CN107509280B - 一种高频隔离型led驱动电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频隔离型LED驱动电路及其控制方法，属于电力电子技术领域。目的是提出一种新型单极高频隔离型拓扑，采用零电压软开关技术，具有转换效率高、输入电流谐波含量低和功率因数高等特点。LED驱动电路包括整流桥、主功率管、辅开关管、升压电感、寄生电容、反并联二极管、钳位电容、寄生二极管、隔离变压器、谐振电感、原边电容、副边电容、第一副边整流二极管、第二副边整流二极管、输出电容；控制方法采用一个开关周期内主开关管和辅开关管互补导通的方式实现。

Description

一种高频隔离型LED驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种高频隔离型LED驱动电路及其控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

发光二极管(LED)具有效率高、寿命长、无污染、体积小等优点，具有广泛的应用前景。LED驱动作为其核心部件，目前已成为研究热点。开发长寿命、高功率因数、低成本和高可靠性，并能满足国际电工组织制定的 IEC61000-3-2谐波标准的LED驱动电源，已成为发展的必然趋势。

目前实现AC/DC恒压恒流输出的LED驱动电源有单级变换和两级变换方案。采用两级功率变换的LED驱动电源，前级AC/DC变换实现PFC功能，后级 DC/DC实现直流电压调节功能，但由于经过两级功率变换，效率偏低。单级方案一般采用反激(Flyback)等拓扑实现功率因数(Power Factor Correction, PFC)和调节输出电压，由于其仅经过一级功率变换，具有转换效率高、控制简单、低成本等优点。

本方案提出了一种新的单级拓扑方案，能实现输入电流谐波含量低和功率因数高的效果。

发明内容

因此，本发明针对现有技术中的上述不足，提出一种新型单极高频隔离型拓扑，采用零电压软开关技术，具有转换效率高、输入电流谐波含量低和功率因数高等特点。

具体的，本发明提供了一种高频隔离型LED驱动电路，包括整流桥，所述高频隔离型LED驱动电路还包括主功率管、辅开关管、升压电感、寄生电容、反并联二极管、钳位电容、寄生二极管、隔离变压器、谐振电感、原边电容、副边电容、第一副边整流二极管、第二副边整流二极管、输出电容；

主功率管一端连接在谐振电容和升压电感之间，另一端连接在变压器原边负端。辅开关管和钳位电容串联后，一端连接在谐振电容和升压电感之间，另一端连接在变压器原边负端。升压电感连接在整流桥与主功率管的集电极之间，寄生电容与主功率管并联，反并联二极管与主功率管反并联连接，钳位电容与辅开关管的集电极串联，寄生二极管与辅开关管反并联连接，原边电容与谐振电感串联后连接在辅开关管的发射极与隔离变压器的原边之间；副边电容与第二副边整流二极管串联在隔离变压器的副边正极输出端，第一副边整流二极管连接在隔离变压器的副边负极输出端与副边电容之间，输出电容连接在隔离变压器的副边负极输出端与第一副边整流二极管之间，第一副边整流二极管与第二副边整流二极管的导通方向相反。

进一步的，所述整流桥包括四个输入整流二极管组成的全桥整流电路。

本发明还提供了一种基于上述一种高频隔离型LED驱动电路的高频隔离型LED驱动电路控制方法，所述控制方法通过控制工作周期实现，所述工作周期具体包括：

第一阶段：

主功率管导通，辅开关管关断，升压电感电流线性增加，谐振电感电流减小，其方向为正，谐振电容电压增加；变压器副边电流为负且逐渐增加到零；第二副边整流二极管导通，副边电容电压升高，输出电容充电，且输出电压增加；此状态一直持续到谐振电感电流减小到零；

第二阶段：

主功率管保持导通，辅开关管保持关断，输入电感电流保持线性增加，谐振电感电流由正变负，原边电容开始放电，原边电容电压开始减小；变压器副边电流由负变正，第一副边整流二极管导通，副边电容开始放电，副边电容电压减小。第二副边整流二极管截止，输出电容的输出电压减小；

第三阶段：

主功率管关断，辅开关管保持关断，升压电感电流开始线性减小,谐振电感电流开始增加，但依然为负值；升压电感电流给主功率管的寄生电容充电，寄生电容电压开始升高；第一副边整流二极管一直导通，副边电容开始放电，副边电容电压减小，输出电容的输出电压减小；谐振电感电流开始慢慢增加直到变成零；

第四阶段：

主功率管和辅开关管保持关断；升压电感电流保持线性减小；谐振电感电流由零开始增加；第一副边整流二极管截止，第二副边整流二极管开始导通，并给副边电容充电，副边电容电压开始增加，输出电容的输出电压增加；当主功率管的寄生电容电压大于或等于钳位电容电压时，辅开关管的寄生二极管开始导通，开始给钳位电容充电；直到辅开关管开始导通；

第五阶段：

辅开关管开通，由于辅开关管的寄生二极管已经导通，辅开关管处于零电压开通状态，同时钳位电容开始放电；谐振电感电流继续增大；第二副边整流二极管保持导通，副边电容电压升高，输出电容的输出电压增加；升压电感电流保持线性减小；

第六阶段：

辅开关管关断；谐振电感电流开始减小；第二副边整流二极管保持导通，输出电容的输出电压升高，副边电容电压增加；升压电感电流保持线性减小；设谐振电感中存储的能量大于寄生电容存储的能量，寄生电容电压将被放电至零，此时主功率管的反并联二极管导通；若此时开通主功率管，则主功率管处于零电压开通状态，另一个周期开始。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种高频隔离型LED驱动电路及其控制方法，相比于现有技术的单级变换和两级变换方案，具有转换效率高、输入电流谐波含量低和功率因数高等特点，有很高的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种高频隔离型LED驱动电路的电路拓扑图；

图2是本发明一种高频隔离型LED驱动电路的控制方法的全周期示意图；

图3是第一阶段的等效电路图；

图4是第二阶段的等效电路图；

图5是第三阶段的等效电路图；

图6是第四阶段的等效电路图；

图7是第五阶段的等效电路图；

图8是第六阶段的等效电路图；

图9a、图9b分别为主开关管及辅开关管的驱动波形和电压应力波形图；

图10为输出功率从空载到满载(60W)时，输入电压分别为220V时，LED 驱动器的转换效率图；

图11为输入电压分别为220V时，输出功率从空载到满载时(60W)时，输入电流畸变率图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本实施例提出一种新型单极高频隔离型拓扑，采用零电压软开关技术，具有转换效率高、输入电流谐波含量低和功率因数高等特点，电路拓扑如图1所示。

主电路部分采用基于有源钳位隔离型软开关方案。由输入整流二极管D₁～ D₄组成的整流桥、主功率管Q₁、辅开关管Q₂、升压电感L、功率管寄生电容 C_r、高频隔离变压器T₁、谐振电感L_r、原边电容C_P、副边电容C_S和整流二极管 D₅和D₆、输出电容C_out构成。主管和辅管按照互补开通方式工作，可以实现两个开关管的ZVS零电压导通。谐振电感L_r和原边电容C_P构成谐振电路，谐振频率可以大于、小于或等于开关频率。如图2所示，以谐振频率低于开关频率为例进行分析，分六个阶段。

第一阶段(t₀-t₁)：

t₀时刻，主功率管Q₁导通，辅开关管Q2关断，输入电感电流i_L线性增加，谐振电感电流i_Lr减小，但其方向为正，谐振电容电压U_Cp增加。变压器副边电流为负，且逐渐增加到零。二极管D₆导通，电容电压U_Cs升高，输出电容 C_out充电，且电压U_out增加。其等效电路图如图3所示。此状态一直持续到t₁时刻,谐振电感电流i_Lr减小到零。

第二阶段(t₁-t₂)：

t₁时刻，主功率管Q₁保持导通，辅开关管Q₂保持关断，输入电感电流i_L保持线性增加，谐振电感电流i_Lr由正变负，电容C_p开始放电，谐振电容电压 U_Cp开始减小。变压器副边电流由负变正，副边二极管D₅导通，电容C_S开始放电，电容电压U_Cs减小，输出电容电压U_out减小。其等效电路图如图4所示。

第三阶段(t₂-t₃)：

t₂时刻，主功率管开始Q₁关断，辅开关管Q₂保持关断，输入电感电流i_L开始线性减小,谐振电感电流i_Lr开始增加，但依然为负值。电感电流i_L给主功率管Q₁寄生电容C_r充电，电容电压U_Cr开始升高。副边二极管D₅一直导通，电容Cs开始放电，电容电压U_Cs减小，二极管D₆截止，输出电压电压U_out减小。谐振电感电流i_Lr开始慢慢增加直到t₃时刻变成零。此充电过程时间较短，在此过程中输入电感电流i_L大小基本保持恒定。其等效电路图如图5所示。

第四阶段(t₃-t₄)：

t₃时刻，主功率管Q₁和辅开关管Q₂保持关断。输入电感电流i_L保持线性减小。谐振电感电流i_Lr开始由零开始增加。副边二极管D₆开始导通，并给电容Cs充电，电容电压U_Cs开始增加，输出电容电压U_out增加。当主功率管寄生电容电压U_cr电压大于或等于钳位电容电压U_c时，辅管Q₂寄生二极管开始导通，开始给钳位电容C_c充电。直到t₄时刻，辅管Q₂开始导通。其等效电路图如图6所示。

第五阶段(t₄-t₅)：

t₄时刻，辅开关管Q₂开通，由于辅开关管的反并联二极管已经导通，辅开关管处于零电压(ZVS)开通状态，钳位电容C_C开始放电，谐振电感电流i_Lr继续增大。二极管D₆保持导通，电容电压U_Cs升高，输出电容电压U_out增加。输入电感电流i_L保持线性减小。其等效电路图如图7所示。

第六阶段(t₅-t₆)：

t₅时刻，辅开关管Q₂关断。谐振电感电流i_Lr开始减小。二极管D₆保持导通，输出电容电压U_out升高，电容电压U_Cs增加。输入电感电流i_L保持线性减小。假设谐振电感L_r中存储的能量大于寄生电容C_r存储的能量，寄生电容电压将被放电至零，此时主功率管的反并联二极管导通。若此时开通主功率管，则主功率管处于零电压开通状态。t₆开通Q₁，另一个周期开始。其等效电路图如图8所示。

图9a为主开关管Q1驱动及电压应力波形，由图可知，功率管开通时，电压应力接近于零，处于零电压开通状态。同样，图9b为辅开关管零电压开通波形。

搭建了60W LED驱动样机进行了实验验证，其中输出为48V/1.3A，开关频率85kHZ。图10为LED驱动转换效率曲线。

图10为输出功率从空载到满载(60W)时，输入电压分别为220V时，LED 驱动器的转换效率图，由图可知，最高效率达到95.4％。

图11为输入电压分别为220V时，输出功率从空载到满载时(60W)时，输入电流畸变率，由图可知，输入电流畸变率最低为3.1％。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高频隔离型LED驱动电路的高频隔离型LED驱动电路控制方法，通过高频隔离型LED驱动电路实现，高频隔离型LED驱动电路包括整流桥、主功率管、辅开关管、升压电感、寄生电容、反并联二极管、钳位电容、寄生二极管、隔离变压器、谐振电感、原边电容、副边电容、第一副边整流二极管、第二副边整流二极管、输出电容；

主功率管一端连接在谐振电容和升压电感之间，另一端连接在变压器原边负端；辅开关管和钳位电容串联后，一端连接在谐振电容和升压电感之间，另一端连接在变压器原边负端；升压电感连接在整流桥与主功率管的集电极之间，寄生电容与主功率管并联，反并联二极管与主功率管反并联连接，钳位电容与辅开关管的集电极串联，寄生二极管与辅开关管反并联连接，原边电容与谐振电感串联后连接在辅开关管的发射极与隔离变压器的原边之间；副边电容与第二副边整流二极管串联在隔离变压器的副边正极输出端，第一副边整流二极管连接在隔离变压器的副边负极输出端与副边电容之间，输出电容连接在隔离变压器的副边负极输出端与第一副边整流二极管之间，第一副边整流二极管与第二副边整流二极管的导通方向相反；

其特征在于，所述控制方法通过控制工作周期实现，所述工作周期具体包括：

第一阶段：

主功率管导通，辅开关管关断，升压电感电流线性增加，谐振电感电流减小，其方向为正，谐振电容电压增加；变压器副边电流为负且逐渐增加到零；第二副边整流二极管导通，副边电容电压升高，输出电容充电，且输出电压增加；此状态一直持续到谐振电感电流减小到零；

第二阶段：

主功率管保持导通，辅开关管保持关断，输入电感电流保持线性增加，谐振电感电流由正变负，原边电容开始放电，原边电容电压开始减小；变压器副边电流由负变正，第一副边整流二极管导通，副边电容开始放电，副边电容电压减小，第二副边整流二极管截止，输出电容的输出电压减小；

第三阶段：

主功率管关断，辅开关管保持关断，升压电感电流开始线性减小,谐振电感电流开始增加，但依然为负值；升压电感电流给主功率管的寄生电容充电，寄生电容电压开始升高；第一副边整流二极管一直导通，副边电容开始放电，副边电容电压减小，输出电容的输出电压减小；谐振电感电流开始慢慢增加直到变成零；

第四阶段：

主功率管和辅开关管保持关断；升压电感电流保持线性减小；谐振电感电流由零开始增加；第一副边整流二极管截止，第二副边整流二极管开始导通，并给副边电容充电，副边电容电压开始增加，输出电容的输出电压增加；当主功率管的寄生电容电压大于或等于钳位电容电压时，辅开关管的寄生二极管开始导通，开始给钳位电容充电；直到辅开关管开始导通；

第五阶段：

辅开关管开通，由于辅开关管的寄生二极管已经导通，辅开关管处于零电压开通状态，同时钳位电容开始放电；谐振电感电流继续增大；第二副边整流二极管保持导通，副边电容电压升高，输出电容的输出电压增加；升压电感电流保持线性减小；

第六阶段：

辅开关管关断；谐振电感电流开始减小；第二副边整流二极管保持导通，输出电容的输出电压升高，副边电容电压增加；升压电感电流保持线性减小；设谐振电感中存储的能量大于寄生电容存储的能量，寄生电容电压将被放电至零，此时主功率管的反并联二极管导通；若此时开通主功率管，则主功率管处于零电压开通状态，另一个周期开始。