CN106332355A - 一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源 - Google Patents

一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Boost和Flyback电路的高效率无电解电容LED驱动电源，包括交流输入电源、桥式整流电路、反激变压器、辅助电路、主开关管、整流二极管、输出滤波电容及LED负载。本发明有如下特点和优点：1）辅助电路可以平衡输入功率p in 和输出功率p o 的低频脉动功率，并恒流驱动LED负载；2）储能电容电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的形式，因而可以使用小容值的非电解电容(如薄膜电容等)作为储能电容；3）辅助电路与Boost主电路形成三端口DC/DC变换器，大部分输入功率只经过一次能量变换就到达LED负载，因而效率高；4）将Boost与Flyback有机结合，实现Boost电感与Flyback原边绕组的共用，提高了拓扑功率密度。5）在主开关管S 1 关断后，实现漏感能量的回收利用，抑制漏感电压尖峰的同时，提高了整机效率。6）通过将Boost和Flyback输出端并联实现对开关管S 1 的电压箝位，降低电压应力。

Description

一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED 驱动电源
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术和LED照明技术，特别是涉及一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容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
目前，照明每年需要消耗2650TW.h的能量，占据了全世界用电总量的20%左右。于是针对能源危机和环境污染日益严重的问题，世界各国纷纷以节能减排、环境保护为宗旨大力发展新型高效的照明光源。
发光二极管(light-emitting diode ,LED) 是继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后的第4 代照明光源，它具有光效高、寿命长、体积小、节能环保、易调光等优点。随着LED 照明技术的日益成熟，它将被广泛应用于各个领域，并成为照明光源的首选。高品质的LED 驱动电源是构成LED照明系统的关键部分，直接影响LED发光品质及照明系统的整体性能。
在交流供电场合，为了达到高功率因数(power factor，PF)，满足IEC61000-3-2的谐波要求，LED驱动电源需要实现功率因数校正(power factor correction，PFC)功能。当功率因数为1 时，输入电流为与输入电压同相位的正弦波，其输入功率呈现两倍输入频率的脉动形式，而LED 的输出功率为平直功率，为了匹配瞬时输入输出功率的不平衡，需要一个容量较大的储能电容，该电容一般选用电解电容。电解电容的使用寿命只有10kh 左右，远低于 LED 的80~100 kh的长寿命，是影响 LED驱动电源整体寿命的主要元件。
为了提高 AC/DC LED 驱动电源的使用寿命，有必要去除电解电容。在满足功率因数的前提下，通过在输入电流中注入三次和五次谐波可以减小输入功率脉动，从而减小储能电容容值大小。采用脉动电流来驱动LED，瞬时输入和输出功率接近或者相同，可以减小甚至消除储能电容。然而，脉动电流驱动LED 一般用于景观或者街道照明，在一些对光源质量要求较高的场合并不适合。采用电感作为储能元件可以代替或者减小储能电容，但是电感的储能密度较小，其体积较大，同时还会存在损耗。
发明内容
本发明目的在于克服AC/DC LED驱动电源因电解电容的使用而降低LED照明整体寿命的缺点，克服传统两级拓扑结构LED驱动电源集成度低、整机效率低、器件多、体积大等缺点，提供一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源。具有较高的拓扑集成度、且各开关管的逻辑控制简单。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源，包括：桥式整流电路、反激变压器、主开关管S 1 、整流二极管D R1 、辅助电路、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反激变压器、主开关管S 1 、整流二极管D R1 、辅助电路、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；所述反激变压器由原边绕组N p 和副边绕组N s 组成；所述辅助电路由第二开关管S 2 、第六二极管D R2 、第三开关管S 3 、储能电容C b 组成；第三开关管S 3 源极连接输出滤波电容C o 正极、LED负载的正极与整流二极管D R1 阴极的公共节点，第三开关管S 3 漏极连接储能电容C b 的正极与第六二极管D R2 阴极的公共节点，第二开关管S 2 的源极连接第三二极管D r3 和第四二极管D r4 的阳极的公共节点，第二开关管S 2 的漏极连接主开关管S 1 的源极、输出滤波电容C o 负极、LED负载的负极、储能电容C b 的负极的公共节点。
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。
所述原边绕组N p 、主开关管S 1 、第五二极管D R1 共同作用实现输入功率因数校正和调节储能电容C b 的电压。所述原边绕组N p 工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正。
所述储能电容C b 匹配瞬时输入功率和输出功率的低频脉动功率，并且储能电容C b 的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式，其容值较小，以消除AC/DC LED恒流驱动电源对电解电容的依赖。
所述第六二极管D R2 为储能电容C b 提供能量储存通道。
所述第三开关管S 3 在输入功率小于输出功率(p in <p o )条件下通过释放能量实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。
所述第二开关管S 2 在输入功率大于输出功率(p in >p o )条件下实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。
所述滤波电容C o 可以滤除输出电压纹波。
所述辅助电路以平衡输入功率p in 和输出功率p o 的低频功率脉动，并恒流驱动LED负载。与现有技术相比，本发明主要技术特点和优点是：1）辅助电路可以平衡输入功率p in 和输出功率p o 的低频脉动功率，并恒流驱动LED负载；2）储能电容电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的形式，因而可以使用小容值的非电解电容(如薄膜电容等)作为储能电容；3）辅助电路与Boost主电路形成三端口DC/DC变换器，大部分输入功率只经过一次能量变换就到达LED负载，因而效率高；4）将Boost与Flyback有机结合，实现Boost电感与Flyback原边绕组的共用，提高了拓扑功率密度。5）在主开关管S 1 关断后，实现漏感能量的回收利用，抑制漏感电压尖峰的同时，提高了整机效率。6）通过将Boost和Flyback输出端并联实现对开关管S 1 的电压箝位，降低电压应力。
附图说明
图1为传统的两级式LED驱动电源结构框图。
图2为本发明的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源的原理框图。
图3为本发明的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源的主电路。
图4为本发明的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源的主要工作波形。
图5为本发明的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源主电路在p in <p o 条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形。
图6为本发明的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源主电路在p in >p o 条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形。
图7为本发明的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源主电路在p in <p o 条件下各开关模态的等效电路图。
图8为本发明的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源主电路在p in >p o 条件下各开关模态的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例一：图2为本实施例的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源原理框图。驱动电源主电路为基于Boost-Flyback集成的三端口变换器，所谓三端口分别为市电经整流后功率输入端、负载功率输出端和储能电容功率交换端，其中储能电容用于在不同输入功率条件下能够起到平衡瞬时输入功率p in 和输出功率p o 的作用，通过储能电容的调节能够实现输出功率恒定的要求，为LED负载提供恒定驱动电流。
实施例二：如图3所示为本实施例的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源主电路图，本实施例与实施例一基本相同，其特别之处如下：
一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源，包括：桥式整流电路（1）、反激变压器（2）、主开关管S 1 （3）、整流二极管D R1 （4）、辅助电路（5）、输出滤波电容（6）及LED负载（7）。其特征在于：所述桥式整流电路（1）依次接反激变压器（2）、主开关管S 1 （3）、整流二极管D R1 （4）、辅助电路（5）、输出滤波电容（6）及LED负载（7）。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；所述反激变压器（2）由原边绕组N p 和副边绕组N s 组成；所述辅助电路（5）由第二开关管S 2 、第六二极管D R2 、第三开关管S 3 、储能电容C b 组成；第三开关管S 3 源极连接输出滤波电容C o （6）正极、LED负载（7）的正极与整流二极管D R1 （4）阴极的公共节点，第三开关管S 3 漏极连接储能电容C b 的正极与第六二极管D R2 阴极的公共节点，第二开关管S 2 的源极连接第三二极管D r3 和第四二极管D r4 的阳极的公共节点，第二开关管S 2 的漏极连接主开关管S 1 （3）的源极、输出滤波电容C o （6）负极、LED负载（7）的负极、储能电容C b 的负极的公共节点。
所述原边绕组N p 工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正。所述储能电容(C b )的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式以消除AC/DC LED恒流驱动电源对电解电容的依赖。辅助电路(4)以平衡输入功率p in 和输出功率p o 的低频功率脉动，并恒流驱动LED负载(7)。
下面以图3为本实施案例的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源主电路，结合附图4—8叙述本发明的具体工作原理，设计原理：
图4为本发明所提出的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源的主要工作波形。为了获得高输入功率因数，Boost电路中的电感即反激变压器的原边绕组N p 工作在电流断续状态(discontinuous current mode, DCM)，实现功率因数校正。为了匹配瞬时输入功率和输出功率的低频脉动功率，在Boost主电路上以三端口网络形式加入辅助电路，辅助电路中储能电容C b 的能量可以实现双向流动，辅助电路的电感为反激变压器的副边绕组N s 。在一个工频周期，当输入功率p in 小于输出功率p o 时，S 2 一直开通，通过控制S 1 、S 3 的导通状态可以为LED负载提供恒定工作电流，此时，储能电容C b 释放能量至输出负载以补偿输出功率与输入功率的能量差，所以储能电容的电压v cb 下降；当输入功率p in 大于输出功率p o 时，S 3 一直关断，控制S 1 、S 2 的开关状态可以实现为LED负载提供恒定工作电流，此时，剩余的能量储存在电容C b 上，所以储能电容的电压v cb 上升。由此可见，该LED驱动电源在p in <p o 的工作状态和在p in >p o 的工作状态是截然不同的。图5为主电路在p in <p o 条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形；图6主电路在p in >p o 条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形
1.不同功率条件下的工作原理分析
1.1 当p in <p o 时的工作模态分析
图5为主电路p in <p o 条件下的开关管逻辑序列，此时共有四个不同的工作模态，其开关模态的等效电路图如图7所示。
1）工作模态1，[t o ,t 1 ]：其等效工作电路如图7(a)所示。t o 时刻之前，Boost电路电感即反激变压器原边绕组N p 的电流为零，滤波电容C o 向LED负载供电。在p in <p o 功率条件下开关管S 2 一直开通，在t o 时刻，开关管S 1 导通，整流二极管D r1 和D r4 (或者D r2 和D r3 )导通，输入电压经整流后加到原边绕组N p 上，电流从零开始线性上升，同时开关管S 3 导通，储能电容通过开关管S 3 向负载提供能量，用来补偿输入功率的不足。
2）工作模态2，[t 1 ,t 2 ]：其等效工作电路如图7(b)所示，在t 1 时刻开关管S 1 关断，电感电流线性上升到S 1 一个开关周期内的最大值。在t 1 时刻开关管S 1 关断，电感电流通过整流二极管D R1 向输出侧流动，变压器副边绕组的能量通过第六二极管D R2 传递到LED负载，同时储能电容中储存的能量也通过开关管S 3 传递到负载侧，以补偿输入端功率不足，实现功率平衡，电源功率和电感的储能向LED负载和输出滤波电容转移，此时电感电流开始线性下降，在t 2 时刻电感电流下降为零。
3）工作模态3，[t 2 ,t 3 ]：其等效工作电路如图7(c)所示，由于在t 2 时刻电感电流下降为零，即原边绕组N p 中已经没有能量，所以副边绕组N s 不能够给负载提供能量，所以此时电路中只有储能电容通过开关管S 3 向负载提供能量。
4）工作模态4，[t 3 ,t 4 ]：其等效工作电路如图7(d)所示，在这个开关模态中，电感电流为零，电感工作在电流断续状态，且开关管S 3 在t 3 时刻关断，滤波电容C o 向LED负载供电。
在p in <p o 功率条件下，为了保证输出功率恒定，需要储能电容C b 向LED负载提供能量，所以应该调节控制储能电容释放能量大小的开关管S 3 的占空比，以保证输出电流恒定和输出功率恒定。
1.2 当p in >p o 时的工作模态分析
图6为主电路在p in >p o 条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形，此时共有四个不同的工作模态，其开关模态的等效电路如图8所示。
1）工作模态1，[t 0 ,t 1 ]：其等效工作电路如图8(a)所示，与图7(a)类似，暂态分析也类似。在p in >p o 条件下，因输入功率大于输出功率，只需要电源和原边绕组向负载提供能量，不需要储能电容通过开关管S 3 向负载提供能量，所以开关管S 3 始终处于关闭状态，储能电容始终处于充电储能状态。t o 时刻之前，电感电流为零，滤波电容C o 向LED负载供电。在t o 时刻，开关管S 1 和S 2 导通，整流二极管D r1 和D r4 (或者D r2 和D r3 )导通，输入电压经整流后加到原边绕组N p 上，原边绕组开始储能，电感电流从零开始线性上升。
2）工作模态2，[t 1 ,t 2 ]：其等效工作电路如图8(b)所示，在t 1 时刻开关管S 1 关断，电感电流线性上升到S 1 一个开关周期中的最大值。在t 1 时刻开关管S 1 关断，电感电流通过整流二极管D R1 向输出侧流动，电源功率和电感的储能向LED负载和输出滤波电容转移，同时变压器副边绕组N s 中储存的能量通过二极管D R2 传递到储能电容，此时电感电流开始线性下降。为了保证向LED负载提供恒定工作电流，在每一个开关周期中负载释放的能量必须恒定，所以在t 2 时刻开关管S 2 关断，电源功率和电感L的储能停止向LED负载和输出滤波电容转移。
3）工作模态3，[t 2 ,t 3 ]：其等效工作电路如图8(c)所示。在t 2 时刻开关管S 2 关断，电源功率和电感剩余储能由变压器副边绕组N s 通过二极管D R2 向储能电容C b 转移，储能电容C b 被充电，电容电压上升。
4）工作模态4，[t 3 ,t 4 ]：其等效工作电路如图8(d)所示。在t 3 时刻，储存在原边绕组剩余能量继续向储能电容释放，滤波电容C o 向LED负载供电。
在p in <p o 功率条件下，为了使输出电流恒定从而保证输出功率恒定，需要储能电容C b 向LED负载提供能量，所以应该控制S 1 、S 2 的占空比，以保证输出电流恒定和输出功率恒定。
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。应理解上述实施例子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)

1.一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源，包括：桥式整流电路（1）、反激变压器（2）、主开关管S 1 （3）、整流二极管D R1 （4）、辅助电路（5）、输出滤波电容（6）及LED负载（7），其特征在于：所述桥式整流电路（1）依次接反激变压器（2）、主开关管S 1 （3）、整流二极管D R1 （4）、辅助电路（5）、输出滤波电容（6）及LED负载（7）。
2.根据权利要求1所述的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容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；所述反激变压器（2）由原边绕组N p 和副边绕组N s 组成；所述辅助电路（5）由第二开关管S 2 、第六二极管D R2 、第三开关管S 3 、储能电容C b 组成；第三开关管S 3 源极连接输出滤波电容C o （6）正极、LED负载（7）的正极与整流二极管D R1 （4）阴极的公共节点，第三开关管S 3 漏极连接储能电容C b 的正极与第六二极管D R2 阴极的公共节点，第二开关管S 2 的源极连接第三二极管D r3 和第四二极管D r4 的阳极的公共节点，第二开关管S 2 的漏极连接主开关管S 1 （3）的源极、输出滤波电容C o （6）负极、LED负载（7）的负极、储能电容C b 的负极的公共节点。
3.根据权利要求2所述的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源，其特征在于：所述原边绕组N p 工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正。
4.根据权利要求2所述的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源，其特征在于：所述储能电容(C b )的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式以消除AC/DC LED恒流驱动电源对电解电容的依赖。
5.根据权利要求1所述的一种基于Boost和Flyback电路集成的非隔离无电解电容LED驱动电源，其特征在于：辅助电路(4)以平衡输入功率p in 和输出功率p o 的低频功率脉动，并恒流驱动LED负载(7)。
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