CN109699106A - 一种单级无桥式高功率因数无电解电容led驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单级无桥式高功率因数无电解电容LED驱动器，包括功率因数校正单元和功率控制单元；功率因数校正单元包括第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管、第一电感、第二电感、第一电容和输入电源；功率控制单元包括第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第三电感、第三开关管、第一LED串和第二LED串。该驱动器具有成本低、功率密度高、长寿命且能实现恒频运行等。
Description
技术领域
本发明涉及两路LED均流及调光技术，特别涉及一种单级无桥式高功率因数无电解电容LED驱动器。
背景技术
高亮度发光二极管(HB-LED，简称LED)因其发光效率高、光学性能好、使用寿命长、色彩丰富、环保等显著特点，被广泛应用于可见光通信、紫外发光二极管、传输等领域。对于高功率LED驱动器，功率因数校正(PFC)电路被采用以实现单位功率因数，降低谐波对电网的污染，并满足IEC 61000-3-2C类设备和NEMA标准C82.77-2002。此外，传统LED驱动器经过整流、PFC和DC/DC变换，造成能量多级转换，导致高成本和低效率。为此，PFC电路和后级功率控制单元相结合的单级LED驱动器被提出，以提高功率密度。然而，由于电网侧整流桥的存在，特别在低电压大电流场合，过高的导通损耗抑制了整机效率进一步提高。此外，AC/DC变换器通过整流和PFC可将输入电流波形与输入的交流市电保持同频同相位，但输出功率存在二倍工频的脉动，影响LED寿命。为此，现有工作利用电解电容来平衡输入与输出的功率差ΔE，但电解液易挥发，其寿命范围一般为3000h～5000h，远远小于LED寿命；且电解电容体积过大限制了驱动器功率密度进一步提升。另外，恒频运行由于其控制简单，稳定性高，磁性器件易优化而被广泛应用于LED照明领域。然而，传统采用PWM电路的方式实现恒频调光，成本过高。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种单级无桥式高功率因数无电解电容LED驱动器。
本发明利用半桥单元，将前级无桥Boost电路与后级SRC相整合，实现了单级运行。该LED驱动器不仅功率因数近似为1，且输出电流为稳定直流，本发明中的无桥Boost电路由第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1、第二开关管Q2和第二电感Lb构成，SRC电路由第二电容Cs、第三电容Ce和第三电感L构成。
变换器工作在断续模式(DCM)，降低了半桥单元控制的复杂程度。另外，采用可控开关电容替代固定电容，通过改变等效电容值的方法实现恒频运行。
此外，SCC模块被上、下半桥共享从而降低了成本，提高了电路功率密度。
本发明采用如下技术内容：
一种单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，包括功率校正单元PFC和功率控制单元PC，所述功率校正单元PFC和功率控制单元PC并联连接。
所述功率校正单元PFC包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电感Lf、第二电感Lb、第一电容Cf和输入电源Vs；
所述第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极、输入电源Vs的正极及第一电容Cf的一端连接，所述输入电源Vs的负极与第一电感Lf的一端连接；
所述第一二极管D1的负极与第一开关管Q1的漏极相连接；
所述第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极及第二电感Lb的一端连接，所述第二电感Lb的另一端分别与第一电感Lf的另一端、第一电容Cf的另一端连接；
所述第二二极管D2的正极与第二开关管Q2的源极连接；
所述第一开关管Q1及第二开关管Q2的栅极与半桥驱动器相连接。
所述功率控制单元PC包括SCC模块、第四电容Cb1、第五电容Cb2、第六电容Co、第三电感Lr、第一LED串LED1和第二LED串LED2；
所述SCC模块一端与第二电感Lb的一端连接，其另一端与第三电感Lr的一端连接，所述第三电感Lr的另一端分别与第四电容Cb1及第五电容Cb2的一端连接；
所述第一LED串LED1连接在第四电容Cb1的另一端及第一二极管D1负极之间；
所述第二LED串连接在第五电容Cb2另一端及第二二极管D2正极之间。
所述SCC模块包括第二电容Cs、第三电容Ce及第三开关管S，所述第二电容Cs和第三开关管S串联后与第三电容Ce并联，再与第三电感Lr相串联。
所述第一开关管及第二开关管的驱动信号为占空比50％的定频方波，第三开关管的驱动信号与第一开关管的驱动信号保持同频同相位。
驱动器工作在断续模式。
第四电容和第五电容为薄膜电容。
当开关频率恒定时，在感性区域内调节SCC模块，实现恒定频率调光。
本发明的有益效果：
(1)本发明引入功率因数校正单元，使得驱动器的功率因数得到大大提高，基本上能接近于1；
(2)与传统LED驱动器经过整流、PFC和DC/DC变换，造成能量多级转换，导致的高成本和低效率相比，本发明实现了PFC单元和后级PC单元相结合的单级LED驱动器，并且SCC被上、下半桥共享，从而降低了成本，提高了电路功率密度；
(3)与传统采用PWM(Pulse-Width Modulation)控制的AC/DC LED驱动器相比，本发明采用SCC模块，其基本思路是利用反馈环调节SCC模块占空比，改变模块等效容值，以实现后级恒频运行，成本进一步减少；
(4)与现有AC/DC变换器利用电解电容来平衡输入与输出的功率差ΔE相比，本发明采用无寿命的薄膜电容替代体积大的电解电容，避免了电解电容因电解液的挥发而造成的LED串与驱动器寿面不匹配的缺点；
(5)本发明中变换器工作在断续模式(DCM)，降低了半桥单元控制的复杂程度和PFC单元中整流二极管的导通损耗；
(6)本发明采用可控开关电容替代固定电容，通过改变等效电容值的方法实现恒频运行；
(7)本发明可控开关电容被上、下半桥共享从而降低了成本，提高了电路功率密度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的驱动信号及输出理论波形示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1及图2所示，一种单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，包括功率校正单元PFC和功率控制单元PC。
所述功率校正单元PFC包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一电感Lf、第二电感Lb、第一电容Cf和输入电源Vs；
所述第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极、输入电源Vs的正极及第一电容Cf的一端连接；
所述第一二极管D1的负极与第一开关管Q1的漏极相连接；
所述第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极及第二电感Lb的一端连接，所述第二电感Lb的另一端分别与第一电感Lf的另一端、第一电容Cf的另一端连接；
所述第二二极管D2的正极与第二开关管Q2的源极连接；
所述第一开关管及第二开关管的栅极与与半桥驱动器相连接，图1中定频50％占空比为半桥驱动器。
所述功率控制单元包括SCC模块、第四电容Cb1、第五电容Cb2、第六电容Co、第三电感Lr、第一LED串LED1和第二LED串LED2；所述SCC模块包括第二电容Cs、第三电容Ce及第三开关管S，所述第二电容Cs和第三开关管S串联后与第三电容Ce并联，再与第三电感Lr相串联。
所述第一LED串LED1连接在第四电容Cb1及第一二极管D1负极之间；
所述第二LED串连接在第五电容Cb2另一端及第二二极管D2正极之间。
所述第四电容的一端、第五电容的一端与第三电感Lr另一端连接，所述第三电感Lr的一端分别于第三开关管S的源极连接、第三电容Ce的一端连接，所述第三电容Ce的另一端与第二电感Lb的另一极端及第二电容Cs连接，所述第二电容Cs另一端与第三开关管的漏极连接。
第四电容和第五电容为薄膜电容，两个电容合成bus电容。
第六电容与第二LED串连接。
所述第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管S的驱动信号分别为第一驱动信号G1、第二驱动信号G2和第三驱动信号G3，其中第一驱动信号G1和第二驱动信号G2为占空比50％的定频方波，第三驱动信号G3与第一驱动信号G1保持同频同相位。
所述单级无桥式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动器，按工作原理分析，一个工作周期共有五种工作模态：
模态1[t0,t1]:第一二极管D1和第一开关管Q1导通，第二二极管D2和第二开关管Q2反向截止，功率因数校正单元中输入电源Vs与第二电感Lb相串联，功率控制单元中第三电感Lr、第四电容Cb1、第一LED串LED1和SCC模块相串联，功率因数校正单元中第一二极管D1的阴极和第一开关管Q1的漏极与功率控制单元中第一LED串LED1相连接，功率因数校正单元中第二电感Lb的另一端和第一开关管Q1的源极与功率控制单元中SCC模块的另一端相连接，此时，输入电源Vs对第二电感Lb线性充电。
模态2[t1,t2]:第一二极管D1和第一开关管Q1导通，第二二极管D2和第二开关管Q2反向截止，功率因数校正单元PFC中输入电源Vs与第二电感Lb相串联，功率控制单元中第三电感Lr、第四电容Cb1、第一LED串LED1和SCC模块相串联，功率因数校正单元中第一二极管D1的阴极和第一开关管Q1的漏极与功率控制单元中第一LED串LED1相连接，功率因数校正单元中第二电感Lb的另一端和第一开关管Q1的源极与功率控制单元中SCC模块的另一端相连接，此时，第三电感Lr中电流反向，使得第一开关管Q1的续流二极管关断，第二电感Lb继续充电到最大值。
模态3[t2,t3]:第一二极管D1导通，第二二极管D2、第一开关管Q1和第二开关管Q2反向截止，由于第三电感Lr中电流反向，使得第二开关管Q2续流二极管导通；功率因数校正单元中输入电源Vs、第一二极管D1和第二电感Lb相串联，功率控制单元中，第四电容Cb1、第一LED串LED1相串联，第五电容Cb2、第二LED串LED2相串联，第三电感Lr、SCC模块相串联，第四电容Cb1、第五电容Cb2和第三电感Lr相连接，功率因数校正单元中第一二极管D1阴极与功率控制单元中第一LED串LED1相连接，功率因数校正单元中第二电感Lb另一端和第二开关管Q2漏极与功率控制单元中SCC模块相连接，功率因数校正单元中第二开关管Q2源极与功率控制单元中第二LED串LED2相连接，此时，第二电感Lb的电流ib线性减小。
模态4[t3,t4]:第一二极管D1和第二开关管Q2导通，第二二极管D2和第一开关管Q1反向截止，第三电感Lr中电流ir反向，续流结束。功率因数校正单元中输入电源Vs、第一二极管D1和第二电感Lb相串联；功率控制单元中，第四电容Cb1、第一LED串LED1相串联，第五电容Cb2、第二LED串LED2相串联，第三电感Lr、SCC模块相串联，第四电容Cb1、第五电容Cb2和第三电感Lr相连接，功率因数校正单元中第一二极管D1阴极与功率控制单元中第一LED串LED1相连接，功率因数校正单元中第二电感Lb另一端和第二开关管Q2漏极与功率控制单元中SCC模块相连接，功率因数校正单元中第二开关管Q2源极与第二LED串LED2相连接，此时，第五电容Cb2为SCC模块和第二LED串LED2提供能量。
模态5[t4,t5]:第二开关管Q2导通，第一二极管D1、第二二极管D2和第一开关管Q1反向截止。所述第二开关管Q2、第三电感Lr、第五电容Cb2和SCC模块串联，此时，第二电感Lb中的能量完全释放。
如图2所示，所述单级无桥式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动器五种工作模态的电路参数理论波形，对所述单级无桥式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动器仿真和试验验证表明，功率因数均保持在0.968以上。在输入电压为101V时，PF最高为0.989。此外，输入电压99V时电流失真最低，其值为6.1％。此外，经测量谐波与IEC 61000－3-2C标准之间的比较得知所提LED驱动器完全符合IEC 610003-2C限制。
所述单级无桥式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动器的恒频调光模块中电压增益MV、品质因数Q和归一化开关频率fn的关系如下式，电压增益Mv可以通过归一化频率fn和品质因数Q的比值来调节。当开关频率fs恒定时，谐振频率fr和品质因数随SCC的调整而改变。因此，在感性区域内调节SCC模块，可以实现恒定频率调光。
所述单级无桥式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动器的两路均流分析见(5)式和(6)式，若两Bus容抗相同，且远大于负载电阻，则ILDE1和ILDE2的比率近似为1。
所述单级无桥式高功率因数无电解电容AC/DC LED驱动器，经仿真和试验验证，功率因数均保持在0.968以上。在输入电压为101V时，PF最高为0.989。此外，输入电压99V时电流失真最低，其值为6.1％。此外，经测量谐波与IEC 61000－3-2C标准之间的比较得知所提LED驱动器完全符合IEC 610003-2C限制。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，其特征在于，包括功率校正单元(PFC)和功率控制单元(PC)，所述功率校正单元(PFC)和功率控制单元(PC)并联连接。
2.根据权利要求1所述的单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，其特征在于，
所述功率校正单元(PFC)包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第一电感(Lf)、第二电感(Lb)、第一电容(Cf)和输入电源(Vs)；
所述第一二极管(D1)的正极、第二二极管(D2)的负极、输入电源(Vs)的正极及第一电容(Cf)的一端连接，所述输入电源(Vs)的负极与第一电感(Lf)的一端连接；
所述第一二极管(D1)的负极与第一开关管(Q1)的漏极相连接；
所述第一开关管(Q1)的源极、第二开关管(Q2)的漏极及第二电感(Lb)的一端连接，所述第二电感(Lb)的另一端分别与第一电感(Lf)的另一端、第一电容(Cf)的另一端连接；
所述第二二极管(D2)的正极与第二开关管(Q2)的源极连接；
所述第一开关管(Q1)及第二开关管(Q2)的栅极与半桥驱动器相连接。
3.根据权利要求2所述的单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，其特征在于，所述功率控制单元(PC)包括SCC模块、第四电容(Cb1)、第五电容(Cb2)、第六电容(Co)、第三电感(Lr)、第一LED串(LED1)和第二LED串(LED2)；
所述SCC模块一端与第二电感(Lb)的一端连接，其另一端与第三电感(Lr)的一端连接，所述第三电感(Lr)的另一端分别与第四电容(Cb1)及第五电容(Cb2)的一端连接；
所述第一LED串(LED1)连接在第四电容(Cb1)的另一端及第一二极管(D1)负极之间；
所述第二LED串连接在第五电容(Cb2)另一端及第二二极管(D2)正极之间。
4.根据权利要求3所述的单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，其特征在于，所述SCC模块包括第二电容(Cs)、第三电容(Ce)及第三开关管(S)，所述第二电容(Cs)和第三开关管(S)串联后与第三电容(Ce)并联，再与第三电感(Lr)相串联。
5.根据权利要求4所述的单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，其特征在于，所述第一开关管及第二开关管的驱动信号为占空比50％的定频方波，第三开关管的驱动信号与第一开关管的驱动信号保持同频同相位。
6.根据权利要求1所述的单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，其特征在于，驱动器工作在断续模式。
7.根据权利要求3所述的单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，其特征在于，第四电容和第五电容为薄膜电容。
8.根据权利要求3所述的单级无桥式高功率因数无解电容LED驱动器，其特征在于，当开关频率恒定时，在感性区域内调节SCC模块，实现恒定频率调光。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113099576A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-09 | 福州大学 | 一种单级式两开关无电解电容led驱动电源及控制方法 |
| CN113099576B (zh) * | 2021-04-21 | 2022-04-08 | 福州大学 | 一种单级式两开关无电解电容led驱动电源及控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109699106B (zh) | 2024-06-14 |
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