CN104768291A - 改进型Cuk无电解电容LED驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源，包括桥式整流电路、Cuk电路、辅助二极管、输出滤波电容及LED负载；所述桥式整流电路依次接Cuk电路、输出滤波电容及LED负载，所述辅助二极管连接在Cuk电路内。本发明辅助二极管打破传统Cuk变换器的低频功率回路，具有承受反向电压，保护整流桥的作用；通过增大储能电容纹波电压，采用容值较小的高压薄膜电容替代电解电容，并实现功率解耦的功能；该改进型Cuk无电解电容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

改进型Cuk无电解电容LED驱动电源

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种改进型Cuk无电解电容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

高亮度发光二极管(light- emitting diode, LED) 因其高光效、长寿命、环保及小体积等优点，有望成为继白炽灯、荧光灯和高压钠灯之后的第四代照明光源。LED 照明由 LED 芯片、灯具和驱动电源三部分构成。驱动电源是 LED 照明的核心部分，其输出电流决定 LED的亮度、光通量和发光效率等光度学性能指标，故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。

交流供电 LED 驱动电源必须具备功率因数校正和恒流输出两大功能。当输入电流与输入电压为同频同相的正弦电流时，输入瞬时功率为两倍工频脉动功率，而LED负载功率理论上为恒定值，这就导致输入输出瞬时功率不平衡。因此，一般都采用大容量电解电容平衡输入输出瞬时功率之间的脉动功率。然而，电解电容在额定工作条件下的寿命只有几千小时，这与 LED 的理论寿命（10万小时）不匹配，无电解电容 LED 驱动电源的研究成为了目前的研究热点。Flyback反激变换器在隔离的应用中是最常见的拓扑，但开关管电压应力较高，必须加入吸收电容来抑制变压器漏感引起的振荡和尖峰；更为重要的是变压器工作于第一象限，变压器磁利用率不高，导致效率较低；并且LED 驱动电源通常包含多个开关管，提高了成本，同时使得控制电路的设计较为复杂，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传统LED驱动电源寿命短、体积大、开关元件多等缺点，克服Cuk电路低频功率回路，克服隔离式电解电容LED驱动电源效率低、开关管电压应力高的缺点，提供一种改进型Cuk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：

一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源，包括桥式整流电路、Cuk电路、辅助二极管、输出滤波电容及LED负载；所述桥式整流电路依次接Cuk电路、输出滤波电容及LED负载，所述辅助二极管连接在Cuk电路内。

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Cuk电路由第一电感、开关管、储能电容、第五二极管、第二电感组成；所述第一电感的一端连接第一二极管与第二二极管的阴极的公共节点，另一端连接开关管漏极与储能电容的正极的公共节点，所述第五二极管的阳极连接储能电容的负极与第二电感，第五二极管的阴极与开关管源极、第三二极管与所述第四二极管的阳极的公共节点、输出滤波电容正极、LED负载的正极相连；第二电感的一端与输出滤波电容负极、LED负载的负极相连；所述的辅助二极管的阴极连接开关管漏极与储能电容的正极的公共节点，阳极与第一电感相连。

由所述第一二极管、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。所述辅助二极管打破传统 Cuk 变换器的低频功率回路，当第一电感电流减为零时，辅助二极管能够快速反向截止，承受反向电压，以保护整流桥。

所述储能电容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薄膜电容替代电解电容，因而LED驱动电源具有长寿命特点。所述输出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：

本发明辅助二极管打破传统 Cuk 变换器的低频功率回路，具有承受反向电压，保护整流桥的作用；通过增大储能电容纹波电压，采用容值较小的高压薄膜电容替代电解电容，并实现功率解耦的功能；该改进型Cuk无电解电容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为本发明的一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源主电路。

图2为本发明的一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源主电路的一个工频周期主要工作波形。

图3为本发明的一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源主电路在一个开关周期内主要工作波形。

图4为本发明的一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源主电路在一个开关周期内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。

如图1所示，一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源，其特征在于：包括桥式整流电路1、Cuk电路2、辅助二极管3、输出滤波电容4及LED负载5；所述桥式整流电路1依次接Cuk电路2、输出滤波电容4及LED负载5，所述辅助二极管3连接在Cuk电路2内。

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Cuk电路2由第一电感L ₁、开关管S、储能电容C_a、第五二极管D₂、第二电感L ₂组成；所述第一电感L ₁的一端连接第一二极管D_r1与第二二极管D_r2的阴极的公共节点，另一端连接开关管S漏极与储能电容C_a的正极的公共节点，所述第五二极管D₂的阳极连接储能电容C_a的负极与第二电感L ₂，第五二极管D₂的阴极与开关管S源极、第三二极管D_r3与所述第四二极管D_r4的阳极的公共节点、输出滤波电容4正极、LED负载5的正极相连；第二电感L ₂的一端与输出滤波电容4负极、LED负载5的负极相连；所述的辅助二极管3的阴极连接开关管S漏极与储能电容C_a的正极的公共节点，阳极与第一电感L ₁相连。

下面结合附图1—4叙述本实施例的具体工作原理、设计原理：

从图1的主电路拓扑构成可见：主电路拓扑结构是改进型 Cuk 电路，利用快恢复二极管打破传统的低频功率回路，使得在电感电流断续后反向阻断二极管能够快速反向截止，承受反向电压，以保护整流桥；同时由于辅助二极管3的反向阻止作用，使得第一电感L ₁电流i _L1能够继续保持为零。

从图2的主要工作波形可见：理论上输入电流与输入电压为同频同相的正弦电流，输入瞬时功率为两倍工频脉动功率，LED 负载5功率理论上为恒定值，从而导致输入输出瞬时功率不平衡。因此，采用长寿命的储能电容C_a平衡输入输出瞬时功率之间的差值。由开关管S控制储能电容C_a的平均电压，并将储能电容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。

本发明的主电路工作原理分析如下：

图3为主电路在一个开关周期内的主要工作波形，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 [t ₀,t ₁]：等效电路如图4(a)所示。在t=t_o 时，开关管S，辅助二极管3导通，第五二极管D₂因反偏而截止，第一电感L ₁，第二电感L ₂电流线性上升。此时形成两条回路：一为输入电压v _in，第一电感L ₁，辅助二极管3和开关管S回路，在输入电压v _in的作用下，第一电感L ₁电流i _L1线性增长；二为储能电容C_a，开关管S，输出滤波电容4和第二电感L ₂回路，第二电感L ₂电流i _L2线性增长，同时储能电容C_­a向负载供电，对应图3所示电流波形的D ₁ T _S段。

(1)

(2)

(3)

t ₁时刻开关管S关断，该时刻i _L1，i _L2，i _Ca大小分别为：

(4)

(5)

式中D ₁是在开关管S的占空比，T _S是开关管S开关周期。

2）开关模态2 [t ₁,t ₂]：等效电路如图4(b)所示。在t=t₁ 时，开关管S关断，辅助二极管3，第五二极管D₂导通。此时同样形成两个回路：一为输入电压v _in，第一电感L ₁，辅助二极管3，储能电容C_a和第五二极管D₂回路。输入电压v _in和第一电感L _l的释能电流i _L1同时向储能电容C_a充电，储能电容C_a储能增加，电感电流i _L1和电容电流i _Ca线性下降；二为第二电感L ₂，第五二极管D₂，输出滤波电容4回路。第二电感L ₂通过第五二极管D₂续流，i _L2线性下降。此时，第一电感L ₁和第二电感L ₂上电压分别为|v _in-v _Ca|和-v _o，当第一电感L ₁电流下降为零时，该模态结束。此阶段电感电流i _L1和电容电流i _Ca的表达式为：

(6)

在t ₂时刻，i_{L 1}下降为零，t ₁到t ₂的时间间隔为：

(7)

3）开关模态3 [t ₂ ,t ₃]：等效电路如图4(c)所示。辅助二极管3因为第一电感L ₁电流减为零而自动关断，并实现快速反向截止，承受反向电压，以保护整流桥；同时i _L1继续保持为零，打破传统Cuk低频功率回路。电感电流i _L2通过第五二极管D₂续流，线性下降直至为零。

在t ₃时刻，i _L2下降到零，t ₂到t ₃的时间间隔为：

(8)

4）开关模态4 [t ₃ ,t ₄]：等效电路如图4(d)所示。在此开关模态中，开关管S、辅助二极管3和第五二极管D₂关断，i _L1和i _L2均为零，输出滤波电容4向负载提供能量，维持LED负载5的正常工作。

为了实现高输入功率因数，LED 驱动电源工作在电流断续模式，因此D ₁ Ts、∆T₁和∆T₂的时间总和必须小于一个开关周期。

Claims (3)

1.一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源，其特征在于：包括桥式整流电路（1）、Cuk电路（2）、辅助二极管（3）、输出滤波电容（4）及LED负载（5）；所述桥式整流电路（1）依次接Cuk电路（2）、输出滤波电容（4）及LED负载（5），所述辅助二极管（3）连接在Cuk电路（2）内。

2.根据权利要求1所述的一种改进型Cuk无电解电容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。

3.根据权利要求1所述的一种改进型Cuk无电解电容LED驱动电源，其特征在于：所述Cuk电路（2）由第一电感（L ₁）、开关管（S）、储能电容（C_a）、第五二极管（D₂）、第二电感（L ₂）组成；所述第一电感（L ₁）的一端连接第一二极管（D_r1）与第二二极管（D_r2）的阴极的公共节点，另一端连接开关管（S）漏极与储能电容（C_a）的正极的公共节点，所述第五二极管（D₂）的阳极连接储能电容（C_a）的负极与第二电感（L ₂），第五二极管（D₂）的阴极与开关管（S）源极、第三二极管（D_r3）与所述第四二极管（D_r4）的阳极的公共节点、输出滤波电容（4）正极、LED负载（5）的正极相连；第二电感（L ₂）的一端与输出滤波电容（4）负极、LED负载（5）的负极相连；所述的辅助二极管（3）的阴极连接开关管（S）漏极与储能电容（C_a）的正极的公共节点，阳极与第一电感（L ₁）相连。