一种谐振式单级结构单开关多路恒流输出功率因数校正变换器拓扑及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多路恒流输出应用，尤其是多串LED恒流驱动技术领域。
【背景技术】
[0002]LED照明技术是一种新型、清洁和高效的现代照明技术，具有节能、环保以及使用寿命长等显著优点。虽然LED高效节能照明技术有如此多的优势，但由于LED发光的非线性和对温度的敏感性，需采用恒流驱动。因此使用LED照明时，必须使用恒流驱动器为LED提供恒流电源。同时，为了使LED驱动电路对电网的谐波污染达到规定要求，通常需要采用功率因数校正技术。根据现有的技术，驱动电路可以采用两种结构:一种是两级结构，先使用一级PFC电路将交流电转变为母线直流电，第二级再使用合适的隔离型拓扑，将母线直流电转变为所需要的LED驱动电流；第二种是单级结构，直接用一级电路，同时实现功率因数校正和提供所需的LED驱动电流的要求。
[0003]目前，在照明应用场合，如路灯、大型背光等，单颗或若干颗LED灯的功率等级是完全不够的，必须使用串并联多颗LED才能达到所需的功率等级。但在串并联结构中，由于各LED串伏安特性不一致，将导致正向电压较低的LED串流过较大电流，长时间易烧毁正向电压较低的LED串。为了实现每串LED的发光强度以及热效应一致，就必须解决LED串之间的电流均衡问题。
[0004]现有的LED均流技术基本上可以分为两大类，即有源均流技术和无源均流技术。有源均流技术是通过有源器件和相应的控制电路组成一个电流调节器，再和相应的LED串串联在一起，独立调节每路LED的电流。但有源均流技术存在电路7Π器件多、控制电路复杂和成本高等缺点。而传统的无源均流技术主要有均流变压器式、电容充放电平衡式以及LCT-T谐振网络式三类。其中，均流变压器式的均流方案所需的均流变压器感量大，体积大，均流精度差且N路输出需要N-1个均流变压器，电路复杂。而电容充放电平衡式方案虽然电路简单，但现有方案需要前级提供恒流源。LCT-T谐振网络式方案若需N路恒流输出则需要N个LCT-T谐振网络，因此电路元件多，体积大。同时，这三种无源均流方式均需外加一级功率因数校正电路来减少对电网的谐波污染。
【发明内容】
[0005]本发明提供的电路拓扑，克服了现有无源及有源均流技术的以上缺点。
[0006]本发明所采用的技术方案是:采用单级结构单开关多路恒流输出功率因数校正变换器的副边谐振电容的充放电平衡方案同时实现各输出支路恒流及功率因数校正功能。具体做法是:
[0007]一种谐振式单级结构单开关多路恒流输出功率因数校正变换器，由输入整流电路DB、输入滤波电路F、变压器T、开关管S、与副边谐振及输出网络(SR/0)组成的主电路和采样控制电路构成，主电路用一个有源开关、一个磁性器件和2N-1个谐振电容同时实现2N路恒流输出和功率因数校正功能；以双路(即N = 2)输出为例，其拓扑形式为:整流滤波后，变压器的原边与开关管S串联后接地；副边接谐振电容Cr后再接两条输出支路，通过两个二极管Dl和D2的单向导电性来控制两条输出支路的电流方向互为相反，使得副边电流双向流动，从而实现副边谐振电容的充放电平衡；控制器Con采样任一支路的输出电流进行恒流控制，利用副边谐振电容Cr充放电平衡原理实现各输出支路的恒流控制。
[0008]这样，利用变压器副边漏感与副边谐振电容进行谐振，利用变压器副边两条输出支路的两个二极管的单向导电性实现副边电流的双向流动，从而为副边谐振电容充放电提供通路。稳态时，在一个开关周期内，副边谐振电容充放电平衡。由于各支路输出电容的隔直流通交流特性，使得流过各输出支路负载的电流为直流。又因为稳态时副边谐振电容充放电平衡，通过两条输出支路的电荷量相等，使得在每个开关周期内流过两输出支路负载的平均电流相等，因此实现了各输出支路负载流过相等的直流电流。该方案变压器原副边电感电流工作在断续导电模式或者临界连续导电模式，利用较低的环路带宽，变换器实现了功率因数校正功能。该方案通过控制某一输出支路的输出电流恒定，进而实现多路恒流输出控制。
[0009]本发明的目的还在于，提供一种谐振式单级结构单开关多路恒流输出功率因数校正变换器拓扑控制方法:采用单级结构单开关多路恒流输出功率因数校正变换器的副边谐振电容的充放电平衡方案同时实现各输出支路恒流及功率因数校正功能，通过两个二极管Dl和D2的单向导电性来控制两条输出支路的电流方向互为相反，使得副边电流双向流动，从而实现副边谐振电容的充放电平衡；控制器(Con)采样任一支路的输出电流进行恒流控制，利用副边谐振电容Cr充放电平衡原理实现各输出支路的恒流控制。
[0010]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0011 ] 一、与现有的无源均流技术相比，本发明为单级结构，具有电路结构简单，所用元器件少，体积小，成本低、电路控制简单等优点；
[0012]二、与现有的无源均流技术相比，本发明通过副边谐振电容的充放电平衡，实现了各输出支路的高精度均流，且只需控制任一支路输出电流恒流，即可实现各输出支路的恒流控制；
[0013]三、与现有的有源及无源均流技术相比，本发明仅需使用一个磁性元件和一个有源开关即可实现单级结构多路恒流输出，并同时具有功率因数校正功能和较高的效率。
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
【附图说明】
[0015]图1为传统的反激变换器结合均流变压器实现各输出支路均流的电路拓扑图。
[0016]图2为本发明谐振式单级结构单开关多路恒流输出功率因数校正变换器及其控制方法的电路结构图。
[0017]图3为本发明采用无桥电路代替输入整流电路(DB)的电路结构图。
[0018]图4为本发明以双路输出为实施例的电路拓扑图。
[0019]图5为本发明以双路输出为实施例，电感电流工作在断续导电模式时的工作模态电路图。
[0020]图6为本发明以双路输出为实施例，电感电流工作在断续导电模式的主要时域仿真波形图(开环)。
[0021]图7为谐振式单级结构单开关双路恒流输出PFC变换器拓扑及其控制电路实施例，控制器实现电感电流断续导电模式控制。
[0022]图8为图7实施例的仿真结果。
[0023]图9为谐振式单级结构单开关双路恒流输出PFC变换器拓扑及其控制电路实施例，控制器实现电感电流临界连续导电模式控制。
[0024]图10为图9实施例的仿真结果。
[0025]图11为本发明拓展的谐振式单级结构单开关四路恒流输出电路拓扑及其临界连续导电模式控制电路图。
[0026]图12为图11实施例的仿真结果。
【具体实施方式】
[0027]下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。
[0028]如图5和图6所示，当电感电流工作在断续导电模式时电路有四个模态。
[0029]Model:图5中的模态一对应图6中h时段，此时段开关管S导通，输入电压给初级励磁电感