CN111083853B

CN111083853B - 去工频纹波的单级正激led驱动电路

Info

Publication number: CN111083853B
Application number: CN202010109288.1A
Authority: CN
Inventors: 林维明; 朱逸
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2020-02-22
Filing date: 2020-02-22
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2040-02-22
Also published as: CN111083853A

Abstract

本发明提供了一种去工频纹波的单级正激LED驱动电路，包括：Boost PFC变换器单元、双输出双管正激变换器单元和辅助Boost转移纹波单元；所述Boost PFC变换器单元和双输出双管正激变换器单元组成为单级电路；所述双输出双管正激变换器单元的副边与辅助Boost转移纹波单元连接；LED灯负载的两端分别连接双输出双管正激变换器单元的输出电容和辅助Boost转移纹波单元。其消除了LED负载两倍工频纹波，实现高功率因数、高转换效率、低输出工频纹波和恒定的电流输出等功能。

Description

去工频纹波的单级正激LED驱动电路

技术领域

本发明LED驱动照明领域，具体涉及一种转移工频纹波的单级正激LED驱动电路。

背景技术

随着大功率LED发光效率的不断提高，LED在照明领域的应用得到不断发展。LED驱动电路是LED照明技术发展的重要环节，采用有源功率因数校正技术是为了满足低谐波失真和相关的 IEC61000-3-2谐波标准的有效方法。单级功率因数校正因器件少、成本低和效率高而得到广泛应用。但它具有较大的两倍工频纹波，尤其是对LED负载，微小的电压纹波将会产生较大的电流纹波，影响光学特性，如光效、显色等。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种去工频纹波的单级正激LED驱动电路，具体是Boost PFC单元和双管正激单元组成为单级电路，同时双管正激副边一路绕组结合一种辅助转移纹波Boost电路构成的LED驱动电路，将工频纹波转移到Boost辅助电路的输入，消除LED负载两倍工频纹波，实现高功率因数、高转换效率、低输出工频纹波和恒定的电流输出等功能。

为实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：

一种去工频纹波的单级正激LED驱动电路，其特征在于，包括：Boost PFC变换器单元、双输出双管正激变换器单元和辅助Boost转移纹波单元；所述Boost PFC变换器单元和双输出双管正激变换器单元组成为单级电路；所述双输出双管正激变换器单元的副边与辅助Boost转移纹波单元连接；LED灯负载的两端分别连接双输出双管正激变换器单元的输出电容和辅助Boost转移纹波单元。

进一步地，交流电源经整流电路连接所述Boost PFC变换器单元。

优选地，所述Boost PFC变换器单元包括：PFC电感L_b、第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁、直流母线电容C_b；所述双输出双管正激变换器单元与Boost PFC变换器单元复用第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁，还包括：高频变压器T、第二功率MOS开关管S₂、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、直流母线电容C_b、第一电解电容C₁、第二电解电容C₂、DC-DC电感L_f；所述辅助Boost转移纹波单元包括：第三功率MOS开关管S₃、第六功率二极管D₆、高频电容C₃、DC-DC电感L_x；所述整流电路包括二极管整流桥BD₁。双输出双管正激变换器单元的第二绕组输出向辅助Boost转移纹波单元的输出电容C₂供电，双输出双管正激变换器单元的第一绕组输出电压u_o1与辅助Boost转移纹波单元的输出电压u_o2同向串联，共同为LED灯负载供电。前级的Boost PFC电路和双管正激电路组复用第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁，将Boost PFC转换器和双管正激转换器有机集成起来；使相同的控制电路具有Boost PFC功能，同时实现DC-DC双管正激电路恒流控制，简化了电路结构。

优选地，交流源AC连接所述二极管整流桥BD₁；所述二极管整流桥BD₁的正向输出端连接PFC电感L_b的a₁端，所述PFC电感L_b的a₂端的连接第一功率MOS管S₁的漏极、第一功率二极管D₁的阳极和高频变压器T原边绕组Np的非同名端；所述的第一功率MOS管S₁的源极连接第二功率二极管D₂的阳极和直流母线电容C_b的负端；所述第一功率二极管D₁的阴极连接第二功率MOS开关管S₂的漏极和直流母线电容C_b的正端；所述第二功率MOS开关管S₂的源极连接高频变压器T原边绕组Np的同名端和第二功率二极管D₂的阴极；所述高频变压器T副边绕组Ns₁的同名端连接第三功率二极管D₃的阳极；所述第三功率二极管D₃的阴极连接第四功率二极管D₄的阴极、DC-DC电感L_f的b₁端，所述DC-DC电感L_f的b₂端连接第一电解电容C₁的正端和LED灯负载的正端；所述第一电解电容C₁的负端连接第二电解电容C₂的正端、第四功率二极管D₄的阳极和高频变压器T副边绕组Ns₁的非同名端；所述高频变压器T副边绕组Ns₂的同名端连接第五功率二极管D₅的阳极；所述第五功率二极管D₅的阴极连接第二电解电容C₂的正端和第六功率二极管D₆的阴极；所述第六功率二极管D₆的阳极连接第三功率MOS开关管S₃的漏极和DC-DC电感L_X的c₁端；所述第三功率MOS开关管S₃的源极连接高频变压器T副边绕组Ns₂的非同名端、第二电解电容C₂的负端和高频电容C₃的负端；所述DC-DC电感L_X的c₂端连接高频电容C₃的正端、LED灯负载的负端。

优选地，所述高频变压器T是单端激磁高频变压器，其副边为双绕组输出且原边励磁绕组N_p的同名端与副边绕组N_s1、N_s2的同名端励磁相同。

优选地，所述二极管整流桥BD₁采用的4个二极管均为整流慢速功率二极管；所述第一功率二极管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均为快恢复功率二极管。

优选地，所述第三功率MOS开关管S₃的工作频率远大于第一功率MOS开关管S₁和第二功率MOS开关管S₂的工作频率。

优选地，所述Boost辅助电路将第一绕组双管正激变换器的第一电解电容C₁的输出电压u_o1和第二绕组双管正激变换器的第二电解电容C₂的输出电压u_o2之和u₀的工频纹波转移由辅助Boost电路的输入电容滤波，以达到LED负载u_LED无两倍工频电流纹波的效果。

优选地，单级双管正激PFC变换器电路，能够工作于BCM模式、DCM模式下；辅助转移纹波Boost电路工作于CCM模式下,无论单级双管正激电路工作在何种状态下，转移纹波Boost电路都一样正常工作，转移纹波Boost电路与单级双管正激电路相对独立工作。

本发明及其优选方案具有如下有益效果：

1、通过引入一种辅助Boost转移工频纹波电路，解决了单级LED电路的电流纹波较大的问题，消除了输出的工频二次纹波。

2、双管正激电路构成单级正激LED驱动电路，具有自动磁复位、低电压应力和高功率因数、高功率变换等优点。

附图说明

图1是本发明实施例电路原理图。

图2是本发明实施例电路单级正激电路原边开关导通，辅助Boost转移纹波单元电感储能的模态1示意图。

图3是本发明实施例电路单级正激电路原边开关导通，辅助Boost转移纹波单元电感放能的模态2示意图。

图4是本发明实施例电路单级正激电路变压器T磁芯去磁，辅助Boost转移纹波单元电感储能的模态3示意图。

图5是本发明实施例电路单级正激电路变压器T磁芯去磁，辅助Boost转移纹波单元电感放能的模态4示意图。

图6是本发明实施例电路基于辅助Boost转移纹波单元的理想相关电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种去工频纹波的单级正激LED驱动电路，具体为一种单级Boost双管正激LED驱动电路的去两倍工频输出纹波的方法，单级LED驱动电路是Boost PFC电路和双管正激电路有机组成为单级电路，双管正激的其中一路绕组与辅助转移纹波Boost电路构成的LED驱动电路；包括输入交流电源AC、二极管整流桥BD₁、高频变压器T、第一功率MOS开关管S₁、第二功率MOS开关管S₂、第三功率MOS开关管S₃、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、直流母线电容C_b、第一电解电容C₁、第二电解电容C₂、高频电容C₃、PFC电感L_b、DC-DC电感L_f和Lx、LED灯负载；交流源AC连接二极管整流桥BD₁；二极管整流桥BD₁的正向输出端连接PFC电感L_b的a₁端，PFC电感L_b的a₂端的连接第一功率MOS管S₁的漏极、第一功率二极管D₁的阳极和高频变压器T原边绕组N_p的非同名端；的第一功率MOS管S₁的源极连接第二功率二极管D₂的阳极和直流母线电容C_b的负端；第一功率二极管D₁的阴极连接第二功率MOS开关管S₂的漏极和直流母线电容C_b的正端；第二功率MOS开关管S₂的源极连接高频变压器T原边绕组Np的同名端和第二功率二极管D₂的阴极；高频变压器T副边绕组Ns₁的同名端连接第三功率二极管D₃的阳极；第三功率二极管D₃的阴极连接第四功率二极管D₄的阴极、DC-DC电感L_f的b₁端，DC-DC电感L_f的b₂端连接第一电解电容C₁的正端和LED灯负载的正端；第一电解电容C₁的负端连接第二电解电容C₂的正端、第四功率二极管D₄的阳极和高频变压器T副边绕组Ns₁的非同名端；高频变压器T副边绕组N_s2的同名端连接第五功率二极管D₅的阳极；第五功率二极管D₅的阴极连接第二电解电容C₂的正端和第六功率二极管D₆的阴极；第六功率二极管D₆的阳极连接第三功率MOS开关管S₃的漏极和DC-DC电感L_X的c₁端；第三功率MOS开关管S₃的源极连接高频变压器T副边绕组Ns₂的非同名端、第二电解电容C₂的负端和高频电容C₃的负端；DC-DC电感L_X的c₂端连接高频电容C₃的正端、LED灯负载的负端。第一功率MOS开关管S₁和第二功率MOS开关管S₂采用PWM或者PFM控制用于实现Boost电路PFC功能和双管正激电路的恒流驱动功能；第三功率MOS开关管S₃采用PWM控制作为去LED负载两倍工频纹波的功能。

以下为本发明提供电路方案工作过程的具体实施例：

本实施例通过利用单级双管正激的双输出电路作为LED的驱动电路，降低了开关管的电压应力，Boost型PFC变换器跟双管正激式变换器通过复用MOSFET 开关管有机组成为单级电路，使整个电路既能实现功率因数校正，又能达到高功率因数，还可保证其输出恒流。下面结合具体实例说明本实施例的一种单级双管正激去纹波的具体工作模态，如图2、图3、图4、图5所示。

参照图2，是单级正激电路原边开关导通，辅助Boost转移纹波单元电感储能的模态1示意图。单级双管正激电路开关管S₁、S₂导通，高频电感L_b储能；直流母线电容C_b供电，将能量传递到变压器T副边，二极管D₃和D₅导通，D₄关断，高频电感L_f储能；辅助Boost转移纹波单元开关管S₃导通，D₆关断，电感L_x储能。

参照图3，是单级正激电路原边开关导通，辅助Boost转移纹波单元电感放能的模态2示意图。单级双管正激电路开关管S₁、S₂导通，高频电感L_b储能；直流母线电容C_b放电，将能量传递到变压器T副边，二极管D₃和D₅导通，D₄关断，高频电感L_f储能；辅助Boost转移纹波单元开关管S₃关断，D₆导通，电感L_x放能。

参照图4，是单级正激电路原边开关截止，桥臂上两个二极管续流，变压器T磁芯去磁，辅助Boost转移纹波单元电感储能的模态3示意图。单级双管正激电路开关管S₁，S₂关断，此时二极管D₁,D₂导通，将原边绕组激磁能量复位回直流母线电容C_b;两副边绕组二极管均截止，由两电解电容C₁和C₂对负载和辅助Boost转移纹波单元供能；辅助Boost转移纹波单元开关管S₃导通，D₆关断，电感L_x储能。

参照图5，是单级正激电路原边开关截止，桥臂上两个二极管续流，变压器T磁芯去磁，辅助Boost转移纹波单元电感放能的模态4示意图。单级双管正激电路开关管S₁，S₂关断，此时二极管D₁,D₂导通，将原边绕组激磁能量复位回直流母线电容C_b;两副边绕组二极管均截止，由两电解电容C₁和C₂对负载和辅助Boost转移纹波单元供能；辅助Boost电路开关管S₃关断，D₆导通，电感L_x 放能。

参照图6，是基于辅助Boost转移纹波单元的理想相关电压波形图。输出电压u_o可以描述为直流分量U_o和两倍工频纹波分量u_o.rip构成，即u_o=U_o+u_o.rip,其中u_o.rip是由主输出电压u_o1的纹波分量和辅助绕组输出电压u_o2的纹波分量相叠加而来；U_o是由主输出电压u_o1的直流分量和辅助绕组输出电压u_o2的直流分量相叠加而来，即u_o.rip=u_o1.rip+u_o2.rip、U_o=U_o1+U_o2。若辅助转移纹波Boost电路的输入电压u_o3的纹波u_o3.rip与u_o.rip相位相同且幅值相等，即u_o.rip=u_o3.rip，又因为u_LED=u_o-u_o3；则LED负载两侧的平均电压为U_LED=U_o-U_o3,故LED上的电压u_LED等于u_o和u_o3直流分量的差值，将工频纹波转移到了不包含两倍工频纹波分量，从而理论上达到LED上无两倍工频电流纹波的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种去工频纹波的单级正激LED驱动电路，其特征在于，包括：Boost PFC变换器电路、双输出双管正激变换器电路和辅助Boost转移纹波电路；所述Boost PFC变换器电路和双输出双管正激变换器电路集成为单级电路；所述双输出双管正激变换器电路的副边与辅助Boost转移纹波电路连接；LED灯的两端分别连接双输出双管正激变换器电路和辅助Boost转移纹波电路；

所述Boost PFC变换器电路包括：PFC电感L_b、第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁、直流母线电容C_b；所述双输出双管正激变换器电路与Boost PFC变换器电路复用第一功率MOS开关管S₁、第一功率二极管D₁，还包括：高频变压器T、第二功率MOS开关管S₂、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、直流母线电容C_b、第一电解电容C₁、第二电解电容C₂、DC-DC电感L_f；所述辅助Boost转移纹波电路包括：第三功率MOS开关管S3、第六功率二极管D6、高频电容C3、DC-DC电感Lx；交流电源经整流电路连接所述Boost PFC变换器电路；所述整流电路包括二极管整流桥BD₁；

所述高频变压器T是单端激磁高频变压器，其副边为双绕组输出且原边励磁绕组Np的同名端与副边绕组Ns₁、Ns₂的同名端励磁相同；

所述Boost辅助电路将第一绕组双管正激变换器的第一电解电容C₁的输出电压u_o1和第二绕组双管正激变换器的第二电解电容C₂的输出电压u_o2之和u₀的工频纹波转移到Boost辅助电路的输入电压u_o3；

所述二极管整流桥BD₁的正向输出端连接PFC电感L_b的a₁端，所述PFC电感L_b的a₂端连接第一功率MOS管S₁的漏极、第一功率二极管D₁的阳极和高频变压器T原边绕组Np的非同名端；所述的第一功率MOS管S₁的源极连接第二功率二极管D₂的阳极和直流母线电容C_b的负端；所述第一功率二极管D₁的阴极连接第二功率MOS开关管S₂的漏极和直流母线电容C_b的正端；所述第二功率MOS开关管S₂的源极连接高频变压器T原边绕组Np的同名端和第二功率二极管D₂的阴极；所述高频变压器T副边绕组Ns₁的同名端连接第三功率二极管D₃的阳极；所述第三功率二极管D₃的阴极连接第四功率二极管D₄的阴极、DC-DC电感L_f的b₁端，所述DC-DC电感L_f的b₂端连接第一电解电容C₁的正端和LED灯的正端；所述第一电解电容C₁的负端连接第二电解电容C₂的正端、第四功率二极管D₄的阳极和高频变压器T副边绕组Ns₁的非同名端；所述高频变压器T副边绕组Ns₂的同名端连接第五功率二极管D₅的阳极；所述第五功率二极管D₅的阴极连接第二电解电容C₂的正端和第六功率二极管D₆的阴极；所述第六功率二极管D₆的阳极连接第三功率MOS开关管S₃的漏极和DC-DC电感L_X的c₁端；所述第三功率MOS开关管S₃的源极连接高频变压器T副边绕组Ns₂的非同名端、第二电解电容C₂的负端和高频电容C₃的负端；所述DC-DC电感L_X的c₂端连接高频电容C₃的正端、LED灯的负端。

2.根据权利要求1所述的去工频纹波的单级正激LED驱动电路，其特征在于：所述二极管整流桥BD₁采用的二极管均为整流慢速功率二极管；所述第一功率二极管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均为快恢复功率二极管。

3.根据权利要求1所述的去工频纹波的单级正激LED驱动电路，其特征在于：所述第三功率MOS开关管S₃的工作频率大于第一功率MOS开关管S₁和第二功率MOS开关管S₂的工作频率。