CN110012574A - 一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路。包括单相交流输入电源v_in、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、高频电容C₁、第一输出电容C_bus、第二输出电容C_o、谐振电容C_r、第一电感L₁、第二电感L₂、谐振电感L_r、高频变压器T（包含原边绕组Np、副边绕组Ns1、副边绕组Ns2）、LED灯负载。本发明电路能够完成可升可降变换、实现宽输入电压范围、母线电压可控、高功率因数、低导通损耗和软开关变换，并且提高驱动电路性能价格比。

Description

一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路

技术领域

本发明涉及一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，以实现宽输入电压、母线电压可控、高功率因数、高效和软开关变换。

背景技术

照明电器需要满足一系列强制性网侧输入电流低频谐波限制相关标准，如IEEE519、IEC1000-3-2C类等标准。因此功率因数校正(PowerFactorCorrection—PFC)技术成为LED驱动电路领域里的一个关键技术，研究高效型PFC电路成为一个热点。

Sepic电路可升可降，适合宽输入电压范围，且无桥SepicPFC电路在输入端有电感，因此产生的输入输出电流纹波和电磁干扰都比较小，提高了变换器的效率和功率因数以及减小THD，并减少导通损耗。

LLC谐振变换器的开关管能够工作在软开关模式，其开关损耗能够保持在一个很低的水平，在中大功率LED驱动系统中得到了广泛的应用。一般情况下，独立的LLC谐振变换器的效率都在90％以上。传统的交流输入LED驱动电源通常采用两级结构，前级为功率因数校正电路，后级为DC-DC变换电路。两级结构的驱动电源需要分别采用两套独立的控制系统，因此其成本高，且可靠性差。近年来，越来越多的学者开始关注单级LED驱动电源。单级电路将两级电路的开关管复用从而集成为一级，减少了开关管的数量且只需要一套控制系统，提高了可靠性并降低了成本，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，该电路能够直流母线电压可调控、实现宽输入电压范围、高功率因数、低导通损耗和软开关变换，并且提高驱动电路性能价格比。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，包括单相交流输入电源v_in、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、高频电容C₁、第一输出电容C_bus、第二输出电容C_o、谐振电容C_r、第一电感L₁、第二电感L₂、谐振电感L_r、高频变压器T、LED灯负载；所述第一功率二极管D₁的阴极与第一功率开关管S₁漏极、高频电容C₁的一端相连，所述第二功率二极管D₂的阴极与单相交流输入电源v_in的一端、第一功率二极管D₁的阳极相连接，所述第二功率二极管D₂的阳极与第二功率开关管S₂源极、第五功率二极管D₅的阳极、第二电感L₂的一端、第一输出电容C_bus的负端、谐振电容C_r的一端相连接，所述单相交流输入电源v_in的另一端与第一电感L₁的一端相连接，所述第一电感L₁的另一端与第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的漏极、第三功率二极管D₃的阴极相连接，所述第二电感L₂的另一端与第四功率二极管D₄的阳极、高频电容C₁的另一端相连接，所述第一输出电容C_bus的正端与第四功率二极管D₄的阴极、第三功率开关管S₃的漏极相连接，所述第三功率开关管S₃的源极与第三功率二极管D₃的阳极、第五功率二极管D₅的阴极、谐振电感L_r的一端相连接，所述谐振电感L_r的另一端与高频变压器T的原边绕组N_p同名端相连接，所述谐振电容C_r的另一端与高频变压器T的原边绕组N_p异名端相连接；所述高频变压器T的副边绕组N_s1异名端与高频变压器T的副边绕组N_s2同名端、第二输出电容C_o的负端、LED灯负载的一端相连接，所述高频变压器T的副边绕组N_s1同名端与第六功率二极管D_s1的阳极相连接，所述高频变压器T的副边绕组N_s2的异名端与第七功率二极管D_s2的阳极相连接，所述第六功率二极管D_s1的阴极与第七功率二极管D_s2的阴极、第二输出电容C_o的正端以及LED灯负载的另一端相连接。

在本发明一实施例中，所述第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第四功率二极管D₄、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、高频电容C₁、第一输出电容C_bus构成无桥Sepic电路；所述第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第三功率二极管D₃、第五功率二极管D₅、第二输出电容C_o、谐振电容C_r、谐振电感L_r、高频变压器T、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2、LED灯负载构成LLC电路；无桥Sepic电路能够工作在DCM模式、BCM模式或者CCM模式下，LLC电路工作于ZVS区域，即LLC电路工作在f_r1<f_s<f_r区域(f_r1为LLC电路的串并联谐振频率，f_r为LLC电路的串联谐振频率)。

在本发明一实施例中，所述第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂为整流二极管，第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2为快恢复二极管。

在本发明一实施例中，所述第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃为功率MOSFET管，且采用APWM-PFM混合控制方式，即变频变占空比控制。

在本发明一实施例中，所述谐振电容C_r、高频电容C₁为高频电容；所述第一输出电容C_bus、第二输出电容C_o为电解电容。

在本发明一实施例中，所述谐振电感L_r为高频变压器T的漏感或独立电感。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出了一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，只需要一套控制电路，可以提高电路可靠性，降低成本和导通损耗；

2、Sepic电路实现可升可降，提高适用输入电压范围；无桥Sepic电路降低导通损耗。

3、APWM-PFM控制可以实现母线电压调控，降低开关管电压应力。

附图说明

图1是本发明的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路原理图。

图2是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路工作阶段等效电路图一。

图3是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路工作阶段等效电路图二。

图4是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路工作阶段等效电路图三。

图5是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路工作阶段等效电路图四。

图6是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路工作阶段等效电路图五。

图7是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路工作阶段等效电路图六。

图8是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路工作阶段等效电路图七。

图9是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路工作阶段等效电路图八。

图10是本发明实施例的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路APWM-PFM混合控制策略逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本实施例提供了一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路。包括单相交流输入电源v_in、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D₆、第七功率二极管D₇、第八功率二极管D_s1、第九功率二极管D_s2、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、高频电容C₁、第一输出电容C_bus、第二输出电容C_o、谐振电容C_r、第一电感L₁、第二电感L₂、谐振电感L_r、高频变压器T(包含原边绕组Np、副边绕组Ns1、副边绕组Ns2)、LED灯负载。

所述第一功率二极管D₁的阴极与第一功率开关管S₁漏极、高频电容C₁的一端相连，所述第二功率二极管D₂的阴极与单相交流输入电源v_in的一端、第一功率二极管D₁的阳极相连接，所述第二功率二极管D₂的阳极与第二功率开关管S₂源极、第五功率二极管D₅的阳极、第二电感L₂的一端、第一输出电容C_bus的负端、谐振电容C_r的一端相连接，所述单相交流输入电源v_in的另一端与第一电感L₁的一端相连接，所述第一电感L₁的另一端与第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的漏极、第三功率二极管D₃的阴极相连接，所述第二电感L₂的另一端与第四功率二极管D₄的阳极、高频电容C₁的另一端相连接，所述第一输出电容C_bus的正端与第四功率二极管D₄的阴极、第三功率开关管S₃的漏极相连接，所述第三功率开关管S₃的源极与第三功率二极管D₃的阳极、第五功率二极管D₅的阴极、谐振电感L_r的一端相连接，所述谐振电感L_r的另一端与高频变压器T的原边绕组N_p同名端相连接，所述谐振电容C_r的另一端与高频变压器T的原边绕组N_p异名端相连接；所述高频变压器T的副边绕组N_s1异名端与高频变压器T的副边绕组N_s2同名端、第二输出电容C_o的负端、LED灯负载的一端相连接，所述高频变压器T的副边绕组N_s1的同名端与第六功率二极管D_s1的阳极相连接，所述高频变压器T的副边绕组N_s2的异名端与第七功率二极管D_s2的阳极相连接，所述第六功率二极管D_s1的阴极与第七功率二极管D_s2的阴极、第二输出电容C_o的正端以及LED灯负载的另一端相连接。

在本实施例中，所述第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第四功率二极管D₄、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、高频电容C₁、第一输出电容C_bus构成无桥Sepic电路；所述第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第三功率二极管D₃、第五功率二极管D₅、第二输出电容C_o、谐振电容C_r、谐振电感L_r、高频变压器T、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2、LED灯负载构成LLC电路；无桥Sepic电路能够工作在DCM模式、BCM模式或者CCM模式下，LLC电路工作于ZVS区域，即LLC电路工作在f_r1<f_s<f_r区域(f_r1为LLC电路的串并联谐振频率，f_r为LLC电路的串联谐振频率)。

在本实施例中，所述第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂为整流二极管，第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2为快恢复二极管。

在本实施例中，所述第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃为功率MOSFET管，且采用APWM-PFM混合控制方式。

在本实施例中，所述谐振电容C_r、高频电容C₁为高频电容；所述第一输出电容C_bus、第二输出电容C_o为电解电容。

在本实施例中，所述谐振电感L_r为高频变压器T的漏感或独立电感。

特别的，如图2至图9所示，本实施例还提供了一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路的具体电路工作模态。

设计Sepic电路工作在DCM模式，LLC电路工作在f_r1<f_s<f_r区域(f_r1为LLC电路的串并联谐振频率，f_r为LLC电路的串联谐振频率)。在交流电源工频正负周期内，电路的工作状态是对称的，这里以工频正半周期为例说明，负半周期不一一赘述，图2至图9为正半周期8个模态等效图。

参照图2，开关管S₁、S₂开通，开关管S₃关断，第一电感和第二电感电流i_L1、i_L2线性上升。在此阶段，谐振电感L_r、谐振电容C_r以谐振频率谐振，谐振电流大于励磁电流，副边二极管D_s2(即上文的第七功率二极管D_s2)导通。变压器原边绕组两端电压被箝位在-nV_o，励磁电流以斜率nV_o/L_m线性上升。

参照图3，开关管S₁、S₂仍然导通，第一电感和第二电感电流i_L1、i_L2仍然线性上升。此时，谐振电流与励磁电流相等，此时副边二极管D_s2零电流关断。变压器原边绕组不再被输出电压箝位，由于励磁电感很大，所以谐振周期很大，谐振电流在此阶段与励磁电流保持一致，基本为恒定值。

参照图4，开关管S₁、S₂关断，第一电感和第二电感电流i_L1、i_L2线性下降，同时，LLC谐振频率为谐振电流大于励磁电流，副边二极管D_s1(即上文的第六功率二极管D_s1)导通。变压器原边绕组两端电压被箝位在nV_o，励磁电流以斜率nV_o/L_m线性上升。

参照图5，开关管S₃开通，第一电感和第二电感电流i_L1、i_L2继续线性下降。母线电容C_bus处于放电状态，同时，LLC谐振频率为谐振电流大于励磁电流，副边二极管D_s1导通。变压器原边绕组两端电压被箝位在nV_o，励磁电流以斜率nV_o/L_m线性上升。

参照图6，开关管S₃仍然导通。第一电感和第二电感电流i_L1、i_L2续流结束。在此阶段，谐振电感L_r、谐振电容C_r以谐振频率谐振，谐振电流大于励磁电流，副边二极管D_s1导通。变压器原边绕组两端电压被箝位在nV_o，励磁电流以斜率nV_o/L_m线性上升。

参照图7，开关管S₃仍然导通。此时，谐振电流与励磁电流相等，此时副边二极管D_s1零电流关断。变压器原边绕组不再被输出电压箝位，由于励磁电感很大，所以谐振周期很大，谐振电流在此阶段与励磁电流保持一致，基本为恒定值。

参照图8，开关管S₃关断，在此阶段，二极管D₅导通，谐振电感L_r、谐振电容C_r以谐振频率谐振，谐振电流大于励磁电流，副边二极管D_s2导通。变压器原边绕组两端电压被箝位在-nV_o，励磁电流以斜率nV_o/L_m线性上升。

参照图9，开关管S₁、S₂开通，第一电感和第二电感电流i_L1、i_L2线性上升，在此阶段，二极管D₅继续导通，谐振电感L_r、谐振电容C_r以谐振频率谐振，谐振电流大于励磁电流，副边二极管D_s2导通。变压器原边绕组两端电压被箝位在-nV_o，励磁电流以斜率nV_o/L_m线性上升。

参照图10，APWM-PFM混合控制策略在传统PFM控制策略中引入了直流母线电压比例前馈控制，通过母线电压比例前馈控制调节开关管占空比来控制直流母线电压，通过输出电流反馈控制来调节开关管频率f_s从而稳定输出电流。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，其特征在于，包括单相交流输入电源v_in、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、高频电容C₁、第一输出电容C_bus、第二输出电容C_o、谐振电容C_r、第一电感L₁、第二电感L₂、谐振电感L_r、高频变压器T、LED灯负载；所述第一功率二极管D₁的阴极与第一功率开关管S₁漏极、高频电容C₁的一端相连，所述第二功率二极管D₂的阴极与单相交流输入电源v_in的一端、第一功率二极管D₁的阳极相连接，所述第二功率二极管D₂的阳极与第二功率开关管S₂源极、第五功率二极管D₅的阳极、第二电感L₂的一端、第一输出电容C_bus的负端、谐振电容C_r的一端相连接，所述单相交流输入电源v_in的另一端与第一电感L₁的一端相连接，所述第一电感L₁的另一端与第一功率开关管S₁的源极、第二功率开关管S₂的漏极、第三功率二极管D₃的阴极相连接，所述第二电感L₂的另一端与第四功率二极管D₄的阳极、高频电容C₁的另一端相连接，所述第一输出电容C_bus的正端与第四功率二极管D₄的阴极、第三功率开关管S₃的漏极相连接，所述第三功率开关管S₃的源极与第三功率二极管D₃的阳极、第五功率二极管D₅的阴极、谐振电感L_r的一端相连接，所述谐振电感L_r的另一端与高频变压器T的原边绕组N_p同名端相连接，所述谐振电容C_r的另一端与高频变压器T的原边绕组N_p异名端相连接；所述高频变压器T的副边绕组N_s1异名端与高频变压器T的副边绕组N_s2同名端、第二输出电容C_o的负端、LED灯负载的一端相连接，所述高频变压器T的副边绕组N_s1同名端与第六功率二极管D_s1的阳极相连接，所述高频变压器T的副边绕组N_s2异名端与第七功率二极管D_s2的阳极相连接，所述第六功率二极管D_s1的阴极与第七功率二极管D_s2的阴极、第二输出电容C_o的正端以及LED灯负载的另一端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，其特征在于：所述第一电感L₁、第二电感L₂、第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂、第四功率二极管D₄、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、高频电容C₁、第一输出电容C_bus构成无桥Sepic电路；所述第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第三功率二极管D₃、第五功率二极管D₅、第二输出电容C_o、谐振电容C_r、谐振电感L_r、高频变压器T、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2、LED灯负载构成LLC电路；无桥Sepic电路能够工作在DCM模式、BCM模式或者CCM模式下，LLC电路工作于ZVS区域，即LLC电路工作在f_r1<f_s<f_r区域，f_r1为LLC电路的串并联谐振频率，f_r为LLC电路的串联谐振频率。

3.根据权利要求1所述的一种无桥Sepic和LLC电路集成的单级LED驱动电路，其特征在于：所述第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂为整流二极管，第三功率二极管D₃、第四功率二极管D₄、第五功率二极管D₅、第六功率二极管D_s1、第七功率二极管D_s2为快恢复二极管。

4.根据权利要求1所述的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，，其特征在于：所述第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃为功率MOSFET管，且采用APWM-PFM混合控制方式，即变频变占空比控制。

5.根据权利要求1所述的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，其特征在于：所述谐振电容C_r、高频电容C₁为高频电容；所述第一输出电容C_bus、第二输出电容C_o为电解电容。

6.根据权利要求1所述的一种混合控制单级无桥Sepic和LLC的LED驱动电路，其特征在于：所述谐振电感L_r为高频变压器T的漏感或独立电感。