一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，包括交流輸入電源、橋式整流電路、電感、輔助電路、主開(kāi)關(guān)管、反向阻斷二極管、輸出濾波電容及LED負(fù)載。本發(fā)明有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：1）輔助電路可以平衡輸入功率pin和輸出功率po的低頻脈動(dòng)功率，并恒流驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載；2）儲(chǔ)能電容電壓設(shè)計(jì)為直流電壓疊加大脈動(dòng)紋波電壓的形式，因而可以使用小容值的非電解電容(如薄膜電容等)作為儲(chǔ)能電容；3）輔助電路與Boost主電路形成三端口DC/DC變換器，大部分輸入功率只經(jīng)過(guò)一次能量變換就到達(dá)LED負(fù)載，因而效率高；4）輔助電路所需電感與Boost主電路電感實(shí)現(xiàn)共用，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低。
【專利說(shuō)明】—種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，屬于交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)變換器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著發(fā)光二極管(light-emitting diode , LED)關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步,其光效、壽命、調(diào)光性能等方面比傳統(tǒng)照明光源(如白熾燈、熒光燈)更具優(yōu)勢(shì)，LED照明光源有望成為新一代高效光源。目前LED照明已應(yīng)用于路燈照明、普通照明、液晶屏幕背光源、城市景觀照明、醫(yī)療和交通等領(lǐng)域。
[0003]然而，LED照明的推廣與發(fā)展仍然有許多瓶頸問(wèn)題需要解決。其中電解電容在LED驅(qū)動(dòng)電源中的使用限制了驅(qū)動(dòng)電源的壽命，是影響LED照明系統(tǒng)壽命、體積的關(guān)鍵因素。因此，開(kāi)發(fā)體積小、壽命長(zhǎng)、效率高、成本低的驅(qū)動(dòng)電源有利于推動(dòng)LED照明的發(fā)展。
[0004]如圖1所示為傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)式LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)框圖，由PFC變換器級(jí)聯(lián)DC/DC變換器組成。前級(jí)的PFC變換器主要功能是實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(power factor correction,PFC)，后級(jí)的DC/DC變換器主要是為L(zhǎng)ED負(fù)載提供恒定的驅(qū)動(dòng)電流。在交流供電場(chǎng)合，為了達(dá)到較高輸入功率因數(shù)，滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2的諧波要求，AC/DC LED驅(qū)動(dòng)電源都需要進(jìn)行輸入功率因數(shù)校正。然而，當(dāng)PF=I時(shí)，輸入電流與輸入電壓為同頻同相的正弦波，其輸入功率呈現(xiàn)兩倍輸入電壓頻率的低頻功率脈動(dòng)形式，因此通常會(huì)選用容量較大的電解電容來(lái)平衡該低頻脈動(dòng)功率。但是，高質(zhì)量電解電容在額定溫度105° C下，使用壽命一般在10kh左右，遠(yuǎn)低于LED發(fā)光芯片8(Tl00 kh的長(zhǎng)壽命，電解電容的使用限制了 LED照明光源整體壽命。再者，假設(shè)傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)式LED驅(qū)動(dòng)電源中PFC變換器和DC/DC變換器的效率分別為仍和％，則驅(qū)動(dòng)電源的整機(jī)效率是兩級(jí)變換器效率的乘積(式中、〈1，' <
I)，所以，級(jí)聯(lián)的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中輸入功率需要經(jīng)過(guò)兩次能量變換才能到達(dá)LED負(fù)載，整機(jī)效率低，且兩級(jí)式的拓?fù)涫沟谜麄€(gè)驅(qū)動(dòng)電源器件多、體積大、集成度低；雖然通過(guò)增大直流母線電容的紋波電壓可以在一定程度上減小電解電容容值，但是直流母線紋波電壓無(wú)限增大會(huì)影響PFC變換器正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于克服級(jí)聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AC/DC LED驅(qū)動(dòng)電源整機(jī)效率低、器件多、體積大、集成度低等缺點(diǎn)，克服因使用電解電容而降低LED照明光源整體壽命的不足，提供一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源。具有效率高、體積小、無(wú)電解電容、可靠性高、驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，包括:橋式整流電路、電感、輔助電路、主開(kāi)關(guān)管、反向阻斷二極管、輸出濾波電容及LED負(fù)載。其特征在于:所述橋式整流電路依次接電感、輔助電路、主開(kāi)關(guān)管、反向阻斷二極管、輸出濾波電容及LED負(fù)載。[0007]所述橋式整流電路由第一二極管化7、第二二極管A-、第三二極管和第四二極管組成；所述第一二極管的陽(yáng)極連接所述第三二極管的陰極，所述第二二極管的陽(yáng)極連接所述第四二極管的陰極，所述第一二極管與所述第二二極管的陰極對(duì)接，所述第三二極管與所述第四二極管的陽(yáng)極對(duì)接；所述輔助電路由第二開(kāi)關(guān)管&、第六二極管第三開(kāi)關(guān)管&、儲(chǔ)能電容G組成；第三開(kāi)關(guān)管&源極連接電感Z與第二二職Dr2陰極的公共節(jié)點(diǎn)，第三開(kāi)關(guān)管&漏極連接儲(chǔ)能電容C3的正極與第六二極管陰極的公共節(jié)點(diǎn)，第六二極管陽(yáng)極與第二開(kāi)關(guān)管&的源極相連，第二開(kāi)關(guān)管&的漏極連接反向阻斷二極管陽(yáng)極、第一開(kāi)關(guān)管&的漏極與電感Z的公共節(jié)點(diǎn)；所述的反向阻斷二極管5即第五二極管化7，第五二極管見(jiàn)7陰極與輸出濾波電容G正極、LED負(fù)載的正極相連接，輸出濾波電容G負(fù)極、LED負(fù)載的負(fù)極、儲(chǔ)能電容C3的負(fù)極、第一開(kāi)關(guān)管&的源極均與第四二極管的陽(yáng)極相連接。
[0008]所述由第一二極管見(jiàn)7、第二二極管A-、第三二極管見(jiàn),和第四二極管組成的橋式整流電路實(shí)現(xiàn)交流/直流變換。
[0009]所述第一開(kāi)關(guān)管&和電感Z共同作用實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正和調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容G的電壓。
[0010]所述儲(chǔ)能電容G電壓設(shè)計(jì)為直流電壓疊加大脈動(dòng)紋波電壓的工作形式，其容值較小。
[0011]所述輔助電路可以平衡瞬時(shí)輸入功率和輸出功率的低頻脈動(dòng)功率,輸入功率小于輸出功率(pin<p0)條件下和輸入功率大于輸出功率條件下實(shí)現(xiàn)恒定輸出功率調(diào)節(jié)，為L(zhǎng)ED負(fù)載提供恒定驅(qū)動(dòng)電流。
[0012]所述濾波電容C0 可以濾除輸出電壓紋波。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是:電感Z工作在電流斷續(xù)模式，實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正；儲(chǔ)能電容G的電壓設(shè)計(jì)為直流電壓疊加大脈動(dòng)紋波電壓的形式，從而可以使用非電解電容替代電解電容；輔助電路在不同輸入功率條件下，可以平衡瞬時(shí)輸入功率和輸出功率Aj的不平衡，并恒流驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載；輔助電路所需要的電感與Boost主電路電感實(shí)現(xiàn)共用，使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)式LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)框圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的原理框圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的主電路。
[0017]圖4為本發(fā)明的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的主要工作波形。
[0018]圖5為本發(fā)明的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路在PinW0條件下的開(kāi)關(guān)管邏輯序列和主要工作波形。
[0019]圖6為本發(fā)明的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路在ρ?η>ρ0條件下的開(kāi)關(guān)管邏輯序列和主要工作波形。[0020]圖7為本發(fā)明的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路在Ρ?η<Ρ0條件下各開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路圖。
[0021]圖8為本發(fā)明的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路在ρ?η>ρ0條件下各開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。
[0023]實(shí)施例一:圖2為本實(shí)施例的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源原理框圖。主電路為三端口 DC/DC變換器，在主電路中加入儲(chǔ)能電容，該儲(chǔ)能電容在不同輸入功率條件下可以平衡瞬時(shí)輸入功率Av3和輸出功率的不平衡，實(shí)現(xiàn)恒定輸出功率調(diào)節(jié)，為L(zhǎng)ED負(fù)載提供恒定驅(qū)動(dòng)電流。
[0024]實(shí)施例二:如圖3所示為本實(shí)施例的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路圖，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其特別之處如下:
一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路包括:橋式整流電路
(I)、電感(2)、輔助電路(3)、主開(kāi)關(guān)管(4)、反向阻斷二極管(5)、輸出濾波電容(6)及LED負(fù)載(7)。其特征在于:所述橋式整流電路(I)依次接電感(2)、輔助電路(3)、主開(kāi)關(guān)管
(4)、反向阻斷二極管(5)、輸出濾波電容(6)及LED負(fù)載(7)。所述橋式整流電路⑴由第一二極管(/^)、第二二極管(/^)、第三二極管(DJ和第四二極管(PJ組成；所述第一二極管QW的陽(yáng)極連接所述第三二極管QW的陰極，所述第二二極管WJ的陽(yáng)極連接所述第四二極管QW的陰極，所述第一二極管QW與所述第二二極管QW的陰極對(duì)接，所述第三二極管與所述第四二極管的陽(yáng)極對(duì)接；所述輔助電路(3)由第二開(kāi)關(guān)管(?)、第六二極管(/^)、第三開(kāi)關(guān)管(?)、儲(chǔ)能電容(Ca)組成；第三開(kāi)關(guān)管(?)源極連接電感(V)與第二二極管陰極的公共節(jié)點(diǎn)，第三開(kāi)關(guān)管(?)漏極連接儲(chǔ)能電容(Ca)的正極與第六二極管(J)J陰極的公共節(jié)點(diǎn)，第六二極管QW陽(yáng)極與第二開(kāi)關(guān)管(?)的源極相連，第二開(kāi)關(guān)管(?)的漏極連接反向阻斷二極管QW陽(yáng)極、主開(kāi)關(guān)管即第一開(kāi)關(guān)管(?)的漏極與電感(V)的公共節(jié)點(diǎn)；所述的反向阻斷二極管(5)即第五二極管(Z^37)，第五二極管Wal)陰極與輸出濾波電容(O正極、LED負(fù)載(7)的正極相連接，輸出濾波電容(O負(fù)極、LED負(fù)載(7)的負(fù)極、儲(chǔ)能電容(6；)的負(fù)極、第一開(kāi)關(guān)管以)的源極均與第四二極管QW的陽(yáng)極相連接。
[0025]下面以圖3為本實(shí)施案例的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路，結(jié)合附圖4一8敘述本發(fā)明的具體工作原理，設(shè)計(jì)原理:
圖4為本發(fā)明所提出的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的主要工作波形。為了達(dá)到較高的輸入功率因數(shù)，電感Z工作在電流斷續(xù)狀態(tài)(discontinuouscurrent mode, DCM)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。為了匹配瞬時(shí)輸入功率和輸出功率的低頻脈動(dòng)功率，在Boost主電路上以三端口網(wǎng)絡(luò)形式加入輔助電路，輔助電路中儲(chǔ)能電容G的能量可以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，且輔助電路的電感與Boost主電路電感共用。在一個(gè)工頻周期，當(dāng)輸入功率Pin小于輸出功率凡時(shí)，S2 一直關(guān)斷，通過(guò)控制S1, S3的導(dǎo)通狀態(tài)可以為L(zhǎng)ED負(fù)載提供恒定工作電流，此時(shí)，儲(chǔ)能電容G釋放能量至輸出負(fù)載以補(bǔ)償輸出功率與輸入功率的能量差，所以儲(chǔ)能電容的電壓Vca下降；當(dāng)輸入功率大于輸出功率凡時(shí)，&一直關(guān)斷，控制&、S2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)為L(zhǎng)ED負(fù)載提供恒定工作電流，此時(shí)，剩余的能量?jī)?chǔ)存在電容C3上，所以儲(chǔ)能電容的電壓L3上升。由此可見(jiàn)，該LED驅(qū)動(dòng)電源在的工作狀態(tài)和在的工作狀態(tài)是截然不同的。圖5為主電路在條件下的開(kāi)關(guān)管邏輯序列和主要工作波形；圖6主電路在條件下的開(kāi)關(guān)管邏輯序列和主要工作波形
1.不同功率條件下的工作原理分析
1.1當(dāng)pin<p0時(shí)的工作模態(tài)分析
圖5為主電路/條件下的開(kāi)關(guān)管邏輯序列和主要工作波形，此時(shí)共有五個(gè)不同的工作模態(tài)，其開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路圖如圖7所示。
[0026]I)工作模態(tài)1，?7]:其等效工作電路如圖7(a)所示。t0時(shí)刻之前，電感電流iL為零，濾波電容G向LED負(fù)載供電。在pin<p0功率條件下開(kāi)關(guān)管&一直關(guān)斷，在G時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，整流二極管Drl和Dr4 (或者Dr2和DJ導(dǎo)通，輸入電壓經(jīng)整流后加到電感L上，電感電流厶從零開(kāi)始線性上升。假設(shè)輸入電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)保持不變，則有:
【權(quán)利要求】
1.一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，包括:橋式整流電路(I)、電感(2)、輔助電路(3)、主開(kāi)關(guān)管(4)、反向阻斷二極管(5)、輸出濾波電容(6)及LED負(fù)載(7)，其特征在于:所述橋式整流電路(1)依次接電感(2)、輔助電路(3)、主開(kāi)關(guān)管(4)、反向阻斷二極管(5)、輸出濾波電容(6)及LED負(fù)載(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于:所述橋式整流電路(I)由第一二極管(見(jiàn)7)、第二二極管(i^)、第三二極管QW和第四二極管QW組成；所述第一二極管D的陽(yáng)極連接所述第三二極管QW的陰極，所述第二二極管QW的陽(yáng)極連接所述第四二極管D的陰極，所述第一二極管QW與所述第二二極管QW的陰極對(duì)接，所述第三二極管QW與所述第四二極管D的陽(yáng)極對(duì)接；所述輔助電路(3)由第二開(kāi)關(guān)管(?)、第六二極管(jj、第三開(kāi)關(guān)管(?)、儲(chǔ)能電容(C)組成；第三開(kāi)關(guān)管(?)源極連接電感(1~)與第二二極管QW陰極的公共節(jié)點(diǎn)，第三開(kāi)關(guān)管(?)漏極連接儲(chǔ)能電容(G)的正極與第六二極管QW陰極的公共節(jié)點(diǎn)，第六二極管QW陽(yáng)極與第二開(kāi)關(guān)管(?)的源極相連，第二開(kāi)關(guān)管(?)的漏極連接反向阻斷二極管Wal)陽(yáng)極、主開(kāi)關(guān)管⑷即第一開(kāi)關(guān)管以)的漏極與電感(Z)的公共節(jié)點(diǎn)；所述的反向阻斷二極管(5)即第五二極管(見(jiàn)7)，第五二極管QW陰極與輸出濾波電容D正極、led負(fù)載(7)的正極相連接，輸出濾波電容K)負(fù)極、LED負(fù)載(7)的負(fù)極、儲(chǔ)能電容(Ca)的負(fù)極、第一開(kāi)關(guān)管(?)的源極均與第四二極管QW的陽(yáng)極相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于:所述電感(Z)工作在電流斷續(xù)模式，實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于:所述儲(chǔ)能電容(G)的電壓設(shè)計(jì)為直流電壓疊加大脈動(dòng)紋波電壓的工作形式以消除AC/DC LED恒流驅(qū)動(dòng)電源對(duì)電解電容的依賴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Boost電路的高效率無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于:輔助電路(3)可以平衡輸入功率和輸出功率的低頻功率脈動(dòng)，并恒流驅(qū)動(dòng)LED 負(fù)載(7)。
【文檔編號(hào)】H05B37/02GK103997827SQ201410196651
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】汪飛, 鐘元旭 申請(qǐng)人:上海大學(xué)