專利名稱：無電解電容的高功率因數(shù)led恒流驅(qū)動(dòng)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，屬于電能變換裝置中的交流-直流變換器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)以其節(jié)能、環(huán)保、高效、長壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為新一代的緑色照明光源。隨著LED照明技術(shù)的日益成熟，它將被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并成為照明光源的首選。制造高效率、高功率因數(shù)、長壽命的驅(qū)動(dòng)電源是保證LED 發(fā)光品質(zhì)及整體性能的關(guān)鍵。在市電輸入的日常照明場合，常采用圖1所示的驅(qū)動(dòng)電源架構(gòu)，分為適配器和驅(qū)動(dòng)器兩部分。適配器的功能是實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)和交流-直流轉(zhuǎn)換(AC/DC)，為后級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定電壓。驅(qū)動(dòng)器由 LED專門驅(qū)動(dòng)芯片組成，為LED提供恒定的工作電流。兩級(jí)式LED驅(qū)動(dòng)電源可以較好的保證 LED的發(fā)光品質(zhì)，但是存在器件多、體積大、壽命短等缺點(diǎn)。假設(shè)PFC變換器輸入功率因數(shù)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(shí)輸入功率pin是正弦平方形式，要實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，即Po恒定，需要采用容值較大的電解電容實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)，因此電解電容成為影響LED驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電源功率密度的進(jìn)ー步提高。為了去除LED驅(qū)動(dòng)電源中的電解電容，目前主要有兩種方法，一是采用降低輸入功率因數(shù)的方法，如專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910027360. 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(gè)不足，一是降低了輸入功率因數(shù)(降為0. 9左右)，ニ 是提供給LED的工作電流是脈動(dòng)的，不是恒定電流，會(huì)產(chǎn)生頻閃現(xiàn)象。另ー種方法是輸出脈動(dòng)電流的方法，如專利申請(qǐng)?zhí)枮?01010568595. 2中提到的方法，直接為LED提供與輸入整流后電壓同相位的脈動(dòng)電流，此方法雖然可以得到較高的功率因數(shù)，但LED的工作電流不是恒流，會(huì)產(chǎn)生頻閃現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服上述兩級(jí)式LED驅(qū)動(dòng)電源因使用電解電容而不能與LED的長壽命相配的嚴(yán)重缺陷，本發(fā)明提供ー種不使用電解電容、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正而得到高輸入功率因數(shù)的無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源。技術(shù)方案一種無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于包括交流輸入電源Vin、橋式整流電路、主開關(guān)管、儲(chǔ)能電容、續(xù)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(guān)管化和第六ニ極管Da2串聯(lián)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(guān)管も和第七ニ極管Dk串聯(lián)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(jié)，連結(jié)點(diǎn)與橋式整流電路的正輸出端以及儲(chǔ)能電容的負(fù)端相連；第一原邊繞組Npl的同名端與主開關(guān)管的一端相連結(jié)，同時(shí)連結(jié)點(diǎn)經(jīng)續(xù)流ニ極管與儲(chǔ)能電容的正端相連；主開關(guān)管的另一端與橋式整流電路的負(fù)輸出端相連；儲(chǔ)能電容的正端經(jīng)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(jīng)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(fù)端相連，濾波電容兩端接LED負(fù)載。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要技術(shù)特點(diǎn)是，采用反激變換器拓?fù)洌ぷ髟陔娏鲾嗬m(xù)模式，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，得到高輸入功率因數(shù)，同時(shí)在主電路中加入儲(chǔ)能電容，當(dāng)輸入功率Pin高于輸出功率P。吋，多余的能量將存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電容中；而當(dāng)輸入功率 Pin低于輸出功率P。吋，不足的能量將由儲(chǔ)能電容提供，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED提供恒定工作電流。同吋，由于儲(chǔ)能電容上的電壓脈動(dòng)較大，需要的儲(chǔ)能電容與濾波電容容值都很小，可以采用非電解電容的其它類型電容，如陶瓷電容等。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)框圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本發(fā)明的無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源主功率結(jié)構(gòu)圖； 圖5是本發(fā)明的無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源主要工作波形圖； 圖6是本發(fā)明中當(dāng)輸入功率Pin低于輸出功率P。時(shí)開關(guān)時(shí)序波形；圖7是本發(fā)明中當(dāng)輸入功率pin低于輸出功率P。時(shí)等效電路示意圖； 圖8是本發(fā)明中當(dāng)輸入功率Pin高于輸出功率P。時(shí)開關(guān)時(shí)序波形； 圖9是本發(fā)明中當(dāng)輸入功率pin高于輸出功率P。時(shí)等效電路示意圖；圖10是本發(fā)明的工程樣機(jī)在輸入電壓為110VAC時(shí)的輸入電壓Vin、輸入電流iin、 儲(chǔ)能電容電壓v。a以及輸出電流I0的實(shí)驗(yàn)波形；圖11是本發(fā)明的工程樣機(jī)在輸入電壓為220VAC時(shí)的輸入電壓Vin、輸入電流iin、 儲(chǔ)能電容電壓v。a以及輸出電流I0的實(shí)驗(yàn)波形；圖12是本發(fā)明的工程樣機(jī)在輸入電壓為110VAC時(shí)的輸入電壓Vin、第二開關(guān)管Q2 的門極驅(qū)動(dòng)電壓vgs(Q2)、第三開關(guān)管も的門極驅(qū)動(dòng)電壓vgs_以及輸出電流I0的實(shí)驗(yàn)波形；圖13是本發(fā)明的工程樣機(jī)在輸入電壓為220VAC時(shí)的輸入電壓Vin、第二開關(guān)管Q2 的門極驅(qū)動(dòng)電壓vgs(Q2)、第三開關(guān)管も的門極驅(qū)動(dòng)電壓vgs_以及輸出電流I0的實(shí)驗(yàn)波形；圖14是本發(fā)明的工程樣機(jī)在Pin < P0時(shí)的第一開關(guān)管も的門極驅(qū)動(dòng)電壓vgs(Q1)、 第二開關(guān)管Q2的門極驅(qū)動(dòng)電壓vgs_、變壓器原邊電流ip以及變壓器副邊電流iK的實(shí)驗(yàn)波形；圖15是本發(fā)明的工程樣機(jī)在Pin > P0時(shí)的第一開關(guān)管Gl1的門極驅(qū)動(dòng)電壓vgs(Q1)、 第三開關(guān)管も的門極驅(qū)動(dòng)電壓vgs_、變壓器原邊電流ip以及變壓器副邊電流iK的實(shí)驗(yàn)波形；
圖16是本發(fā)明的工程樣機(jī)測得的功率因數(shù)隨輸入電壓變化曲線。其中，Vin、輸入電壓；iin、輸入電流；Ca、儲(chǔ)能電容；v。a、儲(chǔ)能電容電壓；V。a、儲(chǔ)能電容平均電壓；v。a min、儲(chǔ)能電容最低電壓；V。a max、儲(chǔ)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(guān)周期。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)ー步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。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(guān)管化和第六ニ極管Da2串聯(lián)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(guān)管も和第七ニ極管Dk串聯(lián)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(jié)，連結(jié)點(diǎn)與橋式整流電路1的正輸出端以及儲(chǔ)能電容3的負(fù)端相連；第一原邊繞組 的同名端與主開關(guān)管2的一端相連結(jié)，同時(shí)連結(jié)點(diǎn)經(jīng)續(xù)流ニ極管4與儲(chǔ)能電容3的正端相連；主開關(guān)管 2的另一端與橋式整流電路1的負(fù)輸出端相連；儲(chǔ)能電容3的正端經(jīng)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(jīng)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(fù)端相連，濾波電容8兩端接LED負(fù)載。下面以圖4為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖5 9敘述本發(fā)明的具體工作原理。圖5是本發(fā)明的無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)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(guān)管も、變壓器6的副邊整流電路以及輸出濾波電容C?？梢越M成一個(gè)反激式變換器(Flyhck)，經(jīng)控制，第一開關(guān)管も在一個(gè)エ頻周期內(nèi)的占空比幾乎保持不變，而反激式變換器被設(shè)計(jì)工作于電流斷續(xù)模式(DCM)， 自然可以獲得很高的輸入功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)較正功能。當(dāng)輸入功率Pin低于輸出功率 P0時(shí)，儲(chǔ)能電容Ca釋放能量以補(bǔ)充輸入能量的不足，第三開關(guān)管も一直處于開通狀態(tài)，第二開關(guān)管Q2用于控制為LED提供恒定工作電流，此時(shí)儲(chǔ)能電容Ca上電壓v。a下降；當(dāng)輸入功率 Pin高于輸出功率P。吋，多余的能量將存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電容Ca中，儲(chǔ)能電容Ca上電壓v。a上升， 此時(shí)第二開關(guān)管化一直處于關(guān)斷狀態(tài)，第三開關(guān)管も用于控制為LED提供恒定工作電流。 可見，Pin < P。與Pin > P0時(shí)的驅(qū)動(dòng)電源工作原理是不一樣的，下面對(duì)這兩種情況的工作原理分別加以說明。1 pin < P0時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的工作原理由附圖6可知，驅(qū)動(dòng)電源在一個(gè)開關(guān)周期有4種開關(guān)模態(tài)，分別是[、，tj、[ti; t2]、[t2，t3]、[t3，t4]，下面對(duì)各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。(1)開關(guān)模態(tài)l[tQ，tj [對(duì)應(yīng)于圖7(a)]、時(shí)刻之前，ip和im都為零，濾波電容C。向LED負(fù)載供電。在、時(shí)刻，第一開關(guān)
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(dǎo)通，假設(shè)輸入電壓Vin在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)保持不變，則激磁電流、從零開始線性増加，有 Iv. (0權(quán)利要求
1. 一種無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于包括交流輸入電源 Vin、橋式整流電路(1)、主開關(guān)管O)、儲(chǔ)能電容(3)、續(xù)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(guān)管化和第六ニ極管Da2串聯(lián)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(guān)管も 和第七ニ極管Dk串聯(lián)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(jié)，連結(jié)點(diǎn)與橋式整流電路⑴的正輸出端以及儲(chǔ)能電容⑶的負(fù)端相連；第一原邊繞組Npl的同名端與主開關(guān)管O)的一端相連結(jié)，同時(shí)連結(jié)點(diǎn)經(jīng)續(xù)流ニ極管(4)與儲(chǔ)能電容(3)的正端相連；主開關(guān)管O)的另一端與橋式整流電路(1)的負(fù)輸出端相連；儲(chǔ)能電容(3)的正端經(jīng)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(jīng)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(fù)端相連，濾波電容⑶兩端接LED負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無電解電容的高功率因數(shù)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，包括交流輸入電源vin、橋式整流電路、主開關(guān)管、儲(chǔ)能電容、續(xù)流二極管、輔助電路、變壓器、整流電路及濾波電容。本發(fā)明主要技術(shù)特點(diǎn)是，采用反激變換器拓?fù)?，工作在電流斷續(xù)模式，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，得到高輸入功率因數(shù)，同時(shí)在主電路中加入儲(chǔ)能電容，當(dāng)輸入功率pin高于輸出功率Po時(shí)，多余的能量將存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電容中；而當(dāng)輸入功率pin低于輸出功率Po時(shí)，不足的能量將由儲(chǔ)能電容提供，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED提供恒定工作電流。同時(shí)，由于儲(chǔ)能電容上的電壓脈動(dòng)較大，需要的儲(chǔ)能電容與濾波電容容值都很小，可以采用非電解電容的其它類型電容，如陶瓷電容等。
文檔編號(hào)H02M1/42GK102570861SQ20111045773
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者陳武 申請(qǐng)人:東南大學(xué)