一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源，包括交流输入电源、桥式整流电路、电感、辅助电路、主开关管、反向阻断二极管、输出滤波电容及LED负载。本发明有如下特点和优点：1）辅助电路可以平衡输入功率pin和输出功率po的低频脉动功率，并恒流驱动LED负载；2）储能电容电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的形式，因而可以使用小容值的非电解电容(如薄膜电容等)作为储能电容；3）辅助电路与Boost主电路形成三端口DC/DC变换器，大部分输入功率只经过一次能量变换就到达LED负载，因而效率高；4）辅助电路所需电感与Boost主电路电感实现共用，电路结构简单且成本低。
【专利说明】—种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子【技术领域】，特别是涉及一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源，属于交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)变换器领域。
【背景技术】
[0002]随着发光二极管(light-emitting diode , LED)关键技术的不断进步,其光效、寿命、调光性能等方面比传统照明光源(如白炽灯、荧光灯)更具优势，LED照明光源有望成为新一代高效光源。目前LED照明已应用于路灯照明、普通照明、液晶屏幕背光源、城市景观照明、医疗和交通等领域。
[0003]然而，LED照明的推广与发展仍然有许多瓶颈问题需要解决。其中电解电容在LED驱动电源中的使用限制了驱动电源的寿命，是影响LED照明系统寿命、体积的关键因素。因此，开发体积小、寿命长、效率高、成本低的驱动电源有利于推动LED照明的发展。
[0004]如图1所示为传统的级联式LED驱动电源结构框图，由PFC变换器级联DC/DC变换器组成。前级的PFC变换器主要功能是实现功率因数校正(power factor correction,PFC)，后级的DC/DC变换器主要是为LED负载提供恒定的驱动电流。在交流供电场合，为了达到较高输入功率因数，满足标准IEC61000-3-2的谐波要求，AC/DC LED驱动电源都需要进行输入功率因数校正。然而，当PF=I时，输入电流与输入电压为同频同相的正弦波，其输入功率呈现两倍输入电压频率的低频功率脉动形式，因此通常会选用容量较大的电解电容来平衡该低频脉动功率。但是，高质量电解电容在额定温度105° C下，使用寿命一般在10kh左右，远低于LED发光芯片8(Tl00 kh的长寿命，电解电容的使用限制了 LED照明光源整体寿命。再者，假设传统级联式LED驱动电源中PFC变换器和DC/DC变换器的效率分别为仍和％，则驱动电源的整机效率是两级变换器效率的乘积(式中、〈1，' <
I)，所以，级联的两级拓扑结构中输入功率需要经过两次能量变换才能到达LED负载，整机效率低，且两级式的拓扑使得整个驱动电源器件多、体积大、集成度低；虽然通过增大直流母线电容的纹波电压可以在一定程度上减小电解电容容值，但是直流母线纹波电压无限增大会影响PFC变换器正常工作。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于克服级联式拓扑结构的AC/DC LED驱动电源整机效率低、器件多、体积大、集成度低等缺点，克服因使用电解电容而降低LED照明光源整体寿命的不足，提供一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源。具有效率高、体积小、无电解电容、可靠性高、驱动性能优良的特点。
[0006]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源，包括:桥式整流电路、电感、辅助电路、主开关管、反向阻断二极管、输出滤波电容及LED负载。其特征在于:所述桥式整流电路依次接电感、辅助电路、主开关管、反向阻断二极管、输出滤波电容及LED负载。[0007]所述桥式整流电路由第一二极管化7、第二二极管A-、第三二极管和第四二极管组成；所述第一二极管的阳极连接所述第三二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接所述第四二极管的阴极，所述第一二极管与所述第二二极管的阴极对接，所述第三二极管与所述第四二极管的阳极对接；所述辅助电路由第二开关管&、第六二极管第三开关管&、储能电容G组成；第三开关管&源极连接电感Z与第二二職Dr2阴极的公共节点，第三开关管&漏极连接储能电容C3的正极与第六二极管阴极的公共节点，第六二极管阳极与第二开关管&的源极相连，第二开关管&的漏极连接反向阻断二极管阳极、第一开关管&的漏极与电感Z的公共节点；所述的反向阻断二极管5即第五二极管化7，第五二极管見7阴极与输出滤波电容G正极、LED负载的正极相连接，输出滤波电容G负极、LED负载的负极、储能电容C3的负极、第一开关管&的源极均与第四二极管的阳极相连接。
[0008]所述由第一二极管見7、第二二极管A-、第三二极管見,和第四二极管组成的桥式整流电路实现交流/直流变换。
[0009]所述第一开关管&和电感Z共同作用实现输入功率因数校正和调节储能电容G的电压。
[0010]所述储能电容G电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式，其容值较小。
[0011]所述辅助电路可以平衡瞬时输入功率和输出功率的低频脉动功率,输入功率小于输出功率(pin<p0)条件下和输入功率大于输出功率条件下实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。
[0012]所述滤波电容C0 可以滤除输出电压纹波。
[0013]与现有技术相比，本发明主要技术特点和优点是:电感Z工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正；储能电容G的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的形式，从而可以使用非电解电容替代电解电容；辅助电路在不同输入功率条件下，可以平衡瞬时输入功率和输出功率Aj的不平衡，并恒流驱动LED负载；辅助电路所需要的电感与Boost主电路电感实现共用，使得电路结构简单且成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为传统的级联式LED驱动电源结构框图。
[0015]图2为本发明的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源的原理框图。
[0016]图3为本发明的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源的主电路。
[0017]图4为本发明的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源的主要工作波形。
[0018]图5为本发明的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源主电路在PinW0条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形。
[0019]图6为本发明的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源主电路在ρ?η>ρ0条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形。[0020]图7为本发明的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源主电路在Ρ?η<Ρ0条件下各开关模态的等效电路图。
[0021]图8为本发明的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源主电路在ρ?η>ρ0条件下各开关模态的等效电路图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
[0023]实施例一:图2为本实施例的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源原理框图。主电路为三端口 DC/DC变换器，在主电路中加入储能电容，该储能电容在不同输入功率条件下可以平衡瞬时输入功率Av3和输出功率的不平衡，实现恒定输出功率调节，为LED负载提供恒定驱动电流。
[0024]实施例二:如图3所示为本实施例的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源主电路图，本实施例与实施例一基本相同，其特别之处如下:
一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源主电路包括:桥式整流电路
(I)、电感(2)、辅助电路(3)、主开关管(4)、反向阻断二极管(5)、输出滤波电容(6)及LED负载(7)。其特征在于:所述桥式整流电路(I)依次接电感(2)、辅助电路(3)、主开关管
(4)、反向阻断二极管(5)、输出滤波电容(6)及LED负载(7)。所述桥式整流电路⑴由第一二极管(/^)、第二二极管(/^)、第三二极管(DJ和第四二极管(PJ组成；所述第一二极管QW的阳极连接所述第三二极管QW的阴极，所述第二二极管WJ的阳极连接所述第四二极管QW的阴极，所述第一二极管QW与所述第二二极管QW的阴极对接，所述第三二极管与所述第四二极管的阳极对接；所述辅助电路(3)由第二开关管(?)、第六二极管(/^)、第三开关管(?)、储能电容(Ca)组成；第三开关管(?)源极连接电感(V)与第二二极管阴极的公共节点，第三开关管(?)漏极连接储能电容(Ca)的正极与第六二极管(J)J阴极的公共节点，第六二极管QW阳极与第二开关管(?)的源极相连，第二开关管(?)的漏极连接反向阻断二极管QW阳极、主开关管即第一开关管(?)的漏极与电感(V)的公共节点；所述的反向阻断二极管(5)即第五二极管(Z^37)，第五二极管Wal)阴极与输出滤波电容(O正极、LED负载(7)的正极相连接，输出滤波电容(O负极、LED负载(7)的负极、储能电容(6；)的负极、第一开关管以)的源极均与第四二极管QW的阳极相连接。
[0025]下面以图3为本实施案例的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源主电路，结合附图4一8叙述本发明的具体工作原理，设计原理:
图4为本发明所提出的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源的主要工作波形。为了达到较高的输入功率因数，电感Z工作在电流断续状态(discontinuouscurrent mode, DCM)，实现功率因数校正。为了匹配瞬时输入功率和输出功率的低频脉动功率，在Boost主电路上以三端口网络形式加入辅助电路，辅助电路中储能电容G的能量可以实现双向流动，且辅助电路的电感与Boost主电路电感共用。在一个工频周期，当输入功率Pin小于输出功率凡时，S2 一直关断，通过控制S1, S3的导通状态可以为LED负载提供恒定工作电流，此时，储能电容G释放能量至输出负载以补偿输出功率与输入功率的能量差，所以储能电容的电压Vca下降；当输入功率大于输出功率凡时，&一直关断，控制&、S2的开关状态可以实现为LED负载提供恒定工作电流，此时，剩余的能量储存在电容C3上，所以储能电容的电压L3上升。由此可见，该LED驱动电源在的工作状态和在的工作状态是截然不同的。图5为主电路在条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形；图6主电路在条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形
1.不同功率条件下的工作原理分析
1.1当pin<p0时的工作模态分析
图5为主电路/条件下的开关管逻辑序列和主要工作波形，此时共有五个不同的工作模态，其开关模态的等效电路图如图7所示。
[0026]I)工作模态1，?7]:其等效工作电路如图7(a)所示。t0时刻之前，电感电流iL为零，滤波电容G向LED负载供电。在pin<p0功率条件下开关管&一直关断，在G时刻，开关管S1导通，整流二极管Drl和Dr4 (或者Dr2和DJ导通，输入电压经整流后加到电感L上，电感电流厶从零开始线性上升。假设输入电压在一个开关周期内保持不变，则有:
【权利要求】
1.一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源，包括:桥式整流电路(I)、电感(2)、辅助电路(3)、主开关管(4)、反向阻断二极管(5)、输出滤波电容(6)及LED负载(7)，其特征在于:所述桥式整流电路(1)依次接电感(2)、辅助电路(3)、主开关管(4)、反向阻断二极管(5)、输出滤波电容(6)及LED负载(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源，其特征在于:所述桥式整流电路(I)由第一二极管(見7)、第二二极管(i^)、第三二极管QW和第四二极管QW组成；所述第一二极管D的阳极连接所述第三二极管QW的阴极，所述第二二极管QW的阳极连接所述第四二极管D的阴极，所述第一二极管QW与所述第二二极管QW的阴极对接，所述第三二极管QW与所述第四二极管D的阳极对接；所述辅助电路(3)由第二开关管(?)、第六二极管(jj、第三开关管(?)、储能电容(C)组成；第三开关管(?)源极连接电感(1~)与第二二极管QW阴极的公共节点，第三开关管(?)漏极连接储能电容(G)的正极与第六二极管QW阴极的公共节点，第六二极管QW阳极与第二开关管(?)的源极相连，第二开关管(?)的漏极连接反向阻断二极管Wal)阳极、主开关管⑷即第一开关管以)的漏极与电感(Z)的公共节点；所述的反向阻断二极管(5)即第五二极管(見7)，第五二极管QW阴极与输出滤波电容D正极、led负载(7)的正极相连接，输出滤波电容K)负极、LED负载(7)的负极、储能电容(Ca)的负极、第一开关管(?)的源极均与第四二极管QW的阳极相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源，其特征在于:所述电感(Z)工作在电流断续模式，实现输入功率因数校正。
4.根据权利要求1所述的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源，其特征在于:所述储能电容(G)的电压设计为直流电压叠加大脉动纹波电压的工作形式以消除AC/DC LED恒流驱动电源对电解电容的依赖。
5.根据权利要求1所述的一种基于Boost电路的高效率无电解电容LED驱动电源，其特征在于:辅助电路(3)可以平衡输入功率和输出功率的低频功率脉动，并恒流驱动LED 负载(7)。
【文档编号】H05B37/02GK103997827SQ201410196651
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】汪飞, 钟元旭 申请人:上海大学