CN109005618B - 基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源及其切换方法 - Google Patents

基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源及其切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源及其切换方法。电路拓扑包括桥式整流电路，桥式整流电路的输入侧为交流输入，输入滤波电感Lf和输入滤波电容Cf，桥式整流电路的输出侧为相串联的反激变压器T和第一开关管Q1，一个并联在反激变压器T输出端的双向cuk电路，输出滤波电感Lo，输出滤波电容Co及LED负载。本发明具有高功率因数、高恒流精度的优点。通过双向电路处理输入输出功率的脉动功率差，可以采用非电解电容代替电解电容，延长了整个驱动电源的使用寿命，提高了系统的稳定性。

Description

基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源及其切换方法
技术领域
本发明涉及电力电子应用技术领域,具体涉一种并联双向cuk电路的反激电路及切换方法，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
随着技术的发展，发光二极管(Light Emitting Diode,LED)因其具有节能、环保、安全、长寿命等优点，在家庭照明及装饰、城市景观照明、道路交通照明等领域得到了广泛的应用，LED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。实际使用中，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的脉动功率差，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。但电解电容的寿命仅有LED寿命的十分之一左右，这极大地限制了LED驱动电源的寿命。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
本发明是针对反激LED驱动电源中存在电解电容，影响驱动电源使用寿命的问题，提出一种基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源。在反激变换器的输出端并联双向cuk电路来实现功率解耦，从而实现平衡输入输出功率的脉动差并减小输出电容的容量，延长了LED驱动电源的使用寿命。
本发明采用了如下的技术方案：一种基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源，包括桥式整流电路，桥式整流电路的输入侧为交流输入，输入滤波电感Lf和输入滤波电容Cf，桥式整流电路的输出侧为相串联的反激变压器T和第一开关管Q1，一个并联在反激变压器T输出端的双向cuk电路，输出滤波电感Lo，输出滤波电容Co及LED负载。
进一步，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；第一开关管Q1的源极接第三二极管的阳极；第一开关管Q1的漏极接反激变压器T初级绕组的一端；反激变压器T初级绕组的另一端接第二二极管的阴极，反激变压器T的次级绕组一端连接输出整流二极管D1的阳极，输出整流二极管D1的阴极与输出电容Co的一端、输出电感Lo的一端相连，输出电感Lo的另一端和负载LED的阳极相连，输出电容Co的另一端与负载LED的阴极相连，双向cuk变换器并联在输出电容Co两端。
进一步，所述桥式整流电路中，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，所述并联的双向cuk电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第二开关管Q2、第三开关管Q3；第一电感L1一端与输出电容Co的一端相接，第一电感L1的另一端与第二开关管Q2的漏极、第一电容C1的一端相接，第一电容C1的另一端与第三开关管Q3的源极、第二电感L2的一端相接，第二电感L2的另一端与第二电容C2的一端相接，第二电容C2的另一端与第二开关管Q2的源极、第三开关管Q3的漏极、输出电容Co的另一端相接。
进一步，所述并联的双向cuk电路中，第一电容C1用于在Co和C2之间转移能量，第二电容C2用于储存和释放主电路传递过来的能量。
本发明的方法的技术方案为：一种基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源的切换方法，包括步骤：所述第一开关管Q1、反激变压器T、以及输出滤波电感Lo，输出滤波电容Co及LED负载共同构成反激变换器；
模态1[t0～t1]:在t0～t1时间段内，Q1和Q2导通，Q3关断，反激变压器原边电感Lm储能，输出电容Co向LED负载和第一电感L1释放能量；
模态2[t1～t2]:在t1～t2时间段内，Q1和Q3关断，Q2继续导通，反激变换器原边所储存的能量通过副边释放出来，给输出电容Co、LED负载和第一电感L1供电；
模态3[t2～t3]:在t2～t3时间段内，Q1和Q3关断，Q2继续导通，反激变换器储存的能量完全释放完毕，输出电容Co向LED负载和第一电感L1释放能量；
模态4[t3～t4]：在t3～t4时间段内，Q1和Q2关断，Q3导通，输出电容Co向LED负载供电，Co和L1串联向第一电容C1充电。
与现有的拓扑相比，本发明具有高功率因数、高恒流精度的优点。通过双向电路处理输入输出功率的脉动功率差，可以采用非电解电容代替电解电容，延长了整个驱动电源的使用寿命，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源拓扑结构图；
图2为本发明无电解电容LED驱动电源在Pin>Po时开关管的驱动信号；
图3为本发明无电解电容LED驱动电源在Pin>Po时的工作模态1；
图4为本发明无电解电容LED驱动电源在Pin>Po时的工作模态2；
图5为本发明无电解电容LED驱动电源在Pin>Po时的工作模态3；
图6为本发明无电解电容LED驱动电源在Pin>Po时的工作模态4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。一种基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源，在反激变换器主电路的输出端并联一个双向cuk电路，用于平衡瞬时输入功率与输出功率的脉动差并减小输出滤波电容的容量。
如图1所示，一种基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源，包括交流输入，输入滤波电感Lf，输入滤波电容Cf，桥式整流电路，一个反激变换器，一个并联在反激变换器输出端的双向cuk电路，输出滤波电感Lo，输出滤波电容Co及LED负载。
其主电路包括交流输入，输入滤波电感Lf，输入滤波电容Cf，桥式整流电路，一个反激变压器。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；主开关管即第一开关管Q1的源极接第三二极管的阳极；主开关管即第一开关管Q1的漏极接反激变压器T初级绕组的一端；反激变压器T初级绕组的另一端接第二二极管的阴极。反激变压器T的次级绕组一端连接输出整流二极管D1的阳极，输出整流二极管D1的阴极与输出电容Co的一端、输出电感Lo的一端相连，输出电感Lo的另一端和负载LED的阳极相连，输出电容Co的另一端与负载LED的阴极相连。
其并联在反激变换器输出端的双向cuk电路，L1一端与Co的一端相接，L1的另一端与Q2的漏极、C1的一端相接，C1的另一端与Q3的源极、L2的一端相接，L2的另一端与C2的一端相接，C2的另一端与Q1的源极、Q3的漏极、Co的另一端相接。电容C1用于在Co和C2之间转移能量，电容C2用于储存和释放主电路传递过来的能量。
由于本发明是用来平衡输入输出功率的脉动差的，所以其主要工作状态分为两大部分：一时输入功率小于输出功率，即Pin<Po；二是输入功率大于输出功率，即Pin>Po；每个部分有四个工作模态，以Pin>Po为例说明本发明工作过程，Pin<Po的状况类似，不再赘述。
模态1[t0～t1]:如图所示，在t0～t1时间段内，Q1和Q2导通，Q3关断，反激变压器原边电感Lm储能，Co向负载和双向电路的L1释放能量。
模态2[t1～t2]:如图所示，在t1～t2时间段内，Q1和Q3关断，Q2继续导通，反激变换器原边所储存的能量通过副边释放出来，给Co、负载和双向变换器的L1供电。
模态3[t2～t3]:如图所示，在t2～t3时间段内，Q1和Q3关断，Q2继续导通，反激变换器储存的能量完全释放完毕，Co向负载和双向电路的L1释放能量。
模态4[t3～t4]：如图所示，在t3～t4时间段内，Q1和Q2关断，Q3导通，Co向负载供电，Co和L1串联向C1充电。
本发明在反激变换器的基础上，通过双向电路处理输入输出功率的脉动功率差，可以采用小容值的非电解电容代替电解电容，有效地实现了消除电解电容的目的，延长了整个驱动电源的使用寿命，提高了系统的稳定性。
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 (3)

1.基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源，其特征在于，包括桥式整流电路，桥式整流电路的输入侧为交流输入，输入滤波电感Lf和输入滤波电容Cf，桥式整流电路的输出侧为相串联的反激变压器T和第一开关管Q1，一个并联在反激变压器T输出端的双向cuk电路，输出滤波电感Lo，输出滤波电容Co及LED负载；
所述双向cuk电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第二开关管Q2、第三开关管Q3；第一电感L1一端与输出电容Co的一端相接，第一电感L1的另一端与第二开关管Q2的漏极、第一电容C1的一端相接，第一电容C1的另一端与第三开关管Q3的源极、第二电感L2的一端相接，第二电感L2的另一端与第二电容C2的一端相接，第二电容C2的另一端与第二开关管Q2的源极、第三开关管Q3的漏极、输出电容Co的另一端相接；
所述双向cuk电路中，第一电容C1用于在Co和C2之间转移能量，第二电容C2用于储存和释放主电路传递过来的能量；
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；第一开关管Q1的源极接第三二极管的阳极；第一开关管Q1的漏极接反激变压器T初级绕组的一端；反激变压器T初级绕组的另一端接第二二极管的阴极，反激变压器T的次级绕组一端连接输出整流二极管D1的阳极，输出整流二极管D1的阴极与输出电容Co的一端、输出电感Lo的一端相连，输出电感Lo的另一端和负载LED的阳极相连，输出电容Co的另一端与负载LED的阴极相连，双向cuk电路并联在输出电容Co两端。
2.根据权利要求1所述的基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述桥式整流电路中，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1-2任意一项所述的基于双向cuk电路的无电解电容LED驱动电源的切换方法，其特征在于，包括步骤：所述第一开关管Q1、反激变压器T、以及输出滤波电感Lo，输出滤波电容Co及LED负载共同构成反激变换器；
模态1[t0～t1]:在t0～t1时间段内，Q1和Q2导通，Q3关断，反激变压器原边电感Lm储能，输出电容Co向LED负载和第一电感L1释放能量；
模态2[t1～t2]:在t1～t2时间段内，Q1和Q3关断，Q2继续导通，反激变换器原边所储存的能量通过副边释放出来，给输出电容Co、LED负载和第一电感L1供电；
模态3[t2～t3]:在t2～t3时间段内，Q1和Q3关断，Q2继续导通，反激变换器储存的能量完全释放完毕，输出电容Co向LED负载和第一电感L1释放能量；
模态4[t3～t4]：在t3～t4时间段内，Q1和Q2关断，Q3导通，输出电容Co向LED负载供电，Co和L1串联向第一电容C1充电。
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