一种三相无电解电容led电源的拓扑电路及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路及其控制方法，属于LED驱动电源【技术领域】。本发明包括三相交流电源、EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路和控制单元，三相交流电源的A相输出端依次与EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路相连；所述的控制单元采样单相PFC电路的输入电压、输入电流以及输出电流，经过计算产生占空比信号控制单相PFC电路；三相交流电源的B相、C相与A相设置相同，三个单相PFC电路的输出端并联后连接LED负载。本发明适用于大功率的三相LED驱动电源，具有较高的功率因数，且无需大容量的电解电容。
【专利说明】-种H相无电解电容LED电源的拓扑电路及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及L邸驱动电源【技术领域】，更具体地说，设及一种=相无电解电容L邸电 源的拓扑电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于L邸具有节能环保、寿命长、应用广泛等诸多优势，世界主要国家和地区均大 力发展L邸产业。目前，全球LED产业已经进入快速发展期，2013年全球LED市场规模为 124亿美元，2020年将达到1500亿美元规模左右。LED的广泛应用也对LED的驱动电源提 出了更高要求。
[000引一方面，由于LED灯管采用发光二极管，通过的是直流电流，因此LED的驱动电源 需要具有PFC (功率因数矫正）功能，并具备较高的功率因数；另一方面，L邸的光通量是靠 流过的直流电流控制的（L邸灯管主要由发光二极管组成），因此LED的驱动电源必须具备 恒功率输出的功能，否则就会导致通过LED的直流电流不稳定，从而不能得到恒定的光通 量，大大影响L邸灯的照明。
[0004] 一般来说，在L邸驱动电源的输出端采用大容量的电解电容可W解决功率波动的 问题。但电解电容的平均寿命小于10000小时，而LED灯的平均寿命大于100000小时，电 解电容的使用大大限制了 LED灯的使用寿命。所W，去除电解电容对于LED驱动电源有着 重要的实际意义。
[0005] 目前，比较流行的无电解电容的LED驱动电源的方法大致有W下几种：
[0006] 1)增加PFC级与DC/DC级电容上的电压波动，使用薄膜电容代替电解电容，如 "Means of Eliminating Electrolytic Capacitor in AC/DC Power Supplies for LED Li曲tings"[J], IE邸 Transactions on Power Electronics, 2009, 24巧）：1399-1408,该种 方法要求输出的电压尽可能的高，而且是两级电路拓扑结构，驱动电源的效率会降低；
[0007] 2)通过开关控制加入一定量的谐波到电网中，使用脉冲电流控制LED的光通 量，如"A Method of Reducing the Peak-t〇-Average Ratio of LED Current for Electrolytic Capacitor-Less AC -DC Drivers" [J],IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(3) : 592-601，但该种方法会出现100化的频闪，人长期在该种灯光 下工作会产生疲劳，而且该种方法也在一定程度上降低了电路的功率因数；
[0008] 3)通过增加辅助元件和辅助电路达到功率禪合，如"A Novel Vail巧-Fill SEPIC-Derived Power Supply Without Electrolytic Capacitor for LED Lighting Application^^[J], IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27 (6) : 3057-3071，该 种方法是通过功率禪合，减小输出电容的容值，从而使得电路中可W采用薄膜电容，达到去 除电解电容的目的。
[0009] 上述几种方法基本上都采用减小平衡功率输出电容的容值，从而使用小容量的薄 膜电容来代替电解电容的方案，适合小功率的LED电源。但当采用大功率L邸灯进行照明 时，由于功率等级增加，平衡功率的电容值也需要随之增大，小容量的薄膜电容已无法满足 大功率LED驱动电源的需要。
【发明内容】
[0010] 1.发明要解决的技术问题
[0011] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种=相无电解电容LED电源的拓扑电路及 其控制方法，本发明提供的技术方案适用于大功率的=相L邸驱动电源，具有较高的功率 因数，且无需大容量的电解电容。
[001引 2.技术方案
[0013] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0014] 本发明的一种S相无电解电容LED电源的拓扑电路，包括S相交流电源、Effl滤波 器、单相整流桥、单相PFC电路和控制单元，S相交流电源的A相输出端依次与Effl滤波器、 单相整流桥、单相PFC电路相连；所述的控制单元采样单相PFC电路的输入电压、输入电流 W及输出电流，经过计算产生占空比信号控制单相PFC电路；S相交流电源的B相、C相与 A相设置相同，S个单相PFC电路的输出端并联后连接LED负载。
[0015] 更进一步地，所述的控制单元包括输出电流平均值采样电路、差分运放电路、乘法 器、比较器、PFC控制电路和PFC驱动电路；输出电流平均值采样电路的输入端与单相PFC 电路的输出端相连，输出电流平均值采样电路的输出端与差分运放电路的反相输入端相 连，差分运放电路的正相输入端接参考电流luf;差分运放电路的输出端与乘法器的输入端 相连，该乘法器的另一输入端接单相PFC电路的输入电压；乘法器的输出端与比较器的正 相输入端相连，该比较器的反相输入端接单相PFC电路的输入电流；比较器的输出端经PFC 控制电路与PFC驱动电路相连，所述的PFC驱动电路控制单相PFC电路的开关管动作。
[0016] 本发明的一种S相无电解电容LED电源拓扑电路的控制方法，其步骤为；
[0017] 步骤一、=相交流电源分别进行单相整流和滤波，得=个相位角互差60°的全波 整流信号；
[001引步骤二、控制单元（1)采样单相PFC电路的输出电流W及单相整流桥输出的全波 整流信号，形成闭环控制系统，计算产生单相PFC电路所需的占空比信号；
[0019] 步骤S、利用步骤二产生的占空比信号驱动S个单相PFC电路并联向L邸负载供 电，S个单相PFC电路输出电流的交流分量相互抵消，从而获得恒定的直流电流，产生稳定 的LED光源。
[0020] 3.有益效果
[0021] 采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
[002引 （1)本发明的一种S相无电解电容LED电源的拓扑电路，将S个单相PFC电路的输 出端并联，产生占空比控制信号，驱动S个单相PFC电路同时给L邸负载供电，并利用输入 S相交流电源的相位差，将单相PFC电路输出电流中的交流分量叠加抵消，达到输出恒定 功率的目的，无需大容量的电解电容来平衡输出功率，也克服了使用小容量薄膜电容取代 电解电容存在的应用于大功率LED照明场合受限的问题，使用本发明的方案能够大大延长 L邸负载的使用寿命，且不受应用场合的功率限制；
[002引 似本发明的一种立相无电解电容LED电源的拓扑电路，采用单级式PFC电路，相 对于传统采用多级电路拓扑结构（PFC加后级电路和辅助电路），功率转换效率高，LED负载 输入端的功率因数接近于1。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的S相无电解电容LED电源拓扑电路的结构框图；
[0025] 图2为本发明中单相PFC电路的电路结构图；
[0026] 图3为本发明使用的PFC巧片UC 3854的接线图。
[0027] 示意图中的标号说明：
[002引 1、控制单元；2、输出电流平均值采样电路。
【具体实施方式】
[0029] 为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0030] 实施例1
[0031] 参看图1，本实施例的一种S相无电解电容LED电源的拓扑电路，包括S相交流电 源、Effl滤波器、单相整流桥、单相PFC电路和控制单元1。S相交流电源包括A相、B相、C 相=个单相电路，=个单相电路的电路结构设计相同。其中，=相交流电源的A相输出端依 次与EMI滤波器、单相整流桥、单相PFC电路相连，A相、B相、C相的S个单相PFC电路的输 出端并联后连接L邸负载。
[0032] 所述的控制单元1用于采样单相PFC电路的输入电压、输入电流W及输出电流，执 行设定的控制算法，产生占空比信号控制单相PFC电路。下面结合图2对该控制单元1进 行具体介绍；单相PFC电路可W采用不同结构的电路拓扑，该里W Boost功率变换器为例。 控制单元1采用双闭环结构，外环控制单相PFC电路输出电流的平均值跟踪参考值，内环控 制实现PFC功率因数矫正功能。本实施例的控制单元1包括输出电流平均值采样电路2、 差分运放电路、乘法器、比较器、PFC控制电路和PFC驱动电路。输出电流平均值采样电路2 的输入端与单相PFC电路的输出端相连，单相PFC电路的输出电流经过输出电流平均值采 样电路2的滤波电路，得到平均值1^，该平均值Iw再与参考电流经差分运放电路（OPAi)进 行比较放大。比较放大的信号经输出电流平均值采样电路2的输出端输出，由于输出电流 平均值采样电路2的输出端与差分运放电路（0PA2)的反相输入端相连，差分运放电路的正 相输入端接参考电流luf，比较放大的输出信号再经补偿电路（差分运放OPA,)得控制电流 差分运放0PA2的输出端与乘法器的输入端相连，该乘法器的另一输入端接单相PFC 电路的输入电压。乘法器的输出端与比较器COM的正相输入端相连，该比较器COM的反相 输入端接单相PFC电路的输入电流。差分运放0PA2输出的控制电流和输入采样电压信号经 乘法器相乘后再与输入电感电流作比较产生PWM信号，经过PFC驱动电路控制开关管Q动 作，实现闭环控制。
[003引参看图3,本实施例的控制单元1采用美国化itrode公司的UC3854单相PFC控制 巧片，巧片的1脚GND接地，主电路外环的电流反馈接巧片11脚USENSE，在11脚与7脚UA OUT之间接入补偿电路。主电路的电压输入经过分压接入8脚URMS，4脚ISENSE接入主电 路的内环电流反馈与3脚CA OUT之间接补偿电路。15脚Vcc接1C的输入电压。14脚CT 外接振荡电路，维持1C的振荡频率。
[0034] 本实施例的控制过程如下；
[0035] 步骤一、S相交流电源分别通过Effl滤波器、单相整流桥进行单相整流和滤波，得 =个相位角互差60°的全波整流信号。
[0036] 步骤二、控制单元1采样单相PFC电路的输出电流，经过输出电流平均值采样电路 2滤波后得到输出电流的平均值，与参考电流luf进行比较形成负反馈回路，经过闭环校正 电路进行补偿，再与单相PFC电路输入端采样的全波整流电压信号作乘法运算，运算结果 与输入采样电流作比较得到的信号经过驱动电路，产生占空比信号控制开关管的开通与关 断。
[0037] 步骤S、利用步骤二产生的占空比信号驱动S个单相PFC电路并联向L邸负载供 电，S个单相PFC电路输出电流的交流分量相互抵消，从而获得恒定的直流电流，产生稳定 的LED光源。
[003引本实施例对S相交流电源的S个单相电路分别进行整流，再连接单相PFC电路， 该一点不同于一般的S相六管PFC整流电路。整个电路可W分为单相PFC功率因数校正和 =个单相电路并联输出供电两个部分。本实施例的工作原理如下：
[0039] S相交流电源分别为A相、B相和C相，其电压Ua，Ue，咕表示为；
[0040] UA=Vjsin(?t) (1)
[00川 Ub= Vml sin(?t-60。）I 似
[0042] Uc=Vm|sin(?t+60。）| (3)
[0043] ?是^相交流电压的角频率，t为时间，Vm是输入电压最大值。
[0044] 根据单相PFC电路的工作原理，输入电流应跟踪输入电压，则S个单相的输入电 流iA，ie，ic则应跟踪各相的输入电压，即：
[0045] 1a= kV^I sin(?t) (4)
[0046] 1b= kV m I sin (? t-60。）I (5)
[0047] ic=kVm|sin(?t+60。）| (6)
[0048] k为输入电压与输入电流的比例系数，则立个单相PFC电路的输入功率Pa，Pb，化分 别为：
【权利要求】
1. 一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路，其特征在于：包括三相交流电源、EMI滤 波器、单相整流桥、单相PFC电路和控制单元（1)，三相交流电源的A相输出端依次与EMI 滤波器、单相整流桥、单相PFC电路相连；所述的控制单元（1)采样单相PFC电路的输入电 压、输入电流以及输出电流，经过计算产生占空比信号控制单相PFC电路；三相交流电源的 B相、C相与A相设置相同，三个单相PFC电路的输出端并联后连接LED负载。
2. 根据权利要求1所述的一种三相无电解电容LED电源的拓扑电路，其特征在于：所 述的控制单元（1)包括输出电流平均值采样电路、差分运放电路、乘法器、比较器、PFC控制 电路和PFC驱动电路；输出电流平均值采样电路的输入端与单相PFC电路的输出端相连，输 出电流平均值米样电路的输出端与差分运放电路的反相输入端相连，差分运放电路的正相 输入端接参考电流IMf;差分运放电路的输出端与乘法器的输入端相连，该乘法器的另一输 入端接单相PFC电路的输入电压；乘法器的输出端与比较器的正相输入端相连，该比较器 的反相输入端接单相PFC电路的输入电流；比较器的输出端经PFC控制电路与PFC驱动电 路相连，所述的PFC驱动电路控制单相PFC电路的开关管动作。
3. -种三相无电解电容LED电源拓扑电路的控制方法，其步骤为： 步骤一、三相交流电源分别进行单相整流和滤波，得三个相位角互差60°的全波整流 信号； 步骤二、控制单元（1)采样单相PFC电路的输出电流以及单相整流桥输出的全波整流 信号，形成闭环控制系统，计算产生单相PFC电路所需的占空比信号； 步骤三、利用步骤二产生的占空比信号驱动三个单相PFC电路并联向LED负载供电，三 个单相PFC电路输出电流的交流分量相互抵消，从而获得恒定的直流电流，产生稳定的LED 光源。
【文档编号】H05B37/02GK104486892SQ201510001736
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2015年1月4日 优先权日:2015年1月4日
【发明者】方炜 申请人:安徽工业大学