为此外，均流电容还承受反并联连接的两条负载支路的静态电压差。以C_B1为例，滤波后流过负载支路R₁和R₂的电流均为I_LED，那么两条支路的静态电压差那么C_B1最终承受的电压v_CB1＝v_CB+ΔV₁₂。同理，第m(m∈N)只均流电容C_Bm承受的电压为v_CBm＝v_CB+ΔV_(2m-1)(2m)，其中 ${\mathrm{\ΔV}}_{(2m-1)\left(2m\right)}=\frac{R_{2m}-R_{2m-1}}{2}\·I_{\mathrm{LED}}.$

CLC实现恒流输出的条件是C_E1与L_M谐振，谐振频率为f_r，即此时，高频变压器的副边等效电流恒定，假设全桥逆变电路的导通占空比为D，则输出正弦交流电流i_CE的峰值为经过分流和滤波，每条LED支路的电流为仅与变压器参数和输入电压有关。

因此，本发明还提出了一种CLC恒流网型LED自均流电路控制方法，采用定频占空比策略控制全桥逆变电路1中的功率开关管工作在谐振频率f_r处，在直流电源输出的可调电压范围内实现各LED输出模块的恒流输出，LED输出模块输出电流I_LED。

图4至图7以图3中的4条LED负载支路为例，其中V_IN＝380V，R₁＝70Ω，R₂＝40Ω，R₃＝60Ω，R₄＝50Ω，I_LED＝0.35A。图4是当负载支路R₁在10ms处从70Ω变为50Ω的电流波形图，由图可见，输出电流经过动态调整至初始恒流值，与负载无关。

图5给出四条负载支路的均流效果图，由图可见，四条负载支路的阻抗不相等，仍可实现均流。

图6是均流电容C_B1的电压v_CB1和副边恒流源i_CE'波形图，由图可见，v_CB1上存在直流和交流分量，其直流分量为R₁和R₂支路上的电压差，交流分量为副边恒流源产生的交流电压，其幅值与前述公式吻合。i_CE'由于存在三次谐波，波形存在畸变，但基波分量幅值与公式计算吻合。

图7是输入桥臂电压v_AB与输入电流波形图i_IN，由于方波电压中存在三次谐波，输入电流波形非纯正弦，但基波输入电流与输入电压同相位，验证输入阻抗在谐振频率处呈阻性特性。输入电流中的三次谐波使得输入电流在过零处略滞后于输入电压，有利于软开关ZVS的实现，进一步提高变换器效率。

Claims (9)

1.CLC恒流网络型LED自均流电路，包括：全桥逆变电路(1)、LED输出模块(5)，其特征在于，所述LED自均流电路还包括：由在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路(2)、变比为1:n的高频变压器(3)、均流电容单元(4)组成的CLC恒流网络，所述高频变压器(3)原边绕组两端子之间有原边励磁电感(L_M)，所述均流电容单元(4)包含有N只均流电容，所述LED输出模块(5)的数目与均流电容数目相同，n、N为自然数，

所述全桥逆变电路(1)输入端接有直流电源，全桥逆变电路(1)一个桥臂的中点接所述在谐振频率处呈现容性阻抗的LC谐振支路(2)的一端，高频变压器(3)原边绕组的一端接所述在谐振频率处呈现容性阻抗的LC谐振支路(2)的另一端，高频变压器(3)原边绕组的另一端接全桥逆变电路(1)另一桥臂的中点，每只均流电容一极接高频变压器(3)副边绕组一端，每个LED输出模块与任意一只均流电容的另一极连接，每只均流电容仅与一个LED输出模块连接，每个LED输出模块、高频变压器(3)副边绕组的另一端共接地，

谐振频率f_r：C_E1为所述LC谐振支支路(2)的等效电容值，L₁为所述LC谐振支路(2)的电感值，C₁为所述LC谐振支路(2)的电容值，ω_r为角频率，ω_r＝2πf_r。

2.根据权利要求1所述CLC恒流网络型LED自均流电路，其特征在于，所述在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路(2)为依次串联连接的第一电感、第一电容。

3.根据权利要求1所述CLC恒流网络型LED自均流电路，其特征在于，所述在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路(2)包括：第一电感、第一电容、第二电容，所述第一电感串接在第一电容之后，第二电容并接在第一电感两端。

4.根据权利要求1所述CLC恒流网络型LED自均流电路，其特征在于，所述在谐振频率点处呈现容性阻抗的LC谐振支路(2)包括第一电容、第一电感、第二电感，所述第二电感串接在第一电感之后，第一电容并联在第二电感两端。

5.根据权利要求1至4任意一项所述CLC恒流网络型LED自均流电路，其特征在于，所述LED输出模块(5)包括：第一、第二整流二极管，第一、第二LED灯串，第一整流二极管阳极、第二整流二极管阴极并接后与均流电容连接，第一LED灯串的电流输入端与第一整流二极管阴极连接，第一LED灯串的电流输出端与第二LED灯串电流输入端并接后接地，第二LED电流输出端接第二整流二极管阳极。

6.根据权利要求5所述CLC恒流网络型LED自均流电路，其特征在于，所述均流电容单元折算到高频变压器(3)原边的等效电容值与LC谐振支路(2)的等效电容值相等，所述等效电容的容抗值远大于LED输出模块折算到高频变压器(3)原边的等效电阻值R，CLC恒流网络的输入阻抗Z_IN：C_B为均流电容单元(4)在折算前的电容，C_B＝C_B1＝C_B2＝..＝C_BN，C_B1、C_B2、……、C_BN表示N只均流电容的电容值。

7.根据权利要求1至4任意一项所述CLC恒流网络型LED自均流电路，其特征在于，所述LED输出模块(5)包括：第一至第四整流二极管，LED灯串，所述第一整流二极管阳极、第二整流二极管阴极并接后与均流电容连接，第三整流二极管阳极与第四整流二极管阴极并接后接地，第一、第三整流二极管的阴极分别与LED灯串的电流输入端连接，第二、第四整流二极管的阳极分别与LED灯串的电流输出端连接。

8.根据权利要求1至4任意一项所述CLC恒流网络型LED自均流电路，其特征在于，所述高频变压器(3)的原边绕组或者副边绕组两个端子之间另外接有电感。

9.如权利要求1至4任意一项所述CLC恒流行网络LED自均流电路的控制方法，其特征在于，采用定频占空比策略控制全桥逆变电路(1)中的功率开关管工作在谐振频率f_r处，在直流电源输出的可调电压范围内实现各LED输出模块的恒流输出，LED输出模块输出电流I_LED：V_IN为直流电源输出的电压，D为功率开关管的占空比。