無電解電容的高功率因數led恆流驅動電源的製作方法
2023-09-21 09:09:10 1
專利名稱：無電解電容的高功率因數led恆流驅動電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源，屬於電能變換裝置中的交流-直流變換器技術領域。
背景技術：
發光二極體(Light Emitting Diode, LED)以其節能、環保、高效、長壽命等諸多優點，成為新一代的緑色照明光源。隨著LED照明技術的日益成熟，它將被廣泛應用於各個領域，並成為照明光源的首選。製造高效率、高功率因數、長壽命的驅動電源是保證LED 發光品質及整體性能的關鍵。在市電輸入的日常照明場合，常採用圖1所示的驅動電源架構，分為適配器和驅動器兩部分。適配器的功能是實現輸入功率因數校正(Power Factor Correction, PFC)和交流-直流轉換(AC/DC)，為後級LED驅動器提供穩定電壓。驅動器由 LED專門驅動晶片組成，為LED提供恆定的工作電流。兩級式LED驅動電源可以較好的保證 LED的發光品質，但是存在器件多、體積大、壽命短等缺點。假設PFC變換器輸入功率因數為1，則輸入電流iin是與輸入電壓Vin同相位的正弦波，如圖2所示。此時輸入功率pin是正弦平方形式，要實現恆壓輸出，即Po恆定，需要採用容值較大的電解電容實現輸入、輸出功率的平衡。電解電容的壽命與LED的工作壽命相差甚遠，因此電解電容成為影響LED驅動電源整體壽命的主要因素。而且，電解電容體積較大，影響了驅動電源功率密度的進ー步提高。為了去除LED驅動電源中的電解電容，目前主要有兩種方法，一是採用降低輸入功率因數的方法，如專利申請號為200910027360. X中提到的方法，在輸入電流中注入適量的低次諧波以降低輸出電流峰均比，此方法雖然可以降低部分電解電容的容值，但存在有兩個不足，一是降低了輸入功率因數(降為0. 9左右)，ニ 是提供給LED的工作電流是脈動的，不是恆定電流，會產生頻閃現象。另ー種方法是輸出脈動電流的方法，如專利申請號為201010568595. 2中提到的方法，直接為LED提供與輸入整流後電壓同相位的脈動電流，此方法雖然可以得到較高的功率因數，但LED的工作電流不是恆流，會產生頻閃現象。
發明內容
發明目的為了克服上述兩級式LED驅動電源因使用電解電容而不能與LED的長壽命相配的嚴重缺陷，本發明提供ー種不使用電解電容、自動實現功率因數校正而得到高輸入功率因數的無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源。技術方案一種無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源，其特徵在於包括交流輸入電源Vin、橋式整流電路、主開關管、儲能電容、續流ニ極管、輔助電路、變壓器、整流電路及濾波電容；其中所述橋式整流電路由第一ニ極管Dri、第二ニ極管D,2、第三ニ極管!^和第四ニ極管Drt組成；所述輔助電路由第二開關管化和第六ニ極管Da2串聯組成；變壓器由第一原邊繞組Npl、第二原邊繞組Np2和副邊繞組Ns組成，整流電路由第三開關管も和第七ニ極管Dk串聯組成；所述變壓器的第二原邊繞組Np2的同名端與第一原邊繞組、的異名端相連結，連結點與橋式整流電路的正輸出端以及儲能電容的負端相連；第一原邊繞組Npl的同名端與主開關管的一端相連結，同時連結點經續流ニ極管與儲能電容的正端相連；主開關管的另一端與橋式整流電路的負輸出端相連；儲能電容的正端經輔助電路與第二原邊繞組Np2的異名端相連；變壓器的副邊繞組Ns的同名端經整流電路與濾波電容的正端相連，副邊繞組 Ns的異名端與濾波電容的負端相連，濾波電容兩端接LED負載。有益效果與現有技術相比，本發明主要技術特點是，採用反激變換器拓撲，工作在電流斷續模式，自動實現功率因數校正，得到高輸入功率因數，同時在主電路中加入儲能電容，當輸入功率Pin高於輸出功率P。吋，多餘的能量將存儲於儲能電容中；而當輸入功率 Pin低於輸出功率P。吋，不足的能量將由儲能電容提供，因此可實現對LED提供恆定工作電流。同吋，由於儲能電容上的電壓脈動較大，需要的儲能電容與濾波電容容值都很小，可以採用非電解電容的其它類型電容，如陶瓷電容等。
圖1是現有技術中LED驅動電源結構框圖；圖2是現有技術中PFC變換器中輸入電壓、輸入電流、輸入功率和輸出功率波形圖； 圖3是本發明的無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源結構框圖；圖4是本發明的無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源主功率結構圖； 圖5是本發明的無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源主要工作波形圖； 圖6是本發明中當輸入功率Pin低於輸出功率P。時開關時序波形；圖7是本發明中當輸入功率pin低於輸出功率P。時等效電路示意圖； 圖8是本發明中當輸入功率Pin高於輸出功率P。時開關時序波形； 圖9是本發明中當輸入功率pin高於輸出功率P。時等效電路示意圖；圖10是本發明的工程樣機在輸入電壓為110VAC時的輸入電壓Vin、輸入電流iin、 儲能電容電壓v。a以及輸出電流I0的實驗波形；圖11是本發明的工程樣機在輸入電壓為220VAC時的輸入電壓Vin、輸入電流iin、 儲能電容電壓v。a以及輸出電流I0的實驗波形；圖12是本發明的工程樣機在輸入電壓為110VAC時的輸入電壓Vin、第二開關管Q2 的門極驅動電壓vgs(Q2)、第三開關管も的門極驅動電壓vgs_以及輸出電流I0的實驗波形；圖13是本發明的工程樣機在輸入電壓為220VAC時的輸入電壓Vin、第二開關管Q2 的門極驅動電壓vgs(Q2)、第三開關管も的門極驅動電壓vgs_以及輸出電流I0的實驗波形；圖14是本發明的工程樣機在Pin P0時的第一開關管Gl1的門極驅動電壓vgs(Q1)、 第三開關管も的門極驅動電壓vgs_、變壓器原邊電流ip以及變壓器副邊電流iK的實驗波形；
圖16是本發明的工程樣機測得的功率因數隨輸入電壓變化曲線。其中，Vin、輸入電壓；iin、輸入電流；Ca、儲能電容；v。a、儲能電容電壓；V。a、儲能電容平均電壓；v。a min、儲能電容最低電壓；V。a max、儲能電容最高電壓；T,、變壓器；ip、變壓器原邊輸入電流；iK、變壓器副邊輸出電流；im、折算到Npl的變壓器激磁電流；C。、輸出濾波電容； I。、輸出電流；V。、輸出電壓；pin、輸入功率；P。、輸出功率；Tline、輸入電壓周期；TS、開關周期。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進ー步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。如圖3-4所示，橋式整流電路1由第一ニ極管Dri、第二ニ極管Drf、第三ニ極管!^ 和第四ニ極管Drt組成；輔助電路5由第二開關管化和第六ニ極管Da2串聯組成；變壓器6 由第一原邊繞組Npl、第二原邊繞組Np2和副邊繞組Ns組成，整流電路7由第三開關管も和第七ニ極管Dk串聯組成；變壓器6的第二原邊繞組も的同名端與第一原邊繞組、的異名端相連結，連結點與橋式整流電路1的正輸出端以及儲能電容3的負端相連；第一原邊繞組 的同名端與主開關管2的一端相連結，同時連結點經續流ニ極管4與儲能電容3的正端相連；主開關管 2的另一端與橋式整流電路1的負輸出端相連；儲能電容3的正端經輔助電路5與第二原邊繞組、的異名端相連；變壓器6的副邊繞組Ns的同名端經整流電路7與濾波電容8的正端相連，副邊繞組Ns的異名端與濾波電容8的負端相連，濾波電容8兩端接LED負載。下面以圖4為主電路結構，結合附圖5 9敘述本發明的具體工作原理。圖5是本發明的無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源主要工作波形圖。由圖4可以看出， 由輸入整流橋、變壓器6的原邊繞組 、副邊繞組Ns、開關管も、變壓器6的副邊整流電路以及輸出濾波電容C。可以組成一個反激式變換器(Flyhck)，經控制，第一開關管も在一個エ頻周期內的佔空比幾乎保持不變，而反激式變換器被設計工作於電流斷續模式(DCM)， 自然可以獲得很高的輸入功率因數，實現功率因數較正功能。當輸入功率Pin低於輸出功率 P0時，儲能電容Ca釋放能量以補充輸入能量的不足，第三開關管も一直處於開通狀態，第二開關管Q2用於控制為LED提供恆定工作電流，此時儲能電容Ca上電壓v。a下降；當輸入功率 Pin高於輸出功率P。吋，多餘的能量將存儲於儲能電容Ca中，儲能電容Ca上電壓v。a上升， 此時第二開關管化一直處於關斷狀態，第三開關管も用於控制為LED提供恆定工作電流。 可見，Pin P0時的驅動電源工作原理是不一樣的，下面對這兩種情況的工作原理分別加以說明。1 pin < P0時驅動電源的工作原理由附圖6可知，驅動電源在一個開關周期有4種開關模態，分別是[、，tj、[ti; t2]、[t2，t3]、[t3，t4]，下面對各開關模態的工作情況進行具體分析。(1)開關模態l[tQ，tj [對應於圖7(a)]、時刻之前，ip和im都為零，濾波電容C。向LED負載供電。在、時刻，第一開關
管も被開通，第一ニ極管Dri和第四ニ極管Drt (或者第二ニ極管Drt和第三ニ極管DJ導通，假設輸入電壓Vin在一個開關周期內保持不變，則激磁電流、從零開始線性増加，有 Iv. (0權利要求
1. 一種無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源，其特徵在於包括交流輸入電源 Vin、橋式整流電路(1)、主開關管O)、儲能電容(3)、續流ニ極管G)、輔助電路(5)、變壓器 (6)、整流電路(7)及濾波電容(8)；其中所述橋式整流電路(1)由第一ニ極管Dri、第二ニ極管D,2、第三ニ極管Dri和第四ニ 極管Drt組成；所述輔助電路(5)由第二開關管化和第六ニ極管Da2串聯組成；變壓器(6) 由第一原邊繞組Npl、第二原邊繞組Np2和副邊繞組Ns組成，整流電路(7)由第三開關管も 和第七ニ極管Dk串聯組成；所述變壓器(6)的第二原邊繞組Np2的同名端與第一原邊繞組Npl的異名端相連結，連結點與橋式整流電路⑴的正輸出端以及儲能電容⑶的負端相連；第一原邊繞組Npl的同名端與主開關管O)的一端相連結，同時連結點經續流ニ極管(4)與儲能電容(3)的正端相連；主開關管O)的另一端與橋式整流電路(1)的負輸出端相連；儲能電容(3)的正端經輔助電路(5)與第二原邊繞組Np2的異名端相連；變壓器(6)的副邊繞組Ns的同名端經整流電路(7)與濾波電容⑶的正端相連，副邊繞組Ns的異名端與濾波電容⑶的負端相連，濾波電容⑶兩端接LED負載。
全文摘要
本發明公開一種無電解電容的高功率因數LED恆流驅動電源，包括交流輸入電源vin、橋式整流電路、主開關管、儲能電容、續流二極體、輔助電路、變壓器、整流電路及濾波電容。本發明主要技術特點是，採用反激變換器拓撲，工作在電流斷續模式，自動實現功率因數校正，得到高輸入功率因數，同時在主電路中加入儲能電容，當輸入功率pin高於輸出功率Po時，多餘的能量將存儲於儲能電容中；而當輸入功率pin低於輸出功率Po時，不足的能量將由儲能電容提供，因此可實現對LED提供恆定工作電流。同時，由於儲能電容上的電壓脈動較大，需要的儲能電容與濾波電容容值都很小，可以採用非電解電容的其它類型電容，如陶瓷電容等。
文檔編號H02M1/42GK102570861SQ20111045773
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者陳武 申請人:東南大學