本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种无电解电容的长寿命led驱动电源。
背景技术：
led光源具绿色环保、寿命长、发光效率高、响应速度快等优点，目前，led照明已应用于城市景观照明、液晶显示背光源、路灯照明、普通照明、医疗和交通等领域，led需要工作在低压大电流的环境，不能像白炽灯那样直接市电使其发光，所以led照明必须用到led驱动电源，因此，为保证led发光品质及整体照明性能，开发效率高、体积小、寿命长、可靠性高的驱动电源是关键。
尽管led照明产业链已经完整覆盖上中下游，但依然存在着“上游芯片领域优势明显，下游应用领域较为薄弱”的局面，为此，产业链上下游企业还需加强产业协作、优势互补，推动整个产业全面发展，成品及应用的关键环节是led驱动电源，这部分技术含量高，能形成可观的经济效益，led驱动电源的使用寿命、可靠性和智能化发展是当前的发展重点。
不同功率ac-dcled驱动电源按其拓扑结构形式可分为单级拓扑、两级拓扑和多级拓扑，在交流供电场合，为了满足iec61000-3-2的谐波要求，led驱动电源需要进行输入功率因数校正(pfc)，当输入功率因数近似为1时，瞬时输入功率呈现2倍输入电压频率的脉动形式，为保证led的输出功率恒定，通常会选用容量较大的电解电容来匹配瞬时输入功率和输出功率的不平衡，然而，电解电容在额定温度105℃下，使用寿命一般在10kh以下，远低于led芯片的寿命，所以电解电容是影响led照明光源整体寿命的主要元件。
以单级拓扑ac-dcled驱动电源为例进行分析，其分析思路和方法同样适用于两级拓扑和多级拓扑的led驱动电源，为了减小输出纹波电压，在输出功率电源频率保持不变的情况下只能增大储能电容值，大容值储能电容通常选用电解电容，而电解电容使用寿命一般远低于led芯片80～100kh寿命，所以影响了led光源的整体寿命，虽然可以使用感性储能元件替代储能电容，但感性元件体积大、损耗大、功率密度低，并不适合led驱动电源的发展趋势，消除电解电容的基本思想是减小输入功率与输出功率在半个工频周期中的功率脉动差，可以减小储能电容的容值。
基于上述消除电解电容的思想，目前消除电解电容的技术手段归为两大类：一是基于优化控制策略消除电解电容，基于优化控制策略消除电解电容的基本路是通过优化控制策略减小输入功率与输出功率的差值，进而实现减小功率脉动差，最终摆脱对电解电容的依赖；二是基于优化拓扑结构消除电解电容，基于优化拓扑结构消除电解电容的基本思路为了彻底摆脱对电解电容的依赖，可以将优化拓扑结构中储能电容电压设计为含较大纹波的形式，即可减小储能电容容值，基于上述优化拓扑结构的基本思路，结合各种pfc变换器的特点，通过pfc变换器和辅助网络组合和变形的推演思想可以衍生出不同拓扑的无电解电容led驱动电源，从基于控制策略和优化拓扑结构消除电解电容的对比中可看出，前者会影响功率因数，后者不会影响功率因数；由于前者电路拓扑是pfc变换器级联dc-dc变换器，效率较低，而后者电路拓扑是基于提高效率思路优化，所以效率比前者高，因此，从功率因数和效率方面考虑，基于优化拓扑结构消除电解电容更加值得深入研究。
技术实现要素：
本发明提供了一种无电解电容的长寿命led驱动电源，具备优化拓扑结构消除电解电容的led驱动电源，实现功率因数矫正，恒流输出的功能，降低led驱动电源的成本，提高使用寿命，提高可靠性的优点。
本发明提供如下技术方案：一种无电解电容的长寿命led驱动电源，包括整流电路、功率开关管q1、三绕组高频变压器、功率开关管q2和q3、能量平衡电容、辅助电源、led负载和控制电路，所述整流电路与功率开关管q1，三绕组高频变压器、功率开关管q2和q3，能量平衡电容、辅助电源、led负载和控制电路连接。
优选的，所述整流电路的输入电压为220v交流电。
优选的，所述功率开关管q1和三绕组高频变压器连接成单端反激电路，该电路和整流电路相结合具有功率因数校正功能。
优选的，所述功率开关管q2控制电能向负载传送，当q2导通电能输出到led负载，当q2关断电能向平衡电容传送。
优选的，所述功率开关管q3控制存储在平衡电容中电能经过高频变压器向负载传送，当q3导通时电能从平衡电容传送到负载，q3关断时电能不传递。
优选的，所述功率开关管q1、q2、q3的开关频率相同，且开关频率远高于工频50hz。
优选的，所述辅助电源为控制电路提供所需要的直流电源。
优选的，所述控制中采用两个闭环反馈，它们分别是输出电流反馈和能量平衡电容的电压反馈，电容电压反馈电路的给定信号来自输出电流反馈电路，并且电容电压的给定信号是大范围变化的，即电容的电压是按照规律波动的。
优选的，所述控制电路核心芯片采用高速32位微处理器实现，并能实现智能调光和联网功能。
本发明具备以下有益效果：
该无电解电容的长寿命led驱动电源，通过研究优化拓扑结构消除电解电容的led驱动电源，实现功率因数矫正，恒流输出的功能，降低led驱动电源的成本，提高使用寿命，提高可靠性，并结合优化后的电路结构设计合适的控制方法，控制方法具有鲁棒性和自适应能力，并且led驱动电源具有智能调光功能和联网功能，有利于led光源的智能控制。
附图说明
图1为本发明led驱动电源框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种无电解电容的长寿命led驱动电源，包括整流电路、功率开关管q1、三绕组高频变压器、功率开关管q2和q3、能量平衡电容、辅助电源、led负载和控制电路，所述整流电路与功率开关管q1，三绕组高频变压器、功率开关管q2和q3，能量平衡电容、辅助电源、led负载和控制电路连接。
其中，所述整流电路的输入电压为220v交流电。
其中，所述功率开关管q1和三绕组高频变压器连接成单端反激电路，该电路和整流电路相结合具有功率因数校正功能。
其中，所述功率开关管q2控制电能向负载传送，当q2导通电能输出到led负载，当q2关断电能向平衡电容传送。
其中，所述功率开关管q3控制存储在平衡电容中电能经过高频变压器向负载传送，当q3导通时电能从平衡电容传送到负载，q3关断时电能不传递。
其中，所述功率开关管q1、q2、q3的开关频率相同，且开关频率远高于工频50hz。
其中，所述辅助电源为控制电路提供所需要的直流电源。
其中，所述控制中采用两个闭环反馈，它们分别是输出电流反馈和能量平衡电容的电压反馈，电容电压反馈电路的给定信号来自输出电流反馈电路，并且电容电压的给定信号是大范围变化的，即电容的电压是按照规律波动的。
其中，所述控制电路核心芯片采用高速32位微处理器实现，并能实现智能调光和联网功能。
具体方法是：将小容量电容连接在高频变压器的次级线圈侧，电容电压设计为含较大纹波的形式，设计能量平衡电路，在输入能量低于输出能量时，用电容的能量补充能量的不足，在输入能量高于输出能量时，用电容吸收多余的能量，电容上的电压变化大，但电容的容量小。平衡电路和led负载电路同在变压器一侧，便于信号的采集及控制，减低了储能电容及辅助开关管q3的耐压要求。
综上所述：本发明基于以下四个技术线路：
一是针对led驱动电源拓扑结构的优化，针对隔离型反激式变换电路，在实现功率因数矫正之后输入电压与输入电流同相，输入功率二倍工频波动，如果不采取措施，流过led的电流必然含有二倍工频分量，导致led光源频闪，加速用眼疲劳，为了使led输出电流恒定(输出功率不变)，必须减小输入功率与输出功率的不平衡，本发明采用电路上增设辅助电路的方法进行优化，利用小容量电容等储能元件实现能量平衡，在瞬时输入功率高于所需要输出功率时，辅助电路存储多余的能量；在瞬时输入功率过低与所需要的输出功率时，辅助电路将储能能量释放，使得输出功率恒定。这样通过辅助电路的设计，使得led瞬时功率恒定不变，以反激式变换器为基本电路结构，对高频变压器的副边进行了电路改造，设计了如说明书附图1所示的led驱动电源拓扑结构图。
二是针对驱动电源电路的硬件实现，对前一阶段提出的拓扑电路进行实验研究，设计电路参数，并在硬件上实现，反激式led驱动电源中的变压器是电路中的关键器件之一，对变压器进行初步设计后，应用有限元分析软件对磁场、热场分析优化变压器的设计，提高转换效率，变压器的设计过程中计算数据与实际参数有一定的差距，其工作特性存在很大的非线性，必须经过反复实验后才能获得良好的效果；
三是针对驱动电源控制模型的建立和自适应算法的设计，针对所提出的优化拓扑结构，推导数学模型，将系统分解成约束坐标部分和自由自由部分，能量平衡电容的电压属于自由部分，其给定值容易受到电路参数、运行状态的干扰而偏离正常值，控制中采用自适应控制方法来对电容电压给定值进行修正，该方法能有效抑制各自干扰对平衡电容电压的影响；
四是针对led驱动电源的控制方法的研究，基于系统的数学模型，采用如线性反馈等易于实现的方法来设计控制器。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
技术特征：
1.一种无电解电容的长寿命led驱动电源，包括整流电路、功率开关管q1、三绕组高频变压器、功率开关管q2和q3、能量平衡电容、辅助电源、led负载和控制电路，其特征在于：所述整流电路与功率开关管q1、三绕组高频变压器、功率开关管q2和q3、能量平衡电容、辅助电源、led负载和控制电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种无电解电容的长寿命led驱动电源，其特征在于：所述整流电路的输入电压为220v交流电。
3.根据权利要求1所述的一种无电解电容的长寿命led驱动电源，其特征在于：所述功率开关管q1和三绕组高频变压器连接成单端反激电路，该电路和整流电路相结合具有功率因数校正功能。
4.根据权利要求1所述的一种无电解电容的长寿命led驱动电源，其特征在于：所述功率开关管q2控制电能向负载传送，当q2导通电能输出到led负载，当q2关断电能向平衡电容传送。
5.根据权利要求1所述的一种无电解电容的长寿命led驱动电源，其特征在于：所述功率开关管q3控制存储在平衡电容中电能经过高频变压器向负载传送，当q3导通时电能从平衡电容传送到负载，q3关断时电能不传递。
6.根据权利要求1所述的一种无电解电容的长寿命led驱动电源，其特征在于：所述功率开关管q1、q2、q3的开关频率相同，且开关频率远高于工频50hz。
7.根据权利要求1所述的一种无电解电容的长寿命led驱动电源，其特征在于：所述辅助电源为控制电路提供所需要的直流电源。
8.根据权利要求1所述的一种无电解电容的长寿命led驱动电源，其特征在于：所述控制中采用两个闭环反馈，它们分别是输出电流反馈和能量平衡电容的电压反馈，电容电压反馈电路的给定信号来自输出电流反馈电路，并且电容电压的给定信号是大范围变化的，即电容的电压是按照规律波动的。
9.根据权利要求1所述的一种无电解电容的长寿命led驱动电源，其特征在于：所述控制电路核心芯片采用高速32位微处理器实现，并能实现智能调光和联网功能。
技术总结
本发明涉及电力电子技术领域，且公开了一种无电解电容的长寿命LED驱动电源，包括整流电路、功率开关管Q1、三绕组高频变压器、功率开关管Q2和Q3、能量平衡电容、辅助电源、LED负载和控制电路，整流电路与功率开关管Q1，三绕组高频变压器、功率开关管Q2和Q3，能量平衡电容、辅助电源、LED负载和控制电路连接。该无电解电容的长寿命LED驱动电源，研究优化拓扑结构消除电解电容的LED驱动电源，实现功率因数矫正，恒流输出的功能，降低LED驱动电源的成本，提高使用寿命，提高可靠性，并结合优化后的电路结构设计合适的控制方法，控制方法具有鲁棒性和自适应能力，并且LED驱动电源具有智能调光功能和联网功能，有利于LED光源的智能控制。
技术研发人员：王宇野;王江南;陈焜;郑志超
受保护的技术使用者：闽南师范大学
技术研发日：.12.20
技术公布日：.02.28
