CN109005624A - 一种无桥式无电解电容led驱动电源及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无桥式无电解电容LED驱动电源及切换方法。电路拓扑包括交流电源，输入滤波电路，两个开关管和两个二极管，一个BOOST与BUCK电路，输出滤波电容及LED负载。本发明在已经优化了传统BOOST‑BUCK驱动电源，将BOOST‑BUCK变换器交错并联的基础上，采用了无桥式来代替整流电路，实现高功率因数，高效率，恒流输出。该无桥式无电解电容LED驱动电源具有效率高、功率因数高、集成度高、无电解电容、使用寿命长等优点。

Description

一种无桥式无电解电容LED驱动电源及切换方法

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术领域，具体涉及一种无桥式无电解电容LED驱动电源及切换方法，适用于开关电源尤其是LED驱动电源，属于交流/直流(AC/DC)变换器领域。

背景技术

LED具有高效节能等优点，已广泛应用于室内、街道、景观照明等领域。高品质的LED驱动电源是构成LED照明系统的关键部分，直接影响LED发光品质及照明系统的整体性能。

当输入功率因数PF＝1时，输入电流与电压为同相位的正弦波，输入功率呈现两倍输入功率的脉动形式。为保证LED的输出功率恒定，通常会选用容量较大的电解电容来匹配瞬时输入功率和输出功率的不平衡。但电解电容的寿命有限，极大地限制了LED驱动电源的寿命，不能与LED本体寿命相匹配。要提高LED驱动电源的使用寿命，必须去除电解电容。

发明内容

针对传统的LED驱动电源存在的驱动电源寿命短、体积大，非隔离式驱动电源效率低等问题，本发明在已经优化了传统BOOST-BUCK驱动电源，将BOOST-BUCK变换器交错并联的基础上，提出了一种无桥式无电解电容LED驱动电源及其切换方法。

本发明电路采用的技术方案为：一种无桥式无电解电容LED驱动电源，包括交流电源、输入滤波电路、BOOST与BUCK改进电路，所述交流路电源依次连接输入滤波电路、BOOST与BUCK改进电路。

进一步，所述输入滤波电路由输入滤波电感和输入滤波电容组成；所述输入滤波电感正极连接交流电源正极，输入滤波电感负极连接输入滤波电容正极，所述滤波电容负极连接交流电源负极。

进一步，所述BOOST与BUCK改进电路中，二极管D_r1阳极连接输入滤波电路的一端，二极管D_r1阴极分别连接Q₁漏极、二极管D₁阴极、二极管D₂阳极，二极管D_r2阴极连接二极管D_r1阳极，二极管D_r2阳极分别连接开关管Q₂源极、电容Ca负极，开关管Q₁源极连接交流电源负极，开关管Q₂漏极连接开关管Q₁源极；二极管D₁阳极连接电感L₂一端，电感L₂另一端连接输出滤波电容C_o负极、负载R_L一端，二极管D₂阴极分别连接输出滤波电容C_o正极、电容Ca正极以及负载R_L另一端。

进一步，电路在交流输入正半周时由交流电源、输入滤波电路、电感L₁、二极管D_r1、二极管D₂、电容Ca和开关管Q₂组成BOOST电路，在交流输入负半周时由交流电源、开关管Q₁、二极管D₂、电容Ca、二极管D_r2、输入滤波电路组成BOOST电路。

进一步，所述二极管D₁、电感L₂、开关管Q₁、开关管Q₂、二极管D₂、电容Ca和输出滤波电容C_o组成BUCK电路。

进一步，输出滤波电容C_o、电容Ca均为无电解电容。

本发明的方法的技术方案为：一种无桥式无电解电容LED驱动电源的切换方法，包括以下工作模态：

模态1，在t₀时刻之前，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为零，在t₀时刻，开关管Q₁、开关管Q₂开通，二极管D₁承受正向电压导通，交流电源、电感L₁、二极管D_r1及开关管Q₁构成对电感L₁的充电回路，交流电源v_in对电感L₁进行充电，电感L₁电流i₁线性上升，电容Ca、输出滤波电容C_O、电感L₂、二极管D₁、D₂及开关管Q₁、Q₂构成对电容Ca的放电回路，电容Ca给输出滤波电容C_O和电感L₂进行放电，电感L₂电流i₂线性上升；

模态2，关断Q₁、Q₂，二极管D₁及D₂同时正向导通，交流电源、输入滤波电路、电感L₁、二极管D_r1、二极管D₂、电容Ca及开关管Q₂中的二极管组成充电回路，交流电源v_in和电感L₁给电容Ca电路充电，电容Ca电压持续上升，电感L₁电流i₁持续下降，同时电感L₂、二极管D₁、D₂、输出滤波电容及LED负载组成电感L₂续流回路，电感L₂向输出滤波电容C_o和LED负载供电，电感L₂电流i₂线性下降；

模态3，假设电感L₁的电流先下降为0，电感L₁电流i₁及i₁下降速度受电路参数影响，Boost回路进入电感电流断续模式，电感L₂续流回路继续存在，为输出LED负载提供能量；

模态4，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为0，电感L₁、L₂进入断续工作模式，LED负载由输出滤波电容短暂供能。

本发明对传统BOOST-BUCK驱动电源加以改进，采用了无桥式来代替整流电路，实现高功率因数，高效率，恒流输出。该无桥式无电解电容LED驱动电源具有效率高、功率因数高、集成度高、无电解电容、使用寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明的一种无桥式无电解电容LED驱动电源拓扑结构图。

图2为本发明一种无桥式无电解电容LED驱动电源主电路在一个开关周期内主要工作波形。

图3为本发明一种无桥式无电解电容LED驱动电源主电路在一个开关周期内各开关模态等效电路；(a)模态1；(b)模态2；(c)模态3；(d)模态4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种无桥式无电解电容LED驱动电源，包括交流电源，输入滤波电感L_f，输入滤波电容C_f，开关管Q₁，Q₂，二极管D₁、D₂,电感L₁、L₂，电容Ca,输出滤波电容C_o及LED负载。

所述BOOST电路由电感L₁、二极管D_r1、二极管D₂、电容Ca和开关管Q₂组成；所述BUCK电路由二极管D₁、电感L₂、开关管Q₁、开关管Q₂、二极管D₂、电容Ca和输出电容C_o组成。

所述的交流输入经过滤波电容C_f与滤波电感L_f组成的LC滤波器，L₁的一端连接滤波电感C_f的正极，L₁的另一端连接二极管D_r1阳极，D_r1阴极连接开关管Q₁漏极，Q₁源极连接交流电源负极，开关管Q₂漏极连接交流电源负极，开关管Q₂源极连接二极管D_r2阳极，D_r2阴极连接D_r1阳极，二极管D₁阴极连接开关管Q₁漏极，二极管D₁阳极连接电感L₂一端，电感L₂另一端连接输出电容C_O负极，输出电容C_O负极连接负载R_L一端，输出电容C_O正极连接负载R_L另一端，二极管D₂阳极连接二极管D₁阴极，二极管D₂阴极连接电容Ca正极，电容Ca负极连接开关管Q₂源极。

本发明采用无桥式电路来代替整流电路，在BOOST-BUCK变换器交错并联的基础上，它的工作模式如下。

工作模态1(t₀-t₁)：

如图3(a)所示为工作模态1等效电路图，在t₀时刻之前，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为零，在t₀时刻，开关管Q₁、开关管Q₂开通，二极管D₁承受正向电压导通，存在如图所示两条回路同时工作。交流电源、电感L₁、二极管D_r1及开关管Q₁构成对电感L₁的充电回路，交流电源v_in对电感L₁进行充电，电感电流i₁线性上升，电容Ca、输出电容C_O、电感L₂、二极管D₁、D₂及开关管Q₁、Q₂构成对电容Ca的放电回路，电容Ca给输出电容C_O和电感L₂进行放电，电感电流i₂线性上升。

工作模态2(t₁-t₂)：

如图3(b)所示为工作模态2等效电路图，在t₁时刻，关断Q₁、Q₂，二极管D₁及D₂同时正向导通，同模态1中一样，存在同时工作的两条回路。交流电源、滤波电路、电感L₁、二极管D_r1、二极管D₂、电容Ca及开关管Q₂中的二极管组成充电回路，交流电源v_in和电感L₁给电容Ca电路充电。电容Ca电压持续上升，电感L₁电流i₁持续下降，同时电感L₂、二极管D₁、D₂、输出滤波电容及LED负载组成电感L₂续流回路，电感L₂向输出滤波电容C_o和LED负载供电，电感L₂电流i₂线性下降。

工作模态3(t₂-t₃)：

如图3(c)所示为工作模态3等效电路图，假设电感L₁的电流先下降为0，电感L₁电流i₁及i₁下降速度受电路参数影响。Boost回路进入电感电流断续模式。电感L₂续流回路继续存在，为输出LED负载提供能量。

工作模态4(t₃-t₄)：

如图3(d)所示为工作模态4等效电路图，在t₃时刻，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为0，电感L₁、L₂进入断续工作模式，LED负载由输出滤波电容短暂供能。

本发明在BOOST-BUCK变换器交错并联的基础上，将原整流桥替换成无桥式电路，实现高功率因数、高效和恒流输出。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种无桥式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，其包括交流电源、输入滤波电路、BOOST与BUCK改进电路，所述交流路电源依次连接输入滤波电路、BOOST与BUCK改进电路。

2.根据权利要求1所述的一种单级无桥式非隔离型无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述输入滤波电路由输入滤波电感和输入滤波电容组成；所述输入滤波电感正极连接交流电源正极，输入滤波电感负极连接输入滤波电容正极，所述滤波电容负极连接交流电源负极。

3.根据权利要求1所述的一种无桥式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述BOOST与BUCK改进电路中，二极管D_r1阳极连接输入滤波电路的一端，二极管D_r1阴极分别连接Q₁漏极、二极管D₁阴极、二极管D₂阳极，二极管D_r2阴极连接二极管D_r1阳极，二极管D_r2阳极分别连接开关管Q₂源极、电容Ca负极，开关管Q₁源极连接交流电源负极，开关管Q₂漏极连接开关管Q₁源极；二极管D₁阳极连接电感L₂一端，电感L₂另一端连接输出滤波电容C_o负极、负载R_L一端，二极管D₂阴极分别连接输出滤波电容C_o正极、电容Ca正极以及负载R_L另一端。

4.根据权利要求3所述的一种无桥式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，电路在交流输入正半周时由交流电源、输入滤波电路、电感L₁、二极管D_r1、二极管D₂、电容Ca和开关管Q₂组成BOOST电路，在交流输入负半周时由交流电源、开关管Q₁、二极管D₂、电容Ca、二极管D_r2、输入滤波电路组成BOOST电路。

5.根据权利要求3所述的一种无桥式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，所述二极管D₁、电感L₂、开关管Q₁、开关管Q₂、二极管D₂、电容Ca和输出滤波电容C_o组成BUCK电路。

6.根据权利要求1所述的一种无桥式无电解电容LED驱动电源，其特征在于，输出滤波电容C_o、电容Ca均为无电解电容。

7.一种无桥式无电解电容LED驱动电源的切换方法，其特征在于，包括以下工作模态：

模态1，在t₀时刻之前，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为零，在t₀时刻，开关管Q₁、开关管Q₂开通，二极管D₁承受正向电压导通，交流电源、电感L₁、二极管D_r1及开关管Q₁构成对电感L₁的充电回路，交流电源v_in对电感L₁进行充电，电感L₁电流i₁线性上升，电容Ca、输出滤波电容C_O、电感L₂、二极管D₁、D₂及开关管Q₁、Q₂构成对电容Ca的放电回路，电容Ca给输出滤波电容C_O和电感L₂进行放电，电感L₂电流i₂线性上升；

模态2，关断Q₁、Q₂，二极管D₁及D₂同时正向导通，交流电源、输入滤波电路、电感L₁、二极管D_r1、二极管D₂、电容Ca及开关管Q₂中的二极管组成充电回路，交流电源v_in和电感L₁给电容Ca电路充电，电容Ca电压持续上升，电感L₁电流i₁持续下降，同时电感L₂、二极管D₁、D₂、输出滤波电容及LED负载组成电感L₂续流回路，电感L₂向输出滤波电容C_o和LED负载供电，电感L₂电流i₂线性下降；

模态3，假设电感L₁的电流先下降为0，电感L₁电流i₁及i₁下降速度受电路参数影响，Boost回路进入电感电流断续模式，电感L₂续流回路继续存在，为输出LED负载提供能量；

模态4，电感L₁、L₂上的电流i₁、i₂均为0，电感L₁、L₂进入断续工作模式，LED负载由输出滤波电容短暂供能。