CN209593841U - 基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,包括图腾柱PFC电路、半桥LLC谐振电路、隔离变压器T、全波整流器;所述图腾柱PFC电路的输入接交流电源,输出接半桥LLC谐振电路的输入;半桥LLC谐振电路接在隔离变压器T的原边侧,全波整流器接在隔离变压器T的副边侧;图腾柱PFC电路受控于工频方波信号和高频PWM信号,其中工频方波信号用于控制图腾柱PFC电路中的MOSFET管交替导通,高频PWM信号用于控制PFC电路中的GaN HEMT器件交替导通。本实用新型中GaN HEMT器件桥臂为图腾柱PFC电路和半桥LLC谐振电路共享桥臂。本实用新型具有开关损耗小,效率高,电源的功率密度高,体积小的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于LED灯的驱动电源技术领域,尤其是一种基于GaN器件的LED灯电源。
背景技术
近年来,LED灯因其低损耗、长寿命、绿色节能的优点而得到了广泛的推广和应用。作为LED灯具“心脏”的驱动电源成为目前LED照明推广和发展的重要组成部分。随着科技日新月异的发展,LED驱动电源虽然也得到了快速的发展,但现阶段主要有三段式恒流式和三段式稳压式电源,其体积较大,效率低,采用常规技术很难更好提升其效果。
随着现代技术的飞跃发展,新型GaN器件性能不断提高,较常规硅基MOSFET,其开关频率越来越高,因此,超小体积、超低功耗,高可靠性等成为LED灯电源发展的一个趋势。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足,提供一种基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,开关损耗小,效率高,电源的功率密度高,体积小。本实用新型采用的技术方案是:
一种基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,包括图腾柱PFC电路、半桥LLC谐振电路、隔离变压器T、全波整流器;
所述图腾柱PFC电路的输入接交流电源,输出接半桥LLC谐振电路的输入;半桥LLC谐振电路接在隔离变压器T的原边侧,全波整流器接在隔离变压器T的副边侧;图腾柱PFC电路受控于工频方波信号和高频PWM信号,其中工频方波信号用于控制图腾柱PFC电路中的MOSFET管交替导通,高频PWM信号用于控制PFC电路中的GaN HEMT器件交替导通。
具体地,图腾柱PFC电路包括输入滤波电感Lb、两只工频运行的MOSFET管M1、M2、两只高频运行的GaN HEMT器件H1、H2;其中M1和M2组成PFC电路的左桥臂,M1的D端连接高压侧直流正母线P,M1的S端连接M2的D端,组成中性点O1,中性点O1连接电感Lb的一端,电感Lb的另外一端连接交流电源的一端,M2的S端连接高压侧直流负母线N;其中H1和H2组成PFC电路的右桥臂,H1的D端连接高压侧正母线P,H1的S端连接H2的D端,组成中性点O2,中性点O2同时连接交流电源的另一端,H2的S端连接高压侧直流负母线N;此外高压侧直流正负母线PN间还连接电容C;其中GaN HEMT器件桥臂为图腾柱PFC电路和半桥LLC谐振电路共享桥臂。
进一步地,M1和M2的G端分别受控于一个工频方波信号,其中电网电压正半周时,控制M1的工频方波信号为高电平,控制M2的工频方波信号为低电平,电网电压负半周时,控制M1的工频方波信号为低电平,控制M2的工频方波信号为高电平。
具体地,半桥LLC谐振电路包括谐振电感Lr、谐振电容器Cr和隔离变压器励磁电感Lm;其中谐振电容器Cr一端连接中性点O2,谐振电容器Cr另一端连接谐振电感Lr一端,谐振电感Lr另一端连接隔离变压器T原边侧的同名端,隔离变压器T原边侧的非同名端连接至高压侧直流负母线N;此外,隔离变压器T原边侧的同名端和非同名端并联隔离变压器T自身的励磁电感Lm;
隔离变压器T包含原边侧线圈L2、励磁电感Lm,以及副边侧2个线圈L3、L4,线圈L3和L4依次串联组成具有中心抽头O的二次侧;线圈L2匝数为n1,线圈L3、L4匝数均为n2。
具体地,全波整流器包括二极管D1、D2、输出滤波电容Co;D1的阳极连接线圈L3同名端,D2的阳极连接线圈L4非同名端,D1、D2的阴极连接至低压侧直流正母线P1,隔离变压器二次侧中心抽头O连接至低压侧直流负母线;低压侧直流正负母线间还连接电容Co。
进一步地,H1、H2的G端分别受一个高频PWM信号控制,该两个高频PWM信号的高电平交替,使得H1、H2交替开通,且两个H1、H2交替开通状态之间设有死区时间。
本实用新型的优点在于:
1、本实用新型充分发挥GaN器件优异开关特性,开关损耗小,效率高;
2、本实用新型采用GaN器件开关频率高,因此滤波电感和隔离变压器的体积小,电源的功率密度高;
3、本实用新型的功率器件少,因此体积小,成本低;
4、本实用新型的电源控制采用随工频正弦波变化开关频率的方式,可以较好的控制LED灯的供电电流;
5、本实用新型MOSFET器件工作于工频方式,开关损耗和导通损耗都低,电源效率高,成本低。
附图说明
图1为本实用新型的电原理图。
图2为本实用新型的时序图。
图3为本实用新型在电网电压正弦正半周的运行模式1原理图。
图4为本实用新型在电网电压正弦正半周的运行模式2原理图。
图5为本实用新型在电网电压正弦正半周的运行模式3原理图。
图6为本实用新型在电网电压正弦正半周的运行模式4原理图。
图7为本实用新型在电网电压正弦正半周的运行模式5原理图。
图8为本实用新型在电网电压正弦正半周的运行模式6原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示,本实用新型提出的一种基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,包括图腾柱PFC电路1、半桥LLC谐振电路2、隔离变压器T、全波整流器3;
所述图腾柱PFC电路的输入接交流电源,输出接半桥LLC谐振电路的输入;半桥LLC谐振电路接在隔离变压器T的原边侧,全波整流器接在隔离变压器T的副边侧;图腾柱PFC电路受控于工频方波信号和高频PWM信号,其中工频方波信号用于控制图腾柱PFC电路中的MOSFET管交替导通,高频PWM信号用于控制PFC电路中的GaN HEMT器件交替导通;
图腾柱PFC电路1包括输入滤波电感Lb、两只工频运行的MOSFET管M1、M2、两只高频运行的GaN HEMT器件H1、H2;其中M1和M2组成PFC电路的左桥臂,M1的D端连接高压侧直流正母线P,M1的S端连接M2的D端,组成中性点O1,中性点O1连接电感Lb的一端,电感Lb的另外一端连接交流电源的一端,M2的S端连接高压侧直流负母线N;其中H1和H2组成PFC电路的右桥臂,H1的D端连接高压侧正母线P,H1的S端连接H2的D端,组成中性点O2,中性点O2同时连接交流电源的另一端,H2的S端连接高压侧直流负母线N;此外高压侧直流正负母线PN间还连接电容C;其中GaN HEMT器件桥臂为图腾柱PFC电路和半桥LLC谐振电路共享桥臂;
M1和M2的G端分别受控于一个工频方波信号,其中电网电压正半周时,控制M1的工频方波信号为高电平,控制M2的工频方波信号为低电平,电网电压负半周时,控制M1的工频方波信号为低电平,控制M2的工频方波信号为高电平;
半桥LLC谐振电路2包括谐振电感Lr、谐振电容器Cr和隔离变压器励磁电感Lm;其中谐振电容器Cr一端连接中性点O2,谐振电容器Cr另一端连接谐振电感Lr一端,谐振电感Lr另一端连接隔离变压器T原边侧的同名端,隔离变压器T原边侧的非同名端连接至高压侧直流负母线N;此外,隔离变压器T原边侧的同名端和非同名端并联隔离变压器T自身的励磁电感Lm;
隔离变压器T包含原边侧线圈L2、励磁电感Lm,以及副边侧2个线圈L3、L4,线圈L3和L4依次串联组成具有中心抽头O的二次侧;线圈L2匝数为n1,线圈L3、L4匝数均为n2;
全波整流器3包括二极管D1、D2、输出滤波电容Co;D1的阳极连接线圈L3同名端,D2的阳极连接线圈L4非同名端,D1、D2的阴极连接至低压侧直流正母线P1,隔离变压器二次侧中心抽头O连接至低压侧直流负母线;低压侧直流正负母线间还连接电容Co;
其中,功率器件M1、M2、H1和H2控制由数字信号处理器DSP控制PWM模块实现;2只硅基MOSFET管M1、M2运行在工频,电网电压正半周时,M1开通,M2关断,电网电压负半周时,M2导通,M1关断,M1、M2开通在电压过零点切换;2只GaN HEMT器件H1、H2运行在高频,通过高频PWM信号控制,实现LED灯电源的高功率因数控制;H1、H2的G端分别受一个高频PWM信号控制,该两个高频PWM信号的高电平交替,使得H1、H2交替开通,且两个H1、H2交替开通状态之间设有死区时间;同时,通过高频变PWM频率控制低压侧LED灯直流电流输出,开关频率随输入正弦电压变化;两个高频PWM信号的频率相同,为200kHz~1MHz;这两个高频PWM信号的占空比根据控制LED亮度需要,为0%~49.5%;
电网电压正半周内,各功率器件的开通、关闭情况分别如图3~图8所示,其中,黑色代表功率器件开通,浅灰色代表功率器件关断;
由于M1、M2、H1、H2类似于开关,因此其开通也称为开关闭合,其关断也称为开关断开;
电网电压正半周内,LED驱动电源的运行方式如下:
1)如图3所示,在[t0≤t<t1]时段,t0时刻前,虽然M1开关常闭,但H1开关尚未闭合,因此电感Lb电流iLb为零,此时H1满足ZVS开通条件;H1闭合后,电网电压Vin直接加到电感Lb上,此后iLb按式(1)线性上升;
同时,半桥LLC谐振电路构成回路,满足谐振条件;此时谐振电流iLr大于励磁电流iLm,因此隔离变压器T二次侧全波整流器的二极管D1导通,电网侧向LED灯供电;由于二极管D1导通,因此励磁电感Lm被电压Vo*n1/n2钳位,Vo为输出电压,此后,励磁电感Lm的电流iLm按Vo*n1/(n2*Lb)线性上升;
2)如图4所示,在[t1≤t<t2]时段,在t1时刻,H1仍然闭合,电感Lb电流iLb仍然线性上升,当t2时刻,iLb达到式(2)最大值;此后,由于谐振电流iLr与励磁电流iLm相等,二次侧全波整流器中D1电流iD1为零,也就是D1满足ZCS关断条件;
其中D为高频PWM信号的占空比,Ts为高频PWM信号的开关周期;Vin为电网电压;
3)如图5所示,在[t2≤t<t3]时段,t2时刻H1断开,t3时刻H2闭合,期间H1和H2都断开,称为死区时间;t2时刻以后,电感Lb两端的电压变为Vin-VDC,电压极性反向,此后电感Lb电流iLb按式(3)下降;
其中,VDC为电容C上的电压;
此时,半桥LLC谐振电路构成回路,满足谐振条件;通过对H1和H2寄生电容的充电和放电来实现H2的ZVS开通条件;
4)如图6所示,在[t3≤t<t4]时段,t3时刻,H2寄生电容的端电压下降为零,H2满足ZVS开通条件;电感Lb两端的电压仍为Vin-VDC,此后iLb仍按式(3)下降,由于H1断开,iLb至零后将不再变化;由于H2闭合,半桥LLC谐振电路的端电压变为零,电流向负方向增大,此时谐振电流iLr绝对值大于励磁电流iLm绝对值,因此隔离变压器T二次侧全波整流器的二极管D2导通,电网侧向LED灯供电;由于二极管D2导通,因此励磁电感Lm被电压-Vo*n1/n2钳位,此后,励磁电感Lm的电流iLm按-Vo*n1/(n2*Lb)线性下降;
5)如图7所示,在[t4≤t<t5]时段,t4时刻,H2仍然闭合,H1断开,iLb仍保持为零;此时,由于谐振电流iLr和励磁电流iLm相等,二次侧全波整流器的D2电流iD2为零,也就是二极管D2满足ZCS关断条件,该过程类似于过程2;
6)如图8所示,在[t5≤t<t6]时段,H1、H2、D1和D2都断开,一方面防止H1、H2上下管同时直通,另一方面,通过对H1和H2寄生电容的放电和充电来实现H1的ZVS开通条件;
电网电压负半周内,运行方式类似于上述6个过程,但M2开关常闭,相当于短路,M1开关常开,此处不再叙述;其中,电网电压由负向正过零时,M1开关闭合,M2开关断开;电网电压由正向负过零时,M2开关闭合,M1开关断开。
本实用新型涉及的术语解释如下:
PFC,功率因数校正。
HEMT(High Electron Mobility Transistor),高电子迁移率晶体管。
最后所应说明的是,以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制,尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,其特征在于,包括图腾柱PFC电路、半桥LLC谐振电路、隔离变压器T、全波整流器;
所述图腾柱PFC电路的输入接交流电源,输出接半桥LLC谐振电路的输入;半桥LLC谐振电路接在隔离变压器T的原边侧,全波整流器接在隔离变压器T的副边侧;图腾柱PFC电路受控于工频方波信号和高频PWM信号,其中工频方波信号用于控制图腾柱PFC电路中的MOSFET管交替导通,高频PWM信号用于控制PFC电路中的GaN HEMT器件交替导通。
2.如权利要求1所述的基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,其特征在于,
图腾柱PFC电路包括输入滤波电感Lb、两只工频运行的MOSFET管M1、M2、两只高频运行的GaN HEMT器件H1、H2;其中M1和M2组成PFC电路的左桥臂,M1的D端连接高压侧直流正母线P,M1的S端连接M2的D端,组成中性点O1,中性点O1连接电感Lb的一端,电感Lb的另外一端连接交流电源的一端,M2的S端连接高压侧直流负母线N;其中H1和H2组成PFC电路的右桥臂,H1的D端连接高压侧正母线P,H1的S端连接H2的D端,组成中性点O2,中性点O2同时连接交流电源的另一端,H2的S端连接高压侧直流负母线N;此外高压侧直流正负母线PN间还连接电容C;其中GaN HEMT器件桥臂为图腾柱PFC电路和半桥LLC谐振电路共享桥臂。
3.如权利要求2所述的基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,其特征在于,
M1和M2的G端分别受控于一个工频方波信号,其中电网电压正半周时,控制M1的工频方波信号为高电平,控制M2的工频方波信号为低电平,电网电压负半周时,控制M1的工频方波信号为低电平,控制M2的工频方波信号为高电平。
4.如权利要求2或3所述的基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,其特征在于,
半桥LLC谐振电路包括谐振电感Lr、谐振电容器Cr和隔离变压器励磁电感Lm;其中谐振电容器Cr一端连接中性点O2,谐振电容器Cr另一端连接谐振电感Lr一端,谐振电感Lr另一端连接隔离变压器T原边侧的同名端,隔离变压器T原边侧的非同名端连接至高压侧直流负母线N;此外,隔离变压器T原边侧的同名端和非同名端并联隔离变压器T自身的励磁电感Lm;
隔离变压器T包含原边侧线圈L2、励磁电感Lm,以及副边侧2个线圈L3、L4,线圈L3和L4依次串联组成具有中心抽头O的二次侧;线圈L2匝数为n1,线圈L3、L4匝数均为n2。
5.如权利要求4所述的基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,其特征在于,
全波整流器包括二极管D1、D2、输出滤波电容Co;D1的阳极连接线圈L3同名端,D2的阳极连接线圈L4非同名端,D1、D2的阴极连接至低压侧直流正母线P1,隔离变压器二次侧中心抽头O连接至低压侧直流负母线;低压侧直流正负母线间还连接电容Co。
6.如权利要求2或3所述的基于GaN器件的单级隔离型LED驱动电源,其特征在于,
H1、H2的G端分别受一个高频PWM信号控制,该两个高频PWM信号的高电平交替,使得H1、H2交替开通,且两个H1、H2交替开通状态之间设有死区时间。
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