CN107222100A - 一种集成Buck‑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Buck‑Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，包括交流输入电源uin、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D9、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、直流母线电容C1、输出电容Co、谐振电容Cr、储能电感L、谐振电感Lr、励磁电感Lm、变压器T（包含原边绕组Np、副边绕组Ns1、副边绕组Ns2）、LED负载。本发明通过提出的一种集成Buck‑Boost和LLC电路的单级LED驱动电路和一套控制电路，实现高效率、高功率因数，并且提高可靠性，降低成本。

Description

一种集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路
技术领域
本发明涉及一种单级LED驱动电路，尤其涉及高效率、高功率因数、软开关的一种集成Buck-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，其核心是LED驱动电源。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。
高频化、小型化是目前开关电源设计的一个重要指标。如果驱动电源工作在硬开关模式，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。谐振变换器经过合理设计就能够在较宽负载范围内实现开关管的零电压开通，副边整流二极管的零电流关断，从而减小开关管损耗，提高效率。而AC-DC变换采用Buck-Boost拓扑，电路工作在断续模式下，自动实现PFC功能，是一个单开关低阶可升可降变换器电路，实现中间直流母线电压可升可降，降低后级LLC开关管和电容的应力，上述为本发明的背景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种集成Buck-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，并且提高可靠性，降低成本。
本发明采用以下方案实现：一种集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，包括交流输入电源uin、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D9、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、直流母线电容C1、输出电容Co、谐振电容Cr、储能电感L、谐振电感Lr、励磁电感Lm、变压器T、LED负载；
所述第一功率二极管D1的阳极以及第三功率二极管D3的阴极与交流输入电源uin的一端连接，第二功率二极管D2的阳极以及第四功率二极管D4的阴极与交流输入电源uin的另一端连接；第一功率二极管D1的阴极、第二功率二极管D2的阴极以及第五功率二极管D5的阴极与储能电感L的一端连接，储能电感L的另一端与第一功率开关管S1的漏极、直流母线电容C1的正端以及第七功率二极管D7的阴极连接；第三功率二极管D3的阳极、第四功率二极管D4的阳极以及第六功率二极管D6的阳极与第一功率开关管S1的源极连接，第一功率开关管S1的栅极接收第一PFM控制信号以控制开关管进行通断；第六功率二极管D6的阴极以及第七功率二极管D7的阳极与第二功率开关管S2的漏极连接，直流母线电容C1的负端以及第五功率二极管D5的阳极与第二功率开关管S2的源极连接，第二功率开关管S2的栅极接收第二PFM控制信号以控制开关管进行通断；第二功率开关管S2的漏极通过谐振电容Cr与谐振电感Lr的一端连接，励磁电感Lm的一端以及变压器T的原边绕组Np的同名端与谐振电感Lr的另一端连接，励磁电感Lm的另一端以及变压器T的原边绕组Np的非同名端与第二功率开关管S2的源极连接；变压器T的副边绕组Ns1的同名端与第八功率二极管D8的阳极连接，变压器T的副边绕组Ns2的非同名端与第九功率二极管D9的阳极连接，第八功率二极管D8的阴极、第九功率二极管D9的阴极以及输出电容Co的正端与LED负载的正极连接，变压器T的副边绕组Ns1的非同名端、变压器T的副边绕组Ns2的同名端以及输出电容Co的负端与LED负载的负极连接。
进一步地，所述交流输入电源uin、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、直流母线电容C1、第一功率开关管S1构成AC-DC Buck-Boost电路；直流母线电容C1、第一功率开关管S1、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D9、第二功率开关管S2、直流母线电容C1、输出电容Co、谐振电容Cr、储能电感L、谐振电感Lr、励磁电感Lm、变压器T构成DC-DC LLC恒流电路，其中，第一功率开关管S1为Buck-Boost电路和LLC恒流电路的复用功率开关管，Buck-Boost电路工作于断续模式下，LLC恒流电路工作于区域，
（1）
（2）
其中，为LLC恒流电路的谐振频率，为谐振电感Lr的电感值，为励磁电感Lm的电感值，为谐振电容Cr的电容值。
进一步地，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2是MOSFET开关管。
进一步地，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3和第四功率二极管D4是工频整流二极管，所述第五功率二极管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和第九功率二极管D9是快恢复二极管。
进一步地，所述变压器T是高频变压器,其原边绕组Np与副边绕组Ns1、副边绕组Ns2的同名端是同向的。
进一步地，所述直流母线电容C1和输出电容Co是电解电容，所述谐振电容Cr是高频电容。
进一步地，所述励磁电感Lm是变压器T的等效励磁电感,所述谐振电感Lr是变压器T的漏感或外加电感。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路只用一套控制电路，减少半导体功率器件，提高可靠性，降低成本；
2、本发明集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，中间直流母线电压可升可降。
附图说明
图1是本发明单级LED驱动电路原理图；
图 2是本发明实施例中单级LED驱动电路正半周期7个模态对应的关键波形；
图 3是本发明实施例中单级LED驱动电路工作模态1；
图4是本发明实施例中单级LED驱动电路工作模态2；
图5是本发明实施例中单级LED驱动电路工作模态3；
图6是本发明实施例中单级LED驱动电路工作模态4；
图7是本发明实施例中单级LED驱动电路工作模态5；
图8是本发明实施例中单级LED驱动电路工作模态6；
图9是本发明实施例中单级LED驱动电路工作模态7。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，包括交流输入电源uin、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D9、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、直流母线电容C1、输出电容Co、谐振电容Cr、储能电感L、谐振电感Lr、励磁电感Lm、变压器T、LED负载；
在本实施例中，所述第一功率二极管D1的阳极以及第三功率二极管D3的阴极与交流输入电源uin的一端连接，第二功率二极管D2的阳极以及第四功率二极管D4的阴极与交流输入电源uin的另一端连接；第一功率二极管D1的阴极、第二功率二极管D2的阴极以及第五功率二极管D5的阴极与储能电感L的一端连接，储能电感L的另一端与第一功率开关管S1的漏极、直流母线电容C1的正端以及第七功率二极管D7的阴极连接；第三功率二极管D3的阳极、第四功率二极管D4的阳极以及第六功率二极管D6的阳极与第一功率开关管S1的源极连接，第一功率开关管S1的栅极接收PFM控制信号以控制开关管进行通断；第六功率二极管D6的阴极以及第七功率二极管D7的阳极与第二功率开关管S2的漏极连接，直流母线电容C1的负端以及第五功率二极管D5的阳极与第二功率开关管S2的源极连接，第二功率开关管S2的栅极接收PFM控制信号以控制开关管进行通断；第二功率开关管S2的漏极通过谐振电容Cr与谐振电感Lr的一端连接，励磁电感Lm的一端以及变压器T的原边绕组Np的同名端与谐振电感Lr的另一端连接，励磁电感Lm的另一端以及变压器T的原边绕组Np的非同名端与第二功率开关管S2的源极连接；变压器T的副边绕组Ns1的同名端与第八功率二极管D8的阳极连接，变压器T的副边绕组Ns2的非同名端与第九功率二极管D9的阳极连接，第八功率二极管D8的阴极、第九功率二极管D9的阴极以及输出电容Co的正端与LED负载的正极连接，变压器T的副边绕组Ns1的非同名端、变压器T的副边绕组Ns2的同名端以及输出电容Co的负端与LED负载的负极连接。
在本实施例中，所述交流输入电源uin、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、直流母线电容C1、第一功率开关管S1构成AC-DC Buck-Boost电路；直流母线电容C1、第一功率开关管S1、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D9、第二功率开关管S2、直流母线电容C1、输出电容Co、谐振电容Cr、储能电感L、谐振电感Lr、励磁电感Lm、变压器T构成DC-DC LLC恒流电路，其中，第一功率开关管S1为Buck-Boost电路和LLC恒流电路的复用功率开关管，Buck-Boost电路工作于断续模式下，LLC恒流电路工作于区域，
（1）
（2）
其中，为LLC恒流电路的谐振频率，为谐振电感Lr的电感值，为励磁电感Lm的电感值，为谐振电容Cr的电容值。
在本实施例中，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2是MOSFET开关管。
在本实施例中，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3和第四功率二极管D4是工频整流二极管，所述第五功率二极管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和第九功率二极管D9是快恢复二极管。
在本实施例中，所述变压器T是高频变压器,其原边绕组Np与副边绕组Ns1、副边绕组Ns2的同名端是同向的。
在本实施例中，所述直流母线电容C1和输出电容Co是电解电容，所述谐振电容Cr是高频电容。
在本实施例中，所述励磁电感Lm是变压器T的等效励磁电感,所述谐振电感Lr是变压器T的漏感或外加电感。
在本实施例中，Buck-Boost电路工作在断续模式，LLC恒流电路工作在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9为正半周期7个模态等效图。
模态1[t0<t<t1]:在t0之前，电感L的电流iL已经下降为0。t0时刻，MOSFET S1零电流开通，交流电源uin通过MOSFET S1给电感L充电，电感L的电流值iL以斜率uin／L线.性增大。同时，直流母线电容C1通过MOSFET S1给DC-DC后级的LLC电路提供能量。此阶段，谐振电感Lr、谐振电容Cr参与谐振，其谐振频率为，由于谐振电流iLr大于励磁电流iLm，副边二极管D8导通，对LED灯负载供电。变压器原边绕组两端电压被箝位在nVo，其中n为变压器T的变比，Vo为输出电容Co两端的输出电压，励磁电流iLm以斜率nVo／Lm线性上升。
模态2[t1<t<t2]:在t1时刻，谐振电流与励磁电流相等，此时副边二极管D8零电流关断。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组成一个串联谐振回路，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。MOSFET S1仍然导通，电感L的电流值iL继续线性增大。。
模态3[t2<t<t3]:在t2时刻，MOSFET S1关断，进入死区时间。电感L开始放电，其电流iL通过第一功率二极管D1和第四功率二极管D4对开关管S1的结电容充电。与模态2一样，励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr组成一个串联谐振回路，以谐振频率谐振，谐振电流对MOSFET S2的结电容放电，直到MOSFET S2的结电容两端电压下降到0。此阶段，谐振电流还是等于励磁电流，副边二极管继续关断。
模态4[t3<t<t4]:在t3时刻，谐振电流全部流过MOSFET S2的体二极管，为MOSFET S2的零电压开通做准备。电感电流iL通过二极管D5以斜率Vc1／L对直流母线电容C1充电，电感电流iL线性减小，其中Vc1为直流母线电容C1两端的电压。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D9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nVo／Lm线性上升。
模态5[t4<t<t5]:此阶段，MOSFET S2零电压导通。在t4时刻，Buck-Boost电路中电感L的电流iL下降为零。变压器被输出电压箝位，Lm在此过程中恒压充电，只有谐振电感Lr和谐振电容Cr参与谐振。谐振电感Lr、谐振电容Cr以谐振频率谐振， Lr中的电流，依然小于Lm中的电流，二者差值流过变压器原边，副边整流二极管D9导通仍然导通。
模态6[t5<t<t6]:在t5时刻，Lr中的电流与Lm中的电流相等，没有电流流过变压器原边，副边整流二极管D9零电流关断。输出被变压器隔离，输出电压不再对变压器箝位，Lm成为自由的谐振电感，参与到谐振中，励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr组成一个串联谐振回路，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，MOSFET S2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，副边整流二极管关断。谐振电流给MOSFET S2的结电容充电，同时为开关管S1开通准备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于，包括交流输入电源uin、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D9、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、直流母线电容C1、输出电容Co、谐振电容Cr、储能电感L、谐振电感Lr、励磁电感Lm、变压器T、LED负载；
所述第一功率二极管D1的阳极以及第三功率二极管D3的阴极与交流输入电源uin的一端连接，第二功率二极管D2的阳极以及第四功率二极管D4的阴极与交流输入电源uin的另一端连接；第一功率二极管D1的阴极、第二功率二极管D2的阴极以及第五功率二极管D5的阴极与储能电感L的一端连接，储能电感L的另一端与第一功率开关管S1的漏极、直流母线电容C1的正端以及第七功率二极管D7的阴极连接；第三功率二极管D3的阳极、第四功率二极管D4的阳极以及第六功率二极管D6的阳极与第一功率开关管S1的源极连接，第一功率开关管S1的栅极接收第一PFM控制信号以控制开关管进行通断；第六功率二极管D6的阴极以及第七功率二极管D7的阳极与第二功率开关管S2的漏极连接，直流母线电容C1的负端以及第五功率二极管D5的阳极与第二功率开关管S2的源极连接，第二功率开关管S2的栅极接收第二PFM控制信号以控制开关管进行通断；第二功率开关管S2的漏极通过谐振电容Cr与谐振电感Lr的一端连接，励磁电感Lm的一端以及变压器T的原边绕组Np的同名端与谐振电感Lr的另一端连接，励磁电感Lm的另一端以及变压器T的原边绕组Np的非同名端与第二功率开关管S2的源极连接；变压器T的副边绕组Ns1的同名端与第八功率二极管D8的阳极连接，变压器T的副边绕组Ns2的非同名端与第九功率二极管D9的阳极连接，第八功率二极管D8的阴极、第九功率二极管D9的阴极以及输出电容Co的正端与LED负载的正极连接，变压器T的副边绕组Ns1的非同名端、变压器T的副边绕组Ns2的同名端以及输出电容Co的负端与LED负载的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于，所述交流输入电源uin、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、直流母线电容C1、第一功率开关管S1构成AC-DC Buck-Boost电路；直流母线电容C1、第一功率开关管S1、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D9、第二功率开关管S2、直流母线电容C1、输出电容Co、谐振电容Cr、储能电感L、谐振电感Lr、励磁电感Lm、变压器T构成DC-DC LLC恒流电路，其中，第一功率开关管S1为Buck-Boost电路和LLC恒流电路的复用功率开关管，Buck-Boost电路工作于断续模式下，LLC恒流电路工作于区域，
（1）
（2）
其中，为LLC恒流电路的谐振频率，为谐振电感Lr的电感值，为励磁电感Lm的电感值，为谐振电容Cr的电容值。
3.根据权利要求1或2所述的一种集成Buck-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是MOSFET开关管。
4.根据权利要求1所述的一种集成Buck-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、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3和第四功率二极管D4是工频整流二极管，所述第五功率二极管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和第九功率二极管D9是快恢复二极管。
5.根据权利要求1所述的一种集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于，所述变压器T是高频变压器,其原边绕组Np与副边绕组Ns1、副边绕组Ns2的同名端是同向的。
6.根据权利要求1所述的一种集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于，所述直流母线电容C1和输出电容Co是电解电容，所述谐振电容Cr是高频电容。
7.根据权利要求1所述的一种集成Buck-Boost和LLC电路的单级LED驱动电路，其特征在于，所述励磁电感Lm是变压器T的等效励磁电感,所述谐振电感Lr是变压器T的漏感或外加电感。
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