CN105792438A - 一种单位功率因数的降压式单级led驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，公开了一种宽输入电压范围，低THD和单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，前级电路采用分时复用buck电路和buck‑boost电路，与后级反激变换器集成，消除传统降压式PFC电路交流输入电流固有的死区，从而进一步减小输入电流的THD。通过分阶段工作，电路可工作于buck模式，也可工作于buck‑boost工作模式。由于buck‑boost开关管在输入电压小于输出电压的时候工作，可以减少导通死区，同时电路中两个开关管共地，使得驱动控制电路的设计更加简单，实现单位功率因数。

Description

一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路
技术领域
本发明涉及一种高功率因数、低THD的交流-直流开关变换LED驱动电路，具体说是一种单位功率因数的降压式LED恒流驱动电路。
背景技术
近几十年来，电力电子技术得到迅猛发展，电力电子装置应用范围日益广泛，几乎涉及从发电、输电、配电到用电的所有电能应用领域。但随着越来越多的电力电子装置接入电网和用户设备之间，开关电源等产生的各次谐波对电网造成了污染。若没有对谐波进行处理，可能导致电网设备之间互相干扰、通讯系统紊乱、电器误动作、电力系统过热引起火灾等危害。谐波治理问题已越来越受到政府组织、企业、研究机构的重视，权威机构制订了一系列强制性相关标准，如IEC61000-3-2，GB17625.1，明确规定电子设备的谐波电流限值，只有满足规范要求的电子设备才允许上市。25瓦以上的照明电器必需采取功率因数校正技术。
从结构上划分，可以将单相PFC电路分为单级式电路和两级式电路。
两级式电路具有电源输入电压范围宽、输入电流畸变小、THD低、PF高、恒流输出精确，可满足不同场合的LED驱动电源的需求等优点，但是两级式结构所需元器件较多，成本较高；电路结构复杂，损耗高导致效率降低。典型单相Boost PFC输出电压一般在400V左右，所以在PFC输出端往往需要一个高电压等级的电解电容，这将严重影响驱动电源的功率密度以及可靠性。两级式电路主要应用在对成本不敏感，对功率因数要求较高的中大功率场合。
在残酷的市场竞争力面前，在中低功率的LED驱动电源中采用两级功率因数校正，较高的成本给照明LED驱动电源的大力推广带来了阻碍，因此，研究人员开始关注集成式的单级LED驱动电路。单级式电路式将PFC级和DC/DC级结合在一个功率级中，开关管共用，控制电路相对简单，器件少，成本低。目前，常见的单级PFC电路有Boost-Flyback、Buck-Boost-Flyback、Buck-Flyback等。降压隔离型Buck-Flyback因具有较低母线电压和实现宽降压范围，具有应用价值。研究提高其特性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单位功率因的降压式LED恒流驱动电路，以解决降压式PFC电路输入电流死区造成较大的输入电流THD的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单位功率因数降压式单级LED驱动电路，包括：、单相交流输入电源uac、单相整流桥DB、功率开关管S1、功率开关管S2，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电感L1、输出滤波电容Co、母线电容Cf、高频变压器Tx以及LED灯负载；所述交流输入电源uac的两个输入相电压分别与所述整流桥DB的两个交流输入端相连；所述单相整流桥DB的直流侧正输出端分别与所述二级管D1的阴极以及所述电感L1的一端相连；所述单相整流桥DB的直流侧负输出端分别与所述功率开关管S1源极、所述的功率开关管S2源极以及所述二极管D3阳极相连；所述电感L1另一端分别与所述二极管D2的阳极以及所述功率开关管S2漏极相连；所述二极管D2阴极分别与所述母线电容Cf的正极以及所述高频变压器Tx的一次侧同名端相连；所述母线电容Cf负极分别与所述二极管D1阳极、所述二极管D4阳极以及所述二极管D3阴极相连；所述高频变压器Tx的一次侧异名端分别与所述二极管D4的阴极以及所述功率开关管S1漏极相连；所述高频变压器Tx的二次侧异名端与所述二极管D5阳极相连，所述高频变压器Tx的二次侧同名端分别与所述输出滤波电容Co负极性端以及所述LED灯负载一端相连；所述二极管D5阴极分别与所述输出滤波电容Co正极性端以及所述LED灯负载另一端相连。
在本发明一实施例中，所述功率开关管S1以及所述功率开关管S2均为N型功率MOSFET或IGBT管。
在本发明一实施例中，所述功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4以及功率二极管D5均为快恢复二极管。
在本发明一实施例中，所述电感L1以及所述高频变压器一次侧激磁电感的工作模式为电感电流连续CCM模式、BCM模式或DCM模式。
在本发明一实施例中，所述输出滤波电容Co以及所述母线电容Cf均为储能电解电容。
在本发明一实施例中，所述高频变压器Tx为反激型高频变压器。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，根据输入电压瞬时值分阶段不同电路工作，更适合于输入输出电压变化范围大的应用场合；消除传统降压式PFC电路交流输入电流固有的死区，从而进一步减小输入电流的THD；两个开关管共地，使得驱动控制电路的设计更加简单；实现了单级输入输出隔离的效果。
附图说明
图1是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路的L1工作于CCM模式、Lm工作于DCM模式的实施电路图。
图2是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路的驱动信号和输入与母线电压的关系图。
图3是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck工作模式的等效电路图。
图4(a1)是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck工作模式下，uin>uf时，S1导通，且iL1>iLm时的工作状态等效电路图。
图4(a2)是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck工作模式下，uin>uf时，S1导通，且iL1<iLm时的工作状态等效电路图。
图4(b)是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck工作模式下，uin>uf时，S1截止，且iD5>0时的工作状态等效电路图。
图4(c)是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck工作模式下，uin>uf时，S1截止，且iD5＝0时的工作状态等效电路图。
图5是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck-boost工作模式的等效电路图。
图6(a)是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck-boost工作模式下，uin<uf时，S1、S2导通时的工作状态等效电路图。
图6(b)是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck-boost工作模式下，uin<uf时，S1、S2都关断，且iD5>0时的工作状态等效电路图。
图6(c)是本发明中一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路处于buck-boost工作模式下，uin<uf时，S1、S2都关断,且iD5＝0时的工作状态等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，如图1所示，包括：单相交流输入电源uac、单相整流桥DB、功率开关管S1、功率开关管S2，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电感L1、输出滤波电容Co、母线电容Cf、高频变压器Tx以及LED灯负载；交流输入电源uac的两个输入相电压分别与整流桥DB的两个交流输入端相连；单相整流桥DB的直流侧正输出端分别与二级管D1的阴极以及电感L1的一端相连；单相整流桥DB的直流侧负输出端分别与功率开关管S1源极、功率开关管S2源极以及二极管D3阳极相连；电感L1另一端分别与二极管D2的阳极以及功率开关管S2漏极相连；二极管D2阴极分别与母线电容Cf的正极以及高频变压器Tx的一次侧同名端相连；母线电容Cf负极分别与二极管D1阳极、二极管D4阳极以及二极管D3阴极相连；高频变压器Tx的一次侧异名端分别与二极管D4的阴极以及功率开关管S1漏极相连；高频变压器Tx的二次侧异名端与二极管D5阳极相连，高频变压器Tx的二次侧同名端分别与输出滤波电容Co负极性端以及LED灯负载一端相连；二极管D5阴极分别与输出滤波电容Co正极性端以及LED灯负载另一端相连。
进一步的，在本实施例中，图1中的功率开关管S1、二极管D1、二极管D2，二极管D3，二极管D4，电感L1，母线电容Cf以及高频变压器Tx的原边构成buck电路；功率开关管管S2，二极管D1，二极管D2，电感L1，母线电容Cf构成buck-boost电路或Boost电路。负载输出采用反激隔离式。
进一步的，在本实施例中，功率开关管S1以及功率开关管S2均为N型功率MOSFET或IGBT管。
进一步的，在本实施例中，功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4以及功率二极管D5是快恢复二极管。
进一步的，在本实施例中，电感L1以及高频变压器一次侧激磁电感的工作模式为电感电流连续CCM模式、BCM模式或DCM模式。
进一步的，在本实施例中，输出滤波电容Co以及母线电容Cf均为储能电解电容。
进一步的，在本实施例中，高频变压器Tx为反激型高频变压器。
进一步的，在本实施例中，图2为功率MOSFET管S1、S2的控制信号与输入电压瞬时值的关系。uG1为功率开关管管S1的驱动信号，uG2为功率开关管S2的驱动信号。半个交流电源周期可分为buck与buck-boost两种工作模式。下面以电源周期正半周，电感L1电流连续模式(CCM)、高频变压器激磁电感Lm电流断续模式(DCM)为例，分别分析buck模式和buck-boost模式的详细工作过程。
一：buck模式
当单相整流输出电压uin>Uf时，电路工作于buck模式。参照图3，此时功率开关管S2保持截止，S1高频开关工作，各工作状态等效电路如图4所示。
工作模态①：开关管S1开通，工作状态等效电路如图4(a)所示。实际导通回路分两种情况：
(a)、如图4(a1)所示，若iL1>iLm，电感电流iL1通过S1、D2给电解电容Cf和高频变压器励磁电感Lm充电，输出电解电容Co给LED灯负载供电。
(b)、如图4(a2)所示：若iL1<iLm，电感电流iL1通过D2、电解电容Cf通过D3共同给高频变压器励磁电感Lm充电，输出电解电容Co给LED灯负载供电。
工作模态②：开关管S1关断，等效电路如图4(b)所示。电感电流iL1通过二极管D1、D2续流，高频变压器储存的能量通过二极管D5释放，给输出电解电容Co充电，同时给LED灯负载供电。
工作模态③：开关管S1关断，等效电路如图4(c)所示。电感电流iL1通过二极管D1、D2续流，高频变压器储存的能量完全释放进入断续模式(DCM)，输出电解电容Co给LED灯负载供电。
二：buck-boost工作模式。
当单相整流输出电压uin<Uf时，电路工作于buck-boost模式。参照附图5，此时功率MOSFET管S1、S2高频开关工作，各工作状态等效电路如图6所示。
工作模态④：S1、S2同时导通，电流通路如图6(a)。电压uin加在L1上，iL1上升，储能电容Cf通过二极管D3、开关管S1对高频变压器励磁电感Lm充电，储能电容Co给LED灯负载RL供电。
工作模态⑤：S1、S2同时关断，电流通路如图6(b)。电压uin加在L1上，iL1上升，高频变压器储存的能量通过二极管D5释放，给输出电解电容Co充电，同时给LED灯负载供电。
工作模态⑥：S1、S2同时关断，电流通路如图6(c)。电感电流iL1通过二极管D1、D2续流，高频变压器储存的能量完全释放进入断续模式(DCM)，输出电解电容Co给LED灯负载供电。
从一个完整的电源周期看，在实现了输入电流跟踪输入电压的同时，使得输出电流恒定不变。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，其特征在于，包括：单相交流输入电源uac、单相整流桥DB、功率开关管S1、功率开关管S2，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、电感L1、输出滤波电容Co、母线电容Cf、高频变压器Tx以及LED灯负载；所述交流输入电源uac的两个输入相电压分别与所述整流桥DB的两个交流输入端相连；所述单相整流桥DB的直流侧正输出端分别与所述二级管D1的阴极以及所述电感L1的一端相连；所述单相整流桥DB的直流侧负输出端分别与所述功率开关管S1源极、所述功率开关管S2源极以及所述二极管D3阳极相连；所述电感L1另一端分别与所述二极管D2的阳极以及所述功率开关管S2漏极相连；所述二极管D2阴极分别与所述母线电容Cf的正极以及所述高频变压器Tx的一次侧同名端相连；所述母线电容Cf负极分别与所述二极管D1阳极、所述二极管D4阳极以及所述二极管D3阴极相连；所述高频变压器Tx的一次侧异名端分别与所述二极管D4的阴极以及所述功率开关管S1漏极相连；所述高频变压器Tx的二次侧异名端与所述二极管D5阳极相连，所述高频变压器Tx的二次侧同名端分别与所述输出滤波电容Co负极性端以及所述LED灯负载一端相连；所述二极管D5阴极分别与所述输出滤波电容Co正极性端以及所述LED灯负载另一端相连。
2.据权利要求1所述的一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，其特征在于，所述功率开关管S1以及所述功率开关管S2均为N型功率MOSFET或IGBT管。
3.根据权利要求1所述的一种单位功率因数降压式单级LED驱动电路，其特征在于，所述功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4以及功率二极管D5均为快恢复二极管。
4.根据权利要求1所述的一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，其特征在于，所述电感L1以及所述高频变压器一次侧激磁电感的工作模式为电感电流连续CCM模式、BCM模式或DCM模式。
5.根据权利要求1所述的一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，其特征在于，所述输出滤波电容Co以及所述母线电容Cf均为储能电解电容。
6.根据权利要求1所述的一种单位功率因数的降压式单级LED驱动电路，其特征在于，所述高频变压器Tx为反激型高频变压器。
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