CN108809090B - 一种高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器，作为n路LED驱动电源，二极管整流桥上输出端依次连接输入滤波电感、主电感和有源开关的D极；输入滤波电容一侧连接到输入滤波电感和主电感之间，另一侧连接到二极管整流桥下输出端；有源开关G极连接到控制回路，S极连接到二极管整流桥的下输出端；第n支路中电容C _2n‑3的负极板连接二极管D _2n‑2的阳极，二极管D _2n‑2的阴极连接储能电容C _2n‑2的正极板，储能电容C _2n‑2的负极板接有源开关的S极；输出电容C _on并联于LED_Sn的两端；LED_Sn的阳极连接到储能电容C _2n‑2的正极板，LED_Sn的阴极依次通过支路电感L _n、续流二极管D _2n‑1连接到有源开关的D极。本发明能够实现较高的功率因数，低输出纹波电流以及精确的多路均流输出控制。

Description

一种高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器

技术领域

本发明涉及LED均流技术领域，具体为一种高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器。

背景技术

随着消费电子、发光二极管(LED)照明等的发展，具有多路恒流输出的开关变换器近年来被广泛运用于LED驱动照明系统中，驱动电路的好坏会直接影响整个照明系统的效率和寿命。高效率、长寿命、可控性强的LED驱动电路越来越被人们所需要。

目前的LED照明系统大多是将多颗LED以串并联的方式进行连接，从而达到需要的照明强度和功率。为保证各串LED具有相同的亮度，需控制流过每串LED的电流一致，因此如何实现各LED支路的电流均衡是目前LED驱动电源研究的热点。LED均流技术主要分为两类：有源均流和无源均流。

有源均流指的是利用开关管等有源器件以及相应的控制电路组成电流调节器，实现各支路LED电流的调节，达到相同的电流输出。有源均流可以分为：线性模式均流和开关模式均流。线性模式均流是利用线性调节器与LED支路的串联，调节相应支路的输出电流，具有简单、成本低等特点，但是由于其本质是利用电阻限流，该方法效率较低，因此只适用于小功率照明系统；开关方式均流是利用DC/DC开关变换器对各支路电流进行调节，具有较高的效率和均流精度，但是由于需要多个电感，多个开关与多个控制回路，该方法具有电路体积大、成本高等缺点。

无源均流是利用电阻、电容、耦合电感等无源器件实现各支路电流均衡，具有结构简单、成本低、效率高等特点，被广泛应用于多路均流输出LED驱动电源电路中。相对于利用电容和电感均流，利用电阻的无源均流方法精度不高，且效率较低；使用耦合电感的无源均流方案因为需要多个电感和变压器，导致驱动电源体积大、成本高。而利用电容电荷平衡原理的无源均流方法不仅具有体积小、控制电路简单的优点，还具有高功率密度以及高调节精度。

为减少电力电子设备对电网电能质量的影响，国际上的IEC61000-3-2Class C和国家谐波标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》等对电力电子设备的PF(Powerfactor，功率因数)都有着严格的要求。因此，采用具有PFC功能的LED驱动电源有着重要的意义。

传统的PFC变换器通常具有两种形式：单级PFC变换器和两级PFC变换器。单级PFC变换器具有体积小、效率高、成本低等特点，但是其输出电压中含有较大的二倍工频纹波；两级PFC变换器通常采用前级PFC变换器和后级DC/DC变换器级联的方式，实现低输出电压纹波及快速的负载瞬态响应，但是它具有效率低、体积大、成本高、控制复杂等特点。

针对上述两种PFC变换器的缺陷，整合型PFC变换器被提了出来。整合型PFC变换器只采用一个开关管，简化了控制，提高了能量的传输效率，同时其能实现低纹波输出，从而满足了变换器成本低、体积小的需求。将整合型PFC变换器运用到LED均流驱动电路中可以很好的实现PFC和低纹波输出，从而实现LED驱动电源的高功率因数和无频闪。

图1为一种基于整合型Boost/Buck-boost变换器的高功率因数低纹波输出LED驱动电源。该驱动电源拓扑由工作在DCM的前级Boost PFC变换器和工作在CRM的后级Buck-Boost DC/DC变换器经单个开关管整合而成。其中Boost PFC变换器由开关管V₁、二极管VD1,VD2、电感L₁和解耦电容C_d组成；Buck-Boost DC/DC变换器由开关管V₂、二极管VD3和电感L₂组成；两变换器共用开关管V。图2是变换器的主要工作波形图。在一个开关周期T_s内，该变换器的电感L₁工作在DCM，L₂工作在CRM。图3是C_d为22μF/400V时输入电压和输出电流的波形图。图4是该驱动电源的输出电流波形。根据图3和图4可以看出，该LED驱动电路具有较高的功率因数并且输出电流纹波较低。该方案通过将Boost和Buck-Boost两个变换器整合，实现了良好的PFC功能以及低纹波输出功能，解决了单级PFC驱动电源输出含有较大低频纹波和两级PFC驱动电源体积大、成本高的缺点。但是该方案只是针对单一LED负载，无法实现多路恒流输出，限制了其使用范围。

图5为一种高功率因数谐振式四路无源均流输出的LED驱动电路。当励磁电感工作在CRM，该电路的功率因数能够自然的被控制在单位1，从而实现高的功率因数。利用电容的充放电平衡，该电路可以实现精确的均流控制。该驱动电源的输入电压、电流波形以及输出电流波形如图6和图7所示，可以看出，该方案可以实现较高的功率因数以及均衡的输出电流。同时，利用电容的充放电平衡，该驱动电源可以很容易地扩展至n路输出。

该方案利用单级PFC变换器以及电容充放电平衡实现了高功率因数及均流控制，结构简单、效率高，但是其输出中含有较大的二倍工频纹波。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器，为整合式Boost-Buck变换器，在实现低输出电流纹波的同时，只需要一个开关管一套控制，具有更低的成本和更高的效率；在实现功率因数校正的同时，利用电容充放电平衡实现了LED驱动电源的多路均流输出，减小了照明系统的体积和成本，在需要多路输出的应用中具有很大的优势。技术方案如下：

一种高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器，其特征在于，作为n路LED驱动电源，其包括二极管整流桥D_b、输入滤波电感L_f、输入滤波电容C_f、主电感L_m、有源开关S₁，以及各支路中的储能电容C_2k-2、续流二极管D_2k-1、输出电容C_ok以及支路电感L_k，k＝1,2,...,n；

二极管整流桥D_b的输入端连接到交流电源，上输出端依次连接输入滤波电感L_f、主电感L_m和有源开关S₁的D极；

输入滤波电容C_f一侧连接到输入滤波电感L_f和主电感L_m之间，另一侧连接到二极管整流桥D_b的下输出端；

有源开关S₁的G极连接到控制回路，S极连接到二极管整流桥D_b的下输出端；

第1支路中LED_S1的阳极通过采样电阻R_S连接到有源开关S₁的S极，输出电容C_o1并联到LED_S1和电阻R_S两端，且输出电容C_o1的负极板连接LED_S1的阴极，LED_S1的阴极还依次通过支路电感L₁、续流二极管D₁和电容C₁连接到有源开关S₁的D极，且二极管D₁的阴极连接电容C₁的负极板；

第2支路中二极管D₂的阳极连接到电容C₁的负极板，二极管D₂的阴极连接储能电容C₂的正极板，储能电容C₂的负极板接到有源开关S₁的S极；输出电容C_o2并联于LED_S2的两端，且输出电容C_o2的负极板连接LED_S2的阴极；LED_S2的阳极连接到储能电容C₂的正极板，LED_S2的阴极依次通过支路电感L₂、续流二极管D₃连接到有源开关S₁的D极，续流二极管D₃的阳极连接支路电感L₂；

以此类推，第n支路中电容C_2n-3的正极板连接到有源开关S₁的D极，电容C_2n-3的负极板连接到二极管D_2n-2的阳极，二极管D_2n-2的阴极连接储能电容C_2n-2的正极板，储能电容C_2n-2的负极板接到有源开关S₁的S极；输出电容C_on并联于LED_Sn的两端，且输出电容C_on的负极板连接LED_Sn的阴极；LED_Sn的阳极连接到储能电容C_2n-2的正极板，LED_Sn的阴极依次通过支路电感L_n、续流二极管D_2n-1连接到有源开关S₁的D极，且续流二极管D_2n-1的阳极连接支路电感L_n。

进一步的，所述控制回路采用宽带宽电压环路控制sd储能电感Lm的电感电流工作于断续模式，支路电感的电感电流工作于断续模式或临界连续模式；储能电容C_2k-2上的工频纹波对输出的影响可通过宽带宽电压控制环路进行抑制。

本发明的有益效果是：

1)本发明电路通过特殊连接结构的储能电容实现各支路的均流输出，均流精度高；该电路采用特殊的输出电流采样方式，功率回路与控制回路地不相同；通过采样电阻Rs采样第一个支路的输出电流并控制，使其纹波较小，其它输出支路相应实现低电流纹波输出；具有控制简单，成本低的特点；

2)本发明利用宽带宽电压环路控制，减小了储能电容纹波对输出的影响，实现了低纹波电流输出，解决了LED频闪的问题；

3)本发明基于整合式Boost-Buck变换器，在实现低输出电流纹波的同时，只需要一个开关管一套控制，具有更低的成本和更高的效率；

4)本发明在实现功率因数校正的同时，利用电容充放电平衡实现了LED驱动电源的多路均流输出，减小了照明系统的体积和成本，在需要多路输出的应用中具有很大的优势。

附图说明

图1为一种基于整合型Boost/Buck-boost变换器的高功率因数低纹波输出LED驱动电源原理图。

图2为图1中变换器的主要工作波形。

图3为图1中C_d为22μF/400V时输入电压和输出电流的波形图。

图4为图1中驱动电源的输出电流波形。

图5为一种高功率因数谐振式四路无源均流输出的LED驱动电路原理图。

图6为图5电路中输入电压与输入电流波形图。

图7为图5电路中输出电流波形图。

图8为本发明Boost-Buck n路LED驱动电源原理图。

图9为两路Boost-Buck LED驱动电源电路拓扑及控制电路。

图10为两路Boost-Buck LED驱动电源工作模态的等效电路：图10(a)为模态1；图10(b)为模态2；图10(c)为模态3_a；图10(d)为模态3_b；图10(e)为模态4。

图11是驱动电源的输入电压和输入电流PSIM仿真波形图。

图12是输出负载电阻分别为150Ω和150Ω时输出电流的仿真波形图。

图13是图12的放大波形。

图14是输出负载电阻分别为150Ω和100Ω时输出电流的仿真波形图。

图15是图14的放大波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明基于整合式Boost-Buck开关变换器提出了一种用于LED驱动的全新的高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器。如图8所示，该电路图由二极管整流桥D_b、输入滤波电感L_f、输入滤波电容C_f、主电感L_m、有源开关S₁、储能电容C_2k-2、续流二极管D_2k-1、输出电容C_ok以及支路电感L_k，k＝1,2,...,n。

二极管整流桥D_b的输入端连接到交流电源，上输出端依次连接输入滤波电感L_f、主电感L_m和有源开关S₁的D极；输入滤波电容C_f一侧连接到输入滤波电感L_f和主电感L_m之间，另一侧连接到二极管整流桥D_b的下输出端；有源开关S₁的G极连接到控制回路，S极连接到二极管整流桥D_b的下输出端。

第1支路中LED_S1的阳极通过采样电阻R_S连接到有源开关S₁的S极，输出电容C_o1并联到LED_S1和电阻R_S两端，且输出电容C_o1的负极板连接LED_S1的阴极，LED_S1的阴极还依次通过支路电感L₁、续流二极管D₁和电容C₁连接到有源开关S₁的D极，且二极管D₁的阴极连接电容C₁的负极板。

通过采样电阻Rs采样第一个支路的输出电流并控制，使其纹波较小，其它输出支路相应实现低电流纹波输出。

第2支路中二极管D₂的阳极连接到电容C₁的负极板，二极管D₂的阴极连接储能电容C₂的正极板，储能电容C₂的负极板接到有源开关S₁的S极；输出电容C_o2并联于LED_S2的两端，且输出电容C_o2的负极板连接LED_S2的阴极；LED_S2的阳极连接到储能电容C₂的正极板，LED_S2的阴极依次通过支路电感L₂、续流二极管D₃连接到有源开关S₁的D极，续流二极管D₃的阳极连接支路电感L₂。

以此类推，第n支路中电容C_2n-3的正极板连接到有源开关S₁的D极，电容C_2n-3的负极板连接到二极管D_2n-2的阳极，二极管D_2n-2的阴极连接储能电容C_2n-2的正极板，储能电容C_2n-2的负极板接到有源开关S₁的S极；输出电容C_on并联于LED_Sn的两端，且输出电容C_on的负极板连接LED_Sn的阴极；LED_Sn的阳极连接到储能电容C_2n-2的正极板，LED_Sn的阴极依次通过支路电感L_n、续流二极管D_2n-1连接到有源开关S₁的D极，且续流二极管D_2n-1的阳极连接支路电感L_n。

电路通过特殊连接结构的储能电容实现各支路的均流输出，均流精度高。采用特殊的输出电流采样方式，功率回路与控制回路地不相同。利用宽带宽电压环路控制，减小了储能电容纹波对输出的影响，实现了低纹波电流输出，解决了LED频闪的问题。

下面以两路输出为例详细分析本发明提出电路的工作原理。两路Boost-Buck LED驱动电路拓扑及控制电路如图9所示。该驱动电路在一个开关周期内有4种工作模态，其模态如下：

模态1[t₀～t₁]：如图10(a)所示，在该模式下，t₀时刻，开关管S₁导通，电源|v_in|给电感L_m充电，电感电流i_Lm线性上升。同时二极管D₁、D₃因承受正向压降而导通，二极管D₂因承受反向压降而关断。中间储能电容C₁通过开关管S₁向支路1及其支路上的电感L₁放电，能量从电容C₁转移到输出电容C_o1和电感L₁上；中间电容C₂通过开关管S₁向支路2以及其支路上的电感L₂放电，能量从电容C₂转移到输出电容C_o2和电感L₂上。t₁时刻，开关管S₁关断，电感电流i_Lm达到最大值，模态1结束。

模态2[t₁～t₂]：如图10(b)所示，t₁时刻，开关管S₁关断，输入电源|v_in|与电感L_m共同给后级放电，电感电流i_Lm线性减小，二极管D₂也因承受正向压降而导通，各支路电感L₁、L₂也向相应的支路放电，电容C₁和C₂充电。t₂时刻，支路电感电流i_L1、i_L2减小到零(或主电感电流i_Lm减小到零)，模态2结束。

因为主电感电流i_Lm跟随输入电压成正弦变化，所以模态3分为两种情况，分别是主电感L_m先放电结束和支路电感L₁、L₂先放电结束，模态3的两种情况如下：

模态3_a[t₂～t₃]：如图10(c)所示，在此模态开关管S₁仍保持关断，各支路电感电流i_L1、i_L2在t₂时刻下降到零，二极管D₁、D₃因此关断，二极管D₂继续保持导通。各支路负载由相应的输出电容C_o1、C_o2供电，输入电源|v_in|与电感L_m继续以串联的形式给中间电容C₁和C₂充电，电感电流i_Lm线性下降。t₃时刻，电感电流i_Lm下降到零，模态3结束。

模态3_b[t₂～t₃]：如图10(d)所示，在此模态开关管S₁仍保持关断，二极管D₁、D₂、D₃仍保持导通，电感电流i_Lm在t₂时刻下降到零，各支路电感L₁、L₂向相应的支路放电的同时，也为中间电容C₁、C₂充电，各支路电感电流i_L1、i_L2线性下降。t₃时刻，各支路电感电流i_L1、i_L2减小到零，模态3结束。

模态4[t₃～t₄]：如图10(e)所示，在此模态开关管S₁仍保持关断，电感电流i_Lm以及各支路电感电流i_L1、i_L2都为零，二极管D₁、D₂和D₃都截止。各支路负载由相应的输出电容C_o1、C_o2供电。t₄时刻，开关管S₁导通，模态4结束，开始下一个开关周期。

根据上述对电路工作模态的分析，可以知道储能电容C₁、C₂在模态2和模态3储存能量，在模态1释放能量。储存在储能电容里的能量可以分为两部分：一部分由主电感提供，另一部分由支路电感提供。因此根据电容的充放电平衡可知：

Q_1dis＝Q_{1ch_Lm}+Q_{1ch_L2} (1)

Q_2dis＝Q_{2ch_Lm}+Q_{2ch_L1} (2)

其中，Q_1dis和Q_2dis分别是电容C₁和C₂释放的电量；Q_{1ch_Lm}和Q_{2ch_Lm}分别是主电感L_m给电容C₁和C₂充的电量；Q_{1ch_L2}是支路电感L₂给电容C₁充的电量；Q_{2ch_L1}是支路电感L₁给电容C₂充的电量。

在一个开关周期内有，

即

i_{L1_m_av}＝i_{Lm_f_av}+i_{L2_f_av} (5)

i_{L2_m_av}＝i_{Lm_f_av}+i_{L1_f_av} (6)

又有

i_o1＝i_{L1_av}＝i_{L1_m_av}+i_{L1_f_av} (7)

i_o2＝i_{L2_av}＝i_{L2_m_av}+i_{L2_f_av} (8)

其中，i_{L1_av}和i_{L2_av}是电感L₁和L₂的平均电流，i_{L1_m_av}和i_{L2_m_av}是电感L₁和L₂充电时的平均电流，i_{L1_f_av}和i_{L2_f_av}是电感L₁和L₂放电时的平均电流，i_{Lm_f_av}是电感L_m放电时的平均电流。

由式(5)～(8)可得

i_o1＝i_{L1_m_av}+i_{L2_m_av}-i_{Lm_f_av}＝i_o2 (9)

根据式(9)可知，一个开关周期内两条支路的平均输出电流相同，即通过电容的充放电平衡，本发明提出的LED驱动电源实现了无源电流均衡控制。

与此同时，本发明提出的LED驱动电源通过电压快环控制，将中间储能电容电压纹波对输出的影响消除，实现了低输出电流纹波。在半个工频周期内，由于中间电容电压纹波较小，开关管S₁的开通时间可以近似认为是恒定的，从而只要该变换器的励磁电感L_m工作在DCM，即可实现功率因数校正。

表1两路Boost-Buck LED驱动电源实验参数

变量	数值
		输入电压v<sub>in</sub>	110V
主电感L<sub>m</sub>	560μH
		储能电容C<sub>1</sub>、C<sub>2</sub>	10μF
输出电容C<sub>o1</sub>、C<sub>o2</sub>	2.2μF
		输出电感L<sub>1</sub>、L<sub>2</sub>	680μH
额定输出电流i<sub>o1</sub>、i<sub>o2</sub>	300mA

表1为两路Boost-Buck LED驱动电源工作在DCM-DCM时，利用PSIM仿真软件的仿真参数。

图11是驱动电源的输入电压和输入电流PSIM仿真波形图，可以看出输入电流具有很好的正弦度，且与输入电压波形的相位几乎一致，其PF值达到0.988，该驱动电源可以很好的实现PFC功能。

图12是输出负载电阻分别为150Ω和150Ω时输出电流的仿真波形图，图13是图12的放大波形，由图可知，本发明提出的Boost-Buck LED驱动电源具有很小的输出电流纹波，在额定输出电流为300mA时输出电流纹波仅为7.9mA。

图14是输出负载电阻分别为150Ω和100Ω时输出电流的仿真波形图，图15是图14的放大波形，由图可知，在输出负载不平衡的情况下，两支路的输出电流仍保持一致，表明本发明提出的Boost-Buck LED驱动电源具有很好的均流特性。

根据以上分析可知，本发明所提出的LED驱动电源能够实现较高的功率因数，低纹波输出电流以及精确的多路均流输出控制。

Claims (2)

1.一种高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器，其特征在于，作为n路LED驱动电源，其包括二极管整流桥D _b、输入滤波电感L _f、输入滤波电容C _f、主电感L _m、有源开关S ₁，以及各支路中输出电容C _ok 以及支路电感L _k ，以及LED_Sk，k=1, 2, ...., n，n>1，以及各支路中的储能电容C _i ，i=1,2,3……2n-2，续流二极管D _j ，j=1,2,3……2n-1；

二极管整流桥D _b的输入端连接到交流电源，上输出端依次连接输入滤波电感L _f、主电感L _m和有源开关S ₁的D极；

输入滤波电容C _f一侧连接到输入滤波电感L _f和主电感L _m之间，另一侧连接到二极管整流桥D _b的下输出端；

有源开关S ₁的G极连接到控制回路，S极连接到二极管整流桥D _b的下输出端；

第1支路中LED_S1的阳极通过采样电阻R_S连接到有源开关S ₁的S极，输出电容C _o1并联到LED_S1和电阻R_S所构成的串联结构的两端，且输出电容C _o1的负极板连接LED_S1的阴极，LED_S1的阴极还依次通过支路电感L ₁、续流二极管D ₁和储能电容C ₁连接到有源开关S ₁的D极，且续流二极管D ₁的阴极连接储能电容C ₁的负极板；

当n的取值为n=2时，第n支路中储能电容C _2n-3的正极板连接到有源开关S ₁的D极，储能电容C _2n-3的负极板连接到续流二极管D _2n-2的阳极，续流二极管D _2n-2的阴极连接储能电容C_2n-2的正极板，储能电容C_2n-2的负极板接到有源开关S ₁的S极；输出电容C _on并联于LED_Sn的两端，且输出电容C _on的负极板连接LED_Sn的阴极；LED_Sn的阳极连接到储能电容C _2n-2的正极板，LED_Sn的阴极依次通过支路电感L _n、续流二极管D _2n-1连接到有源开关S ₁的D极，且续流二极管D _2n-1的阳极连接支路电感L _n；

当n的取值是n≥3时，第2支路中续流二极管D ₂的阳极连接到储能电容C ₁的负极板，续流二极管D ₂的阴极连接储能电容C ₂的正极板，储能电容C ₂的负极板接到有源开关S ₁的S极；输出电容C _o2并联于LED_S2的两端，且输出电容C _o2的负极板连接LED_S2的阴极；LED_S2的阳极连接到储能电容C ₂的正极板，LED_S2的阴极依次通过支路电感L ₂、续流二极管D ₃、储能电容C ₃连接到有源开关S ₁的D极，续流二极管D ₃的阳极连接支路电感L ₂；

以此类推，第3支路至第n-1支路的电路结构与第2支路的电路结构相同；第n支路中储能电容C _2n-3的正极板连接到有源开关S ₁的D极，储能电容C _2n-3的负极板连接到续流二极管D _2n-2的阳极，续流二极管D _2n-2的阴极连接储能电容C_2n-2的正极板，储能电容C_2n-2的负极板接到有源开关S ₁的S极；输出电容C _on并联于LED_Sn的两端，且输出电容C _on的负极板连接LED_Sn的阴极；LED_Sn的阳极连接到储能电容C _2n-2的正极板，LED_Sn的阴极依次通过支路电感L _n、续流二极管D _2n-1连接到有源开关S ₁的D极，且续流二极管D _2n-1的阳极连接支路电感L _n。

2.根据权利要求1所述的高功率因数多路低纹波恒流输出开关变换器，其特征在于，所述控制回路采用宽带宽电压环路控制，主电感L _m的电感电流工作于断续模式，支路电感的电感电流工作于断续模式或临界连续模式；储能电容C _2n-1 上的工频纹波对输出的影响可通过宽带宽电压控制环路进行抑制。