一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容led驅(qū)動電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源。它包括交流輸入電源、橋式整流電路、輔助電路、主開關(guān)管、反激變壓器、整流電路、輸出濾波電容及LED負載。本發(fā)明有如下特點和優(yōu)點：1）輔助電路的儲能電容電壓設(shè)計為直流電壓疊加大脈動紋波電壓的工作形式，不僅可以消除LED驅(qū)動電源對電解電容的依賴，還可以實現(xiàn)反激變壓器漏感能量利用；2）反激變壓器工作在電流斷續(xù)模式，實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正；3）輔助電路可以平衡輸入功率pin和輸出功率po的低頻脈動功率，輔助電路與主電路協(xié)調(diào)工作可以實現(xiàn)恒流驅(qū)動LED負載。
【專利說明】—種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源，屬于交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)變換器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)關(guān)鍵技術(shù)的不斷進步，LED照明成為了替代傳統(tǒng)照明(如白熾燈等)的新一代理想照明光源。LED照明不僅可以提高照明質(zhì)量，還可以減少照明用電量，具有節(jié)能環(huán)保、光效高、壽命長、易調(diào)光等優(yōu)點。LED照明光源主要包括驅(qū)動電源和LED發(fā)光芯片兩部分。在交流供電場合，為了滿足IEC61000-3-2的諧波要求，LED驅(qū)動電源都需要進行輸入功率因數(shù)校正(power factor correction, PFC),而且LED驅(qū)動電源在商業(yè)照明場合輸入功率因數(shù)必須大于0.9。
[0003]含有源輸入功率因數(shù)校正功能的LED驅(qū)動電源按其拓撲結(jié)構(gòu)形式可分為單級拓撲和兩級拓撲，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1和圖2所示。單級拓撲LED驅(qū)動電源的PFC變換器可以由隔離型的Flyback變換器組成,也可以由非隔離型的Buck變換器、Buck-Boost變換器等組成。兩級拓撲LED驅(qū)動電源由前級的PFC變換器和后級DC/DC變換器組成，前級PFC變換器進行輸入功率因數(shù)校正，后級DC/DC變換器實現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)。
[0004]然而，當輸入功率因數(shù)PF=I時,輸入電流與輸入電壓為同頻同相的正弦波,其輸入功率呈現(xiàn)兩倍輸入電壓頻率的脈動形式。因此，在單級拓撲LED驅(qū)動電源中為了平衡脈動輸入功率與恒定輸出功率之間的低頻脈動功率，通常會在PFC變換器后連接容量較大的儲能電容來平衡該低頻脈動功率。否則，將會有較大低頻脈動電流經(jīng)過LED負載，影響LED光學(xué)性能(包括發(fā)光波長、發(fā)光強度、色溫、發(fā)光效率、閃爍、散熱等)和熱性能(包括結(jié)溫、熱阻等)。兩級拓撲LED驅(qū)動電源由于后級DC/DC變換器輸入阻抗可調(diào)，因此可以在一定程度上減小功率平衡電容的容值，但是仍然無法徹底的擺脫對電解電容的依賴。而且，在兩級拓撲LED驅(qū)動電源中，輸入功率需要經(jīng)過兩次能量變換才能到達LED負載，不僅整機效率低,而且整個驅(qū)動電源器件多、體積大、集成度低、成本高。
[0005]綜合考慮LED驅(qū)動電源對體積和成本的要求，通常會選擇電解電容作為儲能電容來平衡脈動輸入功率與恒定輸出功率之間的低頻脈動功率。但是，高質(zhì)量電解電容在額定溫度105° C下，使用壽命一般在10 kh左右，遠低于LED發(fā)光芯片80?100 kh的長壽命，電解電容的使用限制了 LED照明光源整體壽命。因此，在不影響LED光學(xué)性能和熱性能的前提下，開發(fā)長壽命、高效率的無電解電容LED驅(qū)動電源成為亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于克服交流供電場合中LED驅(qū)動電源因使用電解電容而影響LED照明整體壽命的缺點，克服傳統(tǒng)兩級拓撲結(jié)構(gòu)LED驅(qū)動電源整機效率低、器件多、體積大、集成度低等缺點，提供一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源。具有無電解電容、效率高、體積小、可靠性高的特點。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源，包括:橋式整流電路、輔助電路、主開關(guān)管、反激變壓器、整流電路、輸出濾波電容及LED負載。其特征在于:所述橋式整流電路依次連接輔助電路、主開關(guān)管、反激變壓器、整流電路、輸出濾波電容及LED負載。
[0008]所述橋式整流電路由第一二極管化7、第二二極管A-、第三二極管見,和第四二極管組成；所述第一二極管的陽極連接第三二極管的陰極，所述第二二極管的陽極連接第四二極管的陰極，所述第一二極管陰極與第二二極管的陰極對接，所述第三二極管陽極與第四二極管的陽極對接；所述輔助電路由儲能電容C；、第二開關(guān)管&、第五二極管化7、第六二極管組成；所述儲能電容G正端與第二開關(guān)管&漏極相連，第二開關(guān)管&源極與第五二極管陰極和漏感4公共節(jié)點相連；第五二極管陽極與第一二極管陰極、第二二極管陰極相連，儲能電容G負端與第五二極管陽極、第一二極管陰極、第二二極管陰極相連；所述反激變壓器由漏感4、勵磁電感Zm、原邊繞組％和副邊繞組Λ?組成；所述勵磁電感Zm與原邊繞組％并聯(lián)相接的原邊繞組％同名端公共節(jié)點與漏感4 一端相連接，異名端公共節(jié)點與所述主開關(guān)管即第一開關(guān)管&的漏極連接；所述第一開關(guān)管&的源極與所述第三二極管和第四二極管的陰極連接；所述第一開關(guān)管&的寄生電容為第一開關(guān)管;整流電路由第七二極管凡與第三開關(guān)管&組成，第七二極管4的陰極與第三開關(guān)管漏極&相連；所述副邊繞組^異名端經(jīng)整流電路與輸出濾波電容的正端、LED負載的正端相連，副邊繞組Λ；同名端與輸出濾波電容的負端、LED負載的負端相連。
[0009]所述由第一二極管見7、第二二極管A-、第三二極管見,和第四二極管組成的橋式整流電路實現(xiàn)交流/直流變換。
[0010]所述反激變壓器工作在電流斷續(xù)模式，實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正。
[0011]所述所述儲能電容G的電壓設(shè)計為直流電壓疊加大脈動紋波電壓的工作形式，不僅可以消除LED驅(qū)動電源對電解電容的依賴，還可以實現(xiàn)反激變壓器漏感能量利用。
[0012]所述輔助電路可以平衡瞬時輸入功率和輸出功率的低頻脈動功率,輸入功率小于輸出功率(pin<p0)條件下和輸入功率大于輸出功率條件下實現(xiàn)恒定輸出功率調(diào)節(jié)，輔助電路與主電路協(xié)調(diào)工作可以實現(xiàn)恒流驅(qū)動LED負載。
[0013]所述濾波電容C0可以濾除輸出電壓紋波。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點是:本發(fā)明中反激變壓器工作在電流斷續(xù)模式，實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正；儲能電容G的電壓設(shè)計為直流電壓疊加大脈動紋波電壓的工作形式，不僅可以消除LED驅(qū)動電源對電解電容的依賴，還可以實現(xiàn)反激變壓器漏感能量利用；輔助電路在不同輸入功率條件下，可以平衡瞬時輸入功率/^和輸出功率凡的低頻脈動功率，輔助電路與主電路協(xié)調(diào)工作可以實現(xiàn)恒流驅(qū)動LED負載；具有無電解電容、效率高、體積小、可靠性高的特點和優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為傳統(tǒng)的單級拓撲LED驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]圖2為傳統(tǒng)的兩級拓撲LED驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)框圖。[0017]圖3為本發(fā)明的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源主電路。
[0019]圖5為本發(fā)明的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源的主要工作波形。
[0020]圖6為本發(fā)明的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源主電路在/^〈凡條件下的開關(guān)管邏輯序列和主要工作波形。
[0021]圖7為本發(fā)明的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源主電路在/^>凡條件下的開關(guān)管邏輯序列和主要工作波形。
[0022]圖8為本發(fā)明的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源主電路在〈凡條件下各開關(guān)模態(tài)等效電路。
[0023]圖9為本發(fā)明的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源主電路在/^>凡條件下各開關(guān)模態(tài)等效電路。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例，進一步闡明本發(fā)明。 [0025]實施例一:如圖3所不,一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)框圖。主電路為三端口 DC/DC變換器，主電路中的儲能電容通過輔助電路可以在不同輸入功率條件下平衡瞬時輸入功率Av3和輸出功率Aj的低頻脈動功率，實現(xiàn)恒定輸出功率調(diào)節(jié)，為LED負載提供恒定驅(qū)動電流。
[0026]實施例二:如圖4所不,一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源主電路，包括:橋式整流電路(I)、輔助電路(2)、主開關(guān)管(3)、反激變壓器(4)、整流電路(5)、輸出濾波電容(6)及LED負載(7)。其特征在于:所述橋式整流電路(I)依次連接輔助電路(2)、主開關(guān)管(3)、反激變壓器(4)、整流電路(5)、輸出濾波電容(6)及LED負載⑵。
[0027]實施例三:本實施例與實施例二基本相同，其特別之處如下:所述橋式整流電路
(I)由第一二極管Φ)、第二二極管QW、第三二極管QW和第四二極管WJ組成；所述第一二極管D的陽極連接第三二極管QW的陰極，所述第二二極管WJ的陽極連接第四二極管QW的陰極，所述第一二極管QW陰極與第二二極管QW的陰極對接，所述第三二極管QW陽極與第四二極管QW的陽極對接；所述輔助電路(2)由儲能電容(C)、第二開關(guān)管(?)、第五二極管(化7)、第六二極管WJ組成；所述儲能電容(G)正端與第二開關(guān)管(?)漏極相連，第二開關(guān)管(?)源極與第五二極管D陰極和漏感(4)公共節(jié)點相連；第五二極管D陽極與第一二極管QW陰極、第二二極管QW陰極相連，儲能電容(Ca)負端與第五二極管陽極、第一二極管D陰極、第二二極管WJ陰極相連；所述反激變壓器(4)由漏感(Zk)、勵磁電感(Zm)、原邊繞組%、和副邊繞組m組成；所述勵磁電感(4)與原邊繞組%、并聯(lián)相接的原邊繞組(?)同名端公共節(jié)點與漏感(4) 一端相連接，異名端公共節(jié)點與所述主開關(guān)管(3)即第一開關(guān)管(?)的漏極連接；所述第一開關(guān)管(?)的源極與所述第三二極管(DJ和第四二極管(PJ的陰極連接；所述第一開關(guān)管(^)的寄生電容為第一開關(guān)管(G7);整流電路(5)由第七二極管(Pr)與第三開關(guān)管(?)組成，第七二極管aw的陰極與第三開關(guān)管漏極(?)相連；所述副邊繞組m異名端經(jīng)整流電路(5)與輸出濾波電容(6)的正端、LED負載(7)的正端相連，副邊繞組Ovs)同名端與輸出濾波電容(6)的負端、LED負載(7)的負端相連。
[0028]下面結(jié)合附圖4一9敘述本實施例的具體工作原理、設(shè)計原理:
圖5為本發(fā)明所提出的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源主要工作波形。反激變壓器工作在電流斷續(xù)模式(discontinuous current mode, DCM),可以得到較高的輸入功率因數(shù)。為了平衡瞬時輸入功率/^與輸出功率Aj的低頻脈動功率，在反激變壓器主電路上以第三端口網(wǎng)絡(luò)形式加入輔助電路，輔助電路中儲能電容Ca不僅可以實現(xiàn)反激變壓器漏感能量利用，還可以平衡瞬時輸入功率和輸出功率&的低頻脈動功率，輔助電路與主電路協(xié)調(diào)工作可以實現(xiàn)恒流驅(qū)動LED負載。當儲能電容電壓設(shè)計為直流電壓疊加大脈動紋波電壓的工作形式，可以減小儲能電容的容量，進而消除LED驅(qū)動電源對電解電容的依賴。
[0029]在一個工頻周期中，開關(guān)管&占空比幾乎不變。?<ρ0時，開關(guān)管&一直開通，通過控制開關(guān)管&可以為LED負載提供恒定電流，此時，儲能電容C3釋放能量以補償輸入功率的不足，所以儲能電容的電壓下降?，當Pin>P。時，開關(guān)管S2 一直關(guān)斷，控制開關(guān)管&可以為LED負載提供恒定電流，當開關(guān)管S3在一個開關(guān)周期中關(guān)斷，反激變壓器勵磁電感中剩余的能量轉(zhuǎn)移到儲能電容G上，所以儲能電容的電壓^上升；無論是AZAj時還是Pi1M時，變壓器漏感能量都儲存在儲能電容G上，實現(xiàn)漏感能量回收利用。由此可見，該LED驅(qū)動電源在/7^/凡的工作原理和在的工作原理是不同的。
[0030]1.不同 功率條件下的工作原理分析
1.1 時的開關(guān)模態(tài)分析
圖6為主電路/條件下的開關(guān)管邏輯序列和主要工作波形，此時共有六個不同的開關(guān)模態(tài)，各開關(guān)模態(tài)等效電路如圖8所示。?<ρ0時，開關(guān)管&主要實現(xiàn)儲能電容的平均電壓控制和輸入功率因數(shù)校正，開關(guān)管S3 一直開通，通過控制開關(guān)管S2使儲能電容Ca釋放能量補償輸入功率的不足，所以儲能電容的電壓下降。
[0031]I)開關(guān)模態(tài)1，ij:其等效電路如圖8(a)所示。t0時刻之前，反激變壓器勵磁電流Am、漏感電流八m為零，濾波電容C0向LED負載供電。在t0時刻，開關(guān)管S1導(dǎo)通，整流二極管和化“或者和導(dǎo)通，輸入電壓經(jīng)整流后加到反激變壓器原邊繞組上，勵磁電流八m、漏感電流八,從零開始線性上升。假設(shè)輸入電壓rin在一個開關(guān)周期內(nèi)保持不變，在[‘ ij時間內(nèi)，勵磁電流可表示為:
式中Zm是反激變壓器勵磁電感。
[0032]2)開關(guān)模態(tài)2，Itv ?2]:其等效電路如圖8 0)所示，在時刻開關(guān)管&開通，開關(guān)管&繼續(xù)導(dǎo)通，儲能電容G釋放能量以補償輸入功率的不足。勵磁電流八m、漏感電流4繼續(xù)線性上升。
[0033]根據(jù)式(I)，&時刻的勵磁電流為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源，包括:橋式整流電路(I)、輔助電路(2)、主開關(guān)管(3)、反激變壓器(4)、整流電路(5)、輸出濾波電容(6)及LED負載(7)，其特征在于:所述橋式整流電路(I)依次連接輔助電路(2)、主開關(guān)管(3)、反激變壓器⑷、整流電路(5)、輸出濾波電容(6)及LED負載(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源，其特征在于:所述橋式整流電路(I)由第一二極管(Z^7)、第二二極管(/^)、第三二極管Wr3)和第四二極管QW組成；所述第一二極管D的陽極連接第三二極管QW的陰極，所述第二二極管QW的陽極連接第四二極管(PJ的陰極，所述第一二極管QW陰極與第二二極管QW的陰極對接，所述第三二極管QW陽極與第四二極管的陽極對接；所述輔助電路(2)由儲能電容(G)、第二開關(guān)管(?)、第五二極管(化7)、第六二極管WJ組成；所述儲能電容(Ca)正端與第二開關(guān)管(?)漏極相連，第二開關(guān)管(?)源極與第五二極管QW陰極和漏感(4)公共節(jié)點相連；第五二極管陽極與第一二極管D陰極、第二二極管(DJ陰極相連，儲能電容(Ca)負端與第五二極管D陽極、第一二極管QW陰極、第二二極管QW陰極相連；所述反激變壓器(4)由漏感(zk)、勵磁電感(zm)、原邊繞組(N)和副邊繞組m組成；所述勵磁電感(4)與原邊繞組切)并聯(lián)相接的原邊繞組0%)同名端公共節(jié)點與漏感(4) 一端相連接，異名端公共節(jié)點與所述主開關(guān)管(3)即第一開關(guān)管(^)的漏極連接；所述第一開關(guān)管(?)的源極與所述第三二極管QW和第四二極管QW的陰極連接；所述第一開關(guān)管(?)的寄生電容為第一開關(guān)管;整流電路(5)由第七二極管m與第三開關(guān)管(?)組成，第七二極管m的陰極與第三開關(guān)管漏極(?)相連；所述副邊繞組Ovs)異名端經(jīng)整流電路(5)與輸出濾波電容(6)的正端、LED負載(7)的正端相連，副邊繞組m同名端與輸出濾波電容(6)的負端、LED負載(7)的負端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源，其特征在于:反激變壓器(4)工作在電流斷續(xù)模式，實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源，其特征在于:所述儲能電容(G)的電壓設(shè)計為直流電壓疊加大脈動紋波電壓的工作形式，不僅可以消除LED驅(qū)動電源對電解電容的依賴而且可以實現(xiàn)反激變壓器(4)漏感能量利用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的一種基于反激變換器漏感能量利用的無電解電容LED驅(qū)動電源，其特征在于:輔助電路(3)可以平衡輸入功率和輸出功率凡的低頻脈動功率，輔助電路與主電路協(xié)調(diào)工作可以實現(xiàn)恒流驅(qū)動LED負載。
【文檔編號】H05B37/02GK104022655SQ201410284791
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】汪飛, 鐘元旭 申請人:上海大學(xué)