一种两级式LED驱动系统.pdf

本发明公开了一种两级式LED驱动系统，包括LC滤波器、稀疏矩阵整流电路和至少一组单管反激电路，其中，稀疏矩阵整流电路的输入端通过LC滤波器接外界三相交流电；外界LED支路通过单管反激电路接稀疏矩阵整流电路的输出端。本发明采用无电解电容的稀疏矩阵整流电路整流，换流简单可靠，实现了正弦的电流输入，瞬时输入输出功率平衡，相对传统的两级式LED驱动系统中间环节不需要储能电容；稀疏矩阵整流电路直流母线侧可以根据场合的不同和实际的照明需求，连接适当数量的多组并联的单管反激电路，可获得多组独立的输出。本发明采用三相交流电源输入，摒弃电解电容，克服了当前LED驱动系统中间环节需要储能电容的缺点，具有较大的实用价值。

权利要求书1.   一种两级式LED驱动系统，其特征在于，包含LC滤波器、稀疏矩阵整流电路和至少一组单管反激电路；所述稀疏矩阵整流电路的输入端通过LC滤波器接外界三相交流电；所述单管反激电路一端接稀疏矩阵整流电路的输出端，另一端接外界LED。2.   根据权利要求1所述的两级式LED驱动系统，其特征在于，所述LC滤波器包含第一至第三电感、第一至第三电容；所述第一电感一端和外界三相交流电的第一相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第一电容的一端相连；所述第二电感一端和外界三相交流电的第二相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第二电容的一端相连；所述第三电感一端和外界三相交流电的第三相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第三电容的一端相连；所述第一至第三电容的另一端相互连接。3.   根据权利要求2所述的两级式LED驱动系统，其特征在于，所述稀疏矩阵整流电路包含第一至第六IGBT、第一至第六二极管；所述第一至第六IGBT的发射极分别和第一至第六二极管的正极对应相连、基极均接外界控制信号；所述第一IGBT的集电极分别和第四二极管的负极、第一电感的另一端、第一电容的一端相连；所述第二IGBT的集电极分别和第五二极管的负极、第二电感的另一端、第二电容的一端相连；所述第三IGBT的集电极分别和第六二极管的负极、第三电感的另一端、第三电容的一端相连；所述第四至第六IGBT的集电极相互连接；所述第一至第三二极管的阴极相互连接。4.   根据权利要求3所述的两级式LED驱动系统，其特征在于，所述单管反激电路均包含变压器、第四电容、第七二极管和第七IGBT；所述变压器输入侧的一端和第一至第三二极管的阴极相连，另一端和第七IGBT的集电极相连；所述第七IGBT的基极接外界控制信号、发射集与所述第四至第六IGBT的集电极相连；所述变压器输出侧的一端与第七二极管的阳极相连，另一端与所述第四电容的一端相连；所述第四电容的另一端和第七二极管的阴极相连；所述第四电容的两端分别和外界LED的两极相连。5.   根据权利要求1所述的两级式LED驱动系统，其特征在于，所述单管反激电路采用倍频工作模式，即在任意一个调制周期内，单管反激电路工作两段时间，其开关频率为稀疏矩阵整流电路的两倍。6.   根据权利要求1所述的两级式LED驱动系统，其特征在于，所述单管反激电路采用同频工作模式，即在任意一个调制周期内，单管反激电路工作一段时间，其开关频率与稀疏矩阵整流电路相同。

说明书一种两级式LED驱动系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种LED驱动系统，特别是一种两级式LED驱动系统。
背景技术
随着社会经济的发展，环境保护与节能减排日益得到我国政府的重视，淘汰低效率照明产品白炽灯的呼声也越来越高。因此，寻找新型的照明光源是近年来学者不懈努力的方向。
半导体照明是以发光二极管(Lighting Emitting Diode，LED)作为光源的照明方式。作为新型的照明光源，它具有以下优势：(1)使用寿命长，平均使用寿命可达5～10万小时，是普通照明灯的3～5倍。(2)在同等照明亮度的前提下，能耗低，更高效。(3)相对于普通照明灯，工作简单可靠，体积小，适用于各种照明场合。正因其相对于传统白炽灯的巨大优势，LED近年来得到迅速的发展与广泛应用。
为了确保LED照明系统高效、可靠工作，需要LED驱动系统为LED灯提供恒流驱动源。目前市场流通的驱动系统一般采用两级式驱动电路。前级采用单相输入，经PFC整流电路，获得较高的输入功率因数；后级经DC-DC变换器为LED灯提供恒流源。该驱动电路瞬时输入功率是脉动的，而瞬时输出功率恒定，因此中间环节需要储能电容来平衡瞬时输入输出功率。考虑到电解电容有稳定性差、使用寿命短等缺点，为了提高驱动系统的使用寿命，通过减少储能电容进而使用薄膜电容等非电解电容来代替是近年来学术界研究的热点。目前学术界减少储能电容有两种解决方案：(1)在保证输入功率因数的前提下，向输入电流注入三次谐波以减少瞬时输入功率的脉动，从而减少储能电容。(2)增加储能电容上电压的波动来减小储能。但是这些方案中驱动电路拓扑结构有两个缺点：(1)虽然可以通过减少储能电容来实现无电解电容驱动，但是会影响输入功率因数，且储能电容减小的幅值有限。(2)采用单相交流电源供电，只有一路独立的输出，输出功率有限，不适用于多路输出等大面积照明场合。
矩阵变换器是近年来电力电子领域研究的热点，是国内外学者广泛关注的新型通用变换器。该变换器可以采用三相交流电源作为输入电源，实现单位输入功率因数，且无电解电容，非常适应于LED驱动系统。申请号为201510024138.X的专利提出了一种大面积区域内LED照明的集中供电系统及其驱动方法，该驱动系统摒弃电解电容，将三相交流电源作为输入电源，整流侧接多组并联的双管正激电路，克服了当前LED驱动系统使用寿命受限于电解电容，且功率有限的缺点。但是该驱动系统存在两处不足：(1)AC-DC矩阵变换器整流输出侧接双管正激电路，但是双管正激电路存在磁复位的问题，为了防止磁饱和，占空比必须小于0.5，这 就降低了对整流侧母线电压的利用率。(2)双管正激电路存在能量回馈的问题，矩阵变换器需采用双向开关，换流复杂，这一方面增加了开关管的数量，另一方面增加了电路控制的复杂性与电路成本。
在可应用于多路LED支路输出的DC-DC变换器中，反激电路工作简单可靠，不需要能量回馈。而稀疏矩阵整流电路采用单向开关整流，电流只能单向流通，特别适合于不存在能量回馈的LED驱动系统。本发明提出一种两级式LED驱动系统，该驱动系统将稀疏矩阵整流电路与单管反激电路特点紧密结合，简化了电路拓扑结构，具有良好的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对当前LED驱动系统的不足，提出一种两级式LED驱动系统，该驱动系统采用三相交流电源输入，经稀疏矩阵整流电路整流，摒弃电解电容，其整流母线侧接多组并联的单管反激电路，实现多组独立的输出。前级矩阵整流器采用基于输入电流的空间矢量调制，后级单管反激电路在控制上与前级紧密配合，可以工作在倍频模式或者同频模式。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种两级式LED驱动系统，包含LC滤波器、稀疏矩阵整流电路和至少一组单管反激电路；
所述稀疏矩阵整流电路的输入端通过LC滤波器接外界三相交流电；
所述单管反激电路一端接稀疏矩阵整流电路的输出端，另一端接外界LED。
作为本发明一种两级式LED驱动系统进一步的优化方案，所述LC滤波器包含第一至第三电感、第一至第三电容；
所述第一电感一端和外界三相交流电的第一相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第一电容的一端相连；
所述第二电感一端和外界三相交流电的第二相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第二电容的一端相连；
所述第三电感一端和外界三相交流电的第三相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第三电容的一端相连；
所述第一至第三电容的另一端相互连接。
作为本发明一种两级式LED驱动系统进一步的优化方案，所述稀疏矩阵整流电路包含第一至第六IGBT、第一至第六二极管；
所述第一至第六IGBT的发射极分别和第一至第六二极管的正极对应相连、基极均接外界控制信号；
所述第一IGBT的集电极分别和第四二极管的负极、第一电感的另一端、第一电容的一端相连；
所述第二IGBT的集电极分别和第五二极管的负极、第二电感的另一端、第二电容的一端相连；
所述第三IGBT的集电极分别和第六二极管的负极、第三电感的另一端、第三电容的一端相连；
所述第四至第六IGBT的集电极相互连接；
所述第一至第三二极管的阴极相互连接。
作为本发明一种两级式LED驱动系统进一步的优化方案，所述单管反激电路均包含变压器、第四电容、第七二极管和第七IGBT；
所述变压器输入侧的一端和第一至第三二极管的阴极相连，另一端和第七IGBT的集电极相连；
所述第七IGBT的基极接外界控制信号、发射集与所述第四至第六IGBT的集电极相连；
所述变压器输出侧的一端与第七二极管的阳极相连，另一端与所述第四电容的一端相连；
所述第四电容的另一端和第七二极管的阴极相连；
所述第四电容的两端分别和外界LED的两极相连。
作为本发明一种两级式LED驱动系统进一步的优化方案，所述单管反激电路采用倍频工作模式，即在任意一个调制周期内，单管反激电路工作两段时间，其开关频率为稀疏矩阵整流电路的两倍。
作为本发明一种两级式LED驱动系统进一步的优化方案，所述单管反激电路采用同频工作模式，即在任意一个调制周期内，单管反激电路工作一段时间，其开关频率与稀疏矩阵整流电路相同。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.充分利用LED负载不存在能量回馈的特点，采用由单向开关组成的稀疏矩阵整流电路整流，降低了硬件电路的成本；
2.采用无电解电容的稀疏矩阵整流电路整流，换流简单可靠，实现了正弦的电流输入，瞬时输入输出功率平衡，克服了当前LED驱动系统中间环节需要储能电容的缺点；
3.稀疏矩阵整流电路的输出侧所接的单管反激电路，工作时可以升压或降压，对LED支路电压控制更为灵活；
4.稀疏矩阵整流电路的输出侧可以根据场合的不同和实际的需求，接合适数量的多组并联结构的单管反激电路，获得多组独立的输出，这样的拓扑结构增加了该LED驱动系统的灵 活性与实用性。
附图说明
图1一种两级式LED驱动系统拓扑结构图；
图2基本电流矢量与直流母线电压对应关系；
图3输入电流空间分布图；
图4倍频工作模式示意图；
图5同频工作模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明公开了一种两级式LED驱动系统拓扑结构，包含LC滤波器、稀疏矩阵整流电路和至少一组单管反激电路；所述稀疏矩阵整流电路的输入端通过LC滤波器接外界三相交流电；所述单管反激电路一端接稀疏矩阵整流电路的输出端，另一端接外界LED。
所述LC滤波器包含第一至第三电感、第一至第三电容；所述第一电感一端和外界三相交流电的第一相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第一电容的一端相连；所述第二电感一端和外界三相交流电的第二相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第二电容的一端相连；所述第三电感一端和外界三相交流电的第三相相连，另一端分别和稀疏矩阵整流电路、第三电容的一端相连；所述第一至第三电容的另一端相互连接。
所述稀疏矩阵整流电路包含第一至第六IGBT、第一至第六二极管；所述第一至第六IGBT的发射极分别和第一至第六二极管的正极对应相连、基极均接外界控制信号；所述第一IGBT的集电极分别和第四二极管的负极、第一电感的另一端、第一电容的一端相连；所述第二IGBT的集电极分别和第五二极管的负极、第二电感的另一端、第二电容的一端相连；所述第三IGBT的集电极分别和第六二极管的负极、第三电感的另一端、第三电容的一端相连；所述第四至第六IGBT的集电极相互连接；所述第一至第三二极管的阴极相互连接。
所述单管反激电路均包含变压器、第四电容、第七二极管和第七IGBT；所述变压器输入侧的一端和第一至第三二极管的阴极相连，另一端和第七IGBT的集电极相连；所述第七IGBT的基极接外界控制信号、发射集与所述第四至第六IGBT的集电极相连；所述变压器输出侧的一端与第七二极管的阳极相连，另一端与所述第四电容的一端相连；所述第四电容的另一端和第七二极管的阴极相连；所述第四电容的两端分别和外界LED的两极相连。
本发明将三相交流电源作为输入电源，输入侧LC滤波器的作用是滤掉开关管切换所引起的高次谐波，摒弃了电解电容。因LED支路不存在能量回馈的问题，故矩阵变换器采用由单 向开关组成的三相桥式整流结构，即稀疏矩阵整流电路整流。该单向开关由IGBT与二极管串联构成，特点是电流单向流通，电压双向阻断。整流输出侧接多组并联的单管反激电路，每组单管反激电路接一路LED输出，各组LED支路彼此之间是相互独立的，这样可同时获得多路独立输出。该驱动系统可以根据实际的需要与场合的不同，接合适数量的单管反激电路。
前级稀疏矩阵整流电路采用基于输入电流的空间矢量调制，基本电流矢量与直流母线电压对应关系如图2所示。其中，I7～I9为零矢量，I1～I6为非零矢量。6个非零矢量在αβ平面的分布如图3所示：αβ平面被6个有效矢量分成了6个扇区。假定期望输入电流空间矢量Iref位于扇区Ⅰ，在一个调制周期内，Iref可由I1、I6及零矢量合成。根据正弦定理，各个矢量在调制周期内的占空比如下式所示：
      d1=mcsinθscd2=mcsin(π3-θsc)d0=1-d1-d2---(5.1)]]>      
式中mc为调制比，一般设为1以提高电压传输比。
由式(5.1)知，在该调制周期内，加在后级单管反激电路上的平均电压Upn：
Upn＝d1uAB+d2uCB    (5.2)由矩阵整流器的理论知，在任意一个调制周期内Upn为一个恒定的值，与期望电流矢量所在的位置无关。
为了减少开关损耗并提高直流母线电压的利用率，整流级采用无零矢量调制。修正后矢量I1、I6的占空比如下式所示：
      dm=d1+12d0dn=d2+12d0---(5.3)]]>      
前级稀疏矩阵整流电路整流母线侧没有储能环节，瞬时输入输出功率平衡，后级单管反激电路在控制上需要与前级稀疏矩阵整流电路紧密配合。在调制频率较高的前提下，在一个调制周期内，两个有效矢量作用时可默认整流级输出电压保持恒定。LED支路需要恒流源来驱动，因此输出侧采用电流PI闭环控制。
后级单管反激电路有两种工作模式：倍频模式和同频模式。图4为倍频工作模式示意图，图5为同频工作模式示意图。倍频工作模式下器件开关频率是同频工作模式下的两倍，后级单管反激电路可以根据器件型号、生成调制信号容易程度选择合适的工作模式，这就增加了LED控制系统的灵活性。设第一路单管反激电路的占空比为D(0<D<1)，经电流PI闭环控制可获得 当前调制周期内D的值。
当后级单管反激电路工作在倍频模式下时，假定期望电流矢量位于第一扇区，以第一组单管反激电路为例，讲述前级稀疏矩阵整流电路与后级单管反激电路之间的配合控制。如图4所示，阴影部分表示驱动波形，该调制周期在t0时刻开始，t6时刻结束，时间长度为Ts。矢量I1作用时间为t0-t3，矢量I6作用时间为t3-t6。矢量I1作用时，第一组单管反激电路开关管S1在t1(0.25d0Ts+0.5d1Ts-0.5Dd1Ts)时刻开通，在t2(0.25d0Ts+0.5d1Ts+0.5Dd1Ts)时刻关断，S1开通时间为Dd1Ts，在这段时间内变压器原边电感储能，负载由电容Cf1供电；矢量I6作用时，第一组单管反激电路开关管S1在t4(0.75d0Ts+d1Ts+0.5d2Ts-0.5Dd2Ts)时刻开通，在t5(0.75d0Ts+d1Ts+0.5d2Ts+0.5Dd2Ts)时刻关断，S1开通时间为Dd2Ts，在这段时间内变压器原边电感储能，负载由电容Cf1供电；当S1关断时，变压器副边电感给负载供电，并给电容Cf1充电。在该调制周期内S1开通时，由式(5.2)可以推得，作用在第一组单管反激电路上的平均电压U1：
U1＝Dd1uAB+Dd2uCB＝DUpn    (5.4)该值的大小与期望电流矢量所在的位置无关，而只与该调制周期内的占空比相关，这样有利于输出侧LED支路电压的平稳。在倍频工作模式下，当期望电流矢量位于其他扇区时以及其他各组单管反激电路控制思路是类似的，故不再详细叙述。
当后级单管反激电路工作在同频模式下时，假定期望电流矢量位于第一扇区，以第一组单管反激电路为例，讲述前级矩阵整流器与后级单管反激电路之间的配合控制。如图4所示，阴影部分表示驱动波形，该调制周期在t0时刻开始，t6时刻结束，时间长度为Ts。矢量I1作用时间为t0-t3，矢量I6作用时间为t3-t6。第一组单管反激电路开关管S1在t2(0.5d0Ts+d1Ts-Dd1Ts)时刻开通，在t4(0.5d0Ts+d1Ts+Dd2Ts)时刻关断，S1开通时间为Dd1Ts+Dd2Ts，在这段时间内变压器原边电感储能，负载由电容Cf1供电；当S1关断时，变压器副边电感给负载供电，并给电容Cf1充电。在该调制周期内S1开通时，由式(5.2)可以推得，作用在第一组单管反激电路上的平均电压U′1：
U′1＝Dd1uAB+Dd2uCB＝DUpn    (5.5)
该值的大小与期望电流矢量所在的位置无关，而只与该调制周期内的占空比相关，这样有利于输出侧LED支路电压的平稳。在同频工作模式下，当期望电流矢量位于其他扇区时以及其他各组单管反激电路控制思路是类似的。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一 致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。