CN104411041A - 一种单电感三端口变换器的长寿命led驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，它包括桥式整流电路、辅助电路、主开关变换器、输出滤波电容及LED负载。本发明有如下特点和优点：①辅助电路与主开关变换器形成三端口变换器，且电感( L )实现共用，电路结构简单；②大部分输入功率经过主开关变换器一次能量变换直接到达负载，提高了整机效率；③储能电容为容值较小的高压电容，且储能电容可以平衡输入、输出功率的低频功率脉动，实现恒流驱动LED负载；④该单电感三端口变换器的LED驱动电源具有整机效率高、集成度高、无电解电容、长寿命的特点和优点。

Description

一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，属于交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)变换器领域。

背景技术

因为高亮度发光二极管(light-emitting diode,LED)具有节能环保、体积小、光效高、寿命长、易调光等优点，并且随着LED关键技术的突破，LED照明已经成为了越来越受关注的行业。与传统发光器件不同，LED是直流器件，并且具有独特的光—电—热特性，因此LED驱动电源的好坏直接影响LED的发光品质及整体照明性能。

目前，无电解电容LED驱动电源的是LED照明行业关注的热点。LED驱动电源中普遍用到的电解电容的寿命仅远低于LED灯珠的寿命，所以，电解电容的使用限制了LED照明光源整体寿命，制约了高性能LED驱动电源的发展。因此，在不影响LED光学性能和热性能的前提下，使用容值较小的CBB高压陶瓷电容或薄膜电容替代电解电容，开发长寿命、高效率的无电解电容LED驱动电源成为LED驱动电源行业亟需解决的问题。在传统解决途径上，虽然可以使用级联式的两级变换器来驱动LED，通过增大第一级变换器输出电容的电压可以消除电解电容，但是输入功率经过了二次变换，整机效率较低；并且每一级变换器都需要采用独立的电感元件；由于感性元件体积大、损耗大、功率密度低，并不适合LED驱动电源的发展趋势。

发明内容

本发明目的在于克服级联式两级无电解电容LED驱动电源整机效率低的缺点，克服传统LED驱动电源寿命短、体积大、电感元件多、集成度低等缺点，提供一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，具有整机效率高、集成度高、无电解电容、长寿命的特点和优点。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，包括：桥式整流电路、辅助电路、主开关变换器、输出滤波电容及LED负载。其特征在于：所述桥式整流电路依次接辅助电路、主开关变换器、输出滤波电容及LED负载。

所述桥式整流电路由第一二极管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；所述辅助电路由第三开关管S₃、第六二极管D_a2、储能电容C_a组成；第三开关管S₃源极连接主开关变换器的电感L与桥式整流电路的第二二极管D_r2阴极，第三开关管S₃漏极连接储能电容C_a的正极和第六二极管D_a2阴极，第六二极管D_a2阳极与第一开关管S₁漏极、第二开关管S₂漏极和电感L相连；所述的主开关变换器由电感L、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第五二极管D_a1组成Buck-boost变换器；所述第一开关管S₁漏极与第二开关管S₂漏极对接，并与电感L一端相连；所述第一开关管S₁的源极与第四二极管D_r4的阳极相连接；所述第五二极管D_a1阴极与电感L的一端相连，阳极与输出滤波电容负极、LED负载的负极相连；所述第二开关管S₂源极与输出滤波电容正极、LED负载的正极相连。

所述由第一二极管D_r1、第二二极管D_r2、第三二极管D_r3和第四二极管D_r4组成的桥式整流电路实现交流/直流变换。

所述电感L工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正。

所述所述储能电容C_a的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式，可以使用容值较小的高压电容替代电解电容，因而LED驱动电源具有长寿命特点。

所述辅助电路可以平衡瞬时输入功率和输出功率的低频脉动功率，辅助电路与主开关变换器电路协调工作可以实现恒流驱动LED负载。

所述辅助电路与主开关变换器电路的电感实现了共用。

所述滤波电容可以滤除开关频率的输出电压谐波。

与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点是：①:辅助电路与主开关变换器形成三端口变换器，且电感(L)实现共用，电路结构简单；②:大部分输入功率经过主开关变换器一次能量变换直接到达负载，提高了整机效率；③:储能电容为容值较小的高压电容，且储能电容可以平衡输入、输出功率的低频功率脉动，实现恒流驱动LED负载；④:该单电感三端口变换器的LED驱动电源具有整机效率高、集成度高、无电解电容、长寿命的特点和优点。

附图说明

图1为本发明的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源电路原理图。

图2为本发明的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源的主要工作波形。

图3为本发明的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源在p_in>p_o条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形。

图4为本发明的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源在p_in>p_o条件下各开关模态等效电路。

图5为本发明的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源在p_in<p_o条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形。

图6为本发明的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源在p_in<p_o条件下各开关模态等效电路。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例，进一步阐明本发明。

实施例一：如图1所示，本单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，包括：桥式整流电路(1)、辅助电路(2)、主开关变换器(3)、输出滤波电容(4)及LED负载(5)。其特征在于：所述桥式整流电路(1)依次接辅助电路(2)、主开关变换器(3)、输出滤波电容(4)及LED负载(5)。

实施例一：本实施例与实施例一基本相同，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；所述辅助电路(2)由第三开关管(S₃)、第六二极管(D_a2)、储能电容(C_a)组成；第三开关管(S₃)源极连接主开关变换器(3)的电感(L)与桥式整流电路(1)的第二二极管(D_r2)阴极，第三开关管(S₃)漏极连接储能电容(C_a)的正极和第六二极管(D_a2)阴极，第六二极管(D_a2)阳极与第一开关管(S₁)漏极、第二开关管(S₂)漏极和电感(L)相连；所述的主开关变换器(3)由电感(L)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第五二极管(D_a1)组成Buck-boost变换器；所述第一开关管(S₁)漏极与第二开关管(S₂)漏极对接，并与电感(L)一端相连；所述第一开关管(S₁)的源极与第四二极管(D_r4)的阳极相连接；所述第五二极管(D_a1)阴极与电感(L)的一端相连，阳极与输出滤波电容(4)负极、LED负载(5)的负极相连；所述第二开关管(S₂)源极与输出滤波电容(4)正极、LED负载(5)的正极相连。

下面结合附图2—6叙述本实施例的具体工作原理、设计原理：

图2为本发明所提出的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源主要工作波形。

从图1的主电路拓扑构成可见：电路拓扑结构是基于Buck-boost电路集成的单电感三端口变换器，第三端口的储能电容C_a可以平衡输入功率和输出功率之间的脉动功率。整流桥、二极管D_a2、电感L组成储能电容C_a的充电支路；开关管S₃、电感L、开关管S₁、S₂、二极管D_a2和负载构成的Buck-boost变换器是C_a的放电支路。

从图2的主要工作波形可见：不同功率条件下电路工作原理是各不相同的。当p_in>p_o时，多余的能量向C_a充电，C_a的电压v_Ca上升，此时S₃处于恒关断状态，控制S₂为LED提供恒定电流；当p_in<p_o时，不足的能量由C_a提供，C_a的电压v_Ca下降，此时S₂处于恒开通状态，控制S₃为LED提供恒定电流。S₁控制储能电容C_a的平均电压，并使电感L工作在电流断续模式以实现PFC功能。电路工作稳定时C_a的平均电压恒定，当p_in>p_o时S₁占空比为D₁₁，当p_in<p_o时S₁占空比为D₁₂，其中D₁₂＝D₁₁+D₃(D₃为S₃的占空比)。

1.电路工作原理分析

1.1当p_in>p_o时的开关模态分析

图3为p_in>p_o时的主要工作波形，该功率条件下电路共有4种开关模态，对应的等效电路如图4所示。

1)开关模态1[t₀,t₁]：等效电路如图4(a)所示。t₀时刻之前，电感L电流i_L为零，滤波电容C_o向LED负载供电；t₀时刻，开关管S₁、S₂开通，二极管D_r1和D_r4(或者二极管D_r2和D_r3)导通，S₃在p_in>p_o时处于恒关断状态。由于反向阻断二极管D_a1的存在，故S₂没有电流流过，此阶段S₂为无效开通。假设输入电压v_in在一个开关周期内保持不变，则i_L从零开始线性上升：

$i_L\left(t\right)=\frac{\left|v_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{L}(t-t_o)---\left(1\right)$

t₁时刻开关管S₁关断，该时刻i_L大小为：

$I_L\left(t_1\right)=\frac{\left|v_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{L}(t_1-t_o)=\frac{\left|v_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{L}{D}_{11}{T}_s---\left(2\right)$

式中D₁₁是在p_in>p_o时S₁的占空比，T_s是S₁、S₂、S₃开关周期。

2)开关模态2[t₁,t₂]：等效电路如图4(b)所示。t₁时刻开关管S₁关断，S₂仍然导通。储存在电感L的能量通过S₂向负载释放，i_L线性下降。[t₁,t₂]期间电感电流可以表示为：

$i_L\left(t\right)=i_{S2}\left(t\right)=I_L\left(t_1\right)-\frac{V_o}{L}\left({t-t}_1\right)=\frac{\left|v_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{L}{D}_{11}{T}_s-\frac{V_o}{L}(t-t_1)---\left(3\right)$

式中V_o是负载电压。

通过控制S₂使得一个开关周期内向LED释放的能量恒定，可以实现恒流驱动LED。因此，t₂时刻S₂关断，根据式(3)，在t₂时刻电感电流为：

$I_L\left(t_2\right)=I_{S2}\left(t_2\right)=\frac{\left|v_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{L}{D}_1{T}_s-\frac{V_o}{L}{D}_2{T}_s---\left(4\right)$

式中D₂是开关管S₂的有效占空比。

在此开关模态，为了保证电感能量向LED释放，而不是通过二极管D_a2给储能电容C_a充电，C_a的电压须满足以下条件：

v_Ca(t)＞v_in(t)＞V_o    (5)

3)开关模态3[t₂,t₃]：等效电路如图4(c)所示。S₂关断后，电感剩余的能量通过二极管D_a2给储能电容C_a充电，i_L继续线性下降。假设C_a电压v_Ca在一个开关周期内保持不变，[t₂,t₃]期间有：

$i_L\left(t\right)=I_L\left(t_2\right)-\frac{v_{\mathrm{Ca}}\left(t\right)+v_{\mathrm{in}}\left(t\right)}{L}(t-t_2)---\left(6\right)$

在t₃时刻，i_L下降到零，t₂到t₃的时间间隔为：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_1=t_3-t_2=\frac{I_L\left(t_2\right)L}{v_{\mathrm{Ca}}\left(t\right)+v_{\mathrm{in}}\left(t\right)}---\left(7\right)$

4)开关模态4[t₃,t₄]：等效电路如图4(d)所示。在此开关模态中，电感电流为零，滤波电容C_o向LED负载供电。

为了实现PFC功能需要将电感设计为工作在电流断续模式，因此当p_in>p_o时需要满足条件：

T_pin＞po＝D₁T_s+D₂T_s+ΔT₁＜T_s    (8)

综合上述分析可见：在p_in>p_o时，开关管S₁占空比为D₁₁，S₃处于恒关断状态，控制S₂为LED提供恒定驱动电流；S₂与S₁同时开通实现S₂零电压零电流开通，S₃无开关动作，减小了开关损耗；一个开关周期内输入功率p_in多余的能量被第三端口的C_a吸收。

1.2当p_in<p_o时的开关模态分析

图5为p_in<p_o时的主要工作波形，该功率条件下电路共有4种开关模态，对应的等效电路如图6所示。

1)开关模态1[t₀,t₁]：等效电路如图6(a)所示。由于在p_in<p_o期间p_in向负载提供的能量不足，所以t₀时刻开关管S₃开通，C_a通过Buck-boost变换器提供能量。虽然在p_in<p_o时S₂恒开通，但是由于反向阻断二极管D_a1的存在，故S₂没有电流流过。t₀时刻，开关管S₁、S₃同时开通，由于v_Ca>v_in，所以桥式整流二极管反向截止，此阶段只有储能电容C_a给电感能量，假设C_a的电压v_Ca在一个开关周期内保持不变，则i_L从零开始线性上升：

$i_L\left(t\right)=\frac{\left|v_{\mathrm{Ca}}\left(t\right)\right|}{L}(t-t_o)---\left(9\right)$

t₁时刻开关管S₃关断，该时刻i_L大小为：

$I_L\left(t_1\right)=\frac{\left|v_{\mathrm{Ca}}\left(t\right)\right|}{L}(t_1-t_o)=\frac{\left|v_{\mathrm{Ca}}\left(t\right)\right|}{L}{D}_3{T}_s---\left(10\right)$

2)开关模态2[t₁,t₂]：等效电路如图6(b)所示。t₁时刻开关管S₃关断,S₁仍然导通，输入电压给电感提供能量，i_L继续线性上升。假设输入电压v_in在一个开关周期内保持不变，则[t₁,t₂]期间电感电流i_L表示为：

$i_L\left(t\right)=I_L\left(t_1\right)+\frac{\left|v_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{L}(t-t_1)---\left(11\right)$

3)开关模态3[t₂,t₃]：等效电路如图6(c)所示。开关管S₁在t₂时刻关断，电感L通过开关管S₂、二极管D_a1给负载传递能量，i_L线性下降。t₂时刻电感电流可以表示为：

$I_L\left(t_2\right)=I_L\left(t_1\right)+\frac{\left|v_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{L}{D}_{12}{T}_s---\left(12\right)$

式中D₁₂是在p_in<p_o时S₁的占空比。

开关管S₁关断后，电感电流i_L可表示为：

$i_L\left(t\right)=i_{S2}\left(t\right)=I_L\left(t_2\right)-\frac{V_o}{L}(t-t_2)---\left(13\right)$

t₃时刻i_L下降为零，t₂和t₃的时间间隔为：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_2=(t_3-t_2)=\frac{I_L\left(t_2\right)L}{V_o}---\left(14\right)$

4)开关模态4[t₃,t₄]：等效电路如图4(d)所示。在此开关模态中，电感电流为零，滤波电容C_o向LED负载供电。

为了实现PFC功能需要将电感设计为工作在电流断续模式，因此当p_in<p_o时需要满足条件：

T_pin＜po＝D₁₂T_s+ΔT₂＜T_s    (15)

综合上述分析可见：在p_in<p_o时，开关管S₁占空比为D₁₂，S₂处于恒开通状态，控制S₃为LED提供恒定驱动电流；S₂无开关动作，减小了开关损耗；一个开关周期内输入功率p_in不足的能量被第三端口的C_a补充。

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 (5)

1.一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，包括：桥式整流电路(1)、辅助电路(2)、主开关变换器(3)、输出滤波电容(4)及LED负载(5)，其特征在于：所述桥式整流电路(1)依次接辅助电路(2)、主开关变换器(3)、输出滤波电容(4)及LED负载(5)。

2.根据权利要求1所述的一种单电感三端口变换器的长寿命LED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；所述辅助电路(2)由第三开关管(S₃)、第六二极管(D_a2)、储能电容(C_a)组成；第三开关管(S₃)源极连接主开关变换器(3)的电感(L)与桥式整流电路(1)的第二二极管(D_r2)阴极，第三开关管(S₃)漏极连接储能电容(C_a)的正极和第六二极管(D_a2)阴极，第六二极管(D_a2)阳极与第一开关管(S₁)漏极、第二开关管(S₂)漏极和电感(L)相连；所述的主开关变换器(3)由电感(L)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第五二极管(D_a1)组成Buck-boost变换器；所述第一开关管(S₁)漏极与第二开关管(S₂)漏极对接，并与电感(L)一端相连；所述第一开关管(S₁)的源极与第四二极管(D_r4)的阳极相连接；所述第五二极管(D_a1)阴极与电感(L)的一端相连，阳极与输出滤波电容(4)负极、LED负载(5)的负极相连；所述第二开关管(S₂)源极与输出滤波电容(4)正极、LED负载(5)的正极相连。

3.根据权利要求1所述的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，其特征在于：辅助电路(2)与主开关变换器(3)形成三端口变换器，且电感(L)实现共用，电路结构简单。

4.根据权利要求1所述的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，其特征在于：大部分输入功率经过主开关变换器(3)一次能量变换直接到达负载，提高了整机效率。

5.根据权利要求1所述的一种单电感三端口变换器的长寿命LED驱动电源，其特征在于：辅助电路(2)中的储能电容(C_a)工作电压控制为高电压，可使用容值较小的高压电容替代电解电容，并且储能电容(C_a)可以平衡输入、输出功率的低频功率脉动，实现恒流驱动LED负载(5)。