一种单级无桥式高功率因数无电解电容LED驱动器的制作方法

本发明涉及两路led均流及调光技术，特别涉及一种单级无桥式高功率因数无电解电容led驱动器。

背景技术：

高亮度发光二极管(hb-led，简称led)因其发光效率高、光学性能好、使用寿命长、色彩丰富、环保等显著特点，被广泛应用于可见光通信、紫外发光二极管、传输等领域。对于高功率led驱动器，功率因数校正(pfc)电路被采用以实现单位功率因数，降低谐波对电网的污染，并满足iec61000-3-2c类设备和nema标准c82.77-2002。此外，传统led驱动器经过整流、pfc和dc/dc变换，造成能量多级转换，导致高成本和低效率。为此，pfc电路和后级功率控制单元相结合的单级led驱动器被提出，以提高功率密度。然而，由于电网侧整流桥的存在，特别在低电压大电流场合，过高的导通损耗抑制了整机效率进一步提高。此外，ac/dc变换器通过整流和pfc可将输入电流波形与输入的交流市电保持同频同相位，但输出功率存在二倍工频的脉动，影响led寿命。为此，现有工作利用电解电容来平衡输入与输出的功率差δe，但电解液易挥发，其寿命范围一般为3000h～5000h，远远小于led寿命；且电解电容体积过大限制了驱动器功率密度进一步提升。另外，恒频运行由于其控制简单，稳定性高，磁性器件易优化而被广泛应用于led照明领域。然而，传统采用pwm电路的方式实现恒频调光，成本过高。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种单级无桥式高功率因数无电解电容led驱动器。

本发明利用半桥单元，将前级无桥boost电路与后级src相整合，实现了单级运行。该led驱动器不仅功率因数近似为1，且输出电流为稳定直流，本发明中的无桥boost电路由第一二极管d1、第二二极管d2、第一开关管q1、第二开关管q2和第二电感lb构成，src电路由第二电容cs、第三电容ce和第三电感l构成。

变换器工作在断续模式(dcm)，降低了半桥单元控制的复杂程度。另外，采用可控开关电容替代固定电容，通过改变等效电容值的方法实现恒频运行。

此外，scc模块被上、下半桥共享从而降低了成本，提高了电路功率密度。

本发明采用如下技术内容：

一种单级无桥式高功率因数无解电容led驱动器，包括功率校正单元pfc和功率控制单元pc，所述功率校正单元pfc和功率控制单元pc并联连接。

所述功率校正单元pfc包括第一二极管d1、第二二极管d2、第一开关管q1、第二开关管q2、第一电感lf、第二电感lb、第一电容cf和输入电源vs；

所述第一二极管d1的正极、第二二极管d2的负极、输入电源vs的正极及第一电容cf的一端连接，所述输入电源vs的负极与第一电感lf的一端连接；

所述第一二极管d1的负极与第一开关管q1的漏极相连接；

所述第一开关管q1的源极、第二开关管q2的漏极及第二电感lb的一端连接，所述第二电感lb的另一端分别与第一电感lf的另一端、第一电容cf的另一端连接；

所述第二二极管d2的正极与第二开关管q2的源极连接；

所述第一开关管q1及第二开关管q2的栅极与半桥驱动器相连接。

所述功率控制单元pc包括scc模块、第四电容cb1、第五电容cb2、第六电容co、第三电感lr、第一led串led1和第二led串led2；

所述scc模块一端与第二电感lb的一端连接，其另一端与第三电感lr的一端连接，所述第三电感lr的另一端分别与第四电容cb1及第五电容cb2的一端连接；

所述第一led串led1连接在第四电容cb1的另一端及第一二极管d1负极之间；

所述第二led串连接在第五电容cb2另一端及第二二极管d2正极之间。

所述scc模块包括第二电容cs、第三电容ce及第三开关管s，所述第二电容cs和第三开关管s串联后与第三电容ce并联，再与第三电感lr相串联。

所述第一开关管及第二开关管的驱动信号为占空比50％的定频方波，第三开关管的驱动信号与第一开关管的驱动信号保持同频同相位。

驱动器工作在断续模式。

第四电容和第五电容为薄膜电容。

当开关频率恒定时，在感性区域内调节scc模块，实现恒定频率调光。

本发明的有益效果：

(1)本发明引入功率因数校正单元，使得驱动器的功率因数得到大大提高，基本上能接近于1；

(2)与传统led驱动器经过整流、pfc和dc/dc变换，造成能量多级转换，导致的高成本和低效率相比，本发明实现了pfc单元和后级pc单元相结合的单级led驱动器，并且scc被上、下半桥共享，从而降低了成本，提高了电路功率密度；

(3)与传统采用pwm(pulse-widthmodulation)控制的ac/dcled驱动器相比，本发明采用scc模块，其基本思路是利用反馈环调节scc模块占空比，改变模块等效容值，以实现后级恒频运行，成本进一步减少；

(4)与现有ac/dc变换器利用电解电容来平衡输入与输出的功率差δe相比，本发明采用无寿命的薄膜电容替代体积大的电解电容，避免了电解电容因电解液的挥发而造成的led串与驱动器寿面不匹配的缺点；

(5)本发明中变换器工作在断续模式(dcm)，降低了半桥单元控制的复杂程度和pfc单元中整流二极管的导通损耗；

(6)本发明采用可控开关电容替代固定电容，通过改变等效电容值的方法实现恒频运行；

(7)本发明可控开关电容被上、下半桥共享从而降低了成本，提高了电路功率密度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的驱动信号及输出理论波形示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1及图2所示，一种单级无桥式高功率因数无解电容led驱动器，包括功率校正单元pfc和功率控制单元pc。

所述功率校正单元pfc包括第一二极管d1、第二二极管d2、第一开关管q1、第二开关管q2、第一电感lf、第二电感lb、第一电容cf和输入电源vs；

所述第一二极管d1的正极、第二二极管d2的负极、输入电源vs的正极及第一电容cf的一端连接；

所述第一二极管d1的负极与第一开关管q1的漏极相连接；

所述第一开关管q1的源极、第二开关管q2的漏极及第二电感lb的一端连接，所述第二电感lb的另一端分别与第一电感lf的另一端、第一电容cf的另一端连接；

所述第二二极管d2的正极与第二开关管q2的源极连接；

所述第一开关管及第二开关管的栅极与与半桥驱动器相连接，图1中定频50％占空比为半桥驱动器。

所述功率控制单元包括scc模块、第四电容cb1、第五电容cb2、第六电容co、第三电感lr、第一led串led1和第二led串led2；所述scc模块包括第二电容cs、第三电容ce及第三开关管s，所述第二电容cs和第三开关管s串联后与第三电容ce并联，再与第三电感lr相串联。

所述第一led串led1连接在第四电容cb1及第一二极管d1负极之间；

所述第二led串连接在第五电容cb2另一端及第二二极管d2正极之间。

所述第四电容的一端、第五电容的一端与第三电感lr另一端连接，所述第三电感lr的一端分别于第三开关管s的源极连接、第三电容ce的一端连接，所述第三电容ce的另一端与第二电感lb的另一极端及第二电容cs连接，所述第二电容cs另一端与第三开关管的漏极连接。

第四电容和第五电容为薄膜电容，两个电容合成bus电容。

第六电容与第二led串连接。

所述第一开关管q1、第二开关管q2和第三开关管s的驱动信号分别为第一驱动信号g1、第二驱动信号g2和第三驱动信号g3，其中第一驱动信号g1和第二驱动信号g2为占空比50％的定频方波，第三驱动信号g3与第一驱动信号g1保持同频同相位。

所述单级无桥式高功率因数无电解电容ac/dcled驱动器，按工作原理分析，一个工作周期共有五种工作模态：

模态1[t0,t1]:第一二极管d1和第一开关管q1导通，第二二极管d2和第二开关管q2反向截止，功率因数校正单元中输入电源vs与第二电感lb相串联，功率控制单元中第三电感lr、第四电容cb1、第一led串led1和scc模块相串联，功率因数校正单元中第一二极管d1的阴极和第一开关管q1的漏极与功率控制单元中第一led串led1相连接，功率因数校正单元中第二电感lb的另一端和第一开关管q1的源极与功率控制单元中scc模块的另一端相连接，此时，输入电源vs对第二电感lb线性充电。

模态2[t1,t2]:第一二极管d1和第一开关管q1导通，第二二极管d2和第二开关管q2反向截止，功率因数校正单元pfc中输入电源vs与第二电感lb相串联，功率控制单元中第三电感lr、第四电容cb1、第一led串led1和scc模块相串联，功率因数校正单元中第一二极管d1的阴极和第一开关管q1的漏极与功率控制单元中第一led串led1相连接，功率因数校正单元中第二电感lb的另一端和第一开关管q1的源极与功率控制单元中scc模块的另一端相连接，此时，第三电感lr中电流反向，使得第一开关管q1的续流二极管关断，第二电感lb继续充电到最大值。

模态3[t2,t3]:第一二极管d1导通，第二二极管d2、第一开关管q1和第二开关管q2反向截止，由于第三电感lr中电流反向，使得第二开关管q2续流二极管导通；功率因数校正单元中输入电源vs、第一二极管d1和第二电感lb相串联，功率控制单元中，第四电容cb1、第一led串led1相串联，第五电容cb2、第二led串led2相串联，第三电感lr、scc模块相串联，第四电容cb1、第五电容cb2和第三电感lr相连接，功率因数校正单元中第一二极管d1阴极与功率控制单元中第一led串led1相连接，功率因数校正单元中第二电感lb另一端和第二开关管q2漏极与功率控制单元中scc模块相连接，功率因数校正单元中第二开关管q2源极与功率控制单元中第二led串led2相连接，此时，第二电感lb的电流ib线性减小。

模态4[t3,t4]:第一二极管d1和第二开关管q2导通，第二二极管d2和第一开关管q1反向截止，第三电感lr中电流ir反向，续流结束。功率因数校正单元中输入电源vs、第一二极管d1和第二电感lb相串联；功率控制单元中，第四电容cb1、第一led串led1相串联，第五电容cb2、第二led串led2相串联，第三电感lr、scc模块相串联，第四电容cb1、第五电容cb2和第三电感lr相连接，功率因数校正单元中第一二极管d1阴极与功率控制单元中第一led串led1相连接，功率因数校正单元中第二电感lb另一端和第二开关管q2漏极与功率控制单元中scc模块相连接，功率因数校正单元中第二开关管q2源极与第二led串led2相连接，此时，第五电容cb2为scc模块和第二led串led2提供能量。

模态5[t4,t5]:第二开关管q2导通，第一二极管d1、第二二极管d2和第一开关管q1反向截止。所述第二开关管q2、第三电感lr、第五电容cb2和scc模块串联，此时，第二电感lb中的能量完全释放。

如图2所示，所述单级无桥式高功率因数无电解电容ac/dcled驱动器五种工作模态的电路参数理论波形，对所述单级无桥式高功率因数无电解电容ac/dcled驱动器仿真和试验验证表明，功率因数均保持在0.968以上。在输入电压为101v时，pf最高为0.989。此外，输入电压99v时电流失真最低，其值为6.1％。此外，经测量谐波与iec61000－3-2c标准之间的比较得知所提led驱动器完全符合iec610003-2c限制。

所述单级无桥式高功率因数无电解电容ac/dcled驱动器的恒频调光模块中电压增益mv、品质因数q和归一化开关频率fn的关系如下式，电压增益mv可以通过归一化频率fn和品质因数q的比值来调节。当开关频率fs恒定时，谐振频率fr和品质因数随scc的调整而改变。因此，在感性区域内调节scc模块，可以实现恒定频率调光。

所述单级无桥式高功率因数无电解电容ac/dcled驱动器的两路均流分析见(5)式和(6)式，若两bus容抗相同，且远大于负载电阻，则ilde1和ilde2的比率近似为1。

所述单级无桥式高功率因数无电解电容ac/dcled驱动器，经仿真和试验验证，功率因数均保持在0.968以上。在输入电压为101v时，pf最高为0.989。此外，输入电压99v时电流失真最低，其值为6.1％。此外，经测量谐波与iec61000－3-2c标准之间的比较得知所提led驱动器完全符合iec610003-2c限制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。