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
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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Cs,输出滤波电容Co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
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Cs,输出滤波电容Co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、Co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、Cs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Co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、Cs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Cs为小容量电容,所述LED驱动电源利用小容量辅助储能电容Cs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(Pin>Po)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(Pin<Po)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,Cs的电压VCs必须大于反激变换器的反射电压nVo与整流输出电压Vrec除以n的最大值,即VCs>max(nVo,Vrec/n),其中Vo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tc=Kc 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td=Kd(1-cos4ωt)的规律变化,式中,Kc和Kd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Co=6.8uF,未加辅助储能电路时输出电压波形。
图7为本发明Co=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Co=122uF时,未加辅助电路时的输出电压波形。
图9为本发明Co=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Cs,输出滤波电容Co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、Co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、Cs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Co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、Cs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Cs、输出滤波电容Co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(Pin>Po)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(Pin<Po)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VCs必须大于反激变换器的反射电压nVo与整流输出电压Vrec除以n(即Vrec/n)的最大值,即VCs>max(nVo,Vrec/n),其中Vo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tc=Kc 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td=Kd(1-cos4ωt)的规律变化,式中,Kc和Kd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、Pin>Po
当Pin>Po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Vrec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Cs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Lk能量通过二极管D2释放到电容Cs中,此阶段必须保证nVo<VCs。
(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Co对LED负载供电。t5以后又重复上一个开关周期。
2、Pin<Po
当Pin<Po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Vrec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Cs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Lk将能量释放到原边电感L1中。此阶段必须保证Vrec/n<VCs;
(c)模态3(t2-t3):t2时刻,开关管Q2导通,漏感Lk能量释放完毕,二极管D1截止,辅助储能电容Cs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Cs,输出滤波电容Co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、Co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、Cs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Co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、Cs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Cs为小容量电容,所述LED驱动电源利用小容量辅助储能电容Cs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(Pin>Po)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(Pin<Po)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,Cs的电压VCs必须大于反激变换器的反射电压nVo与整流输出电压Vrec除以n的最大值,即VCs>max(nVo,Vrec/n),其中Vo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tc=Kcsin(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td=Kd(1-cos4ωt)的规律变化,式中,Kc和为Kd占空比系数。
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