CN107041036B - 一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路。包括单相交流输入电源vin、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第九功率二极管Ds1、第十功率二极管Ds2、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、输出电容Cbus、谐振电容Cr、输出电容Co、升压电感Lb、谐振电感Lr、高频变压器T（包含原边绕组Np、副边绕组Ns1、副边绕组Ns2）、LED灯负载。本发明通过提出一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，实现高功率因数、低导通损耗、软开关，并且提高驱动电路性能价格比。

Description

一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路
技术领域
本发明涉及高功率因数、低导通损耗、软开关的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路。
背景技术
随着半导体技术的快速发展，第四代电光源LED得到了大面积的推广与使用。与传统的电光源相比，LED具有很多不可比拟的优势，如寿命长、效率高、功耗低、亮度高、体积小、调光性好、无污染等优点，因此在照明领域的应用显得尤为突出。LED照明系统包含LED驱动电源与LED灯具两部分，长寿命是LED电光源突出的特点，但是驱动电源的寿命却成为短板。高效节能的大功率LED驱动电源成为业界的一个重要研究方向。另外，照明电器需要满足一系列强制性相关标准，如IEC555-2、IEC1000-3-2等标准。因此功率因数校正（PowerFactor Correction—PFC）技术成为LED驱动电路领域里的一个关键技术。
高频化、小型化是目前开关电源设计的一个重要指标。大部分的变换器都是工作在硬开关模式，其开关频率的提高会产生很大的开关损耗，降低了系统的转换效率。因此旨在减小开关损耗的软开关技术也成为电力电子研究领域里重要的一个研究热点。谐振变换器，包括串联、并联、串并联谐振变换器等都是常见的软开关变换器。LLC谐振变换器的开关管能够工作在软开关模式，其开关损耗能够保持在一个很低的水平，在中大功率LED驱动系统中得到了广泛的应用。一般情况下，独立的LLC谐振变换器的效率都在90%以上。
传统的交流输入LED驱动电源通常采用两级结构，前级为功率因数校正电路，后级为DC-DC变换电路。两级结构的驱动电源需要分别采用两套独立的控制系统，因此其成本高，且可靠性差。近年来，越来越多的学者开始关注单级LED驱动电源。单级电路将两级电路的开关管复用从而集成为一级，减少了开关管的数量且只需要一套控制系统，提高了可靠性并降低了成本，具有重要的工程应用价值。
另外，与传统的整流桥有源功率因数校正电路相比，无桥Boost电路的功率导通回路少了一个二极管，减少了导通损耗，提高效率。将无桥Boost电路与LLC电路集成为单级LED驱动电路具有低导通损耗和软开关等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，使电路达到高效率、高功率因数，并且提高驱动电路性能价格比。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，包括单相交流输入电源vin、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第九功率二极管Ds1、第十功率二极管Ds2、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一输出电容Cbus、第二输出电容Co、谐振电容Cr、升压电感Lb、谐振电感Lr、高频变压器T、LED灯负载；所述第一功率二极管D1的阴极与第一输出电容Cbus的正端、第三功率二极管D3的阴极、第一功率开关管S1的漏极及谐振电感Lr的一端相连，所述第二功率二极管D2的阴极与单相交流输入电源vin的一端、第五功率二极管D5的阳极、第一功率二极管D1的阳极相连接，所述第二功率二极管D2的阳极与第一输出电容Cbus的负端、第四功率二极管D4的阳极、第二功率开关管S2的源极及第八功率二极管D8的阳极相连接，所述单相交流输入电源vin的另一端与升压电感Lb的一端相连接，所述升压电感Lb的另一端与第六功率二极管D6的阳极、第三功率二极管D3的阳极及第四功率二极管D4的阴极相连接，所述第五功率二极管D5的阴极与第六功率二极管D6的阴极、第七功率二极管D7的阴极及第二功率开关管S2漏极相连接，所述第七功率二极管D7的阳极与谐振电容Cr的一端、第八功率二极管D8的阴极及第一功率开关管S1的源极相连接，所述谐振电感Lr的另一端与所述的高频变压器T的原边绕组Np的同名端相连接，所述的谐振电容Cr的另一端与高频变压器T的原边绕组Np的异名端相连接；所述高频变压器T的副边绕组Ns1的异名端与高频变压器T的副边绕组Ns2的同名端、第二输出电容Co的负端及LED灯负载的一端相连接，所述高频变压器T的副边绕组Ns1的同名端与第九功率二极管Ds1的阳极相连接，所述高频变压器T的副边绕组Ns2的异名端与第十功率二极管Ds2的阳极相连接，所述第九功率二极管Ds1的阴极与第十功率二极管Ds2的阴极、第二输出电容Co的正端以及LED灯负载的另一端相连接。
在本发明一实施例中，所述单相交流输入电源vin、升压电感Lb、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第二功率开关管S2、第一输出电容Cbus构成准无桥Boost电路；所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第二输出电容Co、谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频变压器T、LED灯负载构成LLC电路；其中，第二功率开关管S2为无桥Boost电路和LLC电路的复用功率开关管；且无桥Boost电路能够工作在DCM模式、BCM模式或者CCM模式下，LLC电路工作于ZVS区域。
在本发明一实施例中，所述第一功率二极管D1、第三功率二极管D3、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第九功率二极管Ds1、第十功率二极管Ds2为快恢复二极管；所述第二功率二极管D2、第四功率二极管D4为快恢复二极管或整流二极管。
在本发明一实施例中，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2为功率MOSFET管，且采用PFM控制方式。
在本发明一实施例中，所述谐振电容Cr为高频电容；所述第一输出电容Cbus、第二输出电容Co为电解电容。
在本发明一实施例中，所述谐振电感Lr为所述高频变压器T的漏感或外加电感。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出了一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，只需要一套控制电路，可以提高电路可靠性，降低成本；
2、采用无桥功率因数校正Boost电路，进一步降低电路导通损耗；并且该无桥Boost电路的工作模式不受限制。
附图说明
图1是本发明的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路原理图。
图2 是本发明实施例的正半周期8个模态对应的关键波形。
图3是本发明实施例的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路工作阶段等效电路图一。
图4是本发明实施例的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路工作阶段等效电路图二。
图5是本发明实施例的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路工作阶段等效电路图三。
图6是本发明实施例的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路工作阶段等效电路图四。
图7是本发明实施例的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路工作阶段等效电路图五。
图8是本发明实施例的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路工作阶段等效电路图六。
图9是本发明实施例的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路工作阶段等效电路图七。
图10是本发明实施例的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路工作阶段等效电路图八。
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。
如图1所示，本实施例提供了一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，包括单相交流输入电源vin、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第九功率二极管Ds1、第十功率二极管Ds2、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一输出电容Cbus、第二输出电容Co、谐振电容Cr、升压电感Lb、谐振电感Lr、高频变压器T（包含原边绕组Np、副边绕组Ns1、副边绕组Ns2）、LED灯负载。
所述第一功率二极管D1的阴极与第一输出电容Cbus的正端、第三功率二极管D3的阴极、第一功率开关管S1的漏极及谐振电感Lr的一端相连，所述第二功率二极管D2的阴极与单相交流输入电源vin的一端、第五功率二极管D5的阳极、第一功率二极管D1的阳极相连接，所述第二功率二极管D2的阳极与第一输出电容Cbus的负端、第四功率二极管D4的阳极、第二功率开关管S2的源极及第八功率二极管D8的阳极相连接，所述单相交流输入电源vin的另一端与升压电感Lb的一端相连接，所述升压电感Lb的另一端与第六功率二极管D6的阳极、第三功率二极管D3的阳极及第四功率二极管D4的阴极相连接，所述第五功率二极管D5的阴极与第六功率二极管D6的阴极、第七功率二极管D7的阴极及第二功率开关管S2漏极相连接，所述第七功率二极管D7的阳极与谐振电容Cr的一端、第八功率二极管D8的阴极及第一功率开关管S1的源极相连接，所述谐振电感Lr的另一端与所述的高频变压器T的原边绕组Np的同名端相连接，所述的谐振电容Cr的另一端与高频变压器T的原边绕组Np的异名端相连接；所述高频变压器T的副边绕组Ns1的异名端与高频变压器T的副边绕组Ns2的同名端、第二输出电容Co的负端及LED灯负载的一端相连接，所述高频变压器T的副边绕组Ns1的同名端与第九功率二极管Ds1的阳极相连接，所述高频变压器T的副边绕组Ns2的异名端与第十功率二极管Ds2的阳极相连接，所述第九功率二极管Ds1的阴极与第十功率二极管Ds2的阴极、第二输出电容Co的正端以及LED灯负载的另一端相连接。
在本实施例中，所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，单相交流输入电源vin、升压电感Lb、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第二功率开关管S2、第一输出电容Cbus构成准无桥Boost电路；第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第二输出电容Co、谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频变压器T（包含原边绕组Np、副边绕组Ns1、副边绕组Ns2）、LED灯负载构成LLC电路。其中，第二功率开关管S2为无桥Boost电路和LLC电路的复用功率开关管。其中无桥Boost电路可以工作在DCM模式下,也可以工作在BCM模式或者CCM模式下，LLC电路工作于ZVS区域。
在本实施例中，所述的第一功率二极管D1、第三功率二极管D3、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第九功率二极管Ds1、第十功率二极管Ds2为快恢复二极管，第二功率二极管D2、第四功率二极管D4可以是快恢复二极管也可以是整流二极管。
在本实施例中，所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，所述的第一功率开关管S1、第二功率开关管S2是功率MOSFET管，且采用PFM控制方式。
在本实施例中，所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，所述的谐振电容Cr是高频电容，所述的第一输出电容Cbus、第二输出电容Co是电解电容。
在本实施例中，所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，所述的谐振电感Lr可以是所述变压器的漏感也可以是外加电感。
在本实施例中，所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，所述的高频变压器T的等效激磁电感为Lm。
特别的，如图3至图10所示，本实施例还提供了一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路的具体电路工作模态。
设计无桥Boost电路工作在DCM模式，LLC电路工作在fr1<fs<fr区域。在交流电源工频正负周期内，电路的工作状态是对称的，这里以正半周期为例说明，负半周期不一一赘述，图2为对应的关键波形，图3至图10为正半周期8个模态等效图。
模态1[t0<t<t1]:在t0之前，Boost电感电流iLb已经下降为0。t0时刻，开关管S2零电流开通。交流输入电源vin给Boost电感充电，Boost电感电流iLb以斜率线性增大。同时，直流母线电容Cbus给LLC提供能量。此阶段，谐振频率为，谐振电流大于励磁电流，副边二极管Ds1导通。变压器原边绕组两端电压被箝位在nVo，励磁电流以斜率线性上升。
模态2[t1<t<t2]: 开关管S2仍然导通，Boost电感电流iLb继续线性增大。t1时刻，谐振电流与励磁电流相等，此时副边二极管Ds1零电流关断。变压器原边绕组不再被输出电压箝位，励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr参与谐振，此阶段，谐振频率为，由于励磁电感很大，所以谐振周期很大，谐振电流在此阶段与励磁电流保持一致，近似为恒定值。
模态3[t2<t<t3]: 开关管 S2关断，进入死区时间。Boost电感电流iLb以斜率线性减小。与模态2一样，励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr以谐振频率谐振，此阶段，谐振电流还是等于励磁电流，副边二极管关断。谐振电流一部分给开关管S2的结电容充电，直到开关管S2的结电容两端电压等于直流母线电压；谐振电流一部分给开关管 S1的结电容放电，直到开关管 S1的结电容两端电压为零。之后，谐振电流全部流过开关管S1的体二极管，为开关管S1的零电压开通做准备。
模态4[t3<t<t4]: 在t3时刻，开关管S1零电压开通。Boost电感电流iLb继续以斜率线性减小。在此阶段，谐振电感Lr、谐振电容Cr以谐振频率谐振，谐振电流大于励磁电流，副边二极管Ds2导通。变压器原边绕组两端电压被箝位在-nVo，励磁电流以斜率线性上升。
模态5[t4<t<t5]: 此阶段，开关管S1仍然导通。在t4时刻，Boost电感电流iLb下降为零。在此阶段，谐振电感Lr、谐振电容Cr以谐振频率谐振，谐振电流大于励磁电流，副边二极管Ds2导通。
模态6[t5<t<t6]: 此阶段，开关管S1仍然导通。在t5时刻，谐振电流与励磁电流相等，此时副边二极管Ds2零电流关断。变压器原边绕组不再被输出电压箝位，励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr参与谐振，此阶段，谐振频率为，由于励磁电感很大，所以谐振周期很大，谐振电流在此阶段与励磁电流保持一致，近似为恒定值。
模态7[t6<t<t7]: 在t6时刻，开关管S1关断。进入死区时间，与模态6一样，励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr以谐振频率谐振，此阶段，谐振电流还是等于励磁电流，副边二极管关断。谐振电流给开关管 S1的结电容充电，直到开关管S1的结电容两端电压等于直流母线电压。
模态8[t7<t<t8]: 开关管S1仍然截止。与模态7一样，励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr以谐振频率谐振，此阶段，谐振电流还是等于励磁电流，副边二极管关断。在t7时刻， 开关管S1的结电容两端电压等于直流母线电压，二极管D8导通，为开关管S2的零电流开通做准备。
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)

1.一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于：包括单相交流输入电源vin、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第九功率二极管Ds1、第十功率二极管Ds2、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一输出电容Cbus、第二输出电容Co、谐振电容Cr、升压电感Lb、谐振电感Lr、高频变压器T、LED灯负载；所述第一功率二极管D1的阴极与第一输出电容Cbus的正端、第三功率二极管D3的阴极、第一功率开关管S1的漏极及谐振电感Lr的一端相连，所述第二功率二极管D2的阴极与单相交流输入电源vin的一端、第五功率二极管D5的阳极、第一功率二极管D1的阳极相连接，所述第二功率二极管D2的阳极与第一输出电容Cbus的负端、第四功率二极管D4的阳极、第二功率开关管S2的源极及第八功率二极管D8的阳极相连接，所述单相交流输入电源vin的另一端与升压电感Lb的一端相连接，所述升压电感Lb的另一端与第六功率二极管D6的阳极、第三功率二极管D3的阳极及第四功率二极管D4的阴极相连接，所述第五功率二极管D5的阴极与第六功率二极管D6的阴极、第七功率二极管D7的阴极及第二功率开关管S2漏极相连接，所述第七功率二极管D7的阳极与谐振电容Cr的一端、第八功率二极管D8的阴极及第一功率开关管S1的源极相连接，所述谐振电感Lr的另一端与所述的高频变压器T的原边绕组Np的同名端相连接，所述的谐振电容Cr的另一端与高频变压器T的原边绕组Np的异名端相连接；所述高频变压器T的副边绕组Ns1的异名端与高频变压器T的副边绕组Ns2的同名端、第二输出电容Co的负端及LED灯负载的一端相连接，所述高频变压器T的副边绕组Ns1的同名端与第九功率二极管Ds1的阳极相连接，所述高频变压器T的副边绕组Ns2的异名端与第十功率二极管Ds2的阳极相连接，所述第九功率二极管Ds1的阴极与第十功率二极管Ds2的阴极、第二输出电容Co的正端以及LED灯负载的另一端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于：所述单相交流输入电源vin、升压电感Lb、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第二功率开关管S2、第一输出电容Cbus构成准无桥Boost电路；所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第二输出电容Co、谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频变压器T、LED灯负载构成LLC电路；其中，第二功率开关管S2为无桥Boost电路和LLC电路的复用功率开关管；且无桥Boost电路能够工作在DCM模式、BCM模式或者CCM模式下，LLC电路工作于ZVS区域。
3.根据权利要求1所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于：所述第一功率二极管D1、第三功率二极管D3、第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7、第八功率二极管D8、第九功率二极管Ds1、第十功率二极管Ds2为快恢复二极管；所述第二功率二极管D2、第四功率二极管D4为快恢复二极管或整流二极管。
4.根据权利要求1所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于：所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2为功率MOSFET管，且采用PFM控制方式。
5.根据权利要求1所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于：所述谐振电容Cr为高频电容；所述第一输出电容Cbus、第二输出电容Co为电解电容。
6.根据权利要求1所述的一种集成无桥Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于：所述谐振电感Lr为所述高频变压器T的漏感或外加电感。
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