本發(fā)明涉及一種電力電子技術(shù)和LED照明技術(shù)，特別是涉及一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源，屬于交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)變換器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，照明每年需要消耗2650TW.h的能量，占據(jù)了全世界用電總量的20%左右。于是針對能源危機和環(huán)境污染日益嚴重的問題，世界各國紛紛以節(jié)能減排、環(huán)境保護為宗旨大力發(fā)展新型高效的照明光源。

發(fā)光二極管(light-emitting diode ,LED) 是繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后的第4 代照明光源，它具有光效高、壽命長、體積小、節(jié)能環(huán)保、易調(diào)光等優(yōu)點。隨著LED 照明技術(shù)的日益成熟，它將被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并成為照明光源的首選。高品質(zhì)的LED 驅(qū)動電源是構(gòu)成LED照明系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，直接影響LED發(fā)光品質(zhì)及照明系統(tǒng)的整體性能。

在交流供電場合，為了達到高功率因數(shù)(power factor，PF)，滿足IEC61000-3-2 的諧波要求，LED驅(qū)動電源需要實現(xiàn)功率因數(shù)校正(power factor correction，PFC)功能。當功率因數(shù)為1 時，輸入電流為與輸入電壓同相位的正弦波，其輸入功率呈現(xiàn)兩倍輸入頻率的脈動形式，而LED 的輸出功率為平直功率，為了匹配瞬時輸入輸出功率的不平衡，需要一個容量較大的儲能電容，該電容一般選用電解電容。電解電容的使用壽命只有10kh 左右，遠低于 LED 的80~100 kh的長壽命，是影響 LED驅(qū)動電源整體壽命的主要元件。

為了提高 AC/DC LED 驅(qū)動電源的使用壽命，有必要去除電解電容。在滿足功率因數(shù)的前提下，通過在輸入電流中注入三次和五次諧波可以減小輸入功率脈動，從而減小儲能電容容值大小。采用脈動電流來驅(qū)動LED，瞬時輸入和輸出功率接近或者相同，可以減小甚至消除儲能電容。然而，脈動電流驅(qū)動LED 一般用于景觀或者街道照明，在一些對光源質(zhì)量要求較高的場合并不適合。采用電感作為儲能元件可以代替或者減小儲能電容，但是電感的儲能密度較小，其體積較大，同時還會存在損耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服AC/DC LED驅(qū)動電源因電解電容的使用而降低LED照明整體壽命的缺點，克服傳統(tǒng)兩級拓撲結(jié)構(gòu)LED驅(qū)動電源集成度低、整機效率低、器件多、體積大等缺點，提供一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源。具有較高的拓撲集成度、且各開關(guān)管的邏輯控制簡單。

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源，包括：橋式整流電路、反激變壓器、主開關(guān)管S₁、整流二極管D_R1、輔助電路、輸出濾波電容及LED負載。其特征在于：所述橋式整流電路依次接反激變壓器、主開關(guān)管S₁、整流二極管D_R1、輔助電路、輸出濾波電容及LED負載。

所述橋式整流電路由第一二極管D_r1、第二二極管D_r2、第三二極管D_r3和第四二極管D_r4組成；所述第一二極管D_r1的陽極連接所述第三二極管D_r3的陰極，所述第二二極管D_r2的陽極連接所述第四二極管D_r4的陰極，所述第一二極管D_r1與所述第二二極管D_r2的陰極對接，所述第三二極管D_r3與所述第四二極管D_r4的陽極對接；所述反激變壓器由原邊繞組N_p和副邊繞組N_s組成；所述輔助電路由第二開關(guān)管S₂、第六二極管D_R2、第三開關(guān)管S₃、儲能電容C_b組成；第三開關(guān)管S₃源極連接輸出濾波電容C_o正極、LED負載的正極與整流二極管D_R1陰極的公共節(jié)點，第三開關(guān)管S₃漏極連接儲能電容C_b的正極與第六二極管D_R2陰極的公共節(jié)點，第二開關(guān)管S₂的源極連接第三二極管D_r3和第四二極管D_r4的陽極的公共節(jié)點，第二開關(guān)管S₂的漏極連接主開關(guān)管S₁的源極、輸出濾波電容C_o負極、LED負載的負極、儲能電容C_b的負極的公共節(jié)點。

所述由第一二極管D_r1、第二二極管D_r2、第三二極管D_r3和第四二極管D_r4組成的橋式整流電路實現(xiàn)交流/直流變換。

所述原邊繞組N_p、主開關(guān)管S₁、第五二極管D_R1共同作用實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正和調(diào)節(jié)儲能電容C_b的電壓。所述原邊繞組N_p工作在電流斷續(xù)模式，實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正。

所述儲能電容C_b匹配瞬時輸入功率和輸出功率的低頻脈動功率，并且儲能電容C_b的電壓設(shè)計為直流電壓疊加大脈動紋波電壓的工作形式，其容值較小，以消除AC/DC LED恒流驅(qū)動電源對電解電容的依賴。

所述第六二極管D_R2為儲能電容C_b提供能量儲存通道。

所述第三開關(guān)管S₃在輸入功率小于輸出功率(p_in<p_o)條件下通過釋放能量實現(xiàn)恒定輸出功率調(diào)節(jié)，為LED負載提供恒定驅(qū)動電流。

所述第二開關(guān)管S₂在輸入功率大于輸出功率(p_in>p_o)條件下實現(xiàn)恒定輸出功率調(diào)節(jié)，為LED負載提供恒定驅(qū)動電流。

所述濾波電容C_o可以濾除輸出電壓紋波。

所述輔助電路以平衡輸入功率p_in和輸出功率p_o的低頻功率脈動，并恒流驅(qū)動LED負載。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要技術(shù)特點和優(yōu)點是：1）輔助電路可以平衡輸入功率p_in和輸出功率p_o的低頻脈動功率，并恒流驅(qū)動LED負載；2）儲能電容電壓設(shè)計為直流電壓疊加大脈動紋波電壓的形式，因而可以使用小容值的非電解電容(如薄膜電容等)作為儲能電容；3）輔助電路與Boost主電路形成三端口DC/DC變換器，大部分輸入功率只經(jīng)過一次能量變換就到達LED負載，因而效率高；4）將Boost與Flyback有機結(jié)合，實現(xiàn)Boost電感與Flyback原邊繞組的共用，提高了拓撲功率密度。5）在主開關(guān)管S₁關(guān)斷后，實現(xiàn)漏感能量的回收利用，抑制漏感電壓尖峰的同時，提高了整機效率。6）通過將Boost和Flyback輸出端并聯(lián)實現(xiàn)對開關(guān)管S₁的電壓箝位，降低電壓應(yīng)力。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的兩級式LED驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源的原理框圖。

圖3為本發(fā)明的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源的主電路。

圖4為本發(fā)明的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源的主要工作波形。

圖5為本發(fā)明的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源主電路在p_in<p_o條件下的開關(guān)管邏輯序列和主要工作波形。

圖6為本發(fā)明的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源主電路在p_in>p_o條件下的開關(guān)管邏輯序列和主要工作波形。

圖7為本發(fā)明的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源主電路在p_in<p_o條件下各開關(guān)模態(tài)的等效電路圖。

圖8為本發(fā)明的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源主電路在p_in>p_o條件下各開關(guān)模態(tài)的等效電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明。

實施例一：圖2為本實施例的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源原理框圖。驅(qū)動電源主電路為基于Boost-Flyback集成的三端口變換器，所謂三端口分別為市電經(jīng)整流后功率輸入端、負載功率輸出端和儲能電容功率交換端，其中儲能電容用于在不同輸入功率條件下能夠起到平衡瞬時輸入功率p_in和輸出功率p_o的作用，通過儲能電容的調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出功率恒定的要求，為LED負載提供恒定驅(qū)動電流。

實施例二：如圖3所示為本實施例的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源主電路圖，本實施例與實施例一基本相同，其特別之處如下：

一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源，包括：橋式整流電路（1）、反激變壓器（2）、主開關(guān)管S₁（3）、整流二極管D_R1（4）、輔助電路（5）、輸出濾波電容（6）及LED負載（7）。其特征在于：所述橋式整流電路（1）依次接反激變壓器（2）、主開關(guān)管S₁（3）、整流二極管D_R1（4）、輔助電路（5）、輸出濾波電容（6）及LED負載（7）。所述橋式整流電路(1)由第一二極管(D_r1)、第二二極管(D_r2)、第三二極管(D_r3)和第四二極管(D_r4)組成；所述第一二極管(D_r1)的陽極連接所述第三二極管(D_r3)的陰極，所述第二二極管(D_r2)的陽極連接所述第四二極管(D_r4)的陰極，所述第一二極管(D_r1)與所述第二二極管(D_r2)的陰極對接，所述第三二極管(D_r3)與所述第四二極管(D_r4)的陽極對接；所述反激變壓器（2）由原邊繞組N_p和副邊繞組N_s組成；所述輔助電路（5）由第二開關(guān)管S₂、第六二極管D_R2、第三開關(guān)管S₃、儲能電容C_b組成；第三開關(guān)管S₃源極連接輸出濾波電容C_o（6）正極、LED負載（7）的正極與整流二極管D_R1（4）陰極的公共節(jié)點，第三開關(guān)管S₃漏極連接儲能電容C_b的正極與第六二極管D_R2陰極的公共節(jié)點，第二開關(guān)管S₂的源極連接第三二極管D_r3和第四二極管D_r4的陽極的公共節(jié)點，第二開關(guān)管S₂的漏極連接主開關(guān)管S₁（3）的源極、輸出濾波電容C_o（6）負極、LED負載（7）的負極、儲能電容C_b的負極的公共節(jié)點。

所述原邊繞組N_p工作在電流斷續(xù)模式，實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正。所述儲能電容(C_b)的電壓設(shè)計為直流電壓疊加大脈動紋波電壓的工作形式以消除AC/DC LED恒流驅(qū)動電源對電解電容的依賴。輔助電路(4)以平衡輸入功率p_in和輸出功率p_o的低頻功率脈動，并恒流驅(qū)動LED負載(7)。

下面以圖3為本實施案例的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源主電路，結(jié)合附圖4—8敘述本發(fā)明的具體工作原理，設(shè)計原理：

圖4為本發(fā)明所提出的一種基于Boost和Flyback電路集成的非隔離無電解電容LED驅(qū)動電源的主要工作波形。為了獲得高輸入功率因數(shù)，Boost電路中的電感即反激變壓器的原邊繞組N_p工作在電流斷續(xù)狀態(tài)(discontinuous current mode, DCM)，實現(xiàn)功率因數(shù)校正。為了匹配瞬時輸入功率和輸出功率的低頻脈動功率，在Boost主電路上以三端口網(wǎng)絡(luò)形式加入輔助電路，輔助電路中儲能電容C_b的能量可以實現(xiàn)雙向流動，輔助電路的電感為反激變壓器的副邊繞組N_s。在一個工頻周期，當輸入功率p_in小于輸出功率p_o時，S₂一直開通，通過控制S₁、S₃的導(dǎo)通狀態(tài)可以為LED負載提供恒定工作電流，此時，儲能電容C_b釋放能量至輸出負載以補償輸出功率與輸入功率的能量差，所以儲能電容的電壓v_cb下降；當輸入功率p_in大于輸出功率p_o時，S₃一直關(guān)斷，控制S₁、S₂的開關(guān)狀態(tài)可以實現(xiàn)為LED負載提供恒定工作電流，此時，剩余的能量儲存在電容C_b上，所以儲能電容的電壓v_cb上升。由此可見，該LED驅(qū)動電源在p_in<p_o的工作狀態(tài)和在p_in>p_o的工作狀態(tài)是截然不同的。圖5為主電路在p_in<p_o條件下的開關(guān)管邏輯序列和主要工作波形；圖6主電路在p_in>p_o條件下的開關(guān)管邏輯序列和主要工作波形

1.不同功率條件下的工作原理分析

1.1 當p_in<p_o時的工作模態(tài)分析

圖5為主電路p_in<p_o條件下的開關(guān)管邏輯序列，此時共有四個不同的工作模態(tài)，其開關(guān)模態(tài)的等效電路圖如圖7所示。

1）工作模態(tài)1，[t_o,t₁]：其等效工作電路如圖7(a)所示。t_o時刻之前，Boost電路電感即反激變壓器原邊繞組N_p的電流為零，濾波電容C_o向LED負載供電。在p_in<p_o功率條件下開關(guān)管S₂一直開通，在t_o時刻，開關(guān)管S₁導(dǎo)通，整流二極管D_r1和D_r4(或者D_r2和D_r3)導(dǎo)通，輸入電壓經(jīng)整流后加到原邊繞組N_p上，電流從零開始線性上升，同時開關(guān)管S₃導(dǎo)通，儲能電容通過開關(guān)管S₃向負載提供能量，用來補償輸入功率的不足。

2）工作模態(tài)2，[t₁,t₂]：其等效工作電路如圖7(b)所示，在t₁時刻開關(guān)管S₁關(guān)斷，電感電流線性上升到S₁一個開關(guān)周期內(nèi)的最大值。在t₁時刻開關(guān)管S₁關(guān)斷，電感電流通過整流二極管D_R1向輸出側(cè)流動，變壓器副邊繞組的能量通過第六二極管D_R2傳遞到LED負載，同時儲能電容中儲存的能量也通過開關(guān)管S₃傳遞到負載側(cè)，以補償輸入端功率不足，實現(xiàn)功率平衡，電源功率和電感的儲能向LED負載和輸出濾波電容轉(zhuǎn)移，此時電感電流開始線性下降，在t₂時刻電感電流下降為零。

3）工作模態(tài)3，[t₂,t₃]：其等效工作電路如圖7(c)所示，由于在t₂時刻電感電流下降為零，即原邊繞組N_p中已經(jīng)沒有能量，所以副邊繞組N_s不能夠給負載提供能量，所以此時電路中只有儲能電容通過開關(guān)管S₃向負載提供能量。

4）工作模態(tài)4，[t₃,t₄]：其等效工作電路如圖7(d)所示，在這個開關(guān)模態(tài)中，電感電流為零，電感工作在電流斷續(xù)狀態(tài)，且開關(guān)管S₃在t₃時刻關(guān)斷，濾波電容C_o向LED負載供電。

在p_in<p_o功率條件下，為了保證輸出功率恒定，需要儲能電容C_b向LED負載提供能量，所以應(yīng)該調(diào)節(jié)控制儲能電容釋放能量大小的開關(guān)管S₃的占空比，以保證輸出電流恒定和輸出功率恒定。

1.2 當p_in>p_o時的工作模態(tài)分析

圖6為主電路在p_in>p_o條件下的開關(guān)管邏輯序列和主要工作波形，此時共有四個不同的工作模態(tài)，其開關(guān)模態(tài)的等效電路如圖8所示。

1）工作模態(tài)1，[t₀,t₁]：其等效工作電路如圖8(a)所示，與圖7(a)類似，暫態(tài)分析也類似。在p_in>p_o條件下，因輸入功率大于輸出功率，只需要電源和原邊繞組向負載提供能量，不需要儲能電容通過開關(guān)管S₃向負載提供能量，所以開關(guān)管S₃始終處于關(guān)閉狀態(tài)，儲能電容始終處于充電儲能狀態(tài)。t_o時刻之前，電感電流為零，濾波電容C_o向LED負載供電。在t_o時刻，開關(guān)管S₁和S₂導(dǎo)通，整流二極管D_r1和D_r4(或者D_r2和D_r3)導(dǎo)通，輸入電壓經(jīng)整流后加到原邊繞組N_p上，原邊繞組開始儲能，電感電流從零開始線性上升。

2）工作模態(tài)2，[t₁,t₂]：其等效工作電路如圖8(b)所示，在t₁時刻開關(guān)管S₁關(guān)斷，電感電流線性上升到S₁一個開關(guān)周期中的最大值。在t₁時刻開關(guān)管S₁關(guān)斷，電感電流通過整流二極管D_R1向輸出側(cè)流動，電源功率和電感的儲能向LED負載和輸出濾波電容轉(zhuǎn)移，同時變壓器副邊繞組N_s中儲存的能量通過二極管D_R2傳遞到儲能電容，此時電感電流開始線性下降。為了保證向LED負載提供恒定工作電流，在每一個開關(guān)周期中負載釋放的能量必須恒定，所以在t₂時刻開關(guān)管S₂關(guān)斷，電源功率和電感L的儲能停止向LED負載和輸出濾波電容轉(zhuǎn)移。

3）工作模態(tài)3，[t₂,t₃]：其等效工作電路如圖8(c)所示。在t₂時刻開關(guān)管S₂關(guān)斷，電源功率和電感剩余儲能由變壓器副邊繞組N_s通過二極管D_R2向儲能電容C_b轉(zhuǎn)移，儲能電容C_b被充電，電容電壓上升。

4）工作模態(tài)4，[t₃,t₄]：其等效工作電路如圖8(d)所示。在t₃時刻，儲存在原邊繞組剩余能量繼續(xù)向儲能電容釋放，濾波電容C_o向LED負載供電。

在p_in<p_o功率條件下，為了使輸出電流恒定從而保證輸出功率恒定，需要儲能電容C_b向LED負載提供能量，所以應(yīng)該控制S₁、S₂的占空比，以保證輸出電流恒定和輸出功率恒定。

本發(fā)明不局限于上述具體實施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容進行多種實施方式。應(yīng)理解上述實施例子僅用于說明本發(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)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。