CN210093610U - 一种单级无桥式高功率因数无电解电容led驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型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

一种单级无桥式高功率因数无电解电容LED驱动器

技术领域

本实用新型涉及两路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。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种单级无桥式高功率因数无电解电容LED驱动器。

本实用新型利用半桥单元，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，本实用新型中的无桥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L_b构成，SRC电路由第二电容C_s、第三电容C_e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被上、下半桥共享从而降低了成本，提高了电路功率密度。

本实用新型采用如下技术内容：

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L_f、第二电感L_b、第一电容C_f和输入电源V_s；

所述第一二极管D₁的正极、第二二极管D₂的负极、输入电源V_s的正极及第一电容C_f的一端连接，所述输入电源V_s的负极与第一电感L_f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L_b的一端连接，所述第二电感L_b的另一端分别与第一电感L_f的另一端、第一电容C_f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C_b1、第五电容C_b2、第六电容C_o、第三电感L_r、第一LED串LED₁和第二LED串LED₂；

所述SCC模块一端与第二电感L_b的一端连接，其另一端与第三电感L_r的一端连接，所述第三电感L_r的另一端分别与第四电容C_b1及第五电容C_b2的一端连接；

所述第一LED串LED₁连接在第四电容C_b1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C_b2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C_s、第三电容C_e及第三开关管S，所述第二电容C_s和第三开关管S串联后与第三电容C_e并联，再与第三电感L_r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。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型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，本实用新型实现了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；

(3)与传统采用PWM(Pulse-Width Modulation)控制的AC/DC LED驱动器相比，本实用新型采用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，本实用新型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)本实用新型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)本实用新型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)本实用新型可控开关电容被上、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是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型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，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型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电解电容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L_f、第二电感L_b、第一电容C_f和输入电源V_s；

所述第一二极管D₁的正极、第二二极管D₂的负极、输入电源V_s的正极及第一电容C_f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L_b的一端连接，所述第二电感L_b的另一端分别与第一电感L_f的另一端、第一电容C_f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C_b1、第五电容C_b2、第六电容 C_o、第三电感L_r、第一LED串LED₁和第二LED串LED₂；所述SCC模块包括第二电容C_s、第三电容C_e及第三开关管S，所述第二电容C_s和第三开关管S串联后与第三电容C_e并联，再与第三电感L_r相串联。

所述第一LED串LED₁连接在第四电容C_b1及第一二极管D₁负极之间；

所述第二LED串连接在第五电容C_b2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L_r另一端连接，所述第三电感L_r的一端分别于第三开关管S的源极连接、第三电容C_e的一端连接，所述第三电容C_e的另一端与第二电感L_b的另一极端及第二电容C_s连接，所述第二电容C_s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V_s与第二电感L_b相串联，功率控制单元中第三电感L_r、第四电容C_b1、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L_b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L_b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V_s与第二电感L_b相串联，功率控制单元中第三电感L_r、第四电容C_b1、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L_b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L_r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L_b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L_r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V_s、第一二极管D₁和第二电感L_b相串联，功率控制单元中，第四电容C_b1、第一LED串LED₁相串联，第五电容 C_b2、第二LED串LED₂相串联，第三电感L_r、SCC模块相串联，第四电容C_b1、第五电容C_b2和第三电感L_r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L_b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L_b的电流i_b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L_r中电流i_r反向，续流结束。功率因数校正单元中输入电源V_s、第一二极管D₁和第二电感L_b相串联；功率控制单元中，第四电容C_b1、第一LED串LED₁相串联，第五电容C_b2、第二LED串LED₂相串联，第三电感L_r、SCC模块相串联，第四电容C_b1、第五电容C_b2和第三电感L_r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L_b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C_b2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L_r、第五电容C_b2和SCC 模块串联，此时，第二电感L_b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M_V、品质因数Q和归一化开关频率f_n的关系如下式，电压增益 M_v可以通过归一化频率f_n和品质因数Q的比值来调节。当开关频率f_s恒定时，谐振频率f_r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I_LDE1和I_LDE2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。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单级无桥式高功率因数无电解电容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电解电容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(L_f)、第二电感(L_b)、第一电容(C_f)和输入电源(V_s)；

所述第一二极管(D₁)的正极、第二二极管(D₂)的负极、输入电源(V_s)的正极及第一电容(C_f)的一端连接，所述输入电源(V_s)的负极与第一电感(L_f)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(L_b)的一端连接，所述第二电感(L_b)的另一端分别与第一电感(L_f)的另一端、第一电容(C_f)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电解电容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(C_b1)、第五电容(C_b2)、第六电容(C_o)、第三电感(L_r)、第一LED串(LED₁)和第二LED串(LED₂)；

所述SCC模块一端与第二电感(L_b)的一端连接，其另一端与第三电感(L_r)的一端连接，所述第三电感(L_r)的另一端分别与第四电容(C_b1)及第五电容(C_b2)的一端连接；

所述第一LED串(LED₁)连接在第四电容(C_b1)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(C_b2)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电解电容LED驱动器，其特征在于，所述SCC模块包括第二电容(C_s)、第三电容(C_e)及第三开关管(S)，所述第二电容(C_s)和第三开关管(S)串联后与第三电容(C_e)并联，再与第三电感(L_r)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电解电容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3所述的单级无桥式高功率因数无电解电容LED驱动器，其特征在于，第四电容和第五电容为薄膜电容。

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