CN112469164A - 一种单级非隔离长寿命led驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单级非隔离长寿命LED驱动电源。包括交流输入电源、输入整流电路、反激变换器、辅助功率平衡电路和LED负载等。反激变换器用于实现功率因数校正并为LED负载提供恒定电流；辅助功率平衡电路由两个辅助开关管、一个辅助二极管和一个辅助储能电容组成，用于平衡瞬时输入输出功率之间的差值并吸收电压尖峰。本发明通过抑制LED负载电流的低频纹波，减小了输出滤波电容的容值，从而可以用小容量的薄膜电容替代大容量的电解电容；本发明具有开关管电压应力低、驱动方便、长寿命和高可靠性等优点。

Description

一种单级非隔离长寿命LED驱动电源

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种单级非隔离长寿命LED驱动电源。

背景技术

LED以其节能、环保、高效、长寿命等诸多优点，近年来发展迅速，应用越来越广泛，同时高可靠性、高功率因数、寿命长、低成本的LED驱动电源的发展也必不可少。在交流供电场合下，为满足IEC61000-3-2的谐波要求，减少对电网的污染，LED驱动电源需要实现功率因数校正功能。当功率因数为1时，输入电流与输入电压相位相同，且均为正弦波，因此输入功率为两倍工频脉动功率，输出功率几乎不变。为了平衡输入输出功率瞬时之差，一般需要一个容量很大的电解电容。而电解电容寿命往往只有几千小时，远低于LED灯的使用寿命，而且电解电容的寿命受环境温度影响极大，温度每升高10度，其使用寿命大约减少一半，因此电解电容的使用已成为影响LED驱动电源寿命的主要因素，并且电解电容体积较大，限制了驱动电源功率密度进一步提高。因此去除电解电容成为LED驱动电源的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单级非隔离长寿命LED驱动电源，通过抑制LED负载电流的低频纹波，减小了输出滤波电容的容值，从而可以用小容量的薄膜电容替代大容量的电解电容；本发明具有开关管电压应力低、驱动方便、长寿命和高可靠性等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单级非隔离长寿命LED驱动电源，包括依次连接的交流输入电源、输入整流电路、反激变换器、辅助功率平衡电路和LED负载；所述反激变换器用于实现功率因数校正并为LED负载提供恒定电流，所述辅助功率平衡电路用于平衡瞬时输入输出功率之间的差值并吸收电压尖峰；所述输入整流电路包括二极管D₁-D₄，所述反激变换器包括主开关管Q₁，变压器T₁，整流二极管D₀和输出滤波电容C₀，所述辅助功率平衡电路包括辅助开关管Q₂、Q₃，辅助二极管D_a以及辅助储能电容C_a，交流输入电源V_in的正极与D₁的阳极、D₄的阴极连接，交流输入电源V_in的负极与D₃的阳极、D₂的阴极连接，D₁的阴极、D₃的阴极与T₁初级绕组的一端连接，D₂的阳极、D₄的阳极与Q₁的源极、Q₂的源极、Q₃的源极连接，Q₁的漏极与D_a的阳极、T₁初级绕组的另一端连接，T₁次级绕组的一端与D₀的阳极、Q₃的漏极连接，T₁次级绕组的另一端与D_a的阴极、C_a的一端、C₀的一端、LED负载的一端连接，D₀的阴极与C₀的另一端、LED负载的另一端连接，Q₂的漏极与C_a的另一端连接。

在本发明一实施例中，Q₁的栅极、Q₂的栅极、Q₃的栅极与一控制电路连接，且Q₁的源极、Q₂的源极、Q₃的源极连接在一起，开关管驱动简单，控制电路通过比较瞬时输入输出功率大小控制Q₂和Q₃工作，实现输入输出功率的平衡，从而减小LED负载电流的低频纹波。

在本发明一实施例中，控制电路通过比较瞬时输入输出功率大小控制Q₂和Q₃工作，实现输入输出功率的平衡，从而减小LED负载电流的低频纹波的具体实现方式如下：

当输入功率瞬时值大于或等于输出功率时，Q₃保持关断，Q₂在Q₁关断后导通，把多余的能量储存在C_a中，并且有效地吸收由于变压器漏感产生的电压尖峰；且在此阶段，C_a两端电压与输入整流电路输出电压之差必须小于反激变换器的反射电压即(v_Ca-v_rec)＜nV_o，其中，v_rec表示输入整流电路的输出，v_Ca表示C_a两端电压，V_o表示反激变换器的反射电压，n为变压器变比；

当输入功率瞬时值小于输出功率时，Q₂和Q₃在Q₁关断后直至D₀电流减小到零时同时导通，C_a向LED负载释放能量。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过抑制LED负载电流的低频纹波，减小了输出滤波电容的容值，从而可以用小容量的薄膜电容替代大容量的电解电容；本发明具有开关管电压应力低、驱动方便、长寿命和高可靠性等优点。

附图说明

图1为本发明的长寿命LED驱动电源。

图2为本发明无电解电容LED驱动电源主要工作波形。

图3为开关管控制时序图和主要工作波形图。

图4为Pin>Po时各工作模态等效电路图。

图5为Pin<Po时各工作模态等效电路图。

图6为未加辅助电路时输出电压仿真波形。

图7为本发明电路的储能电容和输出电压仿真波形。

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，本发明提供了一种单级非隔离长寿命LED驱动电源，包括依次连接的交流输入电源、输入整流电路、反激变换器、辅助功率平衡电路和LED负载；所述反激变换器用于实现功率因数校正并为LED负载提供恒定电流，所述辅助功率平衡电路用于平衡瞬时输入输出功率之间的差值并吸收电压尖峰。所述输入整流电路包括二极管D₁-D₄，所述反激变换器包括主开关管Q₁，变压器T₁，整流二极管D₀和输出滤波电容C₀，所述辅助功率平衡电路包括辅助开关管Q₂、Q₃，辅助二极管D_a以及辅助储能电容C_a，交流输入电源V_in的正极与D₁的阳极、D₄的阴极连接，交流输入电源V_in的负极与D₃的阳极、D₂的阴极连接，D₁的阴极、D₃的阴极与T₁初级绕组的一端连接，D₂的阳极、D₄的阳极与Q₁的源极、Q₂的源极、Q₃的源极连接，Q₁的漏极与D_a的阳极、T₁初级绕组的另一端连接，T₁次级绕组的一端与D₀的阳极、Q₃的漏极连接，T₁次级绕组的另一端与D_a的阴极、C_a的一端、C₀的一端、LED负载的一端连接，D₀的阴极与C₀的另一端、LED负载的另一端连接，Q₂的漏极与C_a的另一端连接。Q₁的栅极、Q₂的栅极、Q₃的栅极与一控制电路连接，且Q₁的源极、Q₂的源极、Q₃的源极连接在一起，开关管驱动简单；控制电路通过比较瞬时输入输出功率大小控制Q₂和Q₃工作，实现输入输出功率的平衡，从而减小LED负载电流的低频纹波。具体实现方式如下：

当输入功率瞬时值大于或等于输出功率时，Q₃保持关断，Q₂在Q₁关断后导通，把多余的能量储存在C_a中，并且有效地吸收由于变压器漏感产生的电压尖峰；且在此阶段，C_a两端电压与输入整流电路输出电压之差必须小于反激变换器的反射电压即(v_Ca-v_rec)＜nV_o，其中，v_rec表示输入整流电路的输出，v_Ca表示C_a两端电压，V_o表示反激变换器的反射电压，n为变压器变比；

当输入功率瞬时值小于输出功率时，Q₂和Q₃在Q₁关断后直至D₀电流减小到零时同时导通，C_a向LED负载释放能量。

以下为本发明的具体实现过程。

如图1所示，本发明提供了一种单级非隔离长寿命LED驱动电源，工作原理如下：

1)电路中所有器件都为理想器件。

2)由于开关周期Ts远小于工频周期，即认为在一个开关周期内输入电压为定值。

3)输入整流电路输出用等效电压源v_rec表示。

单级非隔离无电解电容驱动电源的主要工作波形如图2所示，开关管控制时序图和主要工作波形图如图3所示。通过控制主电路开关管Q₁工作，使反激变换器工作在DCM状态，实现高功率因数和恒流输出。根据瞬时输入功率与输出功率的大小，电路有两种工作情况。

(1)Pin>P0：多余能量储存在辅助储能电容C_a中，辅助开关管Q₃保持关断,电路等效工作过程如图4所示。

1)(t0-t1)：t0时刻，主开关管Q₁导通，辅助开关管Q₂、Q₃关断，整流输出电压v_rec通过主开关管Q₁对励磁电感L₁充电，原边励磁电流线性增加，整流二极管D₀截止，输出滤波电容C₀对LED负载供电。

2)(t1-t2)：t1时刻，主开关管Q₁关断，同时辅助开关管Q₂导通，励磁电感L₁通过辅助开关管Q₂向辅助储能电容C_a充电，此阶段必须使(v_ca-v_rec)/n＜V_o，二极管D₀保持截止，输出滤波电容C₀对LED负载继续供电。

3)(t2-t3)：t2时刻，辅助开关管Q₂关断，输出整流二极管D₀导通，此时励磁电感中能量通过二极管D₀传递到LED负载。

4)(t3-t4)：这个阶段所有开关器件均截止，LED负载由滤波电容C₀继续提供能量，t4以后又重复上一个开关周期。

(2)Pin<P0：辅助储能电容C_a向LED负载释放能量，辅助开关管Q₂和Q₃同时通断，电路等效工作过程如图5所示。

1)(t0-t1)：t0时刻，主开关管Q₁导通、辅助开关管Q₂和Q₃关断，整流输出电压v_rec通过主开关管Q₁对励磁电感L₁充电，原边励磁电流线性增加，副边整流二极管D₀截止，输出滤波电容C₀对LED负载供电。

2)(t1-t2)：t1时刻，主开关管Q₁关断、输出整流二极管D₀导通，此时励磁电感中能量通过二极管D₀传递到LED负载，二极管D₀电流线性减小。

3)(t2-t3)：t2时刻，输出整流二极管D₀电流减小到0，二极管D₀截止，同时辅助开关管Q₂和Q₃导通，辅助储能电容C_a通过辅助开关管Q₂和Q₃对副边电感L₂充电。

4)(t3-t4)：t3时刻，辅助开关管Q₂和Q₃关断，输出整流二极管电感D₀导通，副边电感L₂通过二极管D₀向LED负载释放能量。

5)(t4-t5)：t4时刻，副边电感L₂能量释放完毕，二极管D₀截止，LED负载由滤波电容C₀提供能量，t5以后又重复上一个开关周期。

通过控制反激变换器主开关管Q₁工作，使反激变换器工作在断续电流模式实现高功率因数和恒流输出，通过控制辅助开关管Q₂和Q₃工作，使辅助储能电容电压保持在设定的范围，实现了瞬时输入功率和输出功率的平衡。

辅助开关管Q₂和Q₃的占空比为：

D＝K_D*a[N]

其中，K_D为占空比系数，a[N]为正弦变换的函数数组。通过检测辅助储能电容的电压大小获取占空比系数K_D，通过检测整流电路输出电压过零点获取数组a[N]]的占空比波形相位，从而得到了负载开关管Q₂和Q₃的占空比大小和控制时序。以整流电路输出电压的过零点为起始点，两个负载开关管的占空比均以D＝K_Dsin(2ωt)规律变化。辅助电路通过控制储能电容电压来维持电路输入输出功率的平衡。当电路输入功率增加时，占空比系数K_D越大，辅助储能电容电压增加；当输入功率减小时，占空比系数K_D变小，辅助储能电容电压减小。同时还可通过控制辅助储能电容电压，使得辅助储能电容电压与整流电路输出电压之差始终小于反激变换器的反射电压(即变压器初级绕组两端电压)(v_Ca-v_rec)＜nV_o，使得当辅助开关管Q₂导通时，变压器副边整流二极管D₀截止。

为验证电路的可行性，对所提电路进行了仿真，仿真参数：交流输入电压为

输出功率P₀＝40W，输出电压V₀＝85V，开关频率f＝100kHz，励磁电感L₁＝165uH，匝比N_p/N_s＝24/10，C_a＝10uF，C₀＝10uF。图6为未加辅助电路时输出电压仿真波形，图7为本发明电路的储能电容和输出电压仿真波形。可见本发明电路的输出电压低频纹波大大减小，可以采用薄膜电容替代大容量电解电容，实现无电解电容LED驱动电源。

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 (3)

1.一种单级非隔离长寿命LED驱动电源，其特征在于，包括依次连接的交流输入电源、输入整流电路、反激变换器、辅助功率平衡电路和LED负载；所述反激变换器用于实现功率因数校正并为LED负载提供恒定电流，所述辅助功率平衡电路用于平衡瞬时输入输出功率之间的差值并吸收电压尖峰；所述输入整流电路包括二极管D₁-D₄，所述反激变换器包括主开关管Q₁，变压器T₁，整流二极管D₀和输出滤波电容C₀，所述辅助功率平衡电路包括辅助开关管Q₂、Q₃，辅助二极管D_a以及辅助储能电容C_a，交流输入电源V_in的正极与D₁的阳极、D₄的阴极连接，交流输入电源V_in的负极与D₃的阳极、D₂的阴极连接，D₁的阴极、D₃的阴极与T₁初级绕组的一端连接，D₂的阳极、D₄的阳极与Q₁的源极、Q₂的源极、Q₃的源极连接，Q₁的漏极与D_a的阳极、T₁初级绕组的另一端连接，T₁次级绕组的一端与D₀的阳极、Q₃的漏极连接，T₁次级绕组的另一端与D_a的阴极、C_a的一端、C₀的一端、LED负载的一端连接，D₀的阴极与C₀的另一端、LED负载的另一端连接，Q₂的漏极与C_a的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种单级非隔离长寿命LED驱动电源，其特征在于，Q₁的栅极、Q₂的栅极、Q₃的栅极与一控制电路连接，且Q₁的源极、Q₂的源极、Q₃的源极连接在一起，开关管驱动简单，控制电路通过比较瞬时输入输出功率大小控制Q₂和Q₃工作，实现输入输出功率的平衡，从而减小LED负载电流的低频纹波。

3.根据权利要求2所述的一种单级非隔离长寿命LED驱动电源，其特征在于，控制电路通过比较瞬时输入输出功率大小控制Q₂和Q₃工作，实现输入输出功率的平衡，从而减小LED负载电流的低频纹波的具体实现方式如下：

当输入功率瞬时值大于或等于输出功率时，Q₃保持关断，Q₂在Q₁关断后导通，把多余的能量储存在C_a中，并且有效地吸收由于变压器漏感产生的电压尖峰；且在此阶段，C_a两端电压与输入整流电路输出电压之差必须小于反激变换器的反射电压即(v_Ca-v_rec)＜nV_o，其中，v_rec表示输入整流电路的输出，v_Ca表示C_a两端电压，V_o表示反激变换器的反射电压，n为变压器变比；

当输入功率瞬时值小于输出功率时，Q₂和Q₃在Q₁关断后直至D₀电流减小到零时同时导通，C_a向LED负载释放能量。

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