CN108990212A - 基于boost-反极性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‑反极性BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源及切换方法，包括由第一二极管Dr₁、第二二极管Dr₂、第三二极管Dr₃、第四二极管Dr₄组成的桥式整流电路，桥式整流电路输入端包括交流输入，滤波电容C_f和滤波电感L_f，滤波电容C_f与滤波电感L_f组成LC滤波器，桥式整流电路输出端包括第一开关管Q₁，第二开关管Q₂，二极管D₁、二极管D₂，电感L₁、电感L₂，输出滤波电容C_o及LED负载；本发明采用了交错并联技术，将BOOST变换器与反极性BUCK变换器交错并联，实现了高功率因数和恒流输出。具有集成度高、体积小、无电解电容、使用寿命长等特点。

Description

基于BOOST-反极性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-反极性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)具有光效高、光色全、寿命长与无污染等优点， 有望成为第四代电光源。驱动电源是LED的动力之源，其输出电流决定LED的亮度、光 通量和发光效率等光度学性能指标，LED采用恒流驱动已经逐渐形成共识。交流LED驱动电源必须具备功率因数校正和恒流驱动两大功能。功率因数校正使输入电流为与输入电压同频同相的正弦电流，输入瞬时功率为2倍工频脉动功率，而输出瞬时功率理论上为恒定值，这就导致输入输出瞬时功率不平衡，因此，无论是有源或无源功率因数校正，一般都 采用大容量电解电容平衡输入输出瞬时功率之间的差值。然而，额定工作条件下电解电容 的寿命只有几千小时，而且环境温度每升高10℃，其寿命会降低一半，这与LED的理论 寿命(10万小时)不匹配，因此需要研究无电解电容交流LED驱动电源。

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，两级式驱动电源效率低等 问题，本发明优化了传统BOOST-反极性BUCK驱动电源，提出了一种基于BOOST-反极 性BUCK变换器交错并联单极无电解电容LED驱动电源及其切换方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于BOOST-反极性BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源，包括由第一二极管Dr₁、第二二极管Dr₂、第三二极管Dr₃、第四二极管 Dr₄组成的桥式整流电路，桥式整流电路输入端包括交流输入，滤波电容C_f和滤波电感L_f， 滤波电容C_f与滤波电感L_f组成LC滤波器，桥式整流电路输出端包括第一开关管Q₁，第 二开关管Q₂，二极管D₁、二极管D₂，电感L₁、电感L₂，输出滤波电容C_o及LED负载；

电感L₁的一端连接第二二极管Dr₂的阴极，电感L₁的另一端连接第一开关管Q₁的漏极；第一开关管Q₁的漏极连接第二开关管Q₂的源极和二极管D₁的阳极；第一开关管Q₁的源极与第四二极管Dr₄的阳极和储能电容C_b的负极相接；第二开关管Q₂的漏极接电感 L₂的一端、输出电容C_o的正极、负载LED的阳极；二极管D₁的阴极连接电感L₂的另一 端、二极管D₂的阴极及储能电容C_b的正极；二极管D₂的阳极接输出电容C_o的负极和负 载LED的阴极。

进一步，桥式整流电路中，所述第一二极管Dr₁的阳极连接所述第三二极管Dr₃的阴极， 所述第二二极管Dr₂的阳极连接所述第四二极管Dr₄的阴极，所述第一二极管Dr₁与所述第 二二极管Dr₂的阴极对接，所述第三二极管Dr₃与所述第四二极管Dr₄的阳极对接。

进一步，电感L₁、电感L₂都工作在电流断续模式，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂共用一个驱动信号。

本发明的基于BOOST-反极性BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源的切换方法，包括步骤：

模态1[t0，t1]：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，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂导通，二极管D₁、二极管D₂关断，交流输入、 桥式整流电路、电感L₁及第一开关管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、电感L₂、第二开关管Q₂、第一开关管 Q₁构成电感L₂供电回路，电感L₂上的电流i_L2线性上升；输出电容C_o向负载LED供电， 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]：在电感L₁上的电流i_L1达到峰值的时刻，关断第一开关管Q₁和第二开 关管Q₂，二极管D₁、二极管D₂导通，电感L₁、二极管D₁和储能电容C_b组成BOOST升 压电路给储能电容C_b充电，电感L₂通过二极管D₂给输出电容C_o和负载LED供电，在t2 时刻，电感L₁上的电流i_L1线性下降至0，电感L₂上的电流i_L2下降至 其中u_cb为储能电容C_b上的电压；u_co为输出电容C_o上的电压；

模态3[t2-t3]：第一开关管Q₁和第二开关管Q₂关断，电感L₁上的电能释放完毕，电感 L₂继续通过二极管D₂给输出电容C_o和负载LED供电，在t3时刻，电感L₂上的电流i_L2下降至0；

模态4[t3-t4]：第一开关管Q₁和第二开关管Q₂关断，电感L₁和电感L₂上的电能均释放完毕，仅由输出电容C_o向负载LED供电。

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滤波器后经过桥式整流电路，整流过后的电压经过BOOST-反极性BUCK交错并联变换器给负载恒流供电。

所述的储能电容通过增大储能电容电压和其纹波的方式，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。

本发明采用了交错并联技术，将BOOST变换器与反极性BUCK变换器交错并联，实现了高功率因数和恒流输出。通过增大储能电容电压和其纹波的方式，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；该BOOST-反极 性BUCK交错并联无电解电容LED驱动电源具有集成度高、体积小、无电解电容、使用 寿命长等特点。

附图说明

图1为本发明的一种基于BOOST-反极性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-反极性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。

图3为本发明一种基于BOOST-反极性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工作模态的等效电路。(a)模态1；(b)模态2；(c)模态3；(d)模态4；

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-反极性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，由Dr₁、Dr₂、Dr₃、Dr₄组成的桥式整流电 路，第一开关管Q₁，第二开关管Q₂，二极管D₁、D₂，电感L₁、L₂，输出滤波电容Co及 LED负载；所述BOOST-反极性BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源中， BOOST电路由电感L₁，二极管D₁，开关管Q₁和电容C_b构成；反极性BUCK电路由电容 C_b，电感L₂，开关管Q₁、Q₂，二极管D₂和输出电容C_o组成。BOOST电路和反极性BUCK 电路共用开关管Q₁。电路中所涉及的所有电容均为非电解电容。

所述BOOST电路由第一开关管Q₁，续流二极管D₁，电感L₁，储能电容C_b组成；所 述的反极性BUCK电路由开关管Q₁，第二开关管Q₂，二极管D₂，电感L₂，储能电容C_b， 输出滤波电容C_o及LED负载组成。

所述桥式整流电路由第一二极管Dr₁、第二二极管Dr₂、第三二极管Dr₃和第四二极管 Dr₄组成；所述第一二极管Dr₁的阳极连接所述第三二极管Dr₃的阴极，所述第二二极管Dr₂的阳极连接所述第四二极管Dr₄的阴极，所述第一二极管Dr₁与所述第二二极管Dr₂的阴极 对接，所述第三二极管Dr₃与所述第四二极管Dr₄的阳极对接；电感L₁的一端接第二二极管Dr₂的阴极，电感L₁的另一端接第一开关管Q₁的漏极；第一开关管Q₁的漏极接第二开 关管Q₂的源极和二极管D₁的阳极；第一开关管Q₁的源极与第四二极管Dr₄的阳极和储能 电容C_b的负极相接；第二开关管Q₂的漏极接电感L₂的一端、输出电容C_o的正极及负载 LED的阳极；二极管D₁的阴极接电感L₂的另一端、二极管D₂的阴极及储能电容C_b的正 极；二极管D₂的阳极接输出电容C_o的负极和负载LED的阴极。

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滤波器后经过桥式整流电路，整流过后的电压经过BOOST-反极性BUCK交错并联变换器给负载恒流供电。

本发明采用交错并联技术，把BOOST变换器与反极性BUCK变换器集成后采用双开关管共用一个驱动信号进行控制，共有四种工作模态。

模态1[t0，t1]：如图3(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，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂导通，二极管D₁、二极管 D₂关断，交流输入、桥式整流电路、电感L₁及第一开关管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、电感L₂、第二开关 管Q₂、第一开关管Q₁构成电感L₂供电回路，电感L₂上的电流i_L2线性上升；输出电容C_o向负载LED供电，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3(b)所示，在电感L₁上的电流i_L1达到峰值的时刻，关断第一开关管Q₁和第二开关管Q₂，二极管D₁、二极管D₂导通，电感L₁、二极管D₁和储能电容C_b组成BOOST升压电路给储能电容C_b充电，电感L₂通过二极管D₂给输出电容C_o和负载 LED供电，在t2时刻，电感L₁上的电流i_L1线性下降至0，电感L₂上的电流i_L2下降至

模态3[t2-t3]：如图3(c)所示，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂关断，电感L₁上的 电能释放完毕，电感L₂继续通过二极管D₂给输出电容C_o和负载LED供电，在t3时刻， 电感L₂上的电流i_L2下降至0。

模态4[t3-t4]：如图3(d)所示，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂关断，电感L₁和电 感L₂上的电能均释放完毕，仅由输出电容C_o向负载LED供电。

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和反极性BUCK电路，实现了高功率因数和恒流输出。在原有的基础上通过增大储能电容电压和其 纹波的方式，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 (4)

1.一种基于BOOST-反极性BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源，其特征在于，包括由第一二极管Dr₁、第二二极管Dr₂、第三二极管Dr₃、第四二极管Dr₄组成的桥式整流电路，桥式整流电路输入端包括交流输入，滤波电容C_f和滤波电感L_f，滤波电容C_f与滤波电感L_f组成LC滤波器，桥式整流电路输出端包括第一开关管Q₁，第二开关管Q₂，二极管D₁、二极管D₂，电感L₁、电感L₂，输出滤波电容C_o及LED负载；

电感L₁的一端连接第二二极管Dr₂的阴极，电感L₁的另一端连接第一开关管Q₁的漏极；第一开关管Q₁的漏极连接第二开关管Q₂的源极和二极管D₁的阳极；第一开关管Q₁的源极与第四二极管Dr₄的阳极和储能电容C_b的负极相接；第二开关管Q₂的漏极接电感L₂的一端、输出电容C_o的正极、负载LED的阳极；二极管D₁的阴极连接电感L₂的另一端、二极管D₂的阴极及储能电容C_b的正极；二极管D₂的阳极接输出电容C_o的负极和负载LED的阴极。

2.根据权利要求1所述的基于BOOST-反极性BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源，其特征在于，桥式整流电路中，所述第一二极管Dr₁的阳极连接所述第三二极管Dr₃的阴极，所述第二二极管Dr₂的阳极连接所述第四二极管Dr₄的阴极，所述第一二极管Dr₁与所述第二二极管Dr₂的阴极对接，所述第三二极管Dr₃与所述第四二极管Dr₄的阳极对接。

3.根据权利要求1所述的基于BOOST-反极性BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源，其特征在于：电感L₁、电感L₂都工作在电流断续模式，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂共用一个驱动信号。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于BOOST-反极性BUCK变换器交错并联无电解电容LED驱动电源的切换方法，其特征在于，包括步骤：

模态1[t0,t1]：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，第一开关管Q₁和第二开关管Q₂导通，二极管D₁、二极管D₂关断，交流输入、桥式整流电路、电感L₁及第一开关管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、电感L₂、第二开关管Q₂、第一开关管Q₁构成电感L₂供电回路，电感L₂上的电流i_L2线性上升；输出电容C_o向负载LED供电，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]：在电感L₁上的电流i_L1达到峰值的时刻，关断第一开关管Q₁和第二开关管Q₂，二极管D₁、二极管D₂导通，电感L₁、二极管D₁和储能电容C_b组成BOOST升压电路给储能电容C_b充电，电感L₂通过二极管D₂给输出电容C_o和负载LED供电，在t2时刻，电感L₁上的电流i_L1线性下降至0，电感L₂上的电流i_L2下降至其中u_cb为储能电容C_b上的电压；u_co为输出电容C_o上的电压；

模态3[t2-t3]：第一开关管Q₁和第二开关管Q₂关断，电感L₁上的电能释放完毕，电感L₂继续通过二极管D₂给输出电容C_o和负载LED供电，在t3时刻，电感L₂上的电流i_L2下降至0；

模态4[t3-t4]：第一开关管Q₁和第二开关管Q₂关断，电感L₁和电感L₂上的电能均释放完毕，仅由输出电容C_o向负载LED供电。