一种单级式无电解电容led驱动电源的制作方法
【专利摘要】一种单级式无电解电容LED驱动电源，其本质是一个AC/DC变换器，由输入滤波整流电路、反激原边开关电路、辅助绕组全桥双向电路、副边整流滤波电路组成。其通过固定主开关MOS管Q1占空比实现功率因数校正；工作在电流断续模式，避免副边二极管QR的反向恢复；其主电路为1、2、4部分组成的反激变换器，在反激变换器的隔离变压器增加一个绕组，辅助绕组侧采用功率双向流动的全桥变换器来平衡输入和输出功率瞬时脉动之差，通过增加辅助储能电容的平均电压和电压脉动来减小辅助储能电容容值大小；去除输出电流的两倍工频交流分量，减小输出滤波电容容值大小，可用薄膜电容代替电解电容，实现体积小，长寿命；LED驱动电源的输出电流为恒流。
【专利说明】—种单级式无电解电容LED驱动电源
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种单级式无电解电容LED驱动电源，其属于开关电源尤其是LED驱动电源应用领域。
【背景技术】
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[0002]随着人类社会的飞速发展，能源消费需求迅速增加，能源危机日益严重。解决能源危机主要有两个途径，途径之一是开发可再生能源，减少对传统化石能源的依赖；另一条途径是寻求新的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。其中照明是人类消耗能源的一个重要方面，传统的照明产品如白炽灯，荧光灯，高压钠灯等，存在着功耗高效率低的严重问题。因此降低照明所需要的电能，将有利于降低全球能源消耗。近年来，绿色节能照明已成为世界各国关注的重要问题，对新型光源的需求也越来越迫切。
[0003]LED (Light Emitting D1de)发光二极管凭借其清洁高效、光效高、寿命长、模拟自然光等优点，在这几年得到了高速发展，被广泛应用于各种场合。LED很重要的优点之一是使用寿命很长，约3万?10万小时。传统LED驱动电源在输入功率因数为I时，其输入电流是与其输入电压为相位相同的正弦波，因此其输入功率的形式为正弦的平方。而由于其恒压负载特性且需要恒流驱动，因此其输出功率是平直的。所以其驱动电源需要容值很大的储能电容来均衡输入功率和输出功率，该储能电容多采用电解电容。而电解电容的寿命一般只有5000小时，LED本体的寿命有100000小时，两者之间的工作寿命相差甚远，因此电解电容是限制LED驱动电源寿命的关键因素。并且电解电容体积较大，影响了驱动电源功率密度的进一步提高。为此，需要去除LED驱动电源中的电解电容。
【发明内容】
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[0004]本发明的目的在于提供一种单级式无电解电容LED驱动电源，由于LED驱动电源功率较小，且输出电压较低，采用结构简单的反激变换器作为功率因数校正的主电路，通过在反激变换器的隔离变压器上增加一个辅助绕组，辅助绕组侧采用功率双向流动全桥变换器来平衡输入和输出功率瞬时脉动之差，使得输出滤波电容可采用容值较小的薄膜电容。
[0005]本发明采用如下技术方案:一种单级式无电解电容LED驱动电源，其包括输入滤波整流电路、反激原边开关电路、辅助绕组全桥双向电路、副边整流滤波电路及隔离变压器。
[0006]进一步地，隔离变压器T1由一个原边绕组和两个副边绕组组成，包括隔离变压器T1原边电感Lm和漏感；
[0007]输入滤波整流电路I的滤波电路由输入滤波电感L1和输入滤波电容C1并联在电网输入两端组成，输入滤波整流电路I的整流部分采用四个二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥不控整流电路并联在滤波电路两端；
[0008]反激原边开关电路2由隔离变压器T1原边绕组的异名端与主开关MOS管Q1的漏极相连组成，主开关MOS管Q1包括其寄生二极管和寄生电容；
[0009]辅助绕组全桥双向电路3由第一、第二辅助IGBT管Qsl、Qs2及第一、第二辅助MOS管Qs3、Qs4，第一、第二辅助二极管Ds1、Ds2及辅助储能电容Cb组成，其中第一辅助IGBT管Qsl和第一辅助二极管Dsl以及第一辅助MOS管Qs3依次串联，第二辅助IGBT管Qs2和第二辅助二极管Ds2以及第二辅助MOS管Qs4依次串联后组成两个桥臂并联，并且并联在隔离变压器T1第二个副边绕组两端，隔离变压器T1第二个副边绕组的异名端与第一、第二辅助IGBT管Qsl>Qs2的集电极相连，同名端与第一、第二辅助MOS管Qs3、Qs4的源级相连，辅助储能电容Cb的一端连在第一辅助IGBT管Qsl与第一辅助二极管Dsl的中点，另一端连在第二辅助IGBT管Qs2与第二辅助二极管Ds2的中点，第一、第二辅助IGBT管Qsl、Qs2各自包含其寄生电容，第一、第二辅助MOS管Qs3、Qs4各自包含其寄生二极管和寄生电容；
[0010]副边整流滤波电路4由整流二极管DK，整流MOS管Qk以及输出滤波电容C2和输出滤波电感L2组成，隔离变压器T1第一个副边绕组的异名端连于整流二极管Dk的阳极，整流二极管Dk与整流MOS管Qk、输出滤波电感L2串联后连于LED负载的正输出端，隔离变压器T1第一个副边绕组的同名端与LED负载的负输出端相连,输出滤波电容C2并联于整流MOS管Qk的源级与LED负载的负输出端之间，整流MOS管Qk包含其寄生二极管和寄生电容。
[0011]本发明具有如下有益效果:
[0012](I)采用固定主开关MOS管Q1的方式实现功率因数校正；
[0013](2)变换器工作在断续模式，避免了副边二极管的反向恢复；反激变换器的隔离变压器增加一个绕组，辅助绕组侧采用功率双向流动全桥变换器来平衡输入和输出功率脉动之差，通过增加辅助储能电容的平均电压和电压脉动来减小辅助电容容值大小，去除LED驱动电源中的驱动电流的两倍工频交流分量，减小输出滤波电容容值大小，使其可以用薄膜电容代替电解电容，实现体积小，长寿命；
[0014](3)增加的辅助电路不影响主电路工作，辅助电路只处理输入输出瞬时功率脉动之差;
[0015](4)LED驱动电源的输出电流为恒流,适用于需要恒流输出的LED驱动电源应用场入口 ο
【专利附图】
【附图说明】
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[0016]图1为本发明单级式无电解电容LED驱动电源的结构示意图。
[0017]图2为单级式无电解电容LED驱动电源的主要波形示意图。
[0018]图3-图7为各开关模态的等效电路结构示意图。
[0019]上述附图中的主要符号名称:vin—电网电压山一输入滤波电感K1 一输入滤波电容A、D2, D3> D4+二极管说一主开关MOS管；Qsl—第一辅助IGBT管；Qs2—第二辅助IGBT管；Qs3—第一辅助MOS管；Qs4—第二辅助MOS管；Dsl—第一辅助二极管；Ds2—第二辅助二极管；Cb—辅助储能电容J1 一隔离变压器；DK—整流二极管；QK—整流MOS管；C2—输出滤波电容山2—输出滤波电感；V。一输出电压；1。一输出电流；Cb—辅助储能电容；pin—输入功率；P。一输出功率—输入功率与输出功率瞬时功率脉动之差；TliM—工频周期；Lm—原边电感；is2—第二个副边绕组上的电流；isl—第一个副边绕组上的电流；iin—电网输入电流；ip—变压器T1原边电流；Vd3—辅助储能电容两端电压；vab—A点和B点间电压。【具体实施方式】:
[0020]请参照图1所示，本发明单级式无电解电容LED驱动电源由输入滤波整流电路1、反激原边开关电路2、辅助绕组全桥双向电路3、副边整流滤波电路4组成。其主电路为1、
2、4部分组成的反激变换器。
[0021]隔离变压器T1由一个原边绕组和两个副边绕组组成，包括原边电感(由自感产生)和漏感。输入滤波整流电路I的滤波电路由输入滤波电感L1和输入滤波电容C1并联在电网输入两端组成，整流部分采用四个二极管01、02、队、04组成的全桥不控整流电路并联在滤波电路两端。反激原边开关电路2由隔离变压器T1原边绕组的异名端与主开关MOS管Q1的漏极相连组成。主开关MOS管Q1包括其寄生二极管和寄生电容。辅助绕组全桥双向电路3的组成是，将第一辅助IGBT管Qsl和第一辅助二极管Dsl以及第一辅助MOS管Qs3依次串联，第二辅助IGBT管Qs2和第二辅助二极管Ds2以及第二辅助MOS管Qs4依次串联后组成两个桥臂并联，并且并联在隔离变压器T1第二个副边绕组两端。隔离变压器T1第二个副边绕组的异名端与第一、第二辅助IGBT管Qs1、Qs2的集电极相连，同名端与第一、第二辅助MOS管Qs3、Qs4的源级相连。辅助储能电容Cb的一端连在第一辅助IGBT管Qsl与第一辅助二极管Dsl的中点，另一端连在第二辅助IGBT管Qs2与第二辅助二极管Ds2的中点。第一、第二辅助IGBT管Qs1、Qs2各自包含其寄生电容，第一、第二辅助MOS管Qs3、Qs4各自包含其寄生二极管和寄生电容。
[0022]副边整流滤波电路4由整流二极管DK，整流MOS管Qk以及输出滤波电容C2和输出滤波电感L2组成。隔离变压器T1第一个副边绕组的异名端连于整流二极管Dk的阳极。整流二极管Dk与整流MOS管Qk、输出滤波电感L2串联后连于LED负载的正输出端。隔离变压器T1第一个副边绕组的同名端与LED负载的负输出端相连。输出滤波电容C2并联于整流MOS管Qk的源级与LED负载的负输出端之间。整流MOS管Qk包含其寄生二极管和寄生电容。
[0023]交流市电经过由输入滤波电感L1和输入滤波电容C1组成的滤波电路连接由二极管Dp D2, D3、D4组成的整流桥，其正极与隔离变压器T1原边绕组的同名端相连。隔离变压器T1原边绕组的异名端连接主开关MOS管Q1的漏极，主开关MOS管Q1的源级与整流桥负极相连。
[0024]辅助绕组全桥双向电路3由两个辅助IGBT管Qsl、Qs2及两个辅助MOS管Qs3、Qs4,两个辅助二极管ds1、ds2及辅助储能电容Cb组成。其中辅助储能电容Cb的作用是用来平衡输入功率与输出功率脉动之差。
[0025]隔离变压器T1的副边采用整流二极管Dk和整流MOS管Qk整流，通过输出滤波电容C2和输出滤波电感L2滤波。
[0026]下面结合图1单级式无电解电容LED驱动电源的结构和图2单级式无电解电容LED驱动电源的主要波形示意图说明单级式无电解电容LED驱动电源实现无电解电容的基本方法。由图2可以看出，当功率因数为I时，输入电压与输入电流相位相同，因此输入功率为
[0027]Pin = Vhi{I(Z) = KiSin (Ot XIm sinω? =匕八(丨 ^losuot^(I)
[0028]式中Vm为电网输入电压的有效值，Im为输入电流的有效值。
[0029]由于LED的恒压负载特性，以及需要恒流驱动，因此输出功率是平直的，记为P。。假设变换器的效率为100%，则平均输入功率与输出功率应该相等。由此可以得到输入功率与输出功率瞬时功率脉动之差
[0030]prip = pin(t)_P。=-P0cos2cot (2)
[0031]使得辅助储能电容上的瞬时功率与输入功率输出功率瞬时脉动之差相等，即可平衡输入功率与输出功率脉动之差。在[Tliny8，3Tiinys]内，辅助储能电容cb吸收的能量为
【权利要求】
1.一种单级式无电解电容LED驱动电源，其特征在于:包括输入滤波整流电路(I)、反激原边开关电路(2)、辅助绕组全桥双向电路(3)、副边整流滤波电路(4)及隔离变压器(T1)。
2.如权利要求1所述的单级式无电解电容LED驱动电源，其特征在于:隔离变压器(T1)由一个原边绕组和两个副边绕组组成，包括隔离变压器(T1)原边电感(Lm)和漏感； 输入滤波整流电路(I)的滤波电路由输入滤波电感(L1)和输入滤波电容(C1)并联在电网输入两端组成，输入滤波整流电路(I)的整流部分采用四个二极管(D1、D2、D3、D4)组成的全桥不控整流电路并联在滤波电路两端； 反激原边开关电路(2)由隔离变压器(T1)原边绕组的异名端与主开关MOS管(Q1)的漏极相连组成，主开关MOS管(Q1)包括其寄生二极管和寄生电容； 辅助绕组全桥双向电路(3)由第一、第二辅助IGBT管(Qsl、Qs2)及第一、第二辅助MOS管(Qs3、Qs4)，第一、第二辅助二极管(Ds1、Ds2)及辅助储能电容(Cb)组成，其中第一辅助IGBT管(Qsl)和第一辅助二极管(Dsl)以及第一辅助MOS管(Qs3)依次串联，第二辅助IGBT管(Qs2)和第二辅助二极管(Ds2)以及第二辅助MOS管(Qs4)依次串联后组成两个桥臂并联，并且并联在隔离变压器(T1)第二个副边绕组两端，隔离变压器(T1)第二个副边绕组的异名端与第一、第二辅助IGBT管(Qsl)、(Qs2)的集电极相连，同名端与第一、第二辅助MOS管(Qs3、Qs4)的源级相连，辅助储能电容(Cb)的一端连在第一辅助IGBT管(Qsl)与第一辅助二极管(Dsl)的中点，另一端连在第二辅助IGBT管(Qs2)与第二辅助二极管(Ds2)的中点，第一、第二辅助IGBT管(Qs1、Qs2)各自包含其寄生电容，第一、第二辅助MOS管(Qs3、Qs4)各自包含其寄生二极管和寄生电容； 副边整流滤波电路⑷由整流二极管(Dk)，整流MOS管(Qk)以及输出滤波电容(C2)和输出滤波电感(L2)组成，隔离变压器(T1)第一个副边绕组的异名端连于整流二极管(Dk)的阳极，整流二极管(Dk)与整流MOS管(Qk)、输出滤波电感(L2)串联后连于LED负载的正输出端，隔离变压器(T1)第一个副边绕组的同名端与LED负载的负输出端相连，输出滤波电容(C2)并联于整流MOS管(Qk)的源级与LED负载的负输出端之间，整流MOS管(Qk)包含其寄生二极管和寄生电容。
【文档编号】H05B37/00GK104202862SQ201410371111
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】金科, 张艺文, 沈志远 申请人:南京航空航天大学