CN108258920A - 一种无中间级高压直流电解电容的高频链led电源拓扑 - Google Patents

一种无中间级高压直流电解电容的高频链led电源拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体照明LED驱动电源领域，特别涉及一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑，一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑主要由工频市电、高频功率变换、高频隔离、高频整流及滤波和直流输出连接构成，所述的高频功率变换具有通过可控开关的PWM调制调节电源的输出电压和电流，以及对LED进行调光控制的能力，所述的不采用市电整流，无低频整流滤波高压直流电容，有利于减少因为高压直流电解电容引发的电源故障，可以有效提高电源的功率密度，所述的采用高频链结构通过高频变压器隔离输出端和输入端，具有重量轻体积小、升降压易于调整以及交流输入和直流输出实现电气隔离安全程度高的优点。

Description

一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑
技术领域
本发明涉及半导体照明LED驱动电源领域，特别涉及一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑。
背景技术
半导体照明是使用半导体固体芯片作为发光元件，是通过半导体固体芯片的载流子运动而引发光子发射的照明技术。半导体照明具有高效、节能、环保等优点，是照明领域实现节能减排的有效途径。
LED是典型的半导体照明用固体发光元件，所提LED是外文 Light Emitting Diod的单词首字母的缩写，中文含义是发光二极管。LED具有单向导电性，其导通条件是其阳极和阴极之间具有正向电位差。LED光源的主要优点有：相较于传统的白炽灯和荧光灯，单个LED的工作电压低，工作电流小；LED光源的抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；LED光源能效高，发光亮度和强度易于控制。
LED电源是LED半导体发光元件的能量源，此电源输入给LED电功率，用以保证LED实现电光转换的能量供给。当采用现代电子技术的LED驱动电源通过开关PWM调制还能控制流经LED的电量，实现照明节能或者灯光的亮与暗的调节。
开关调制型LED驱动电源可分为有变压器隔离型和无变压器非隔离型。对于隔离型LED驱动电源，当采用交流市电供电时，其典型的构成环节包括：市电低频整流、整流滤波、高频隔离、高频整流和直流输出。其中在市电低频整流级和低频整流滤波环节常使用高压直流电解电容，因为此电解电容位于LED电源的市电整流功率变换环节且该环节输出电压为高压直流，故可称之为中间级高压直流电解电容。中间级高压直流电解电容工作温度相对于无极性电容而言较低，且产生电容失效或者爆炸。中间级高压直流电解电容电压高容量大，同时体积也大，由此限制了LED驱动电源功率密度的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑，该拓扑具有功率密度高、重量轻、输入端和输出端隔离、安全可靠的优点。
为实现上述目的，采用以下技术方案：本发明所述LED电源拓扑由交流电源、高频功率变换、高频隔离、高频整流及滤波，和直流输出连接而成。
交流电源由交流输入电压源u AC构成；
高频功率变换由二极管D1至二极管D4，以及可控开关管S1组成；
高频隔离由高频变压器T1，以及变压器原边的瞬态电压抑制器TVS1和TVS2组成；
高频整流由变压器副边的二极管D5到二极管D12，和电感L1、电容C1和电容C2组成；
直流输出由发光二极管LED和电阻R1组成。
简要的工作过程如下：
市电为幅值正负周期变化的工频交流电，在交流电源处于正半周期，当二极管D1、二极管D4和开关管S1导通时，变压器原边流过电流，经变压器隔离，副边整流器整流，经滤波器电感L1、电容C1和电容C2滤波后为LED提供直流电源；在交流电源处于负半周期，当二极管D2、二极管D3和开关管S1导通时，变压器原边流过电流，经变压器隔离，副边整流器整流，经滤波器电感L1、电容C1和电容C2滤波后为LED提供直流电源。瞬态抑制器TVS1和TVS2用于吸收可控开关闭合时间内变压器漏感的感应电压，保护功率元器件的安全。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、无中间级高压直流电解电容，有利于减少因为高压直流电解电容引发的电源故障，有利于减小电源体积，提高电源功率密度；
2、对可控开关进行PWM脉宽调制，可以灵活的调整电源的输出电压和电流，更方便于对LED的调光控制；
3、采用高频链结构，交流输入和直流输出实现电气隔离，使电源更为安全可靠；
4、采用高频链结构，可以通过调整高频变压器的变比，方便地实现输出端电压幅值的升压或降压调整。
附图说明
图1为公知的典型的高频隔离型LED电源结构框图。
图2为本发明高频隔离型LED电源的结构框图。
图3为本发明高频隔离型LED电源的原理构成图。
图4为本发明实施例一的高频隔离型LED电源拓扑图。
图5为本发明实施例二的高频隔离型LED电源拓扑图。
图6为本发明实施例三的高频隔离型LED电源拓扑图。
图7为本发明可控开关的实施例一结构图。
图8为本发明可控开关的实施例二结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明所述一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑，其结构框图如图2所示，构成环节包括：市电低频整流、高频功率变换、高频隔离、高频整流及滤波和直流输出。与图1所示公知的典型的高频隔离型LED电源结构框图相比，本发明通过高频链技术实现LED驱动电源，不再包含对市电电源的低频整流和低频整流滤波电容环节。
图3为本发明高频隔离型LED电源的原理构成图，图中交流输入电压源u AC的一端分别与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连，交流输入电压源u AC的另一端与瞬态电压抑制器TVS2的阴极和高频变压器原边的异名端相连；
二极管D1的阴极分别与二极管D3的阴极和可控开关S1的可控电流流入端相连，二极管D2的阳极分别与二极管D4的阳极和可控开关S1的可控电流流出端相连，二极管D3阳极分别与二极管D4的阴极、瞬态电压抑制器TVS1的阴极和高频变压器原边的同名端相连；
高频变压器的副边连接整流器，整流器的正极输出连接滤波电感L1的一端，滤波电感L1的另一端连接滤波电容C1的正极性端，和连接滤波电容C2的一端，同时连接LED的阳极端；整流器的负极输出连接滤波电容C1的负极性端，和连接滤波电容C2的另一端，同时连接电阻R1的一端；LED的阴极端连接电阻R1的另一端。
实施例一
如图4所示，交流输入电压源u AC的一端分别与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连，交流输入电压源u AC的另一端与瞬态电压抑制器TVS2的阴极和高频变压器原边的异名端相连；
二极管D1的阴极分别与二极管D3的阴极和可控开关S1的可控电流流入端相连，二极管D2的阳极分别与二极管D4的阳极和可控开关S1的可控电流流出端相连，二极管D3阳极分别与二极管D4的阴极、瞬态电压抑制器TVS1的阴极和高频变压器原边的同名端相连；
高频变压器的副边连接整流器，整流器由二极管D5到D8构成，副边的同名端连接二极管D5的阳极和二极管D6的阴极，副边的异名端连接二极管D7的阳极和二极管D8的阴极，二极管D5和D7的阴极连接在一起，作为整流器的正极，二极管D6和D8的阳极连接在一起，作为整流器的负极。二极管整流器的正极输出连接滤波电感L1的一端，滤波电感L1的另一端连接滤波电容C1的正极性端，和连接滤波电容C2的一端，同时连接LED的阳极端；整流器的负极输出连接滤波电容C1的负极性端，和连接滤波电容C2的另一端，同时连接电阻R1的一端；LED的阴极端连接电阻R1的另一端。
实施例二
如图5所示，交流输入电压源u AC的一端分别与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连，交流输入电压源u AC的另一端与瞬态电压抑制器TVS2的阴极和高频变压器原边的异名端相连；
二极管D1的阴极分别与二极管D3的阴极和可控开关S1的可控电流流入端相连，二极管D2的阳极分别与二极管D4的阳极和可控开关S1的可控电流流出端相连，二极管D3阳极分别与二极管D4的阴极、瞬态电压抑制器TVS1的阴极和高频变压器原边的同名端相连；
高频变压器的副边连接整流器，副边含有N1和N2两个绕组，通过N2绕组的同名端与N1绕组的异名端顺向串联构成带中间抽头MT的副边绕组，整流器由二极管D9和D10构成，副边绕组N1的同名端连接二极管D9的阳极，副边绕组N2的异名端连接二极管D10的阳极，中间抽头MT作为整流器的输出负极连接滤波电容C1的负极性端、电容C2的负极性端和电阻R1的一端。二极管D9和D10的阴极连接在一起，作为整流器的正极，正极输出连接滤波电感L1的一端，滤波电感L1的另一端连接滤波电容C1的正极性端，和连接滤波电容C2的一端，同时连接LED的阳极端；整流器的负极输出连接滤波电容C1的负极性端，和连接滤波电容C2的另一端，同时连接电阻R1的一端；LED的阴极端连接电阻R1的另一端。
实施例三
如图6所示，交流输入电压源u AC的一端分别与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连，交流输入电压源u AC的另一端与瞬态电压抑制器TVS2的阴极和高频变压器原边的异名端相连；
二极管D1的阴极分别与二极管D3的阴极和可控开关S1的可控电流流入端相连，二极管D2的阳极分别与二极管D4的阳极和可控开关S1的可控电流流出端相连，二极管D3阳极分别与二极管D4的阴极、瞬态电压抑制器TVS1的阴极和高频变压器原边的同名端相连；
高频变压器的副边连接整流器，副边含有N1和N2两个绕组，通过N2绕组的同名端与N1绕组的异名端顺向串联构成带中间抽头MT的副边绕组，整流器由二极管D11和D12构成，副边绕组N1的同名端连接二极管D12的阴极，副边绕组N2的异名端连接二极管D11的阴极，中间抽头MT作为整流器的正极输出连接滤波电感L1的一端，滤波电感L1的另一端连接滤波电容C1的正极性端，和连接滤波电容C2的一端，同时连接LED的阳极端；二极管D11和D12的阳极连接在一起作为整流器的负极输出，连接滤波电容C1的负极性端，和连接滤波电容C2的另一端，同时连接电阻R1的一端；LED的阴极端连接电阻R1的另一端。
可控开关的实施例一
图7为本发明可控开关的一种实现方式，其中二极管D1到二极管D4对应于图3至图6的二极管D1到二极管D4，开关管SMOS1为功率开关器件MOSFET，开关管SMOS1的栅极用于接受开关控制信号，开关管SMOS1的漏极连接二极管D1的阴极和二极管D3的阴极，开关管SMOS1的源极连接二极管D2的阳极和二极管D4的阳极。
可控开关的实施例二
图8为本发明可控开关的另一种实现方式，其中二极管D1到二极管D4对应于图3至图6的二极管D1到二极管D4，开关管Sigbt1为功率开关器件IGBT，开关管Sigbt1的栅极用于接受开关控制信号，开关管Sigbt1的集电极连接二极管D1的阴极和二极管D3的阴极，开关管Sigbt1的射极连接二极管D2的阳极和二极管D4的阳极。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进，均应视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑，由交流电源、高频功率变换、高频隔离、高频整流及滤波，和直流输出连接而成；
交流电源由交流输入电压源u AC构成；
高频功率变换由二极管D1至二极管D4，以及可控开关管S1组成；
高频隔离由高频变压器T1，以及变压器原边的瞬态电压抑制器TVS1和TVS2组成；
高频整流由变压器副边的二极管D5到二极管D12，和电感L1、电容C1和电容C2组成；
直流输出由发光二极管LED和电阻R1组成。
2.根据权利要求1所述的一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑，其特征在于：高频整流可以是单绕组连接四只二极管结构。
3.根据权利要求1所述的一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑，其特征在于：高频整流可以是带中间抽头的绕组连接两只二极管结构。
4.根据权利要求1所述的一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑，其特征在于：可控开关管S1可以由功率器件MOSFET构成。
5.根据权利要求1所述的一种无中间级高压直流电解电容的高频链LED电源拓扑，其特征在于：可控开关管S1可以由功率器件IGBT构成。
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CN1794549A (zh) * 2006-01-01 2006-06-28 福州大学 升压型高频环节交－交变换器
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