CN108990212B - 基于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

基于buck变换器交错并联无电解电容led驱动电源及切换方法 Download PDF

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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Cf和滤波电感Lf，滤波电容Cf与滤波电感Lf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Co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Cf和滤波电感Lf，滤波电容Cf与滤波电感Lf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Co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Cb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Co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Cb的正极；二极管D2的阳极接输出电容Co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iL1、电感L2上的电流iL2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iL1线性上升，储能电容Cb、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iL2线性上升；输出电容Co向负载LED供电，在模态1结束时刻，电感L1上的电流iL1达到峰值；
模态2[t1,t2]：在电感L1上的电流iL1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Cb组成BOOST升压电路给储能电容Cb充电，电感L2通过二极管D2给输出电容Co和负载LED供电，在t2时刻，电感L1上的电流iL1线性下降至0，电感L2上的电流iL2下降至
Figure GDA0002409436460000021
其中ucb为储能电容Cb上的电压；uco为输出电容Co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Co和负载LED供电，在t3时刻，电感L2上的电流iL2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Co向负载LED供电。
所述的交流输入经过滤波电容Cf与滤波电感Lf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Cf，滤波电感Lf，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Cb构成；反极性BUCK电路由电容Cb，电感L2，开关管Q1、Q2，二极管D2和输出电容Co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Cb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Cb，输出滤波电容Co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Cb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Co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Cb的正极；二极管D2的阳极接输出电容Co的负极和负载LED的阴极。
所述的交流输入经过滤波电容Cf与滤波电感Lf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iL1、电感L2上的电流iL2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iL1线性上升，储能电容Cb、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iL2线性上升；输出电容Co向负载LED供电，在模态1结束时刻，电感L1上的电流iL1达到峰值。
模态2[t1,t2]：如图3(b)所示，在电感L1上的电流iL1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Cb组成BOOST升压电路给储能电容Cb充电，电感L2通过二极管D2给输出电容Co和负载LED供电，在t2时刻，电感L1上的电流iL1线性下降至0，电感L2上的电流iL2下降至
Figure GDA0002409436460000041
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Co和负载LED供电，在t3时刻，电感L2上的电流iL2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Co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Cf和滤波电感Lf，滤波电容Cf与滤波电感Lf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Co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Cb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Co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Cb的正极；二极管D2的阳极接输出电容Co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iL1、电感L2上的电流iL2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iL1线性上升，储能电容Cb、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iL2线性上升；输出电容Co向负载LED供电，在模态1结束时刻，电感L1上的电流iL1达到峰值；
模态2[t1,t2]：在电感L1上的电流iL1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Cb组成BOOST升压电路给储能电容Cb充电，电感L2通过二极管D2给输出电容Co和负载LED供电，在t2时刻，电感L1上的电流iL1线性下降至0，电感L2上的电流iL2下降至
Figure FDA0001743515510000021
其中ucb为储能电容Cb上的电压；uco为输出电容Co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Co和负载LED供电，在t3时刻，电感L2上的电流iL2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Co向负载LED供电。
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