CN110798936A - 一种具有电流独立控制的拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有电流独立控制的拓扑结构，该结构由多个模块组成，每个模块驱动一个LED串，且输入与输出之间通过电容隔离。各模块之间通过电容电流均衡原理进行电流均衡。各模块的输入均由半桥谐振变换器提供。本发明与一电感多输出SIMO(Single‑Inductor‑Multiple‑Output)结构相比，该结构模块之间完全相互独立，没有交叉耦合问题；该结构的中的每个模块都可以任意开通与关断，不受其他模块的制约；在极端情况下，所有模块都完全关断，主电路仍可以正常运行。

Description

一种具有电流独立控制的拓扑结构

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其是涉及一种具有电流独立控制的拓扑结构。

背景技术

颜色可以影响人们的心情，改变现场气氛。利用颜色的混合理论，通过对不同颜色光通量比的控制，可以得到源色所围成的区域内任何一点的色坐标。目前常见的混色通道有RGB(红-绿-蓝)、RGBA(红-绿-蓝-琥珀)、RGBAW(红-绿-蓝-琥珀-白)等。颜色混合需要控制每个通道的光通量的输出，所以混色系统往往需要采用具有独立电流控制能力的拓扑结构。

最简单直观的独立电流控制结构是每个模块对应一个变换器，如Buck，Boost和Buck-Boost变换器等等。这些变换器的输入共享同一个直流总线。该结构具有效率高、易于模块化设计等优点。但该结构由于每个模块都有一个独立的变换器，所以控制复杂，成本相应也会升高。为了减少元件数量，现有文献还提出了工作于PWM模式下的电流调节器。每个模块的输出都需增加一个开关管，通过调节开关管的占空比，从而实现电流的独立控制。不同颜色的LED串电流比由PWM信号调节。然而，这种电流调节器结构的效率却一直是一个挑战。在不影响变换器效率或者可进一步提高变换器效率的前提下，为了减小驱动体积，人们提出了一个一电感多输出(SIMO)的结构。这种结构一般是基于buck、boost或buck-boost变换器的基础上提出的，其中LED串与开关管相串联。这种结构最显著的优点是所有开关管共地，因此不需要额外的隔离型驱动电路。但是，开关管尖峰会直接影响与之相串联的LED串，从而降低LED的使用寿命。为了解决这个问题，也有文献提出将开关管与LED串相并联的结构，但这种结构需要额外的隔离型驱动电路。此外，不管开关管与LED串是相串联还是相并联的结构，SIMO结构的共同特点是在任何时候只能有一个开关管处于开通状态。因此，需要复杂的切换顺序，且特别需要考虑各模块之间的交叉耦合问题。此外，与“一模块一变换器”结构相比，虽然器件数量有所减少，但该结构很难实现模块化与级联化的要求。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种具有电流独立控制的拓扑结构。该结构使用半桥谐振变换器来驱动各个模块。每个模块的输入电流由电容电流均衡电路来平衡。而且该电容网络也是驱动谐振的一部分，同时该电容网络也使所有模块拥有同一个地，从而简化了门极驱动设计，即不需要隔离型的驱动。在所提出的结构中，任何LED串都可以在整个系统运行时完全关闭。因此，利用这一个控制拓扑结构，可以使实现整个色域上的任一色度坐标，包括色域边界以及源混色点。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种具有电流独立控制的拓扑结构，该结构由多个模块组成，每个模块驱动一个LED串，且输入与输出之间通过电容隔离；各模块之间通过电容电流均衡原理进行电流均衡，各模块的输入均为半桥谐振变换器的输出。

进一步的，任一模块包括电容C_1,k、电容C_2,k、二极管D_1,k、二极管D_2,k、电感L_k和开关管S_k，电容C_1,k的一端连接电容C_2,k，电容C_1,k的另一端连接电感L_k后再连接到开关管S_k的漏极，电容C_2,k的另一端连接开关管S_k的源极，二极管D_2,k的正极端连接开关管S_k的源极，二极管D_2,k的负极端连接二极管D_1,k的正极端，二极管D_1,k的负极端连接到电容C_1,k和电感L_k之间，半桥谐振变换器输出的一端连接到电容C_1,k和电容C_2,k之间，另一端连接到二极管D_1,k和二极管D_2,k之间，开关管S_k的漏极和源极之间并联LED串。

进一步的，半桥谐振变换器输出的另一端连接电容C_3,k后再连接到二极管D_1,k和二极管D_2,k之间。

进一步的，LED串与开关管S_k的漏极之间串联有二极管D_3,k，二极管D_3,k的正极端连接开关管S_k的漏极，二极管D_3,k的负极端连接LED串。

进一步的，电容C_1,k和电容C_2,k的电抗值分别至少是LED串的等效电阻值的10倍。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)无交叉耦合问题：不同模块之间完全解耦，不存在交叉干扰和交叉调节的问题；

2)无电流峰值：开关管与各LED串相并联，LED上没有尖峰电流流过，所以LED寿命不受影响；

3)电流均衡功能：不同颜色LED串的电流可以通过电容电流均衡网络自动均衡；

4)非隔离门极驱动电路：结构中所有开关管共地；

5)模块化：结构中的模块可以随意地添加或移除；

6)稳定性高：即使所有LED失效，结构仍能正常工作；

7)安全性高：输入输出均采用电容隔离。

附图说明

图1为本发明的具有电流独立控制的拓扑结构示意图；

图2为模块k的完整等效电路图；

图3为忽略电容C_3,k和二极管D_3,k之后的模块k的等效电路图；

图4为开关管S_k、电感L_k和LED串等效为电阻R_L,k之后的模块k的等效电路图；

图5为当电容C_1,k和电容C_2,k相等时，模块k的等效电路图；

图6为图5进一步化简之后的模块k的等效电路图；

图7为v_Sk和i_L,k的波形图；

图8为整个系统的等效电路；

图9为用于数学分析的整个系统的等效谐振电路；

图10为d_R＝0.5,d_G＝0.5时，红绿LED串的电压和电流波形；

图11为d_R＝0.9,d_G＝0.5时，红绿LED串的电压和电流波形；

图12为d_R＝0.4,d_B＝0.7时，红蓝LED串的电压和电流波形；

图13为d_R＝0.1,d_B＝0.9时，红蓝LED串的电压和电流波形；

图14为d_R＝1,d_G＝1时，红绿LED串的电流波形和分别接红绿LED串的模块电流波形；

图15为d_R＝0.7,d_G＝0.4时，红绿LED串的电流波形和分别接红绿LED串的模块电流波形；

图16为d_R＝0,d_B＝0时，红蓝LED串的电流波形和分别接红蓝LED串的模块电流波形；

图17为d_R＝0.8,d_B＝0时，红蓝LED串的电流波形和分别接红蓝LED串的模块电流波形；

图18为d_R＝d_G＝d_B＝0.9时，红绿蓝LED串的占空比均为0.9时的拓扑结构关键波形；

图19为d_R＝d_G＝d_B＝0.7时，红绿蓝LED串的占空比均为0.7时的拓扑结构关键波形；

图20为d_R＝d_G＝d_B＝0.4时，红绿蓝LED串的占空比均为0.4时的拓扑结构关键波形；

图21为d_R＝d_G＝d_B＝0.1时，红绿蓝LED串的占空比均为0.1时的拓扑结构关键波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，给出了具有N个模块的独立电流控制拓扑的总体结构。该结构由多个模块组成，每个模块驱动一个LED串。各个模块均由半桥谐振变换器进行驱动，且通过电容均衡原理进行电流平衡。该结构所有的模块输入和输出都由电容相隔离。每个模块有四个节点A_k，B_k，C_k和D_k(k＝1,2，…，N)用于与外部电路相连接。任一模块包括电容C_1,k、电容C_2,k、二极管D_1,k、二极管D_2,k、电感L_k和开关管S_k，电容C_1,k的一端连接电容C_2,k，电容C_1,k的另一端串联电感L_k后连接到开关管S_k的漏极，电容C_2,k的另一端连接开关管S_k的源极，二极管D_2,k的正极端连接开关管S_k的源极，二极管D_2,k的负极端连接二极管D_1,k的正极端，二极管D_1,k的负极端连接到电容C_1,k和电感L_k之间，模块输入的一个端口连接到电容C_1,k和电容C_2,k之间，输入的另一个端口连接到二极管D_1,k和二极管D_2,k之间，开关管S_k的漏极和源极之间并联LED串。

为了能隔离直流，电源的另一个电极连接电容C_3,k后再连接到二极管D_1,k和二极管D_2,k之间。

为了限制开关管S_k开通时带给LED的尖峰电流，LED串与开关管S_k的漏极之间串联有二极管D_3,k，二极管D_3,k的正极端连接开关管S_k的漏极，二极管D_3,k的负极端连接LED串。

电源输入端和LED串之间被电容C_1,k，电容C_2,k和电容C_3,k相隔离，增加了用户操作的安全性。电容C_1,k和C_2,k既用于隔离，又用于谐振，且电抗值要远远大于LED的等效电阻值。电容C_3,k用于隔离作用。二极管D_1,k和D_2,k用于整流，D_3,k用来限制开关管S_k开通与关断时的电流尖峰流过LED串。开关管S_k用于控制LED照明系统的输出光通量，以及根据各通道光通量比来控制色度坐标。电感L_k用于减少流经LED串的电流纹波。

电容C_1,k和电容C_2,k的电抗值分别至少是LED串的等效电阻值的10倍。

下面对调光模块k的最简等效电路求解：

图2～图6给出了推导模块k最简等效电路的步骤。图2显示了模块k的电路图，其中由于电容C_3,k被用来隔离直流，二极管D_3,k用来限制开关管S_k开通时带给LED的尖峰电流，因此它们在模块k等效电路的求解过程中都可以被忽略，忽略之后的等效电路图如图3所示。开关管S_k、电感L_k和LED串可以等效为电阻R_L,k，如图4所示。

和i_L,k的波形如图7所示。

的电压为方波，其幅值为LED串的电压

电流i_L,k等于LED串的电流幅值

开关管S_k用于控制LED串的电流，开关管S_k电压

的平均值

为

其中

为开关管S_k的占空比，d_k和

分别为第k个LED串的占空比和电压幅值。

对图3进行KVL分析，

其中为电压v_L,k,

的平均值。

因为电感的平均电压为零,

将公式(3)带入公式(2)中，

图3和图4中R_L,k的等效电阻为

电流i_L,k的平均值

等于第k个LED串的电流幅值

将公式(1)、(4)、(6)带入公式(5)中，

其中

为第k个LED串的等效电阻。

如图4所示，电流i_k为正弦波形，在正半周或负半周均会通过两条支路进行并联流动。一条支路由一个电容组成，另一个支路由一个电容和LED串等效电阻串联组成，如图5所示。

假设电容C_1,k和C_2,k的容值相同，则有

C_1,k＝C_2,k＝C_k (8)

如图5和图6所示，由C_k和R_L,k组成的等效阻抗为Z_eq,k可计算为：

其中ω_Q＝2πf_Q.

根据公式(9)，图6中的R_eq,k和C_eq,k为

为了降低LED串的电流均衡误差，LED串的等效电阻应设计成远远小于电容C_1,k和C_2,k的电抗，根据公式(7)，可得到，

将公式(12)带入公式(10)和公式(11)，R_eq,k和C_eq,k可以被进一步简化得

C_eq,k＝2C_k (14)

B、整个电路的运行

图6为模块k的最终等效电路，那么整个系统的等效电路如图8所示。电压源v_XY是由半桥式开关网络产生的高频方波电压。电流均衡网络的等效电路由电容和电阻组成，其电流均衡原理为：由于电容器的电抗远远大于LED串的等效电阻，使得电压v_o中的很大一部分都降落在电容C_eq,k，即流经每一条支路的电流i_k基本由电容C_eq,k决定，而对LED串的等效电阻不敏感。

在图8中，总电流i_T可以表示为

由于电流均衡网络的存在，电流i₁,i₂,…,i_N近似相等，即

在图5中，由于等效电阻R_L,k远远小于电容C_k的电抗，所以电流i_L,k近似等于电流i_k的二分之一，所以有

其中，|i_k|是i_k的幅值。

电流i_L,k等于第k个LED串的电流幅值

即

由于有电流均衡网络的存在，所以有

根据公式(15)-(19)，可得

为了简单起见，我们做以下假设

将公式(7)和公式(13)带入公式(21)

将公式(14)带入公式(22)

图9为用于数学分析的整个系统的等效谐振电路。L_r，R_r和C_r分别为谐振电路的等效电感、等效电阻和等效电容。

根据公式(21)和公式(22)以及图8和图9所示的结构，有如下结果：

C_r＝NC_eq (26)

将公式(23)和(24)分别带入公式(25)和(26)，

在图1中，开关管Q₁和Q₂的占空比为0.5，所以v_XY的波形为方波。为了简化分析，我们只考虑波形v_XY的基波分量

即

其中

在图9中，使用欧姆定律，

将公式(27)-(30)带入公式(20)，LED串的电流幅值为

第k个LED串的功率P_k为：

所有LED串的总功率P_t为：

开关管S_k与第k个LED串相并联，所以

将公式(1)和公式(34)带入公式(33)，有

设η_k为第k个LED串的发光效率，则第k个LED串发出的光通量φ_k为：

基于前述，本发明提供一种独立电流控制拓扑结构的色度控制方法，利用混合颜色的色度坐标公式来控制色度。

本实施例构建了一个由RGB LED串组成的实验模型进行验证。该实验模型由三个LED串组成，分别为红(R)、绿(G)、蓝(B)LED。每个LED串均由12个1W的LED组成。原型电路中使用的元件参数值如表I所示，实验中使用的参数如表II所示。

表I原型电路中使用的元件参数值

Component	Value
		Q<sub>1</sub> and Q<sub>2</sub>	IRFB5620PBF
L<sub>r</sub>(L<sub>r1</sub> and L<sub>r2</sub>)	50uH
		C<sub>1,k</sub>and C<sub>2,k</sub>	3.3 nF(薄膜电容)
C<sub>3,k</sub>	1μF(薄膜电容)
		L<sub>k</sub>	1mH
S<sub>k</sub>	FDN86246
		Red LED	XPEBRD-L1-0000-00901-SB01
Green LED	XPEBGR-L1-0000-00G01-SB01
		Blue LED	XPEBBL-L1-0000-00301-SB01

表II实验测试参数

Parameters	Value
		f<sub>k</sub>	200 kHz
V<sub>dc</sub>	100V
		V<sub>R</sub>	2.2V
V<sub>G</sub>	3.2V
		V<sub>B</sub>	3.1V
I<sub>LS</sub>	300mA

图10～图13为红绿LED串或红蓝LED串在不同占空比下的电压和电流波形(

500mA/div,

50V/div,k＝R,G,B,时间基准:4μs/div)。从图中可以看出，即使RGB的LED串电压有很大差异，但两串的电流幅值却非常接近，说明该结构拥有很好的电流均衡特性。此外，不同颜色的LED串可以任意地独立控制，说明彼此之间不存在交叉耦合的问题。图14～图17为模块输入电流波形和相应LED串的电流波形(i_R,i_G,i_B:2A/div,500mA/div,时间基准:4μs/div)。可以看出，模块输入电流i_k独立于其LED串的电流。图14～图17说明该结构具有良好的电流均衡能力，即电流幅值始终保持恒定。图18～图21为LED电流在不同占空比下的电路结构的关键波形(

20V/div,v_XY:50V/div,i_T:5A/div,

20V/div,时间基准:4μs/div)。可以看出，输入电流i_T总是滞后于电压v_XY。因此，开关Q₁和Q₂总是软开关。

实验验证，任何LED串由于进行混色需要开通和关断，都不会影响其他LED串的正常工作，且不会影响各个串之间的电流均衡。且主电路的开关网络实现了软开关技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有电流独立控制的拓扑结构，其特征在于，该结构由多个模块组成，每个模块驱动一个LED串，且输入与输出之间通过电容隔离；各模块之间通过电容电流均衡原理进行电流均衡，各模块的输入均为半桥谐振变换器的输出。

2.根据权利要求1所述的具有电流独立控制的拓扑结构，其特征在于，任一模块包括电容C_1,k、电容C_2,k、二极管D_1,k、二极管D_2,k、电感L_k和开关管S_k，电容C_1,k的一端连接电容C_2,k，电容C_1,k的另一端连接电感L_k后再连接到开关管S_k的漏极，电容C_2,k的另一端连接开关管S_k的源极，二极管D_2,k的正极端连接开关管S_k的源极，二极管D_2,k的负极端连接二极管D_1,k的正极端，二极管D_1,k的负极端连接到电容C_1,k和电感L_k之间，半桥谐振变换器输出的一端连接到电容C_1,k和电容C_2,k之间，另一端连接到二极管D_1,k和二极管D_2,k之间，开关管S_k的漏极和源极之间并联LED串。

3.根据权利要求2所述的具有电流独立控制的拓扑结构，其特征在于，半桥谐振变换器输出的另一端连接电容C_3,k后再连接到二极管D_1,k和二极管D_2,k之间。

4.根据权利要求2或3所述的具有电流独立控制的拓扑结构，其特征在于，LED串与开关管S_k的漏极之间串联有二极管D_3,k，二极管D_3,k的正极端连接开关管S_k的漏极，二极管D_3,k的负极端连接LED串。

5.根据权利要求2所述的具有电流独立控制的拓扑结构，其特征在于，电容C_1,k和电容C_2,k的电抗值分别至少是LED串的等效电阻值的10倍。

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