CN110492737B - 一种单级隔离型无电解电容led驱动电源及切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源及切换方法。电路拓扑包括交流电源，输入滤波电感Lf，输入滤波电容Cf，桥式整流电路，一个Boost电路和一个DC‑DC变换电路。由第一开关管Q1，第一电感L1，储能电容C1，第一二极管D1、第二二极管D2组成Boost电路。由第一开关管Q1，变压器T，隔直电容C2，续流二极管D3、D4，输出滤波电感L0，输出滤波电容C0及LED负载组成DC‑DC变换电路。本发明具有如下特点和优点：1)输出电流纹波小，功率因数高，变压器磁芯利用率高；2)储能电容电压设计为较大脉动纹波电压形式，可以使用小容值非电解电容代替电解电容；3)Boost电路和DC‑DC变换电路共用一个开关管，降低了成本，减少了开关损耗。

Description

一种单级隔离型无电解电容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，具体涉及一种单级隔离型无电解电容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)是新一代照明光源，具有寿命长、体积小、效率高、节能环保等诸多优点。近年来，随着LED技术的飞速发展，LED的应用越来越广泛。LED的整体性能在很大程度上依赖于高可靠性、高功率因数、长寿命、低成本的驱动电源。
在交流供电的情况下，需要通过功率因数校正以获得较高的功率因数。当功率因数等于1时，输入电流与输入电压是为同频同相的正弦波，输入功率呈现两倍输入电压频率的低频脉动形式。为了平衡瞬时输入功率和输出功率，传统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，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
本发明针对反激LED驱动电源中存在的驱动电源寿命短、体积大、变压器磁芯利用率低等问题，提出一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，它具有长寿命、体积小、变压器磁芯利用高等优点。
本发明采用的技术方案为：一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，包括依次连接的交流电源，输入滤波电感Lf，输入滤波电容Cf，桥式整流电路，一个Boost电路和一个改进DC-DC变换电路；所述改进DC-DC变换电路由第一开关管Q1，变压器T，隔直电容C2，续流二极管D3、D4，输出滤波电感L0，输出滤波电容C0及LED负载组成；变压器T初级绕组一端连接第一二极管D1的阴极，变压器T初级绕组另一端连接第一开关管Q1的漏极，变压器T次级绕组一端连接隔直电容C2的负极，变压器T次级绕组另一端连接续流二极管D3的阳极和续流二极管D4的阴极，输出滤波电感L0一端连接隔直电容C2的阳极和续流二极管D3的阴极，输出滤波电感L0另一端连接输出滤波电容C0的正极，输出滤波电容C0的负极连接续流二极管D4的阳极。
进一步，所述输入滤波电感Lf一端连接交流电源正极，输入滤波电感Lf另一端连接输入滤波电容Cf正极，所述滤波电容Cf负极连接交流电源负极。
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；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的阴极对接并与第一电感L1一端连接，所述第三二极管Dr3与所述第四二极管Dr4的阳极对接并与储能电容C1的负极连接。
进一步，所述Boost电路由第一开关管Q1，第一电感L1，储能电容C1，第一二极管D1、第二二极管D2组成；第一电感L1一端连接第一二极管Dr1的阴极，第一电感L1另一端连接第一二极管D1和第二二极管D2的阳极，第一开关管Q1的漏极连接第二二极管D2的阴极，第一开关管Q1的源极连接储能电容C1的负极，储能电容C1的正极连接第一二极管D1的阴极。
进一步，第一电感L1工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正功能。
进一步，所述变压器T初级绕组和次级绕组在第一开关管Q1导通和关断期间均有电流流过。
进一步，所述储能电容C1的电压为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，使用较小容值的非电解电容代替电解电容。
本发明的切换方法的技术方案包括以下阶段：
工作模态1[t0-t1]：在t0时刻，第一开关管Q1开通，交流电源给第一电感L1充电，储能电容C1一部分能量给励磁电感Lm充电，另一部分能量通过变压器T和隔直电容C2一起给输出滤波电感L0，输出滤波电容C0及LED负载供电；
工作模态2[t1-t2]：在t1时刻，第一开关管Q1关断，交流电源和第一电感L1一起给储能电容C1充电，励磁电感Lm通过变压器T给隔直电容C2充电，同时输出滤波电感L0，输出滤波电容C0，续流二极管D3、D4及LED负载组成续流回路，输出滤波电感L0向输出滤波电容C0及LED负载供电；
工作模态3[t2-t3]：在t2时刻，第一电感L1放电结束，励磁电感Lm继续给隔直电容C2充电，同时输出滤波电感L0继续向输出滤波电容C0及LED负载供电；
工作模态4[t3-t4]：在t3时刻，输出滤波电感L0放电结束，励磁电感Lm继续给隔直电容C2充电，同时输出滤波电容C0向LED负载供电；
工作模态5[t4-t5]：在t4时刻，励磁电感Lm放电结束，只剩输出滤波电容C0向LED负载供电。
所述储能电容C1的电压设计为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，可以使用较小容值的非电解电容代替电解电容，增加LED驱动电源使用寿命。
与现有技术相比，本发明具有的特点和优点是：1)输出电流纹波小，功率因数高；2)变压器初级绕组和次级绕组在开关管导通和关断期间均有电流流过，相比于传统反激变压器，磁芯利用率高，效率高；3)变压器体积小，提高了驱动电源整体的功率密度；4)储能电容电压设计为较大脉动纹波电压形式，可以使用较小容值的非电解电容代替电解电容，延长了LED驱动电源使用寿命；5)Boost电路和DC-DC变换电路共用一个开关管，降低了成本，大大减少了开关损耗。
附图说明
图1为本发明的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源拓扑结构图；
图2为本发明的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源主电路在一个开关周期内主要工作波形；
图3为本发明的一种单级隔离型无电解电容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等效电路；(b)为模态2等效电路；
(c)为模态3等效电路；(d)为模态4等效电路；(e)为模态5等效电路。
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，一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，包括交流电源，输入滤波电感Lf，输入滤波电容Cf，桥式整流电路，第一开关管Q1，第一电感L1，储能电容C1，第一二极管D1，第二二极管D2，变压器T，隔直电容C2，续流二极管D3、D4，输出滤波电感L0，输出滤波电容C0及LED负载。
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。
所述第一电感L1一端连接第一二极管Dr1的阴极，第一电感L1另一端连接第一二极管D1和第二二极管D2的阳极，第一开关管Q1的漏极连接第二二极管D2的阴极，第一开关管Q1的源极连接储能电容C1的负极，储能电容C1的正极连接第一二极管D1的阴极。
所述变压器T初级绕组一端连接第一二极管D1的阴极，变压器T初级绕组另一端连接第一开关管Q1的漏极，变压器T次级绕组一端连接隔直电容C2的负极，变压器T次级绕组另一端连接续流二极管D3的阳极和续流二极管D4的阴极，输出滤波电感L0一端连接隔直电容C2的阳极和续流二极管D3的阴极，输出滤波电感L0另一端连接输出滤波电容C0的正极，输出滤波电容C0的负极连接续流二极管D4的阳极。
如图2所示，第一电感L1，励磁电感Lm，输出电感L0工作在电流断续模式。
本发明采用的变压器初级绕组和次级绕组在开关管导通和关断期间均有电流流过，磁芯利用率高，它的工作模式如下。
工作模态1[t0-t1]：如图3(a)所示，在t0时刻，第一开关管Q1开通，交流电源给第一电感L1充电，电感电流i1线性上升，储能电容C1一部分能量给励磁电感Lm充电，剩余能量通过变压器和隔直电容C2一起给输出滤波电感L0，输出滤波电容C0及LED负载供电，励磁电感电流im，电感电流i0线性上升，变压器副边电流in正向线性上升；
工作模态2[t1-t2]：如图3(b)所示，在t1时刻，第一开关管Q1关断，交流电源和第一电感L1一起给储能电容C1充电，电感电流i1线性下降，励磁电感Lm通过变压器T给隔直电容C2充电，同时输出滤波电感L0，输出滤波电容C0，续流二极管D3、D4及LED负载组成续流回路，输出滤波电感L0向输出滤波电容C0及LED负载供电，励磁电感电流im，电感电流i0线性下降，变压器副边电流in反向线性下降；
工作模态3[t2-t3]：如图3(c)所示，在t2时刻，第一电感L1放电结束，电感电流i1下降为0，励磁电感Lm继续给隔直电容C2充电，同时输出滤波电感L0继续向输出滤波电容C0及LED负载供电，励磁电感电流im，电感电流i0继续线性下降，变压器副边电流in继续反向线性下降；
工作模态4[t3-t4]：如图3(d)所示，在t3时刻，输出滤波电感L0放电结束，电感电流i0下降为0，励磁电感Lm继续给隔直电容C2充电，同时输出滤波电容C0向LED负载供电，励磁电感电流im，变压器副边电流in继续线性下降；
工作模态5[t4-t5]：如图3(e)所示，在t4时刻，励磁电感Lm放电结束，只剩输出滤波电容C0向LED负载供电，励磁电感电流im，变压器副边电流in下降为0，等待下一开关周期到来。
本发明在反激变换器的基础上，提高了变压器磁芯利用率，在输出端加入输出滤波电感，使得输出电流纹波进一步减小。储能电容电压设计为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，可以使用较小容值的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。
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 (9)

1.一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，包括依次连接的交流电源，输入滤波电感Lf，输入滤波电容Cf，桥式整流电路，一个Boost电路和一个改进DC-DC变换电路；其特征在于，所述改进DC-DC变换电路由第一开关管Q1，变压器T，隔直电容C2，续流二极管D3、D4，输出滤波电感L0，输出滤波电容C0及LED负载组成；变压器T初级绕组一端连接第一二极管D1的阴极，变压器T初级绕组另一端连接第一开关管Q1的漏极，变压器T次级绕组一端连接隔直电容C2的负极，变压器T次级绕组另一端连接续流二极管D3的阳极和续流二极管D4的阴极，输出滤波电感L0一端连接隔直电容C2的阳极和续流二极管D3的阴极，输出滤波电感L0另一端连接输出滤波电容C0的正极，输出滤波电容C0的负极连接续流二极管D4的阳极；
所述Boost电路由第一开关管Q1，第一电感L1，储能电容C1，第一二极管D1、第二二极管D2组成；第一电感L1一端连接第一二极管Dr1的阴极，第一电感L1另一端连接第一二极管D1和第二二极管D2的阳极，第一开关管Q1的漏极连接第二二极管D2的阴极，第一开关管Q1的源极连接储能电容C1的负极，储能电容C1的正极连接第一二极管D1的阴极。
2.根据权利要求1所述的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述输入滤波电感Lf一端连接交流电源正极，输入滤波电感Lf另一端连接输入滤波电容Cf正极，所述滤波电容Cf负极连接交流电源负极。
3.根据权利要求1所述的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，其特征在于，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的阴极对接并与第一电感L1一端连接，所述第三二极管Dr3与所述第四二极管Dr4的阳极对接并与储能电容C1的负极连接。
4.根据权利要求1所述的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，其特征在于，第一电感L1工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正功能。
5.根据权利要求1所述的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述变压器T初级绕组和次级绕组在第一开关管Q1导通和关断期间均有电流流过。
6.根据权利要求1所述的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述储能电容C1的电压为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，使用较小容值的非电解电容代替电解电容。
7.一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源的切换方法，其特征在于，包括以下阶段：
工作模态1[t0-t1]：在t0时刻，第一开关管Q1开通，交流电源给第一电感L1充电，储能电容C1一部分能量给励磁电感Lm充电，另一部分能量通过变压器T和隔直电容C2一起给输出滤波电感L0，输出滤波电容C0及LED负载供电；
工作模态2[t1-t2]：在t1时刻，第一开关管Q1关断，交流电源和第一电感L1一起给储能电容C1充电，励磁电感Lm通过变压器T给隔直电容C2充电，同时输出滤波电感L0，输出滤波电容C0，续流二极管D3、D4及LED负载组成续流回路，输出滤波电感L0向输出滤波电容C0及LED负载供电；
工作模态3[t2-t3]：在t2时刻，第一电感L1放电结束，励磁电感Lm继续给隔直电容C2充电，同时输出滤波电感L0继续向输出滤波电容C0及LED负载供电；
工作模态4[t3-t4]：在t3时刻，输出滤波电感L0放电结束，励磁电感Lm继续给隔直电容C2充电，同时输出滤波电容C0向LED负载供电；
工作模态5[t4-t5]：在t4时刻，励磁电感Lm放电结束，只剩输出滤波电容C0向LED负载供电。
8.根据权利要求7所述的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源的切换方法，其特征在于，所述储能电容C1的电压为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，使用较小容值的非电解电容代替电解电容。
9.根据权利要求7所述的一种单级隔离型无电解电容LED驱动电源的切换方法，其特征在于，所述变压器T初级绕组和次级绕组在第一开关管Q1导通和关断期间均有电流流过。
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