一種基于Buck電路的無(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Buck電路的無(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、主開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管、能量釋放支路、電感、輔助二極管、儲(chǔ)能電容、輔助開(kāi)關(guān)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）通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管在不同輸入功率條件下的導(dǎo)通狀態(tài)，可以平衡輸入功率pin和輸出功率po的低頻功率脈動(dòng)，并恒流驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載；2）為減小儲(chǔ)能電容容值，儲(chǔ)能電容電壓設(shè)計(jì)為直流電壓疊加大脈動(dòng)紋波電壓的工作形式，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）能量釋放支路電感與Buck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Buck電路的無(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Buck電路的無(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]發(fā)光二極管(light-emitting diode , LED)具有光效高、壽命長(zhǎng)、體積小、節(jié)能環(huán)保、易調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)。隨著LED關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，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、應(yīng)急照明、城市景觀照明、醫(yī)療和交通等領(lǐng)域。
[0003]為保證LED發(fā)光品質(zhì)及整體性能，開(kāi)發(fā)效率高、成本低、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電源是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的不同功率AC/DC LED驅(qū)動(dòng)電源按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式可分為:單級(jí)拓?fù)?、兩?jí)拓?fù)浜投嗉?jí)拓?fù)?。?jí)聯(lián)式的兩級(jí)拓?fù)洹⒍嗉?jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中輸入功率需要經(jīng)過(guò)兩級(jí)或者多級(jí)的能量變換裝置才能到達(dá)LED負(fù)載，整機(jī)效率低，器件多、體積大、壽命短等缺點(diǎn)。
[0004]無(wú)論是哪一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的LED驅(qū)動(dòng)電源，在交流供電場(chǎng)合，為了達(dá)到較高輸入功率因數(shù)(power factor，PF)，滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2的諧波要求，LED驅(qū)動(dòng)電源都需要進(jìn)行輸入功率因數(shù)校正。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功率脈動(dòng)形式，而LED的輸出功率為恒定功率，因此通常會(huì)選用容量較大的電解電容來(lái)匹配瞬時(shí)輸入功率和輸出功率的不平衡。高質(zhì)量電解電容在額定溫度105° C下,使用壽命一般在10 kh左右,遠(yuǎn)低于LED發(fā)光芯片80?100 kh的長(zhǎng)壽命,所以電解電容是影響LED照明光源整體壽命的主要元件。
[0005]如圖1所示為現(xiàn)有無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)框圖，由單向DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器組成。單向DC/DC變換器的主要功能是實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，雙向DC/DC變換器處理瞬時(shí)輸入功率和輸出功率的低頻脈動(dòng)功率。雖然此類LED驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)在直流母線上并聯(lián)雙向DC/DC變換器雖然可以消除電解電容，但集成度低的、效率低、成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于克服兩級(jí)拓?fù)?、多?jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)AC/DC LED驅(qū)動(dòng)電源整機(jī)效率低、器件多、體積大等缺點(diǎn)，克服因使用電解電容而降低LED照明光源整體壽命的缺點(diǎn)，克服現(xiàn)有無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源效率低、集成度低的不足，提供一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源。具有效率高、輸入功率因數(shù)高、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。
[0007]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Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，包括:橋式整流電路、主開(kāi)關(guān)管0、續(xù)流二極管見(jiàn)7、能量釋放支路、電感A輔助二極管儲(chǔ)能電容G、輔助開(kāi)關(guān)管込、輸出濾波電容G及LED負(fù)載，其特征在于:所述橋式整流電路依次接主開(kāi)關(guān)管0、續(xù)流二極管化7、能量釋放支路、電感Z、輔助二極管儲(chǔ)能電容C；、輔助開(kāi)關(guān)管込、輸出濾波電容C；及LED負(fù)載。
[0008]所述橋式整流電路由第一二極管化7、第二二極管A-、第三二極管見(jiàn),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；主開(kāi)關(guān)管Q1的漏極和源極分別接第二二極管的陰極、電感Z與第三開(kāi)關(guān)管込漏極的公共節(jié)點(diǎn)連接；能量釋放支路由第七二極管見(jiàn),和第三開(kāi)關(guān)管込串聯(lián)而成；第七二極管化，的陰極和陽(yáng)極分別接第三開(kāi)關(guān)管込的漏極、儲(chǔ)能電容G正極與輔助二極管公共節(jié)點(diǎn)連接；電感Z的另一端接第五二極管Dal的陽(yáng)極和輔助開(kāi)關(guān)管込的漏極；輔助開(kāi)關(guān)管込的源極接輸出濾波電容G及LED負(fù)載的正極端；續(xù)流二極管的陽(yáng)極和陰極分別與第四二極管的陽(yáng)極、第二二極管的陰極連接；輸出濾波電容G負(fù)極端、LED負(fù)載負(fù)極端、儲(chǔ)能電容6；負(fù)極端共同連接到第四二極管
的陰極連接。
[0009]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。
[0010]所述主開(kāi)關(guān)管0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。
[0011]所述儲(chǔ)能電容G匹配瞬時(shí)輸入功率和輸出功率的低頻脈動(dòng)功率，并且儲(chǔ)能電容的電壓設(shè)計(jì)為直流電壓疊加大脈動(dòng)紋波電壓的工作形式，其容值較小。
[0012]所述輔助二極管為儲(chǔ)能電容G提供能量?jī)?chǔ)存通道。
[0013]所述能量釋放支路在輸入功率小于輸出功率條件下通過(guò)釋放能量實(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。
[0014]所述輔助二極管和輔助開(kāi)關(guān)管込在輸入功率大于輸出功率(PiM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。
[0015]所述濾波電容C0可以濾除輸出電壓紋波。
[0016]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；調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管在不同輸入功率條件下的導(dǎo)通狀態(tài)，可以平衡瞬時(shí)輸入功率Av3和輸出功率Aj的低頻脈動(dòng)功率，并恒流驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載；能量釋放支路電感與Buck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】
[0017]圖1為現(xiàn)有無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的原理框圖。
[0019]圖3為本發(fā)明的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的主電路。
[0020]圖4為本發(fā)明的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的主要工作波形。
[0021]圖5為本發(fā)明的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路在?〈凡條件下的開(kāi)關(guān)管邏輯序列和主要工作波形。
[0022]圖6為本發(fā)明的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路在?條件下的開(kāi)關(guān)管邏輯序列和主要工作波形。
[0023]圖7為本發(fā)明的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路在~〈凡條件下的各開(kāi)關(guān)模態(tài)等效電路圖。
[0024]圖8為本發(fā)明的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路在條件下的各開(kāi)關(guān)模態(tài)等效電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和 具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。
[0026]實(shí)施例一:圖2為本實(shí)施例的一種基于Buck電路的無(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。
[0027]實(shí)施案例二:如圖3所示為本實(shí)施例的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路,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Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源主電路包括:橋式整流電路(I)、主開(kāi)關(guān)管(2)、續(xù)流二極管(3)、能量釋放支路(4)、電感(5)、輔助二極管(6)、儲(chǔ)能電容(7)、輔助開(kāi)關(guān)管(8)、輸出濾波電容(9)及LED負(fù)載(10)，其特征在于:所述橋式整流電路(I)依次接主開(kāi)關(guān)管(2)、續(xù)流二極管(3)、能量釋放支路(4)、電感(5)、輔助二極管(6)、儲(chǔ)能電容(7)、輔助開(kāi)關(guān)管(8)、輸出濾波電容(9)及LED負(fù)載(10)。所述橋式整流電路⑴由第一二極管(化7)、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QW與所述第四二極管QW的陽(yáng)極對(duì)接；主開(kāi)關(guān)管(2)即第一開(kāi)關(guān)管(0)的漏極和源極分別接第二二極管QW的陰極、電感(Z)與第三開(kāi)關(guān)管(Q3)漏極的公共節(jié)點(diǎn)連接；能量釋放支路⑷由第七二極管WJ和第三開(kāi)關(guān)管(Q3)串聯(lián)而成；第七二極管WJ的陰極和陽(yáng)極分別接第三開(kāi)關(guān)管(仏)的漏極、儲(chǔ)能電容(7)正極與輔助二極管(6)公共節(jié)點(diǎn)連接；電感(Z)的另一端接第五二極管QW的陽(yáng)極和輔助開(kāi)關(guān)管(8)的漏極；輔助開(kāi)關(guān)管(8)的源極接輸出濾波電容(9)及LED負(fù)載(10)的正極端；續(xù)流二極管(3)的陽(yáng)極和陰極分別與第四二極管QW的陽(yáng)極、第二二極管WJ的陰極連接；輸出濾波電容(9)負(fù)極端、LED負(fù)載(10)負(fù)極端、儲(chǔ)能電容(7)負(fù)極端共同連接到第四二極管、Dr:)的陰極連接。
[0028]下面以圖3為本實(shí)施案例的一種基于Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源的主電路，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Buck電路的無(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)(discontinuous currentmode, DCM)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，且主開(kāi)關(guān)管0的占空比在一個(gè)工頻周期內(nèi)基本保持不變。為了匹配瞬時(shí)輸入功率和輸出功率的不平衡，在Buck主電路上以三端口網(wǎng)絡(luò)形式加入儲(chǔ)能電容C；，儲(chǔ)能電容的能量可以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，且其能量釋放支路的電感與Buck主電路電感共用。在一個(gè)工頻周期內(nèi)，當(dāng)輸入功率小于輸出功率凡時(shí)，込一直開(kāi)通，控制込的導(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C3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b下降；當(dāng)輸入功率大于輸出功率Aj時(shí)，Q3 一直關(guān)斷，控制Q2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G上，所以儲(chǔ)能電容的電壓上升。由此可見(jiàn)，該LED驅(qū)動(dòng)電源在Ρ?η<Ρο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。
[0029]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)管込一直導(dǎo)通，在G時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通，整流二極管Drl和Dr4 (或者Dr2和Dr3)導(dǎo)通，輸入電源為L(zhǎng)ED負(fù)載供電，電感電流iz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Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，包括:橋式整流電路(I)、主開(kāi)關(guān)管(2)、續(xù)流二極管(3)、能量釋放支路(4)、電感(5)、輔助二極管(6)、儲(chǔ)能電容(7)、輔助開(kāi)關(guān)管(8)、輸出濾波電容(9)及LED負(fù)載(10)，其特征在于:所述橋式整流電路⑴依次接主開(kāi)關(guān)管(2)、續(xù)流二極管(3)、能量釋放支路(4)、電感(5)、輔助二極管(6)、儲(chǔ)能電容(7)、輔助開(kāi)關(guān)管⑶、輸出濾波電容(9)及LED負(fù)載(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Buck電路的無(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(化7)、第二二極管(/^)、第三二極管(DJ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(PJ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與所述第四二極管的陽(yáng)極對(duì)接；主開(kāi)關(guān)管(2)即第一開(kāi)關(guān)管m的漏極和源極分別接第二二極管的陰極、電感(Z)與第三開(kāi)關(guān)管(Q3)漏極的公共節(jié)點(diǎn)連接；能量釋放支路(4)由第七二極管(DJ和第三開(kāi)關(guān)管(仏)串聯(lián)而成；第七二極管(DJ的陰極和陽(yáng)極分別接第三開(kāi)關(guān)管(仏)的漏極、儲(chǔ)能電容(7)正極與輔助二極管(6)公共節(jié)點(diǎn)連接；電感(Z)的另一端接第五二極管⑵J的陽(yáng)極和輔助開(kāi)關(guān)管⑶的漏極；輔助開(kāi)關(guān)管⑶的源極接輸出濾波電容(9)及LED負(fù)載(10)的正極端；續(xù)流二極管(3)的陽(yáng)極和陰極分別與第四二極管(PJ的陽(yáng)極、第二二極管WJ的陰極連接；輸出濾波電容(9)負(fù)極端、LED負(fù)載(10)負(fù)極端、儲(chǔ)能電容(7)負(fù)極端共同連接到第四二極管QW的陰極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Buck電路的無(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Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于:所述儲(chǔ)能電容(7)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Buck電路的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于:調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管在不同輸入功率條件下的導(dǎo)通狀態(tài)，可以平衡輸入功率和輸出功率&的不平衡，并恒流驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。
【文檔編號(hào)】H05B37/02GK103997828SQ201410196896
【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)