CN113099576A - 一种单级式两开关无电解电容led驱动电源及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源及控制方法。所述LED驱动电源，包括交流输入电源，整流电路，耦合电感T，第一开关管Q₁、第二开关管Q₂，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄，辅助储能电容C_s，输出滤波电容C_o和LED负载。耦合电感T原边和副边电感均工作在电流断续状态，本发明利用小容量的辅助储能电容平衡输入功率和输出功率的低频脉动功率，并吸收漏感引起的电压尖峰，避免了使用大容量电解电容。具有功率因数高、开关管电压应力小、控制简单和寿命长等优点。

Description

一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源及控制方法

技术领域

本发明涉及一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源及控制方法。

背景技术

LED光源由于具有高效、节能、环保和长寿命等优点，被广泛应用在家用、商业和工业照明等领域。驱动电源是LED照明不可或缺的部件，它是保证LED发光品质和整体性能的关键。因此发展与LED光源相匹配的具有高功率因数和长寿命的LED驱动电源必不可少。

在单级高功率因数的LED驱动电源中，为了平衡交流输入功率和直流输出功率之间的脉动功率，一般需要一个容量较大的电解电容。电解电容的寿命一般约为5千小时，远低于8～10万小时长寿命的LED灯，因此电解电容成为影响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。而其他种类电容容值一般较小，无法简单替换电解电容。因此研究无电解电容LED驱动电源，对提高用电质量，延长LED灯具的使用寿命具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源及控制方法，本发明LED驱动电源具有功率因数高、开关管电压应力小、控制简单和寿命长等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源，包括交流输入电源，整流电路，耦合电感T，第一开关管Q₁、第二开关管Q₂，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄，辅助储能电容C_s，输出滤波电容C_o和LED负载；交流输入电源的两输出端分别与整流电路的两输入端连接，整流电路的正极输出端与D₁的阳极连接，整流电路的负极输出端与Q₁的第一端、Q₂的第二端、C_o的一端、LED负载的一端连接，D₁的阴极与D₂的阴极、耦合电感T的原边一端连接，D₂的阳极与D₃的阴极、C_s的一端连接，D₃的阳极与D₄的阳极、耦合电感T的副边一端连接，D₄的阴极与C_o的另一端、LED负载的另一端连接，耦合电感T的原边另一端与Q₁的第二端、C_s的另一端连接，耦合电感T的副边另一端与Q₂的第一端连接。

在本发明一实施例中，所述耦合电感T原边和副边电感均工作在电流断续状态。

在本发明一实施例中，辅助储能电容C_s为小容量电容，所述LED驱动电源利用小容量辅助储能电容C_s平衡输入功率和输出功率的低频脉动功率，并吸收漏感引起的电压尖峰。

本发明还提供了一种基于上述所述的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源的控制方法，实现如下：

1)当输入瞬时功率大于输出功率(P_in>P_o)时，Q₁在一个低频周期内以恒定占空比工作，Q₂是在Q₁关断后一段时间开通，在Q₁导通时关断；

2)当输入瞬时功率小于输出功率(P_in<P_o)时，Q₂在一个低频周期内以恒定占空比工作，Q₁在Q₂关断时开通，在Q₂导通一段时间后关断。

在本发明一实施例中，在一个低频周期内，Q₁在输入瞬时功率大于输出功率时的导通时间与Q₂在输入瞬时功率小于输出功率时的关断时间相同。

在本发明一实施例中，C_s的电压V_Cs必须大于反激变换器的反射电压nV_o与整流输出电压V_rec除以n的最大值，即V_Cs＞max(nV_o,V_rec/n)，其中V_o为输出电压，n为耦合电感匝比。

在本发明一实施例中，在一个低频周期内，以Pin＝Po为起始点，当输入瞬时功率大于输出功率时，从Q1关断到Q2开通的时间以t_c＝K_c sin(2ωt)的规律变化；当输入瞬时功率小于输出功率时，从Q2开通到Q1关断的时间以t_d＝K_d(1-cos4ωt)的规律变化，式中，K_c和K_d为占空比系数。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明LED驱动电源具有功率因数高、开关管电压应力小、控制简单和寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明单级式两开关无电解电容LED驱动电源电路。

图2为本发明Pin>Po时，各个开关管驱动波形图。

图3为本发明Pin>Po时，各个工作模态等效电路。

图4为本发明Pin<Po时，各个开关管驱动波形图。

图5为本发明Pin<Po时，各个工作模态等效电路。

图6为本发明C_o＝6.8uF,未加辅助储能电路时输出电压波形。

图7为本发明C_o＝6.8uF时,本发明无电解电容LED驱动电源的输出电压波形。

图8为本发明C_o＝122uF时,未加辅助电路时的输出电压波形。

图9为本发明C_o＝6.8uF时,本发明无电解电容LED驱动电源的输出电压波形。

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。

本发明提供了一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源，包括交流输入电源，整流电路，耦合电感T，第一开关管Q₁、第二开关管Q₂，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄，辅助储能电容C_s，输出滤波电容C_o和LED负载；交流输入电源的两输出端分别与整流电路的两输入端连接，整流电路的正极输出端与D₁的阳极连接，整流电路的负极输出端与Q₁的第一端、Q₂的第二端、C_o的一端、LED负载的一端连接，D₁的阴极与D₂的阴极、耦合电感T的原边一端连接，D₂的阳极与D₃的阴极、C_s的一端连接，D₃的阳极与D₄的阳极、耦合电感T的副边一端连接，D₄的阴极与C_o的另一端、LED负载的另一端连接，耦合电感T的原边另一端与Q₁的第二端、C_s的另一端连接，耦合电感T的副边另一端与Q₂的第一端连接。

以下为本发明的具体实现过程。

如图1所示，本发明的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源，其电路由交流输入电源、整流电路、耦合电感T、第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄，辅助储能电容C_s、输出滤波电容C_o和LED负载组成。

本发明一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源的控制需满足如下条件：

1)当输入瞬时功率大于输出功率(P_in>P_o)时，第一开关管Q₁在一个低频周期内以恒定占空比工作，第二开关管Q₂是在开关管Q₁关断后一段时间开通，在开关管Q₁导通时关断；

2)当输入瞬时功率小于输出功率(P_in<P_o)时，开关管Q₂在一个低频周期内以恒定占空比工作，开关管Q₁在开关管Q₂关断时开通，在开关管Q₂导通一段时间后关断；

3)在一个低频周期内，开关管Q₁在输入瞬时功率大于输出功率时导通时间与开关管Q₂在输入瞬时功率小于输出功率时关断时间相同；

4)储能电容电压V_Cs必须大于反激变换器的反射电压nV_o与整流输出电压V_rec除以n(即V_rec/n)的最大值，即V_Cs＞max(nV_o,V_rec/n)，其中V_o为输出电压，n为耦合电感匝比。

5)在一个低频周期内，以Pin＝Po为起始点，当输入瞬时功率大于输出功率时，从开关管Q1关断到开关管Q2开通的时间以t_c＝K_c sin(2ωt)的规律变化；当输入瞬时功率小于输出功率时，从开关管Q2开通到开关管Q1关断的时间以t_d＝K_d(1-cos4ωt)的规律变化，式中，K_c和K_d为占空比系数。

以下对本发明的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源的工作原理进行分析：

1、P_in>P_o

当P_in>P_o时，各个开关管驱动波形如图2所示，一个开关周期有5个工作模态，各个工作模态的等效电路如图3所示，其工作过程如下：

(a)模态1(t₀-t₁)：t₀时刻，第一开关管Q₁导通，第二开关管Q₂关断，整流输出电压V_rec通过第一二极管D₁、开关管Q₁对耦合电感T的原边电感L₁充电，原边电感电流线性增加。

(b)模态2(t₁-t₂)：t₁时刻，开关管Q₁关断，原边电感L₁通过第二二极管D₂向辅助储能电容C_s充电。

(c)模态3(t₂-t₃)：t₂时刻，开关管Q₁保持关断，开关管Q₂导通，副边电感L₂能量通过第四二极管D₄传递到LED负载，漏感L_k能量通过二极管D₂释放到电容C_s中，此阶段必须保证nV_o<V_Cs。

(d)模态4(t₃-t₄)：t₃时刻，漏感能量释放过程完毕，二极管D₂截止，副边电感L₂能量继续通过二极管D₄传递到LED负载。

(e)模态5(t₄-t₅)：t₄时刻，副边电感L₂能量释放完毕，二极管D₄截止，输出滤波电容C_o对LED负载供电。t₅以后又重复上一个开关周期。

2、P_in<P_o

当P_in<P_o时，各个开关管驱动波形如图4所示，一个开关周期有5个工作模态，各个工作模态的等效电路如图5所示，其工作过程如下：

(a)模态1(t₀-t₁)：t₀时刻，开关管Q₁导通，开关管Q₂关断，整流输出电压V_rec通过二极管D₁、开关管Q₁对原边电感L₁充电，原边电感电流线性增加；

(b)模态2(t₁-t₂)：t₁时刻，开关管Q₂导通，辅助储能电容C_s通过开关管Q₁、开关管Q₂、第三二极管D₃对副边电感L₂充电，漏感L_k将能量释放到原边电感L₁中。此阶段必须保证V_rec/n<V_Cs；

(c)模态3(t₂-t₃)：t₂时刻，开关管Q₂导通，漏感L_k能量释放完毕，二极管D₁截止，辅助储能电容C_s通过开关管Q₁、开关管Q₂、二极管D₃继续对副边电感L₂继续充电；

(d)模态4(t₃-t₄)：t₃时刻，开关管Q₁关断，二极管D₃截止，D₄导通，副边电感L₂能量通过二极管D₄传递到LED负载；

(e)模态5(t₄-t₅)：t₄时刻，副边电感L₂能量释放完毕，二极管D₄截止。t₅以后又重复上一个开关周期。

为验证电路的可行性，对所提电路进行了仿真，图6至图9为电路仿真波形图。从图6和图7可以看出，在相同的输出滤波电容下，本发明的无电解电容LED驱动电源输出纹波大大减小了。从图8和图9可以看出，在相同的输出电压纹波下，本发明的无电解电容LED驱动电源所需要的输出滤波电容由122uF减小到6.8uF，电容值大大减小了，因此可以采用小容量的薄膜电容代替大容量的电解电容。

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 (7)

1.一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源，其特征在于，包括交流输入电源，整流电路，耦合电感T，第一开关管Q₁、第二开关管Q₂，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄，辅助储能电容C_s，输出滤波电容C_o和LED负载；交流输入电源的两输出端分别与整流电路的两输入端连接，整流电路的正极输出端与D₁的阳极连接，整流电路的负极输出端与Q₁的第一端、Q₂的第二端、C_o的一端、LED负载的一端连接，D₁的阴极与D₂的阴极、耦合电感T的原边一端连接，D₂的阳极与D₃的阴极、C_s的一端连接，D₃的阳极与D₄的阳极、耦合电感T的副边一端连接，D₄的阴极与C_o的另一端、LED负载的另一端连接，耦合电感T的原边另一端与Q₁的第二端、C_s的另一端连接，耦合电感T的副边另一端与Q₂的第一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述耦合电感T原边和副边电感均工作在电流断续状态。

3.根据权利要求1或2所述的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源，其特征在于，辅助储能电容C_s为小容量电容，所述LED驱动电源利用小容量辅助储能电容C_s平衡输入功率和输出功率的低频脉动功率，并吸收漏感引起的电压尖峰。

4.一种基于权利要求1至3任一所述的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，实现如下：

1)当输入瞬时功率大于输出功率(P_in>P_o)时，Q₁在一个低频周期内以恒定占空比工作，Q₂是在Q₁关断后一段时间开通，在Q₁导通时关断；

2)当输入瞬时功率小于输出功率(P_in<P_o)时，Q₂在一个低频周期内以恒定占空比工作，Q₁在Q₂关断时开通，在Q₂导通一段时间后关断。

5.根据权利要求4所述的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，在一个低频周期内，Q₁在输入瞬时功率大于输出功率时的导通时间与Q₂在输入瞬时功率小于输出功率时的关断时间相同。

6.根据权利要求4所述的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，C_s的电压V_Cs必须大于反激变换器的反射电压nV_o与整流输出电压V_rec除以n的最大值，即V_Cs＞max(nV_o,V_rec/n)，其中V_o为输出电压，n为耦合电感匝比。

7.根据权利要求4所述的一种单级式两开关无电解电容LED驱动电源的控制方法，其特征在于，在一个低频周期内，以Pin＝Po为起始点，当输入瞬时功率大于输出功率时，从Q1关断到Q2开通的时间以t_c＝K_csin(2ωt)的规律变化；当输入瞬时功率小于输出功率时，从Q2开通到Q1关断的时间以t_d＝K_d(1-cos4ωt)的规律变化，式中，K_c和为K_d占空比系数。

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