CN104486892A - 一种三相无电解电容led电源的拓扑电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路及其控制方法，属于LED驱动电源技术领域。本发明包括三相交流电源、EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路和控制单元，三相交流电源的A相输出端依次与EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路相连；所述的控制单元采样单相PFC电路的输入电压、输入电流以及输出电流，经过计算产生占空比信号控制单相PFC电路；三相交流电源的B相、C相与A相设置相同，三个单相PFC电路的输出端并联后连接LED负载。本发明适用于大功率的三相LED驱动电源，具有较高的功率因数，且无需大容量的电解电容。

Description

一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及LED驱动电源技术领域，更具体地说，涉及一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路及其控制方法。

背景技术

由于LED具有节能环保、寿命长、应用广泛等诸多优势，世界主要国家和地区均大力发展LED产业。目前，全球LED产业已经进入快速发展期，2013年全球LED市场规模为124亿美元，2020年将达到1500亿美元规模左右。LED的广泛应用也对LED的驱动电源提出了更高要求。

一方面，由于LED灯管采用发光二极管，通过的是直流电流，因此LED的驱动电源需要具有PFC(功率因数矫正)功能，并具备较高的功率因数；另一方面，LED的光通量是靠流过的直流电流控制的(LED灯管主要由发光二极管组成)，因此LED的驱动电源必须具备恒功率输出的功能，否则就会导致通过LED的直流电流不稳定，从而不能得到恒定的光通量，大大影响LED灯的照明。

一般来说，在LED驱动电源的输出端采用大容量的电解电容可以解决功率波动的问题。但电解电容的平均寿命小于10000小时，而LED灯的平均寿命大于100000小时，电解电容的使用大大限制了LED灯的使用寿命。所以，去除电解电容对于LED驱动电源有着重要的实际意义。

目前，比较流行的无电解电容的LED驱动电源的方法大致有以下几种：

1)增加PFC级与DC/DC级电容上的电压波动，使用薄膜电容代替电解电容，如“Meansof Eliminating Electrolytic Capacitor in AC/DC Power Supplies for LED Lightings”[J],IEEETransactions on Power Electronics,2009,24(5):1399-1408，这种方法要求输出的电压尽可能的高，而且是两级电路拓扑结构，驱动电源的效率会降低；

2)通过开关控制加入一定量的谐波到电网中，使用脉冲电流控制LED的光通量，如“AMethod of Reducing the Peak-to-Average Ratio of LED Current for Electrolytic Capacitor-Less AC–DC Drivers”[J],IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(3):592-601，但这种方法会出现100Hz的频闪，人长期在这种灯光下工作会产生疲劳，而且这种方法也在一定程度上降低了电路的功率因数；

3)通过增加辅助元件和辅助电路达到功率耦合，如“A Novel Valley-Fill SEPIC-DerivedPower Supply Without Electrolytic Capacitor for LED Lighting Application”[J],IEEE Transactionson Power Electronics,2012,27(6):3057-3071，这种方法是通过功率耦合，减小输出电容的容值，从而使得电路中可以采用薄膜电容，达到去除电解电容的目的。

上述几种方法基本上都采用减小平衡功率输出电容的容值，从而使用小容量的薄膜电容来代替电解电容的方案，适合小功率的LED电源。但当采用大功率LED灯进行照明时，由于功率等级增加，平衡功率的电容值也需要随之增大，小容量的薄膜电容已无法满足大功率LED驱动电源的需要。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路及其控制方法，本发明提供的技术方案适用于大功率的三相LED驱动电源，具有较高的功率因数，且无需大容量的电解电容。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路，包括三相交流电源、EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路和控制单元，三相交流电源的A相输出端依次与EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路相连；所述的控制单元采样单相PFC电路的输入电压、输入电流以及输出电流，经过计算产生占空比信号控制单相PFC电路；三相交流电源的B相、C相与A相设置相同，三个单相PFC电路的输出端并联后连接LED负载。

更进一步地，所述的控制单元包括输出电流平均值采样电路、差分运放电路、乘法器、比较器、PFC控制电路和PFC驱动电路；输出电流平均值采样电路的输入端与单相PFC电路的输出端相连，输出电流平均值采样电路的输出端与差分运放电路的反相输入端相连，差分运放电路的正相输入端接参考电流I_ref；差分运放电路的输出端与乘法器的输入端相连，该乘法器的另一输入端接单相PFC电路的输入电压；乘法器的输出端与比较器的正相输入端相连，该比较器的反相输入端接单相PFC电路的输入电流；比较器的输出端经PFC控制电路与PFC驱动电路相连，所述的PFC驱动电路控制单相PFC电路的开关管动作。

本发明的一种三相无电解电容LED电源拓扑电路的控制方法，其步骤为：

步骤一、三相交流电源分别进行单相整流和滤波，得三个相位角互差60°的全波整流信号；

步骤二、控制单元(1)采样单相PFC电路的输出电流以及单相整流桥输出的全波整流信号，形成闭环控制系统，计算产生单相PFC电路所需的占空比信号；

步骤三、利用步骤二产生的占空比信号驱动三个单相PFC电路并联向LED负载供电，三个单相PFC电路输出电流的交流分量相互抵消，从而获得恒定的直流电流，产生稳定的LED光源。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路，将三个单相PFC电路的输出端并联，产生占空比控制信号，驱动三个单相PFC电路同时给LED负载供电，并利用输入三相交流电源的相位差，将单相PFC电路输出电流中的交流分量叠加抵消，达到输出恒定功率的目的，无需大容量的电解电容来平衡输出功率，也克服了使用小容量薄膜电容取代电解电容存在的应用于大功率LED照明场合受限的问题，使用本发明的方案能够大大延长LED负载的使用寿命，且不受应用场合的功率限制；

(2)本发明的一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路，采用单级式PFC电路，相对于传统采用多级电路拓扑结构(PFC加后级电路和辅助电路)，功率转换效率高，LED负载输入端的功率因数接近于1。

附图说明

图1为本发明的三相无电解电容LED电源拓扑电路的结构框图；

图2为本发明中单相PFC电路的电路结构图；

图3为本发明使用的PFC芯片UC 3854的接线图。

示意图中的标号说明：

1、控制单元；2、输出电流平均值采样电路。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

参看图1，本实施例的一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路，包括三相交流电源、EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路和控制单元1。三相交流电源包括A相、B相、C相三个单相电路，三个单相电路的电路结构设计相同。其中，三相交流电源的A相输出端依次与EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路相连，A相、B相、C相的三个单相PFC电路的输出端并联后连接LED负载。

所述的控制单元1用于采样单相PFC电路的输入电压、输入电流以及输出电流，执行设定的控制算法，产生占空比信号控制单相PFC电路。下面结合图2对该控制单元1进行具体介绍：单相PFC电路可以采用不同结构的电路拓扑，这里以Boost功率变换器为例。控制单元1采用双闭环结构，外环控制单相PFC电路输出电流的平均值跟踪参考值，内环控制实现PFC功率因数矫正功能。本实施例的控制单元1包括输出电流平均值采样电路2、差分运放电路、乘法器、比较器、PFC控制电路和PFC驱动电路。输出电流平均值采样电路2的输入端与单相PFC电路的输出端相连，单相PFC电路的输出电流经过输出电流平均值采样电路2的滤波电路，得到平均值I_av，该平均值I_av再与参考电流经差分运放电路(OPA₁)进行比较放大。比较放大的信号经输出电流平均值采样电路2的输出端输出，由于输出电流平均值采样电路2的输出端与差分运放电路(OPA₂)的反相输入端相连，差分运放电路的正相输入端接参考电流I_ref，比较放大的输出信号再经补偿电路(差分运放OPA₂)得控制电流I_control。差分运放OPA₂的输出端与乘法器的输入端相连，该乘法器的另一输入端接单相PFC电路的输入电压。乘法器的输出端与比较器COM的正相输入端相连，该比较器COM的反相输入端接单相PFC电路的输入电流。差分运放OPA₂输出的控制电流和输入采样电压信号经乘法器相乘后再与输入电感电流作比较产生PWM信号，经过PFC驱动电路控制开关管Q动作，实现闭环控制。

参看图3，本实施例的控制单元1采用美国Unitrode公司的UC3854单相PFC控制芯片，芯片的1脚GND接地，主电路外环的电流反馈接芯片11脚USENSE，在11脚与7脚UA OUT之间接入补偿电路。主电路的电压输入经过分压接入8脚URMS，4脚ISENSE接入主电路的内环电流反馈与3脚CA OUT之间接补偿电路。15脚Vcc接IC的输入电压。14脚CT外接振荡电路，维持IC的振荡频率。

本实施例的控制过程如下：

步骤一、三相交流电源分别通过EMI滤波器、单相整流桥进行单相整流和滤波，得三个相位角互差60°的全波整流信号。

步骤二、控制单元1采样单相PFC电路的输出电流，经过输出电流平均值采样电路2滤波后得到输出电流的平均值，与参考电流I_ref进行比较形成负反馈回路，经过闭环校正电路进行补偿，再与单相PFC电路输入端采样的全波整流电压信号作乘法运算，运算结果与输入采样电流作比较得到的信号经过驱动电路，产生占空比信号控制开关管的开通与关断。

步骤三、利用步骤二产生的占空比信号驱动三个单相PFC电路并联向LED负载供电，三个单相PFC电路输出电流的交流分量相互抵消，从而获得恒定的直流电流，产生稳定的LED光源。

本实施例对三相交流电源的三个单相电路分别进行整流，再连接单相PFC电路，这一点不同于一般的三相六管PFC整流电路。整个电路可以分为单相PFC功率因数校正和三个单相电路并联输出供电两个部分。本实施例的工作原理如下：

三相交流电源分别为A相、B相和C相，其电压u_A，u_B，u_C表示为：

u_A＝V_m|sin(ωt)|    (1)

u_B＝V_m|sin(ωt-60°)|    (2)

u_C＝V_m|sin(ωt+60°)|    (3)

ω是三相交流电压的角频率，t为时间，Vm是输入电压最大值。

根据单相PFC电路的工作原理，输入电流应跟踪输入电压，则三个单相的输入电流i_A，i_B，i_C则应跟踪各相的输入电压，即：

i_A＝kV_m|sin(ωt)|    (4)

i_B＝kV_m|sin(ωt-60°)|    (5)

i_C＝kV_m|sin(ωt+60°)|    (6)

k为输入电压与输入电流的比例系数，则三个单相PFC电路的输入功率p_A，p_B，p_C分别为：

$p_A=u_A{i}_A={\mathrm{kV}}_m^2{\sin }^2\mathrm{\ωt}$

由于三个单相PFC电路的输出端并联连接，再连接LED负载。而LED的端电压是恒定值，记为V_o(LED灯为发光二极管，端电压不变)。考虑到功率传递原理，三个单相PFC电路的输出电流i_a，i_b，i_c分别为：

$i_a=\frac{p_A}{V_o}=k\frac{V_m^2{\sin }^2\mathrm{\ωt}}{V_o}---\left(10\right)$

根据基尔霍夫电流定律，流过LED灯的总电流i_LED应为：

式(13)化简可得：

式(14)表明流过LED灯的电流中含有三个余弦项且相位互差120度，所以可以相互抵消。因此最后流过LED负载的电流为：

$i_{\mathrm{LED}}=k\frac{{3V}_m^2}{{2V}_o}---\left(15\right)$

由式(15)可以看出，主电路输出的电流为恒定值，可以保证LED的恒定的光通量。另根据上述分析，不难得出，单相PFC电路的参考电流I_ref应为：

$I_{\mathrm{ref}}=k\frac{V_m^2}{{2V}_o}=\frac{1}{3}{i}_{\mathrm{LED}}.$

本实施例将三个单相PFC电路的输出端并联，产生占空比控制信号，驱动三个单相PFC电路同时给LED负载供电，并利用输入三相交流电源的相位差，将单相PFC电路输出电流中的交流分量叠加抵消，达到输出恒定功率的目的，无需大容量的电解电容来平衡输出功率，保证了三相LED驱动电源输出的动态稳定，从而大大延长了LED灯的使用寿命。相对于一般采用的利用小容量、较长寿命的薄膜电容来取代电解电容的方案，由于薄膜电容的容值有限，无法直接应用于大功率的LED照明场合，本实施例采用三相电源之间功率平衡的办法，可以不受应用场合的功率限制，尤其是在大功率的LED照明场合。此外，本实施例采用单级式PFC电路，一般的无电解电容的LED驱动电源，多采用多级电路拓扑结构(PFC加后级电路和辅助电路)，加大了能量的损耗，从而减低了系统的效率。本实施例的功率转换效率高，LED负载输入端的功率因数接近于1。

实施例1所述的一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路及其控制方法，电路结构简单，具有较高的功率因数，大大延长了LED的使用寿命，适用于任意拓扑类型的LED电源(尤其适用于大功率的三相LED驱动电源)，具有重要的工业应用价值。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路，其特征在于：包括三相交流电源、EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路和控制单元(1)，三相交流电源的A相输出端依次与EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路相连；所述的控制单元(1)采样单相PFC电路的输入电压、输入电流以及输出电流，经过计算产生占空比信号控制单相PFC电路；三相交流电源的B相、C相与A相设置相同，三个单相PFC电路的输出端并联后连接LED负载。

2.根据权利要求1所述的一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路，其特征在于：所述的控制单元(1)包括输出电流平均值采样电路、差分运放电路、乘法器、比较器、PFC控制电路和PFC驱动电路；输出电流平均值采样电路的输入端与单相PFC电路的输出端相连，输出电流平均值采样电路的输出端与差分运放电路的反相输入端相连，差分运放电路的正相输入端接参考电流I_ref；差分运放电路的输出端与乘法器的输入端相连，该乘法器的另一输入端接单相PFC电路的输入电压；乘法器的输出端与比较器的正相输入端相连，该比较器的反相输入端接单相PFC电路的输入电流；比较器的输出端经PFC控制电路与PFC驱动电路相连，所述的PFC驱动电路控制单相PFC电路的开关管动作。

3.一种三相无电解电容LED电源拓扑电路的控制方法，其步骤为：

步骤一、三相交流电源分别进行单相整流和滤波，得三个相位角互差60°的全波整流信号；

步骤二、控制单元(1)采样单相PFC电路的输出电流以及单相整流桥输出的全波整流信号，形成闭环控制系统，计算产生单相PFC电路所需的占空比信号；

步骤三、利用步骤二产生的占空比信号驱动三个单相PFC电路并联向LED负载供电，三个单相PFC电路输出电流的交流分量相互抵消，从而获得恒定的直流电流，产生稳定的LED光源。