CN107493638B - 基于boost-buck变换器交错并联无电解电容led驱动电源及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BOOST‑BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源及切换方法。电路拓扑包括交流输入，整流桥，滤波电感L_f，滤波电容C_f，一个BOOST与BUCK交错并联电路，输出滤波电容及LED负载。由开关管Q₁，续流二极管D₂，电感L₁，储能电容C_b组成BOOST电路。由开关管Q₁，电感L₁、L₂，储能电容C_b，输出滤波电容C_O及LED负载组成BUCK电路。电感L₁、L₂都工作在电流断续模式。本发明有如下优点及特点：输出电流纹波减小，功率因数高；储能电容C_b设计为大电压纹波工作状态；电路用一个开关管控制，减少了开关损耗。

Description

基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源及 切换方法

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术领域,具体涉一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联电路,适用于开关电源尤其是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

发光二极管(Light Emitting Diode,LED)具有节能、环保、安全、长寿命等优点，是继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯后的第四代光源。驱动电源的高可靠性、高功率因数、长寿命、低成本等因素是制约着LED照明的推广。

生活照明LED驱动电源常采用交流供电，但是由于脉动的瞬时输入功率与恒定的输出功率之间的不平衡，导致其输出电压及输出电流具有较大的二倍工频纹波，为了平衡瞬时输入功率和输出功率，传统LED驱动电源中常采用容值较大的储能电容，一般为电解电容。但电解电容的寿命有限，极大地限制了LED驱动电源的寿命，不能与LED本体寿命相匹配。要提高LED驱动电源的使用寿命，必须去除电解电容。

发明内容

针对传统的LED驱动电源存在的驱动电源寿命短、体积大，隔离式驱动电源效率低等问题，本发明优化了传统BOOST-BUCK驱动电源，提出了一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源及其工作方法。

本发明电路采用的技术方案为：一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源，包括交流输入，滤波电容C_f，滤波电感L_f，桥式整流电路，开关管Q₁，二极管D₁、D₂,电感L₁、L₂，输出滤波电容C_o及LED负载；所述的交流输入经过滤波电容C_f与滤波电感L_f组成的LC滤波器后经过整流桥整流，整流桥正端连接二极管D₁的阴极和电感L₁的一端，L₁的另一端连接二极管D₂的正极和开关管Q₁的漏极，开关管Q₁的源极连接整流桥的负端和储能电容C_b的一端，储能电容C_b的另一端分别和二极管D₂的负极、LED负载的正极相连，二极管D₁的阳极连接电感L₂的一端，L₂的另一端连接LED负载的负极，输出滤波电容C_O的两端分别连接LED负载的正极和负极。

进一步，由开关管Q₁，续流二极管D₂，电感L₁，储能电容C_b组成BOOST电路。

进一步，由开关管Q₁，电感L₁、L₂，储能电容C_b，输出滤波电容C_O及LED负载组成BUCK电路。

进一步，电感L₁、L₂都工作在电流断续模式。

本发明的切换方法的技术方案包括以下控制阶段：

阶段A

当整流后的输入瞬时电压U_in(t)小于电感L1上的瞬时电压U_L1(t)时，驱动电源工作在阶段A，阶段A有三种工作模态：模态3、模态4、模态5；

模态3：开关管Q₁导通，中间储能电容C_b给电感L₁、L₂和LED负载供电，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2线性上升，二极管D₂导通；

模态4：开关管Q₁关断，电感L₁及L₂向输出滤波电容C_o和负载LED放电，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2线性下降，在模态4结束时刻，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2降为零；

模态5：在模态4结束时刻，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2已降为零，Buck电路和Boost电路均工作在电感电流断续模式，此模态中仅滤波电容C_o向LED负载供电；

阶段B

当瞬时输入功率阶小于瞬时输出功率时，驱动电源工作于阶段B，阶段B有三种工作模态：模态1、模态2、模态4、模态5；

模态1，在模态1开始之前，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2均为0，此模态中，开关管Q开通，二极管D₁导通；交流输入、整流桥、电感L₁及开关管Q₁构成电感L₁充电回路；交流输入对电感L₁进行充电，电感L₁上的电流i_L1线性上升，储能电容C_b、输出滤波电容C_O、电感L₁、电感L₂、二极管D₁、开关管Q₁及LED负载构成储能电容C_b供电回路；储能电容C_b向LED负载和C_o供电回路，电感L₂上的电流i_L2线性上升，在模态1结束时刻，电感L₁上的电流i_L1达到峰值；

模态2，在电感L₁上的电流i_L1达到峰值的时刻，关断Q₁，二极管D₁导通，二极管D₂反向截止，电感L₁、L₂，输出滤波电容C_O，二极管D₁，LED负载组成电感续流回路，电感L₁向电感、L₂输出电容C_o和负载LED放电，电感L₁上的电流i_L1线性下降，最终电感L₁上的电流i_L1与电感L₂上的电流i_L2达到相等；

其中模态4与模态5与阶段A切换方式相同；

阶段C

当瞬时输入功率大于瞬时输出功率，驱动电源工作在阶段C，阶段C有四种工作模态：模态1、模态2、模态4、模态5；其中模态1、模态4及模态5与阶段B切换方式相同；

模态2，在阶段C中，交流输入v_in与电感L₁给储能电容C_b充电，储能电容电压一直上升；同时电感L₁、电感L₂，输出滤波电容C_o，二极管D₁，LED负载组成电感续流回路，电感L₁向电感L₂、输出滤波电容C_o和负载LED放电，电感电流i_L1线性下降，在模态2结束时刻，电感L₁上的电流i_L1与电感L₂上的电流i_L2的电流达到相等。

所述的储能电容的电压设计为直流电压并增大脉动纹波电压及平均电压，可以使用较小容值的高耐压非电解电容代替电解电容，可以增加LED驱动电源使用寿命。

本发明在传统BOOST-BUCK变换器的基础上采用了交错并联技术，实现高功率因数、高效率和恒流输出。通过增大储能电容的纹波电压和电压平均值，可采用较小容值的薄膜电容等非电解电容代替电解电容；该BOOST-BUCK交错并联无电解电容LED驱动电源具有效率高、集成度高、无电解电容、使用寿命长等特点及优点。此外，本发明的输出电流纹波减小，功率因数高；储能电容C_b设计为大电压纹波工作状态；电路用一个开关管控制，减少了开关损耗。

附图说明

图1为本发明的一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源拓扑结构图；

图2为本发明一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源主电路的半个工频周期内主要工作波形。

图3为本发明一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源主电路在一个开关周期内主要工作波形；其中(a)为阶段A工作波形；(b)为阶段B工作波形；(c)为阶段C工作波形。

图4为本发明一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容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。(a)为模态1等效电路；(b)为模态2等效电路；(c)为模态3等效电路；(d)为模态4等效电路；(e)为模态5等效电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源，包括交流输入，滤波电容C_f，滤波电感L_f，桥式整流电路，开关管Q₁，二极管D₁、D₂,电感L₁、L₂，输出滤波电容C_o及LED负载。

所述BOOST电路由开关管Q₁，续流二极管D₂,电感L₁，储能电容C_b组成；所述的BUCK电路由开关管Q₁，电感L₁、L₂，储能电容C_b，输出滤波电容C_o及LED负载组成。

所述的交流输入经过滤波电容C_f与滤波电感L_f组成的LC滤波器后经过整流桥整流，正端连接二极管D₁的阴极和电感L₁的一端，L₁的另一端连接二极管D₂的正极和开关管Q₁的漏极，开关管Q₁的源极连接整流桥的负端和储能电容C_b的一端，储能电容C_b的另一端和二极管D₂的负极连接LED负载的正极，二极管D₁的阳极连接电感L₂的一端，L₂的另一端连接LED负载的负极，输出滤波电容C_O的两端分别连接LED负载的正极和负极。

本发明采用交错并联技术，把BUCK变换器与BOOST变换器集成后采用单开关管Q控制，它的工作模式可以分成3个不同阶段。

1、不同工作阶段的工作原理和切换方法

1.1阶段A

当整流后的输入瞬时电压电压U_in(t)小于电感L1上的瞬时电压U_L1(t)时，驱动电源工作在阶段A。阶段A有三种工作模态：模态3、模态4、模态5。阶段A的主要工作波形如图3(a)所示。

模态3[t0-t1]：如图4(c)所示，开关管Q₁导通，中间储能电容C_b给电感L₁、电感L₂和LED负载供电，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2线性上升，二极管D₂导通。

模态4[t1-t2]：如图4(d)所示，开关管Q₁关断，电感L₁及L₂向输出电容C_o和负载LED放电，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2线性下降，在模态4结束时刻，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2降为零。

模态5[t2-t3]：如图4(e)所示，在模态4结束时刻，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2已降为零，Buck电路和Boost电路均工作在电感电流断续模式，此模态中仅滤波电容C_o向LED负载供电。

2.2阶段B

当瞬时输入功率阶小于瞬时输出功率时，驱动电源工作于阶段B，阶段B有三种工作模态：模态1、模态2、模态4、模态5。其中模态4与模态5与阶段1中类似，不在重复介绍。阶段A的主要工作波形如图3(b)所示。

模态1[t0,t1]，如图4(a)所示，在模态1开始之前，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2均为0。此模态中，开关管Q开通，二极管D₁导通。交流输入、整流桥、电感L₁及开关管Q₁构成电感L₁充电回路；交流输入对电感L₁进行充电，电感L₁上的电流i_L1线性上升。储能电容C_b、输出滤波电容C_O、电感L₁、电感L₂、二极管D₁、开关管Q₁及LED负载构成储能电容C_b供电回路；储能电容C_b向LED负载和C_o供电回路，电感L₂上的电流i_L2线性上升。在模态1结束时刻，电感L₁上的电流i_L1达到峰值。

模态2[t1,t2]，如图4(b)所示，在电感L₁上的电流i_L1达到峰值的时刻，关断Q₁，二极管D₁导通，二极管D₂反向截止，电感L₁、L₂，输出滤波电容C_O，二极管D₁，LED负载组成电感续流回路，电感L₁向电感、L₂输出电容C_o和负载LED放电，电感L₁上的电流i_L1线性下降，最终电感L₁上的电流i_L1与电感L₂上的电流i_L2达到相等。

2.3阶段C

当瞬时输入功率大于瞬时输出功率，驱动电源工作在阶段C。阶段C有四种工作模态：模态1、模态2、模态4、模态5。其中模态1、模态4及模态5与阶段B类似，在此不再赘述。阶段A的主要工作波形如图3(c)所示。

模态2[t1,t2]，如图4(c)所示，交流输入v_in与电感L₁给储能电容C_b充电，储能电容电压一直上升；同时电感L₁、电感L₂，输出滤波电容C_o，二极管D₁，LED负载组成电感续流回路，电感L₁向电感L₂、输出滤波电容C_o和负载LED放电，电感L₁上的电流i_L1线性下降，在模态2结束时刻，电感L₁上的电流i_L1与电感L₂上的电流i_L2的电流达到相等。

本发明在传统两级式BOOST-BUCK变换器的基础上采用了交错并联技术，实现高功率因数、高效和恒流输出。在原有的基础上减小电路中电容的容值，可以使用薄膜电容等无电解电容代替原电路中的大容值电解电容，有效的增加了驱动电源的使用寿命。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源的切换方法，基于BOOST-BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源包括交流输入，滤波电容C_f，滤波电感L_f，桥式整流电路，开关管Q₁，二极管D₁、D₂,电感L₁、L₂，输出滤波电容C_o及LED负载；所述的交流输入经过滤波电容C_f与滤波电感L_f组成的LC滤波器后经过整流桥整流，整流桥正端连接二极管D₁的阴极和电感L₁的一端，L₁的另一端连接二极管D₂的正极和开关管Q₁的漏极，开关管Q₁的源极连接整流桥的负端和储能电容C_b的一端，储能电容C_b的另一端分别和二极管D₂的负极、LED负载的正极相连，二极管D₁的阳极连接电感L₂的一端，L₂的另一端连接LED负载的负极，输出滤波电容C_O的两端分别连接LED负载的正极和负极；

由开关管Q₁，续流二极管D₂，电感L₁，储能电容C_b组成BOOST电路；

由开关管Q₁，电感L₁、L₂，储能电容C_b，输出滤波电容C_O及LED负载组成BUCK电路；

电感L₁、L₂都工作在电流断续模式；

其特征在于，该切换方法包括以下控制阶段：

阶段A

当整流后的输入瞬时电压U_in(t)小于电感L1上的瞬时电压U_L1(t)时，驱动电源工作在阶段A，阶段A有三种工作模态：模态3、模态4、模态5；

模态3：开关管Q₁导通，储能电容C_b给电感L₁、L₂和LED负载供电，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2线性上升，二极管D₂导通；

模态4：开关管Q₁关断，电感L₁及L₂向输出滤波电容C_o和负载LED放电，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2线性下降，在模态4结束时刻，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2降为零；

模态5：在模态4结束时刻，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2已降为零，Buck电路和Boost电路均工作在电感电流断续模式，此模态中仅滤波电容C_o向LED负载供电；

阶段B

当瞬时输入功率小于瞬时输出功率时，驱动电源工作于阶段B，阶段B有三种工作模态：模态1、模态2、模态4、模态5；

模态1，在模态1开始之前，电感L₁上的电流i_L1、电感L₂上的电流i_L2均为0，此模态中，开关管Q开通，二极管D₁导通；交流输入、整流桥、电感L₁及开关管Q₁构成电感L₁充电回路；交流输入对电感L₁进行充电，电感L₁上的电流i_L1线性上升，储能电容C_b、输出滤波电容C_O、电感L₁、电感L₂、二极管D₁、开关管Q₁及LED负载构成储能电容C_b供电回路；储能电容C_b向LED负载和C_o供电回路，电感L₂上的电流i_L2线性上升，在模态1结束时刻，电感L₁上的电流i_L1达到峰值；

模态2，在电感L₁上的电流i_L1达到峰值的时刻，关断Q₁，二极管D₁导通，二极管D₂反向截止，电感L₁、L₂，输出滤波电容C_O，二极管D₁，LED负载组成电感续流回路，电感L₁向电感、L₂输出电容C_o和负载LED放电，电感L₁上的电流i_L1线性下降，最终电感L₁上的电流i_L1与电感L₂上的电流i_L2达到相等；

其中模态4与模态5与阶段A切换方式相同；

阶段C

当瞬时输入功率大于瞬时输出功率，驱动电源工作在阶段C，阶段C有四种工作模态：模态1、模态2、模态4、模态5；其中模态1、模态4及模态5与阶段B切换方式相同；

模态2，在阶段C中，交流输入v_in与电感L₁给储能电容C_b充电，储能电容电压一直上升；同时电感L₁、电感L₂，输出滤波电容C_o，二极管D₁，LED负载组成电感续流回路，电感L₁向电感L₂、输出滤波电容C_o和负载LED放电，电感电流i_L1线性下降，在模态2结束时刻，电感L₁上的电流i_L1与电感L₂上的电流i_L2的电流达到相等。