CN111556616B - 一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，包括无桥升压Cuk电路单元以及LLC电路单元，其中LLC电路单元中的下开关管与无桥升压Cuk电路单元中的开关管共用一个功率开关管，无桥升压Cuk电路与LLC电路通过复用该功率开关管集成为单级AC‑DC驱动电路。其中输入交流电源Vin、功率二极管D1~D6以及D8、电感L1、L2和L3、中间电容C1和C2、母线电容Cbus、第二功率开关管S2构成无桥升压Cuk电路单元；功率二极管D7、D9‑D12、功率开关管S1、S2、谐振电感Lr、谐振电容Cr、副边带中心抽头的高频变压器T、输出电容C0构成LLC电路单元。本发明通过无桥升压Cuk PFC电路和LLC电路开关管的复用，实现了无桥单级PFC电路和ZVS软通断，降低了变换器主电路的导通损耗和开关损耗。

Description

一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路
技术领域
本发明涉及LED照明驱动技术领域，特别是一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路。
背景技术
近些年来，随着人类对绿色环保、节能减排的意识越来越高以及半导体技术的迅猛发展，发光二极管得到了广泛的应用。LED电光源与传统电光源相比具有低能耗、寿命长、绿色环保、高光效等优点。LED是恒流驱动的冷光源，它的性能受到使用条件和驱动器性能的制约，针对不同应用场合设计出不同结构的LED驱动电路能够减小功率损耗，提高能量转换效率和发光效率，而且还可以减少LED的系统发热量，提高LED的使用寿命，因而LED驱动电源对LED照明的发展具有重要意义。
单级功率因数校正变换器电路简单，成本低，体积小，减少了控制系统数量，提高了转换效率，为功率因数校正技术在中小功率应用场合提供了一种很好的选择。随着电路效率需求不断提升，无桥PFC电路和软开关技术的到了广泛关注。目前，Boost变换器广泛应用于 PFC电路当中。但是，在传统的Boost型单级功率因数校正变换器中，还存在效率低下、中间储能电容电压应力大等缺点，在实际应用中不得不在输入输出端附加抗电磁干扰的滤波器，同时兼顾PFC与稳压时，其脉动更大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，通过无桥升压Cuk PFC电路和LLC电路开关管的复用，降低了变换器主电路的导通损耗和开关损耗。
本发明采用以下方案实现：一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，包括无桥升压Cuk电路单元以及LLC电路单元，其中LLC电路单元中的下开关管与无桥升压Cuk电路单元中的开关管共用一个功率开关管，无桥升压Cuk电路单元与LLC电路单元通过复用该功率开关管集成为单级AC-DC电路。
进一步地，所述无桥升压Cuk电路单元包括第一功率二极管D1至第六功率二极管D6、第八二极管D8、第一电感L1至第三电感L3、母线电容Cbus、第一中间电容C1、第二中间电容C2、第二功率开关管S2；所述LLC电路单元包括第七功率二极管D7、第九功率二极管D9至第十二功率二极管D12、谐振电容Cr、谐振电感Lr、第一功率开关管S1、高频变压器T、输出电容Co；
第一功率二极管D1的阳极、第二功率二极管D2的阴极以及第一电感L1的一端与输入交流电源Vin的一端相连，第三功率二极管D3的阳极、第四功率二极管D4的阴极以及第二电感L2的一端与输入交流电源Vin的另一端相连；第一电感L1的另一端与第一中间电容C1的一端以及第六功率二极管D6的阳极相连；第二电感L2的另一端与第二中间电容C2的一端以及第五功率二极管D5的阳极相连；第一中间电容C1、第二中间电容C2的另一端都与母线电容Cbus的负极、第一功率开关管S1的源极以及第八功率二极管D8的阳极相连；第一功率开关管S1的漏极与第九功率二极管D9的阴极、第十功率二极管D10的阳极以及谐振电容Cr的一端相连；第二功率开关管S2的漏极与第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7的阴极相连，第二功率开关管S2的源极与第二功率二极管D2的阳极、第四功率二极管D4的阳极、第八功率二极管D8的阴极、第九功率二极管D9的阳极相连；第三电感L3的一端与第一功率二极管D1、第三功率二极管D3的阴极相连，第三电感L3的另一端与第七功率二极管D7的阳极、第十功率二极管D10的阴极、母线电容Cbus的正极以及谐振电感Lr的一端相连；谐振电感Lr的另一端与高频变压器T原边绕组的一端相连；高频变压器T原边绕组另一端与谐振电容Cr的另一端相连；高频变压器T副边绕组的中心抽头与输出电容C0负极以及输出LED灯负载的负端连接，高频变压器T副边绕组的上端口与第十一功率二极管D11的阳极相连，高频变压器T副边绕组的下端口与第十二功率二极管D12的阳极相连；第十一功率二极管D11的阴极与第十二功率二极管D12的阴极、输出电容C0正极以及输出LED灯负载的正端相连。
进一步地，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2均采用功率MOS开关管或IGBT开关管。
进一步地，第二功率二极管D2、第四功率二极管D4采用慢速普通二极管，第一功率二极管D1、第三功率二极管D3、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D8、第九功率二极管D9、第十功率二极管D10、第十一功率二极管D11、第十二功率二极管D12均采用快恢复二极管。
进一步地，谐振电容Cr和第一中间电容C1、第二中间电容C2采用高频电容，母线电容Cbus和输出电容C0采用电解电容。
进一步地，所述的第一功率开关管S1、第二功率开关管S2均采用PFM调制。
进一步地，第一电感L1和第二电感L2是分立高频电感。
进一步地，第一电感L1和第二电感L2是相互耦合电感。
本发明将无桥升压Cuk电路运用于AC-DC变换领域，使其工作在二极管不连续导通模式（DDCM），可以实现续流二极管零电流关断，无二极管反向恢复引起的损耗问题，保留了升压型Cuk电路的优点，在实现输入输出的低纹波的同时，又能够实现高功率因数。同时，本发明利用了LLC谐振开关变换器能实现原边侧功率开关管的零电压ZVS开通，副边侧整流管的零电流ZCS关断的软开关技术，将其与无桥升压Cuk电路相结合，使得变换器不仅含有无桥PFC电路通过减少导通半导体的数目来减少导通损耗的优点，也含有LLC电路通过软开关来减少开关损耗的优点，从而实现高功率密度、高效率、高功率因数的AC-DC电能变换。并且，本发明通过无桥升压Cuk型PFC电路功率开关管与LLC电路的功率开关管进行复用的方法，减少主回路导通的半导体器件数量，并且能够实现功率开关管的零电流开通（ZCS）、零电压开通（ZVS）和部分功率二极管的零电流关断，减小了因功率二极管反向恢复电流所产生的损耗，实现低纹波、高效率、高功率因数的特点。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明采用了无桥升压Cuk电路，该电路结构的PFC电流导通回路的半导体功率器件数目减小，减小了变换器的导通损耗；输入、输出端均有电感，使得输入输出的电流脉动小，容易对输入、输出进行滤波，实现输入输出低纹波的同时，也有利于减小EMI；可实现功率开关管的零电流开通（ZCS）、零电压开通（ZVS）和部分功率二极管的零电流关断，提高了转换效率。
2、本发明通过无桥升压Cuk PFC电路和LLC电路开关管的复用，解决两级LED驱动电源控制复杂、成本高、效率低、可靠性差的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路的原理图。
图2为本发明实施例的单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路输入交流电压正半周期，S1保持关断，S2零电流开通（ZCS）时的工作模态示意图。
图3为本发明实施例的单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路输入交流电压正半周期，S1保持关断，S2保持开通，谐振电流ir等于励磁电流im，原边的电流
Figure DEST_PATH_IMAGE001
降为零，副边的二极管D12零电流关断后的工作模态示意图。
图4为本发明实施例的单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路输入交流电压正半周期，S2保持关断，S1零电压开通（ZVS）时的工作模态示意图。
图5为本发明实施例的单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路输入交流电压正半周期，S2保持关断，S1保持开通，谐振电流ir等于励磁电流im，原边的电流
Figure 520958DEST_PATH_IMAGE001
降为零，副边的二极管D11零电流关断后的工作模态示意图。
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。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，包括无桥升压Cuk电路单元以及LLC电路单元，其中LLC电路单元中的下开关管与无桥升压Cuk电路单元中的开关管共用一个功率开关管，无桥升压Cuk电路单元与LLC电路单元通过复用该功率开关管集成为单级AC-DC电路。
在本实施例中，所述无桥升压Cuk电路单元包括第一功率二极管D1至第六功率二极管D6、第八二极管D8、第一电感L1至第三电感L3、母线电容Cbus、第一中间电容C1、第二中间电容C2、第二功率开关管S2；所述LLC电路单元包括第七功率二极管D7、第九功率二极管D9至第十二功率二极管D12、谐振电容Cr、谐振电感Lr、第一功率开关管S1、高频变压器T、输出电容Co；
第一功率二极管D1的阳极、第二功率二极管D2的阴极以及第一电感L1的一端与输入交流电源Vin的一端相连，第三功率二极管D3的阳极、第四功率二极管D4的阴极以及第二电感L2的一端与输入交流电源Vin的另一端相连；第一电感L1的另一端与第一中间电容C1的一端以及第六功率二极管D6的阳极相连；第二电感L2的另一端与第二中间电容C2的一端以及第五功率二极管D5的阳极相连；第一中间电容C1、第二中间电容C2的另一端都与母线电容Cbus的负极、第一功率开关管S1的源极以及第八功率二极管D8的阳极相连；第一功率开关管S1的漏极与第九功率二极管D9的阴极、第十功率二极管D10的阳极以及谐振电容Cr的一端相连；第二功率开关管S2的漏极与第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7的阴极相连，第二功率开关管S2的源极与第二功率二极管D2的阳极、第四功率二极管D4的阳极、第八功率二极管D8的阴极、第九功率二极管D9的阳极相连；第三电感L3的一端与第一功率二极管D1、第三功率二极管D3的阴极相连，第三电感L3的另一端与第七功率二极管D7的阳极、第十功率二极管D10的阴极、母线电容Cbus的正极以及谐振电感Lr的一端相连；谐振电感Lr的另一端与高频变压器T原边绕组的一端相连；高频变压器T原边绕组另一端与谐振电容Cr的另一端相连；高频变压器T副边绕组的中心抽头与输出电容C0负极以及输出LED灯负载的负端连接，高频变压器T副边绕组的上端口与第十一功率二极管D11的阳极相连，高频变压器T副边绕组的下端口与第十二功率二极管D12的阳极相连；第十一功率二极管D11的阴极与第十二功率二极管D12的阴极、输出电容C0正极以及输出LED灯负载的正端相连。
在本实施例中，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2均采用功率MOS开关管或IGBT开关管。
在本实施例中，第二功率二极管D2、第四功率二极管D4采用慢速普通二极管，第一功率二极管D1、第三功率二极管D3、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D8、第九功率二极管D9、第十功率二极管D10、第十一功率二极管D11、第十二功率二极管D12均采用快恢复二极管。
在本实施例中，谐振电容Cr和第一中间电容C1、第二中间电容C2采用高频电容，母线电容Cbus和输出电容C0采用电解电容。
在本实施例中，所述的第一功率开关管S1、第二功率开关管S2均采用PFM调制。
在本实施例中，第一电感L1和第二电感L2是分立高频电感。
在本实施例中，第一电感L1和第二电感L2是相互耦合电感。
本实施例通过无桥升压Cuk PFC电路单元和LLC电路单元开关管的复用，降低了变换器主电路的导通损耗和开关损耗。下面结合图1至图5具体说明本实施例的单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路在二极管D8不连续导通模式（DDCM）下的具体工作模态，由于交流电源正负半周的工作类似，以交流电源正半工频周期内的一个高频开关周期为例进行说明。本实施例在一个开关周期内有4种主要的工作模态，如图2至图5所示，且在本实施例中，所述的第一功率开关管S1、第二功率开关管S2均为功率MOS管或IGBT管。
参照图2，输入交流电压Vin为正半周期，功率开关管S1保持关断，功率MOS开关管S2零电流开通（ZCS），输入交流电压Vin分别通过Vin- L1-D6-S2-D4-Vin回路对电感L1充电，通过Vin-D1-L3-Cbus-C1-D6-S2-D4-Vin回路对电感L3充电；励磁电流ir由正变为负，功率二极管D10零电流关断，功率二极管D7和D9导通，谐振电流ir小于励磁电流im，原边电流ip由下往上流，副边的功率二极管D12承受正向电压导通，原边电压被输出电压钳位，励磁电感Lm不参与谐振。
参照图3，输入交流电压Vin为正半周期，功率开关管S1保持关断，功率MOS开关管
Figure 894170DEST_PATH_IMAGE002
保持开通，输入交流电压Vin分别通过Vin- L1-D6-S2-D4-Vin回路对电感L1充电，通过Vin-D1-L3-Cbus-C1-D6-S2-D4-Vin回路对电感L3充电；谐振电流ir等于励磁电流im，原边电流ip降为零，副边的功率二极管D12零电流关断，励磁电感Lm参与谐振，谐振周期远大于开关周期，励磁电流ir可视为恒定不变。
参照图4，输入交流电压Vin为正半周期，功率开关管S2保持关断，功率开关管S1零电压开通（ZVS），电感L1、L3通过功率二极管D8续流放电；励磁电流im线性上升，谐振电流ir慢慢从负变成正，原边电流ip由上往下流，副边的功率二极管D11导通，原边电压被输出电压钳位，励磁电感Lm不参与谐振。
参照图5，输入交流电压Vin为正半周期，功率开关管S1保持开通，功率开关管S2保持关断，电感L3上的电流降到零，功率二极管D1反向截止，续流二极管D8的电流也降到零，功率二极管D8和D4也反向截止，电感L1上的电流i1等于电感L2上的电流i2，方向相反，L1通过L1-C1- C2- L2-Vin- L1进行续流；谐振电流ir等于励磁电流im，原边电流ip降为零，励磁电感Lm参与谐振，谐振周期远大于开关周期，谐振电流ir可视为恒定不变。在输入交流电压Vin正半周期内，下一个开关周期重复图2到图5的工作过程。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，其特征在于，包括无桥升压Cuk电路单元以及LLC电路单元，其中LLC电路单元中的下开关管与无桥升压Cuk电路单元中的开关管共用一个功率开关管，无桥升压Cuk电路单元与LLC电路单元通过复用该功率开关管集成为单级AC-DC电路；
其中，所述无桥升压Cuk电路单元包括第一功率二极管D1至第六功率二极管D6、第八二极管D8、第一电感L1至第三电感L3、母线电容Cbus、第一中间电容C1、第二中间电容C2、第二功率开关管S2；所述LLC电路单元包括第七功率二极管D7、第九功率二极管D9至第十二功率二极管D12、谐振电容Cr、谐振电感Lr、第一功率开关管S1、高频变压器T、输出电容Co；
第一功率二极管D1的阳极、第二功率二极管D2的阴极以及第一电感L1的一端与输入交流电源Vin的一端相连，第三功率二极管D3的阳极、第四功率二极管D4的阴极以及第二电感L2的一端与输入交流电源Vin的另一端相连；第一电感L1的另一端与第一中间电容C1的一端以及第六功率二极管D6的阳极相连；第二电感L2的另一端与第二中间电容C2的一端以及第五功率二极管D5的阳极相连；第一中间电容C1、第二中间电容C2的另一端都与母线电容Cbus的负极、第一功率开关管S1的源极以及第八功率二极管D8的阳极相连；第一功率开关管S1的漏极与第九功率二极管D9的阴极、第十功率二极管D10的阳极以及谐振电容Cr的一端相连；第二功率开关管S2的漏极与第五功率二极管D5、第六功率二极管D6、第七功率二极管D7的阴极相连，第二功率开关管S2的源极与第二功率二极管D2的阳极、第四功率二极管D4的阳极、第八功率二极管D8的阴极、第九功率二极管D9的阳极相连；第三电感L3的一端与第一功率二极管D1、第三功率二极管D3的阴极相连，第三电感L3的另一端与第七功率二极管D7的阳极、第十功率二极管D10的阴极、母线电容Cbus的正极以及谐振电感Lr的一端相连；谐振电感Lr的另一端与高频变压器T原边绕组的一端相连；高频变压器T原边绕组另一端与谐振电容Cr的另一端相连；高频变压器T副边绕组的中心抽头与输出电容C0负极以及输出LED灯负载的负端连接，高频变压器T副边绕组的上端口与第十一功率二极管D11的阳极相连，高频变压器T副边绕组的下端口与第十二功率二极管D12的阳极相连；第十一功率二极管D11的阴极与第十二功率二极管D12的阴极、输出电容C0正极以及输出LED灯负载的正端相连。
2.根据权利要求1所述的一种单级无桥升压Cuk谐振型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均采用功率MOS开关管或IGBT开关管。
3.根据权利要求1所述的一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，其特征在于，第二功率二极管D2、第四功率二极管D4采用慢速普通二极管，第一功率二极管D1、第三功率二极管D3、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D8、第九功率二极管D9、第十功率二极管D10、第十一功率二极管D11、第十二功率二极管D12均采用快恢复二极管。
4.根据权利要求1所述的一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，其特征在于，谐振电容Cr和第一中间电容C1、第二中间电容C2采用高频电容，母线电容Cbus和输出电容C0采用电解电容。
5.根据权利要求1所述的一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，其特征在于，所述的第一功率开关管S1、第二功率开关管S2均采用PFM调制。
6.根据权利要求1所述的一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，其特征在于，第一电感L1和第二电感L2是分立高频电感。
7.根据权利要求1所述的一种单级无桥升压Cuk谐振型LED驱动电路，其特征在于，第一电感L1和第二电感L2是相互耦合电感。
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