一种基于高频交流母线型多路恒流LED驱动电源的制作方法

本发明属于LED照明技术领域，具体涉及一种基于高频交流母线型多路恒流LED驱动电源，用于将直流电压变换为恒定直流电流输出，采用电流母线为负载进行供电，主要应用于多路输出LED场合。

技术背景

发光二极管(LED)具有体积小、重量轻、光效高、环保等特点，相较于白炽灯而言更加节能、寿命更长，且没有热量辐射。随着LED技术的不断发展，LED产品逐渐在室内外照明、装饰以及汽车照明灯等领域取得成就。由于LED的光学特性，输出电流会决定LED的亮度、光通量以及发光效率等性能指标，因此在目前LED驱动电源主要是采用恒流进行驱动，且一般采用三级变换结构，即由工频交流经过功率因数校正电路，进行AC/DC变换，在经过DC/DC变换电路，对电压进行匹配调节，最后经过谐振整流单元进行恒流源调节。

在LED照明电路中，负载是由多个LED灯串联或者串并联组成的，且在一些大型照明场所中，使用的LED照明装置的最大功率为200W左右。以文献《一种模块化开环多路谐振恒流LED驱动电源[J]》(何青青,罗全明,曹驰,孙鹏菊,周雒维..中国电机工程学报,2019,39(22):6688-6697.)中的电路拓扑为例，电路以经过功率因数校正后的直流电压作为电路的输入，再经过逆变、变压器和谐振整流单元去驱动五路并联的LED负载，谐振网络后接多个LCL-T无源谐振整流单元，一个无源谐振整流单元驱动一串LED，作为模块化使用，但由于中采用了交流电压母线进行分流，使得如果其中一路负载故障时，依然会影响到其他几路LED上电流大小，且由于采用并联的方式，增加了五组LCL-T型谐振网络和整流单元，结构复杂，降低了电路中的功率密度。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中多路LED驱动电源存在结构复杂、体积大、功率密度小以及效率低等不足之处，而提出一种基于高频交流母线型多路恒流LED驱动电源，可以很好地简化电路结构，减少电路元件，从而减小体积、提高功率密度以及降低成本。

为实现上述目的，本发明所设计的一种基于高频交流母线型多路恒流LED驱动电源，其特殊之处在于，所述驱动电源由DC/AC逆变单元、无源谐振恒流单元、整流单元和控制器组成；

所述DC/AC逆变单元：用于将恒定的直流电压变换成为高频交流方波电压；

所述无源谐振恒流单元：对高频交流方波电压进行变换，实现软开关和恒流输出，输出高频交流电流母线为整流单元直接供电；

所述整流单元：将高频交流电流母线与隔直电容串联，形成整流电路，进行AC/DC变换，所述整流单元与一路或多路LED负载连接；

所述控制器采集LED负载上的输出电流作为反馈量，与给定电流值作比较，得到占空比，驱动DC/AC逆变单元中的开关管。

进一步地，所述DC/AC逆变单元为全桥逆变单元。

更进一步地，所述无源谐振恒流单元和整流单元之间设置有变压器T以实现输入输出隔离，整流单元与变压器T之间串联有隔直电容Cb以抑制变压器的磁偏置。

更进一步地，所述无源谐振恒流单元为由电感L1、La1和电容C1组成T型谐振网络。

更进一步地，所述无源谐振恒流单元中电感L1和电容C1在基波频率下进行谐振，谐振后的输出相当于恒流电流源，与整流电流组合实现恒流输出，无源谐振恒流单元将逆变后的电压uAC超前电流iL1调整为设定相位，即电感La1小于L1，使得开关上的电压和电流重叠部分减小，从而减小开关上的损耗。

更进一步地，所述整流单元为二倍压整流单元。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所提出的基于高频交流方波母线的多路恒流LED驱动电源架构电路结构更加简单，多路隔离输出时只需要一个变压器。

2、本发明只需一组无源谐振单元，可构建高频交流电流母线，以驱动多路负载，有利于简化电路结构、减小电路体积以及降低生产成本。

3、本发明通过二极管整流单元串联各路输出负载，采用高频交流电流母线对其进行供电，可实现高精度恒流输出。

4、本发明基于无源谐振网络的恒流特性，既可以工作在开环状态，也可以工作在闭环控制状态

5、本发明可实现软开关，减小电路损耗，提高电路的运行效率。

6、本发明不仅可以为LED负载供电，还可以用于其它输出需要具有高精度恒流的应用场所。

附图说明

图1是本发明基于高频交流电流母线型多路恒流LED驱动电源架构的原理图。

图2为LCL-T型网络的基波向量模型图。

图3是图1中的整个电路部分的结构图。

图4是开关管S1上的电压uS1、电流iS1、逆变后的输出电压uac以及LCL谐振后的电压uAC。

图5、6是工作时逆变单元中四个开关管上的电压和电流，其中椭圆内部分为电路实现软开关的表现。

图7、8是电路在开环状态和闭环状态下，输出电流和五组负载电压。

图9、10是电路输入电压从380V到420V和从420V到380V跳变过程中，输入电压和其中三组负载上电压和电流变化图。

图11、12是短路其中一路负载和恢复正常过程中，其中三组负载上电压电流变化。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，本发明设计一种基于高频交流母线型多路恒流LED驱动电源，由DC/AC逆变单元、无源谐振恒流单元、整流单元和控制器组成。

DC/AC逆变单元：用于将恒定的直流电压变换成为高频交流方波电压；无源谐振恒流单元：对高频交流方波电压进行变换，实现软开关和恒流输出，输出高频交流电流母线为整流单元直接供电；整流单元：将高频交流电流母线与隔直电容串联，形成整流电路，进行AC/DC变换，整流单元与一路或多路LED负载连接；控制器采集LED负载上的输出电流作为反馈量，与给定电流值作比较，得到占空比，驱动DC/AC逆变单元中的开关管。

本发明提出的电路采用电流母线型进行供电，共用一套谐振单元和整流单元为多组串联的LED负载进行供电，极大地减少电路使用器件，降低成本。LCL-T无源谐振整流器将高频交流电压变换为恒定直流输出，由LCL-T型网络、二极管整流电路和LED串构成。整个电路的工作过程为：输入端为直流电压，经过全桥逆变为高频交流方波电压，由LCL-T型谐振进行变换，以实现软开关和输出恒流，从谐振单元输出的交流方波电压经过变压器进行隔离，隔离后的方波电压由整流电路进行AC/DC变换，得到高精度的恒流电流。驱动LED负载的整流电路设置为二倍压整流电路，便于提高负载工作电压。

为便于对LCL-T型网络电路进行理论分析，将LED串等效电阻R通过二极管整流桥后进行等效为电阻Rac，简化后的图用向量图示于图2，采用基波分析法进行分析，能量从输入到输出只通过基波分量进行传递，等效电阻Rac可表示为：

LCL-T型谐振网络的谐振角频率ω0和归一化角频率ωn定义为：

其中ωSW是开关角频率，fSW是开关频率。

LCL-T型谐振网络的特性阻抗Zn和LCL-T型谐振网络的品质因数Q定义为：

电感L1和电感La1的比值γ定义为：

LCL-T型谐振网络的输入电压uac为正弦波交流电压时，可定义为：

uac＝Uacmsin(ωSWt) (5)

其中，Uacm是uac的幅值，并且假定uac的初相角为0。

那么，图2中的向量电流ILa1m可推导为如下：

从上式可以看出：当ωn＝1时，ILa1m与负载无关，即ILa1m可推导表示为：

也就是

因此，LED串驱动电路的驱动电流io1的平均值Io1可推导表示为：

从上式中可以明显看出：当ωn＝1时，LED串的驱动电流的平均值Io1与负载无关，LCL-T型谐振网络整流器表现为一个电流源。

本实施例的具体结构如图3所示，整个电路由DC/AC全桥逆变单元、LCL-T型谐振单元以及二倍压整流三个单元及控制器组成，该电路结构可实现软开关以及高精度恒流输出。

直流电压输入端连接全桥逆变单元，全桥逆变单元由开关S1-S4组成，实现DC/AC变换，逆变后的输出为高频交流电压。逆变单元后面连接谐振单元，由电感L1、La1和电容C1组成T型谐振网络，设置网络参数，可实现软开关和恒流输出。谐振单元的输出为高频交流电压，经过变压器T进行电气隔离，变压器T的输出端与整流电路连接，形成高频交流电流母线。高频交流电流母线与电容Cb串联，再与多组二极管相连接，形成二倍压整流电路，进行AC/DC变换，可利用交流电流母线的优势得到高精度的恒流输出。

谐振网络中电感L1和电容C1在基波频率下进行谐振，谐振后的输出相对于恒流电流源，因此与整流电流组合可实现恒流输出。由于为减小转换器体积，需要提高开关的频率，同时由于提高了开关频率，开关损耗会相应增加，因此需要将转换器运行在ZVS软开关模式下。软开关实现目的是为了减小开关上由于不完全导通带来的损耗，实现方法是将逆变后的电压uAC超前电流iL1一个合适的相位，即电感La1小于L1，使得开关上的电压和电流重叠部分减小，从而减小开关上的损耗，如图4所示。以仿真图5、6为例，软开关的实现过程为，由于逆变的输出侧呈现感性，当电压uac降为零时，电流iL1由开关管上的二极管导通，使得电路中开关上的电压和电流，呈现出uS1降为零时，iS1小于零，同理互补的一端呈现出uS3降为零时，iS3小于零，此时开关管实现零电压导通，从而可以降低开关损耗。电路中高精度电流输出，是由高频交流电流母线实现。与电压母线对并联负载均分电流不同，电流母线直接以电流的形式对负载供电，不需要进行均流的过程，相当于利用谐振网络的恒流特性与整流电路组合，形成一个具有高精度的恒流电流源为负载供电。电路中的元器件和输入输出的设定参数如下：额定输入电压为400V，额定输出电流为0.7A，共五组串联的负载，每组负载的额定输出电压为57V，开关管的工作频率100KHz，变压器匝数比N＝1,电感L1＝365μh,电感La1＝187.5μh，电容C1＝7.9nF，电容Cb＝1μF。在闭环情况下，以其中一组负载上的输出电流为反馈量，输入控制器与给定电流0.7A比较做差值，得到的差值经PI调节得到相应占空比，在于三角波比较输出PWM波形，经过驱动电路将PWM信号放大，驱动全桥逆变中的开关管，如图8所示，为输入在400V时，输出电流稳定在0.7A，每组输出电压都在57V左右。如图7表示电路开环状态下，电路也能稳定运行，输出电流仍可稳定在0.7A左右，每组负载的输出电压为57V。对电路输入电压由380V到420V和420V到380V进行跳变，输出电压、电流如图9、10所示，电流仍能维持在0.7A左右，说明该电路结构在输入电压有一定范围变化时，仍能保持高精度的输出电流。对于负载由正常运行到短路其中一组进行变化，和短路一组负载到恢复正常状态，得到输出电压电流如图11、12所示，输出电流仍能够保持0.7A左右，说明该电路结构，在其中一组出现短路故障时仍能够正常工作。从上述仿真波形的分析可知，本发明电路结构中开关管均可实现软开关，降低了开关损耗，另外可输出高精度的电流，实现了恒流输出功能，还可以工作在开环模式下，控制更加简单可靠。

与传统多路恒流LED驱动电源相比，本发明结构更加简单，从元器件数和控制上都具有明显优势。通过对各支路无源谐振恒流网络的参数设置，本发明也适用于要求各路输出电流不同的应用环境。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。