CN109068444B - 一种单级非隔离型无电解电容led驱动电源及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源及切换方法。电路拓扑包括交流电源，输入滤波电路，整流桥，一个BOOST与BUCK交错并联电路，填谷式电路，输出滤波电容及LED负载。所述交流电源依次连接输入滤波电路、整流桥、BOOST与BUCK交错并联电路。本发明有如下优点及特点：1输出电流纹波减小，功率因数高；2填谷式电路里的电容上的电压应力减小；3电路用一个开关管控制，减少了开关损耗。

Description

一种单级非隔离型无电解电容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,具体涉及一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源,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)具有节能、环保、安全、长寿命等优点，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。

生活照明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，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。但电解电容的寿命有限，极大地限制了LED驱动电源的寿命，不能与LED本体寿命相匹配。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

针对传统的LED驱动电源存在的驱动电源寿命短、体积大，非隔离式驱动电源效率低等问题，本发明在已经优化了传统BOOST-BUCK驱动电源，将BOOST-BUCK变换器交错并联的基础上，提出了一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源及其工作方法。

本发明电路采用的技术方案为：一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源，包括交流电源、输入滤波电路、整流桥、一个BOOST与BUCK交错并联电路，所述交流电源依次连接输入滤波电路、整流桥、BOOST与BUCK交错并联改进电路。

进一步，所述输入滤波电路由输入滤波电感和输入滤波电容组成；所述输入滤波电感正极连接交流电源正极，负极连接输入滤波电容正极，所述滤波电容负极连接交流电源负极。

进一步，所述整流桥由四个二极管组成，分别为D_r1，D_r2，D_r3，D_r4；所述D_r1阳极连接输入滤波电感L_f和输入滤波电容C_f的一端，D_r1阴极连接D_r2阴极，所述D_r2阴极还连接电感L₁的一端，D_r2阳极连接D_r4阴极，所述D_r3阴极与所述D_r1阳极连接，D_r3阳极连接D_r4阳极，所述D_r4阳极还连接开关管Q₁源极，D_r4阴极连接交流电源负极。

进一步，BOOST与BUCK交错并联改进电路包括交错并联的BOOST电路、BUCK电路，以及填谷式电路；

所述BOOST电路由电感L₁、开关管Q₁、二极管D₂和填谷式电路组成；所述电感L₁一端连接D_r2阴极，电感L₁另一端连接Q₁漏极和二极管D₂阳极，D₂阴极连接填谷式电路里的二极管D₃阴极和电容C_b正极，所述填谷式电路由二极管D₃、D₄、D₅，电容C_a和电容C_b组成，所述电容C_b正极连接二极管D₃阴极，电容C_b负极连接二极管D₄阳极和二极管D₅阴极，二极管D₃阳极连接电容C_a正极和二极管D₄阴极，所述电容C_a负极连接二极管D₅阳极和开关管Q₁源极；开关管Q₁漏极与电感L₁一端和二极管D₂阳极相连；

所述BUCK电路由二极管D₁、电感L₂、填谷式电路、开关管Q₁、二极管D₂和电容C_o组成；所述二极管D₁阴极与电感L₁一端、开关管Q₁漏极、二极管D₂正极相连，二极管D₁阳极连接电感L₂的一端，电感L₂另一端连接电容C_o负极，电容C_o正极与二极管D₂阴极和填谷式电路中的电容C_b正极相连。

进一步，电感L₁、电感L₂都工作在电流断续模式。

进一步，所述电容C_a、电容C_b、电容C_o为非电解电容。

7本发明的方法的技术方案为：一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源调制方法，包括：

工作模态1，在t₀时刻之前，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为零，在t₀时刻，开关管Q₁开通，二极管D₁承受正向电压导通，交流输入、电感L₁及开关管Q₁构成对电感L₁的充电回路，交流输入v_in对电感L₁进行充电，电感电流i₁线性上升；此时填谷式电路也给电感L₁和输出滤波电容C_o充电；

工作模态2：关断Q₁，二极管D₁及D₂同时正向导通，交流输入、电感L₁、二极管D₂及填谷式电路组成充电回路，交流输入v_in和电感L₁给填谷式电路充电，填谷式电路电容电压持续上升，电感L₁电流i₁持续下降，同时电感L₂、二极管D₁、D₂、输出滤波电容及LED负载组成电感L₂续流回路，电感L₂向输出滤波电容C_o和LED负载供电，电感L₂电流i₂线性下降；

工作模态3：假设电感L₁的电流先下降为0，电感L₁电流i₁及i₁下降速度受电路参数影响，Boost回路进入电感电流断续模式，电感L₂续流回路继续存在，为输出LED负载提供能量；

工作模态4：电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为0，电感L₁、L₂进入断续工作模式，LED负载由输出滤波电容短暂供能。

所述的填谷式电路中的电容C_a和电容C_b的电压设计为直流电压并增大脉动纹波电压及平均电压，可以使用较小容值的高耐压非电解电容代替电解电容，可以增加LED驱动电源使用寿命。

本发明本发明在已经优化了传统BOOST-BUCK驱动电源，将BOOST-BUCK变换器交错并联的基础上，采用了填谷式电路来代替原拓扑储能电容，实现高功率因数，高效率，恒流输出和降低储能电容C_a和C_b上两端电压应力。通过增大储能电容的纹波电压和电压平均值，可采用较小容值的薄膜电容等非电解电容代替电解电容；该单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源具有效率高、功率因数高、集成度高、无电解电容、使用寿命长等特点及优点。

附图说明

图1为本发明的一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源拓扑结构图；

图2为本发明一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源主电路在一个开关周期内主要工作波形。

图3为本发明一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源主电路在一个开关周期内各开关模态等效电路。(a)为模态1；(b)为模态2；(c)为模态3；(d)为模态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1-2所示，一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源，包括交流电源，输入滤波电感L_f，输入滤波电容C_f，整流桥，开关管Q₁，二极管D₁、D₂,电感L₁、L₂，填谷式电路，输出滤波电容C_o及LED负载。

上述电路的单级是BOOST电路和BUCK电路通过交错并联的方式共用开关管，而没有形成级联的形式。非隔离是指在输入端和负载端之间没有通过变压器进行电气隔离。本电路里没有变压器进行电气隔离，所以是非隔离型的。无电解电容是指电路中没有电解电容，本电路中所有的电容均为非电解电容，不存在电解电容，所以是无电解电容。

所述BOOST电路由开关管Q₁，续流二极管D₂，电感L₁，填谷式电路组成；所述的BUCK电路由开关管Q₁，电感L₂，填谷式电路，输出滤波电容C_o及LED负载组成。

所述的交流输入经过输入滤波电容C_f与输入滤波电感L_f组成的LC滤波器后经过整流桥整流，正端连接二极管D₁的阴极和电感L₁的一端，L₁的另一端连接二极管D₂的阳极和开关管Q₁的漏极，开关管Q₁的源极连接整流桥的负端和填谷式电路的一端，填谷式电路的另一端和二极管D₂的负极连接LED负载的正极，二极管D₁的阳极连接电感L₂的一端，L₂的另一端连接LED负载的负极，输出滤波电容C_O的两端分别连接LED负载的正极和负极。

本发明采用填谷式电路来代替原拓扑的储能电容，在BOOST-BUCK变换器交错并联的基础上，它的工作模式如下。

工作模态1(t₀-t₁)：

如图3(a)所示为工作模态1等效电路图，在t₀时刻之前，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为零。在t₀时刻，开关管Q₁开通，二极管D₁承受正向电压导通，存在如图所示两条回路同时工作。一条回路是电源给电感L₁充电，另一条回路是填谷式电路给电感L₁和输出滤波电容C_o充电。由于A、B点等电位，所以两条回路独立工作不会产生互相影响。交流输入、电感L₁及开关管Q₁构成对电感L₁的充电回路，交流输入v_in对电感L₁进行充电，电感电流i₁线性上升。

工作模态2(t₁-t₂)：

如图3(b)所示为工作模态2等效电路图，在t₁时刻，关断Q₁，二极管D₁及D₂同时正向导通，同模态1中一样，存在同时工作的两条回路。一条回路是电感L₁给填谷式电路充电，另一条回路是电感L₂给输出滤波电容C_o充电。交流输入、电感L₁、二极管D₂及填谷式电路组成充电回路，交流输入v_in和电感L₁给填谷式电路充电。填谷式电路电容电压持续上升，电感L₁电流i₁持续下降，同时电感L₂、二极管D₁、D₂、输出滤波电容及LED负载组成电感L₂续流回路，电感L₂向输出滤波电容C_o和LED负载供电，电感L₂电流i₂线性下降。

工作模态3(t₂-t₃)：

如图3(c)所示为工作模态3等效电路图，假设电感L₁的电流先下降为0，电感L₁电流i₁及i₁下降速度受电路参数影响。Boost回路进入电感电流断续模式。电感L₂续流回路继续存在，为输出LED负载提供能量。

工作模态4(t₃-t₄)：

如图3(d)所示为工作模态4等效电路图，在t₃时刻，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为0，电感L₁、L₂进入断续工作模式，LED负载由输出滤波电容短暂供能。

本发明在在BOOST-BUCK变换器交错并联的基础上，将原储能电容替换成填谷式电路，实现高功率因数、高效和恒流输出。在原有的基础上减小电容两端的电压应力。

本发明有如下优点及特点：1输出电流纹波减小，功率因数高；2填谷式电路里的电容上的电压应力减小；3电路用一个开关管控制，减少了开关损耗。

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 (6)

1.一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，包括交流电源、输入滤波电路、整流桥、一个BOOST与BUCK交错并联改进电路，所述交流电源依次连接输入滤波电路、整流桥、BOOST与BUCK交错并联改进电路；

所述BOOST与BUCK交错并联改进电路包括交错并联的BOOST电路、BUCK电路，以及填谷式电路；

所述BOOST电路由电感L₁、开关管Q₁、二极管D₂和填谷式电路组成；所述电感L₁一端连接D_r2阴极，电感L₁另一端连接Q₁漏极和二极管D₂阳极，D₂阴极连接填谷式电路里的二极管D₃阴极和电容C_b正极，所述填谷式电路由二极管D₃、D₄、D₅，电容C_a和电容C_b组成，所述电容C_b正极连接二极管D₃阴极，电容C_b负极连接二极管D₄阳极和二极管D₅阴极，二极管D₃阳极连接电容C_a正极和二极管D₄阴极，所述电容C_a负极连接二极管D₅阳极和开关管Q₁源极；开关管Q₁漏极与电感L₁一端和二极管D₂阳极相连；

所述BUCK电路由二极管D₁、电感L₂、填谷式电路、开关管Q₁、二极管D₂和电容C_o组成；所述二极管D₁阴极与电感L₁一端、开关管Q₁漏极、二极管D₂正极相连，二极管D₁阳极连接电感L₂的一端，电感L₂另一端连接电容C_o负极，电容C_o正极与二极管D₂阴极和填谷式电路中的电容C_b正极相连。

2.根据权利要求1所述的一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述输入滤波电路由输入滤波电感和输入滤波电容组成；所述输入滤波电感正极连接交流电源正极，负极连接输入滤波电容正极，所述滤波电容负极连接交流电源负极。

3.根据权利要求1所述的一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述整流桥由四个二极管组成，分别为D_r1，D_r2，D_r3，D_r4；所述D_r1阳极连接输入滤波电感L_f和输入滤波电容C_f的一端，D_r1阴极连接D_r2阴极，所述D_r2阴极还连接电感L₁的一端，D_r2阳极连接D_r4阴极，所述D_r3阴极与所述D_r1阳极连接，D_r3阳极连接D_r4阳极，所述D_r4阳极还连接开关管Q₁源极，D_r4阴极连接交流电源负极。

4.根据权利要求1所述的一种单级非隔离型填谷式无电解电容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。

5.根据权利要求1所述的一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述电容C_a、电容C_b、电容C_o为非电解电容。

6.根据权利要求1所述的一种单级非隔离型填谷式无电解电容LED驱动电源调制方法，其特征在于，

工作模态1，在t₀时刻之前，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为零，在t₀时刻，开关管Q₁开通，二极管D₁承受正向电压导通，交流输入、电感L₁及开关管Q₁构成对电感L₁的充电回路，交流输入v_in对电感L₁进行充电，电感电流i₁线性上升；此时填谷式电路也给电感L₁和输出滤波电容C_o充电；

工作模态2：关断Q₁，二极管D₁及D₂同时正向导通，交流输入、电感L₁、二极管D₂及填谷式电路组成充电回路，交流输入v_in和电感L₁给填谷式电路充电，填谷式电路电容电压持续上升，电感L₁电流i₁持续下降，同时电感L₂、二极管D₁、D₂、输出滤波电容及LED负载组成电感L₂续流回路，电感L₂向输出滤波电容C_o和LED负载供电，电感L₂电流i₂线性下降；

工作模态3：假设电感L₁的电流先下降为0，电感L₁电流i₁及i₁下降速度受电路参数影响，Boost回路进入电感电流断续模式，电感L₂续流回路继续存在，为输出LED负载提供能量；

工作模态4：电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为0，电感L₁、L₂进入断续工作模式，LED负载由输出滤波电容短暂供能。

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