基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源的制作方法

本发明属于led灯的驱动电源技术领域，尤其是一种基于gan器件的led灯电源。

背景技术：

近年来，led灯因其低损耗、长寿命、绿色节能的优点而得到了广泛的推广和应用。作为led灯具“心脏”的驱动电源成为目前led照明推广和发展的重要组成部分。随着科技日新月异的发展，led驱动电源虽然也得到了快速的发展，但现阶段主要有三段式恒流式和三段式稳压式电源，其体积较大，效率低，采用常规技术很难更好提升其效果。

随着现代技术的飞跃发展，新型gan器件性能不断提高，较常规硅基mosfet，其开关频率越来越高，因此，超小体积、超低功耗，高可靠性等成为led灯电源发展的一个趋势。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于gan器件的单级隔离型led驱动电源，开关损耗小，效率高，电源的功率密度高，体积小。

本发明采用的技术方案是：

一种基于gan器件的单级隔离型led驱动电源，包括图腾柱pfc电路、半桥llc谐振电路、隔离变压器t、全波整流器；

所述图腾柱pfc电路的输入接交流电源，输出接半桥llc谐振电路的输入；半桥llc谐振电路接在隔离变压器t的原边侧，全波整流器接在隔离变压器t的副边侧；图腾柱pfc电路受控于工频方波信号和高频pwm信号，其中工频方波信号用于控制图腾柱pfc电路中的mosfet管交替导通，高频pwm信号用于控制pfc电路中的ganhemt器件交替导通。

具体地，图腾柱pfc电路包括输入滤波电感lb、两只工频运行的mosfet管m1、m2、两只高频运行的ganhemt器件h1、h2；其中m1和m2组成pfc电路的左桥臂，m1的d端连接高压侧直流正母线p，m1的s端连接m2的d端，组成中性点o1，中性点o1连接电感lb的一端，电感lb的另外一端连接交流电源的一端，m2的s端连接高压侧直流负母线n；其中h1和h2组成pfc电路的右桥臂，h1的d端连接高压侧正母线p，h1的s端连接h2的d端，组成中性点o2，中性点o2同时连接交流电源的另一端，h2的s端连接高压侧直流负母线n；此外高压侧直流正负母线pn间还连接电容c；其中ganhemt器件桥臂为图腾柱pfc电路和半桥llc谐振电路共享桥臂。

进一步地，m1和m2的g端分别受控于一个工频方波信号，其中电网电压正半周时，控制m1的工频方波信号为高电平，控制m2的工频方波信号为低电平，电网电压负半周时，控制m1的工频方波信号为低电平，控制m2的工频方波信号为高电平。

具体地，半桥llc谐振电路包括谐振电感lr、谐振电容器cr和隔离变压器励磁电感lm；其中谐振电容器cr一端连接中性点o2，谐振电容器cr另一端连接谐振电感lr一端，谐振电感lr另一端连接隔离变压器t原边侧的同名端，隔离变压器t原边侧的非同名端连接至高压侧直流负母线n；此外，隔离变压器t原边侧的同名端和非同名端并联隔离变压器t自身的励磁电感lm；

隔离变压器t包含原边侧线圈l2、励磁电感lm，以及副边侧2个线圈l3、l4，线圈l3和l4依次串联组成具有中心抽头o的二次侧；线圈l2匝数为n1，线圈l3、l4匝数均为n2。

具体地，全波整流器包括二极管d1、d2、输出滤波电容co；d1的阳极连接线圈l3同名端，d2的阳极连接线圈l4非同名端，d1、d2的阴极连接至低压侧直流正母线p1，隔离变压器二次侧中心抽头o连接至低压侧直流负母线；低压侧直流正负母线间还连接电容co。

进一步地，h1、h2的g端分别受一个高频pwm信号控制，该两个高频pwm信号的高电平交替，使得h1、h2交替开通，且两个h1、h2交替开通状态之间设有死区时间。

本发明的优点在于：

1、本发明充分发挥gan器件优异开关特性，开关损耗小，效率高；

2、本发明采用gan器件开关频率高，因此滤波电感和隔离变压器的体积小，电源的功率密度高；

3、本发明的功率器件少，因此体积小，成本低；

4、本发明的电源控制采用随工频正弦波变化开关频率的方式，可以较好的控制led灯的供电电流；

5、本发明mosfet器件工作于工频方式，开关损耗和导通损耗都低，电源效率高，成本低。

附图说明

图1为本发明的电原理图。

图2为本发明的时序图。

图3为本发明在电网电压正弦正半周的运行模式1原理图。

图4为本发明在电网电压正弦正半周的运行模式2原理图。

图5为本发明在电网电压正弦正半周的运行模式3原理图。

图6为本发明在电网电压正弦正半周的运行模式4原理图。

图7为本发明在电网电压正弦正半周的运行模式5原理图。

图8为本发明在电网电压正弦正半周的运行模式6原理图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提出的一种基于gan器件的单级隔离型led驱动电源，包括图腾柱pfc电路1、半桥llc谐振电路2、隔离变压器t、全波整流器3；

所述图腾柱pfc电路的输入接交流电源，输出接半桥llc谐振电路的输入；半桥llc谐振电路接在隔离变压器t的原边侧，全波整流器接在隔离变压器t的副边侧；图腾柱pfc电路受控于工频方波信号和高频pwm信号，其中工频方波信号用于控制图腾柱pfc电路中的mosfet管交替导通，高频pwm信号用于控制pfc电路中的ganhemt器件交替导通；

图腾柱pfc电路1包括输入滤波电感lb、两只工频运行的mosfet管m1、m2、两只高频运行的ganhemt器件h1、h2；其中m1和m2组成pfc电路的左桥臂，m1的d端连接高压侧直流正母线p，m1的s端连接m2的d端，组成中性点o1，中性点o1连接电感lb的一端，电感lb的另外一端连接交流电源的一端，m2的s端连接高压侧直流负母线n；其中h1和h2组成pfc电路的右桥臂，h1的d端连接高压侧正母线p，h1的s端连接h2的d端，组成中性点o2，中性点o2同时连接交流电源的另一端，h2的s端连接高压侧直流负母线n；此外高压侧直流正负母线pn间还连接电容c；其中ganhemt器件桥臂为图腾柱pfc电路和半桥llc谐振电路共享桥臂；

m1和m2的g端分别受控于一个工频方波信号，其中电网电压正半周时，控制m1的工频方波信号为高电平，控制m2的工频方波信号为低电平，电网电压负半周时，控制m1的工频方波信号为低电平，控制m2的工频方波信号为高电平；

半桥llc谐振电路2包括谐振电感lr、谐振电容器cr和隔离变压器励磁电感lm；其中谐振电容器cr一端连接中性点o2，谐振电容器cr另一端连接谐振电感lr一端，谐振电感lr另一端连接隔离变压器t原边侧的同名端，隔离变压器t原边侧的非同名端连接至高压侧直流负母线n；此外，隔离变压器t原边侧的同名端和非同名端并联隔离变压器t自身的励磁电感lm；

隔离变压器t包含原边侧线圈l2、励磁电感lm，以及副边侧2个线圈l3、l4，线圈l3和l4依次串联组成具有中心抽头o的二次侧；线圈l2匝数为n1，线圈l3、l4匝数均为n2；

全波整流器3包括二极管d1、d2、输出滤波电容co；d1的阳极连接线圈l3同名端，d2的阳极连接线圈l4非同名端，d1、d2的阴极连接至低压侧直流正母线p1，隔离变压器二次侧中心抽头o连接至低压侧直流负母线；低压侧直流正负母线间还连接电容co；

其中，功率器件m1、m2、h1和h2控制由数字信号处理器dsp控制pwm模块实现；2只硅基mosfet管m1、m2运行在工频，电网电压正半周时，m1开通，m2关断，电网电压负半周时，m2导通，m1关断，m1、m2开通在电压过零点切换；2只ganhemt器件h1、h2运行在高频，通过高频pwm信号控制，实现led灯电源的高功率因数控制；h1、h2的g端分别受一个高频pwm信号控制，该两个高频pwm信号的高电平交替，使得h1、h2交替开通，且两个h1、h2交替开通状态之间设有死区时间；同时，通过高频变pwm频率控制低压侧led灯直流电流输出，开关频率随输入正弦电压变化；两个高频pwm信号的频率相同，为200khz～1mhz；这两个高频pwm信号的占空比根据控制led亮度需要，为0％～49.5％；

电网电压正半周内，各功率器件的开通、关闭情况分别如图3～图8所示，其中，黑色代表功率器件开通，浅灰色代表功率器件关断；

由于m1、m2、h1、h2类似于开关，因此其开通也称为开关闭合，其关断也称为开关断开；

电网电压正半周内，led驱动电源的运行方式如下：

1)如图3所示，在[t0≤t＜t1]时段，t0时刻前，虽然m1开关常闭，但h1开关尚未闭合，因此电感lb电流ilb为零，此时h1满足zvs开通条件；h1闭合后，电网电压vin直接加到电感lb上，此后ilb按式(1)线性上升；

同时，半桥llc谐振电路构成回路，满足谐振条件；此时谐振电流ilr大于励磁电流ilm，因此隔离变压器t二次侧全波整流器的二极管d1导通，电网侧向led灯供电；由于二极管d1导通，因此励磁电感lm被电压vo*n1/n2钳位，vo为输出电压，此后，励磁电感lm的电流ilm按vo*n1/(n2*lb)线性上升；

2)如图4所示，在[t1≤t＜t2]时段，在t1时刻，h1仍然闭合，电感lb电流ilb仍然线性上升，当t2时刻，ilb达到式(2)最大值；此后，由于谐振电流ilr与励磁电流ilm相等，二次侧全波整流器中d1电流id1为零，也就是d1满足zcs关断条件；

其中d为高频pwm信号的占空比，ts为高频pwm信号的开关周期；vin为电网电压；

3)如图5所示，在[t2≤t＜t3]时段，t2时刻h1断开，t3时刻h2闭合，期间h1和h2都断开，称为死区时间；t2时刻以后，电感lb两端的电压变为vin-vdc，电压极性反向，此后电感lb电流ilb按式(3)下降；

其中，vdc为电容c上的电压；

此时，半桥llc谐振电路构成回路，满足谐振条件；通过对h1和h2寄生电容的充电和放电来实现h2的zvs开通条件；

4)如图6所示，在[t3≤t＜t4]时段，t3时刻，h2寄生电容的端电压下降为零，h2满足zvs开通条件；电感lb两端的电压仍为vin-vdc，此后ilb仍按式(3)下降，由于h1断开，ilb至零后将不再变化；由于h2闭合，半桥llc谐振电路的端电压变为零，电流向负方向增大，此时谐振电流ilr绝对值大于励磁电流ilm绝对值，因此隔离变压器t二次侧全波整流器的二极管d2导通，电网侧向led灯供电；由于二极管d2导通，因此励磁电感lm被电压-vo*n1/n2钳位，此后，励磁电感lm的电流ilm按-vo*n1/(n2*lb)线性下降；

5)如图7所示，在[t4≤t＜t5]时段，t4时刻，h2仍然闭合，h1断开，ilb仍保持为零；此时，由于谐振电流ilr和励磁电流ilm相等，二次侧全波整流器的d2电流id2为零，也就是二极管d2满足zcs关断条件，该过程类似于过程2；

6)如图8所示，在[t5≤t＜t6]时段，h1、h2、d1和d2都断开，一方面防止h1、h2上下管同时直通，另一方面，通过对h1和h2寄生电容的放电和充电来实现h1的zvs开通条件；

电网电压负半周内，运行方式类似于上述6个过程，但m2开关常闭，相当于短路，m1开关常开，此处不再叙述；其中，电网电压由负向正过零时，m1开关闭合，m2开关断开；电网电压由正向负过零时，m2开关闭合，m1开关断开。

本发明涉及的术语解释如下：

pfc，功率因数校正。

hemt(highelectronmobilitytransistor),高电子迁移率晶体管。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。