用於大功率發光二極體照明的具有低壓次級側控制的諧振驅動器的製作方法

2023-12-09 00:12:21

專利名稱：用於大功率發光二極體照明的具有低壓次級側控制的諧振驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於將功率提供給負載(優選發光二極體(LED)) 的電源設備。
背景技術：
通常，固態照明對於住宅、汽車以及專業應用來說日益得到關注。 由於固態燈例如LED不能從電池或者交流電網(main)直接獲得供給， 因此需要電子功率驅動器(也稱為電源設備)來進行功率的有效功率。 由於效率的原因，LED驅動器必須以開關模式操作。該驅動器將可用的 DC或AC電壓轉換成DC電流提供給LED。電子驅動器不得不提供DC輸 出電流，該DC輸出電流獨立於輸入電壓源的變化並且獨立於LED的電 壓降。在多數應用中，電流隔離(galvanic isolation)對於LED驅動
器來說是另外一個重要的要求。
用於供給LED和其他負載的電源，例如從US 2005/0225176 Al、 US 2003/0067791 Al、 US 2006/0077600 Al或WO 2005/036726中已知。
通常，開關模式電源產生DC輸出電壓，其中在多數情況下，輸出 電壓通過脈衝寬度調製(PWM)控制。為了在LED照明系統內使用這個 驅動器概念，必須增加包括電流傳感器的電流控制器單元。對於電流隔 離驅動器電路，電流必須在次級側進行測量而P麗控制和電晶體設置在 初級側。這就造成額外的工作，原因是次級側上需要輔助電壓並且在反 饋路徑中必須預見電流隔離。如果電流測量是基於廉價簡單的分流電阻 器，則會發生額外的損耗。
這種已知概念的另外一個問題可以在通常與PWM開關布局相關的電 磁幹擾(EMI )失真中見到。

發明內容
鑑於上文，本發明的一個目的是提供一種克服現有技術設備的不足 的電源設備。特別地，應當最小化EMI以及應當避免開關損耗。此外，
4另外一個目的是提供一種節省成本的電源而不放棄電流隔離以及對負 載的功率控制。
本發明的這一和其他目標通過一種用於向負栽供給功率的電源設
備來解決，該電源設備包括第一電路，其具有逆變器單元以及諧振電 路，所述逆變器單元適於提供優選為矩形電壓的AC電壓，所述諧振電 路具有電容和電感；第二電路，其具有整流器單元、開關和所述負載， 所述開關適於接通和切斷所述負載；和控制器單元，其適於控制所述開 關以便調整提供到所述負載的功率而不需要來自所述初級電路的任何 測量信號；和變壓器，其具有初級側和次級側，所述初級側被連接到所 述第一電路而所述次級側被連接到所述第二電路，優選地連接到所述整 流器，這樣所述第一和第二電路被電流隔離。
本發明的電源設備提供一種用於供給負栽(優選LED)的新穎的諧 振操作電流隔離驅動器布局以及控制方案。該設備能夠通過DC電壓來 供給，該DC電壓可以通過經整流和平滑的電網電壓供給。本發明的設 備包括逆變器(優選高頻逆變器)、變壓器、串聯電容器以及次級整流 器級。該變壓器用作電流隔離以及把電壓電平例如從初級的300伏特適 配到次級的30伏特。該諧振電路優選地由變壓器的雜散電感和串聯電 容器形成。這樣，變壓器的寄生漏電感為設備的一部分。對比已知的基 於PWM的轉換器例如前進和回掃(forward and fly back)布局，不需 要對漏電感進行最小化。這對於隔離和線圏設計來說是有利的並且因此 保持了低成本。
在變壓器的次級低電壓側控制供給到負載的功率。在第二電路中開 關的打開狀態數相對關閉狀態數決定到負載的平均輸出。
本發明設備的一個優點是電流變成正弦的並且在開關情況下為零。 這避免了開關損耗並且最小化了 EMI。此外，提供給第二電路的標稱輸 出電壓可以根據所需的負載特性由變壓器的匝數比設定。此外，根據本 發明的電源設備非常適合於電網(mains)供給。此外，控制器單元不 需要任何來自初級電路的信號/反饋來調整功率，即供給到負載的電流。 初級電路和次級電路之間的"信息傳輸"不是必需的。
本發明的電源設備的進一步優點是不需要附加的昂貴DC平滑電容 器來平滑負載電壓。這提高了所期望的壽命，因為就壽命而言，緩衝電 容器常常是最差的元件。在優選實施例中，所述控制器適於在電路過零期間操作所述開關。 這種措施的優點是開關損耗被最小化或避免。
在另 一 個優選實施例中，所述控制器包括提供在第二電路中的電流 測量元件。
這種措施具有這樣的好處，即電流控制在第二電路中完成並且因此 處於低電壓電平。
在進一步的優選實施例中，所述負栽包括在第一分支中串聯連接的
多個LED,其中所述開關處於第一分支中用於接通和切斷所述多個LED。 這種措施的好處是多個LED可以通過一個開關來控制。 在優選實施例中，提供包括至少一個LED和至少一個用於開關所述
LED的另外開關的至少一個另外分支，該另外分支與所述第一分支並聯。 特別在LED的可控性方面，這種措施允許提高電源設備的靈活性。 在進一步的優選實施例中，每個分支包括與所述LED和所述開關串
聯的電阻器。
這種措施具有這樣的優點，即提供了過電流防護裝置。 在優選實施例中，至少一個開關為電晶體開關(例如，雙極電晶體 或M0SFET)，其優選地在線性區中被驅動以用於過電流保護。更優選地， 所述電晶體開關在線性區中被驅動以用於不同分支的同步操作LED之間 的電流平衡。
這種措施在實踐中證實具有優點。
在優選實施例中，所述第一電路包括多個彼此並聯連接的諧振電 路，每個諧振電路包括變壓器的初級側，其中每個變壓器的次級側與第 二電路的單個分支連接。
換句話說，每個分支包括一個或多個LED和開關的串聯連接，並被 分配一個變壓器。
這種措施具有這樣的優點，即提高了電源的靈活性。特別地，通過 使用變壓器的不同線圈匝數比，供給到分支的標稱電壓可以不同。
在進一步的優選實施例中，所述第一電路包括用於感測電流並將感 測的電流信號傳送到逆變器的電流感測元件。優選地，所述逆變器適於 提供均具有相同符號的AC電壓和電流。
這種措施具有這樣的優點，即可以避免開關損耗並且可以最小化 EMI。結果，諧振頻率能夠很高，這樣可以使用小型變壓器。在優選實施例中，逆變器與變壓器和諧振電路機械分離。 這種措施具有這樣的優點，即設備可以用於可移動的電網供給的照 明產品。
在進一步的優選實施例中，如果所述電流感測元件檢測到過電流， 則逆變器單元適於切斷輸出，優選地達若干諧振周期。
這種措施具有這樣的優點，可以針對過負載來保護電路和變壓器。
根據進一步的實施例，所述電流測量元件適於檢測在開關的打開狀 態期間橫跨該開關的電壓。
這種措施具有這樣的優點，能夠提供一種用於測量電流的簡單的、 進而節省成本的元件。
進一步的特徵和優點可以從下面的說明和附圖得出。
要理解，上面提及的特徵和下面將要解釋的那些特徵，在不背離本 發明的保護範圍的情況下，不僅可以以指出的各種組合來使用，還可以 以其他組合或者單獨使用。


本發明的一個實施例在圖中示出並且將參照附圖在以下說明書中
進行詳細解釋。在圖中
圖1為根據本發明第一實施例的電源設備的框圖2為示出了根據本發明笫二實施例的電源設備的框圖；和
圖3a示出圖1中設備的電流和電壓包絡的圖3b示出圖2中設備的電流和電壓包絡的圖。
具體實施例方式
在圖1和2中，電源設備的兩個實施例以框圖示出。電源設備用於
向負載(優選燈)供給功率，其中該功率是可調節的。燈優選為發光二 極管(LED)或者例如以串聯連接的多個這種LED。然而，應當注意到其
他的電子負栽，優選其他類型的照明系統，也可以用本發明的電源設備 來供給。這裡，術語"LED"還包括有機發光二極體(0LED)。
進一步，應當注意在不背離所附權利要求限定的本發明的範圍的情 況下，可以實施對圖1或2中示出的設備的各種變化和修改。
在圖1中，示出了電源設備的一般結構並以附圖標記10表示。電
7源設備10包括彼此互相電流隔離的第一電路12和第二電路14。
通過變壓器18實現電流隔離，變壓器18包含具有分配給第一電路 的初級線圈的初級側20和具有分配給第二電路14的次級線圏的次級側 22。
第一電路12包括逆變器單元24，其具有兩個輸入終端25和兩個輸 出終端26。
逆變器單元24適於在輸出終端26提供高頻AC電壓。輸出電壓的 頻率可以處於110 KHz或更大的範圍內。
逆變器單元24在輸入終端25接收DC電壓。然而，也有可能逆變 器單元24接收AC電壓，例如AC電網。
這種高頻AC逆變器單元24的一般結構對於本領域技術人員而言是 已知的，因此在下文中不再詳述。在兩個輸出終端26之間連接諧振電 路30。該諧振電路30包括變壓器18的初級側(初級線圈)、電容器 32和電感器34。這些部件被串聯連接。
雖然圖1示出了分離的電感器34，但是該電感器34可以通過變壓 器的雜散電感來提供。
該第一電路還包括電流檢測器40，其適於檢測在兩個輸出終端26 之間流動的電流IlB電流檢測器40的相應信號被作為控制信號提供給 逆變器單元24。
如圖3a中示出的，逆變器單元24提供兩個輸出終端26之間的矩 形電壓&。還如圖3a所示出的，矩形輸出電壓的符號與輸出電流的符 號相同，該輸出電流本身是正弦的。為了保持輸出電壓符號與輸出電流 符號相同，通過電流檢測器40測量電流。
如上面已經提到的，逆變器24的結構對本領域技術人員是已知的。 其可以通過半橋或全橋逆變器來實現，必須提及兩個例子。
諧振電路30的諧振頻率由諧振電容器和全部的諧振電感決定。諧 振電路30的諧振阻抗作為串聯電阻並且限制變壓器18中的初級和次級 線圏電5危。
第二電路14包括變壓器18的次級側(次級線圏)22，其向整流器 42提供AC電壓。整流器42包括以全橋形式連接的四個二極體44。經 整流的電壓被供給至一個或多個分支50， 52， 54的輸入側，這些分支 的輸出側與地耦合。在圖l所示的實施例中，示出了三個分支50, 52,54。然而要注意，分支的數量可根據應用而變化。每個分支50， 52， 54 的一般結構是相似的，因此使用相同的附圖標記來表示相同的部件。
一個分支50, 52, 54包括至少一個發光二級管(LED) 60. l-60.n 和開關64以及電阻器62。所有的成員即電阻器62、 LED 60和開關64 被串聯連接在分支的輸入側和輸出側之間。LED 60. l-60.n的數量取決 於應用並且可以從1變化到10或更多。
開關64作為電晶體優選npn雙極電晶體來提供。然而，還可以使 用其他開關，例如晶閘管。然而，所使用的開關64必須通過控制信號 可控，在本實施例中該控制信號被供給至電晶體的基極。在本實施例中， 電晶體的集電極與LED 60.n的陰極連接，而電晶體的發射極與分支的 輸出側連接因此接地。
LED 60. 1-60.n可以通過操作開關64來接通和切斷。開關64的各 個操作通過產成控制信號並將其發送給各個開關64的控制器單元16來 完成。供給到開關64的控制信號可以基於供給到控制器單元16的一般 控制信號76或基於任何其他存儲在控制器單元16中的程序或算法來產 生。
要注意，供給到LED 60. l-60.n的功率以及因此這些元件的光輸出 可以通過開關64的打開周期數量對關閉周期數量來調節。每個時間單 位的開關64的打開周期越長，LED的光輸出越高。
要注意，分支50的LED 60. l-60.n以不是彼此獨立地接通和切斷。 更確切地+兌，LED 60. 1-60. n同時接通和切斷，這樣分支的每個LED的 光輸出是類似的。
然而，由於多個分支50, 52, 54並聯連接在整流器42的輸出和地之 間，所以這些分支的LED光輸出可以被獨立地調節。這可以通過不同分 支50， 52， 54的開關64的打開周期與關閉周期的不同數量來實現。
如圖1所示，每個分支50， 52， 54包括電阻器62，該電阻器62作為過 電流防護裝置並且用於並聯連接的LED強度之間的電流平衡。可選地， 分支的開關64可以以這樣的方式來驅動儘管在線性區中驅動它們， 但是保證了最大電流並且在分支50-54的串聯連接的LED之間平衡了電流。
控制器16基於由電流檢測器70提供的電流檢測信號來產生用於開 關64的控制信號。該電流檢測器70檢測供給到分支50-54的全部電流。產生控制信號以使得當電流接近零時操作開關，這樣開關損耗被最小 化。
在圖1中進一步示出了經由線路72從變壓器18的次級線圈向控制 器16供給功率。橫跨變壓器的次級線圈的AC電壓由二極體44整流並 且通過電容器46平滑，這樣經由線路72供給至控制器的電壓為DC電 壓。這種電壓供給的另外優點是即使關閉所有LED,最小負載仍然被 施加到變壓器的次級線圏。因此，將避免由變壓器的次級線圈的諧振效 應引起的電壓過衝。
逆變器單元24可以與變壓器18和諧振電路30的其他部分進行機 械分離，這對於可移動電網供給的照明產品而言是有用的。
進一步，由電流檢測器40在第一電路中的電流檢測可以用於檢測 電路中的過電流，這樣逆變器單元24能對其做出響應，切斷電源一小 段時間例如若干諧振周期。此後，可以再次打開諧振電路。
作為進一步的任選措施，每個分支50， 52， 54的電流能夠被檢測 並且被供給到控制器16。在圖1中，電流由控制器16藉助於在開關64 打開狀態期間橫跨開關64的電壓來估計。將此電壓供給到控制器16的 各條線路以圖1中的附圖標記74表示。然而，作為可選方案，串聯分 流電阻器可以應用在分支中來檢測LED電流值。
例如，電源設備10可以用於供電信號燈、裝飾燈、壁燈(wall flooding) 、 LCD背景照明和通用照明燈特別是LED。然而，應當注意 這個可能應用列舉並非無遺漏的。
還要提到的是，初級和次級線圈的匝數比是根據在用於供電LED的 第二電路中所需的電壓來選擇的。每個分支中的LED數量越大，由變壓 器的次級側供給的標稱電壓必定越高。
在圖2中，示出了電源設備的另外實施例並且以附圖標記10表示。 由於這個電源設備10的結構與圖l的結構^艮類似，所以對於相同的部 件使用相同的標記。這兩個實施例之間的主要不同是根據圖2的第二實 施例包括彼此並聯連接的多個諧振電路30. 1-30. 3。每個諧振電路30 包括變壓器的初級線圈匝、電感34和電容器32。
在第二電路中，把每個分支50， 52， 54分配給變壓器18. 1, 18.2， 18. 3的次級側。
這個實施例允許用由不同變壓器18.1-18. 3提供的不同電壓供電分
10支50, 52， 54。
因此，提高了 LED控制的靈活性。
然而，每個分支50， 52， 54的結構和功能與參考圖l詳細討論的 分支類似，所以不需要再描述該結構和功能。
簡而言之，本發明提供了一種電源設備，其允許以可控方式供電LED 而無須將來自第二電路的電流信號信息反饋回第一電路。特別地，通過 第二電路中的開關來實現功率控制，而第一電路供給具有固定頻率(即 諧振電路的諧振頻率)的AC電壓。由於當電流接近零或為零時接通和 切斷開關，因此開關損耗最小。此外，由於這些開關位於以低電壓操作 的第二電路中，所以與在第一電路中使用的開關相比，這樣的開關的要 求較低，進而成本較低。
權利要求
1. 用於向優選為LED的負載供給功率的電源設備，包括第一電路(12)，具有逆變器單元(24)以及諧振電路(30)，該逆變器單元適於提供優選為矩形電壓的AC電壓，該諧振電路具有電容(32)和電感(34)，第二電路(14)，具有整流器單元(42)、開關(64)和所述負載(60)，所述開關適於接通和切斷所述負載，變壓器(18)，具有初級側(20)和次級側(22)，所述初級側被連接到所述第一電路(12)而所述次級側(22)被連接到所述第二電路(14)，優選地連接到所述整流器，這樣所述第一和第二電路被電流隔離，以及控制器單元(16)，適於控制所述第二電路(14)的所述開關(64)以便調整提供到所述負載(60)的功率，而不需要來自所述初級電路(12)的任何測量信號。
2. 如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述控制器單元(16 )適 於在電流過零期間操作所述開關(64)。
3. 如權利要求2所述的設備，其特徵在於所述控制器單元(16 )包 括提供在所述第二電路(14)中的電流測量元件(70)。
4. 如上述權利要求中任一項所述的設備，其特徵在於所述負載(60 ) 包括在第一分支(50)中串聯連接的多個LED(60. l-60.n)，其中所述 開關(64)處於所述第一分支中用於接通和切斷所述多個LED。
5. 如上述權利要求中任一項所述的設備，其特徵在於提供包括至少 一個LED ( 60. 1-60. n)和至少一個用於開關所述LED的另外開關(64) 的至少一個另外分支(52， 54)，該另外分支(52, 54)與所述第一分 支並聯。
6. 如權利要求4或5所述的設備，其特徵在於每個分支(50， 52， 54)包括與所述LED (60)和所述開關(64)串聯的電阻器(62 )。
7. 如上述權利要求中任一項所迷的設備，其特徵在於至少一個開關 (64)為電晶體開關，其優選地在線性區中被驅動以用於過電流保護。
8. 如權利要求5和7所述的設備，其特徵在於所述電晶體開關(64 ) 在線性區中被驅動，用於不同分支的同時操作LED之間的電流平衡。
9. 如權利要求5-8中任一項所述的設備，其特徵在於所述第一電路包括彼此並聯連接的多個諧振電路(30. 1-30. 3 )，每個諧振電路(30 ) 包括變壓器(18.1-18.3)的初級側(20)，其中每個變壓器的次級側 (22)與第二電路(14)的單個分支(50， 52, 54 )連接。
10. 如上述權利要求中任一項所述的設備，其特徵在於所述第一電 路(12)包括用於感測電流並將所感測的電流信號傳送到所述逆變器單 元(24)的電流感測元件(40)。
11. 如權利要求IO所述的設備，其特徵在於所述逆變器單元(24) 適於提供均具有相同符號的AC電壓和電流。
12. 如上述權利要求中任一項所述的設備，其特徵在於所述逆變器 單元(24)與所述變壓器(18)和所述諧振電路(30)機械地分離。
13. 如權利要求10所述的設備，其特徵在於如果所述電流感測元件 (40)檢測到過電流，則所述逆變器單元(24)適於切斷輸出(26),優選達若干諧振周期。
14. 如權利要求3所述的設備，其特徵在於所述電流測量元件(70 ) 適於檢測在開關(64)打開狀態期間橫跨該開關(64)的電壓。
全文摘要
本發明涉及一種用於向優選為LED的負載供給功率的電源設備，包括第一電路(12)，具有逆變器單元(24)以及諧振電路(30)，該逆變器單元適於提供優選為矩形電壓的AC電壓，該諧振電路具有電容(32)和電感(34)；第二電路(14)，具有整流器單元(42)、開關(64)和所述負載(60)，所述開關適於接通和切斷所述負載；控制器單元(16)，適於控制所述開關(64)以便調整提供到所述負載(60)的功率而不需要來自所述初級電路(12)的任何測量信號；和變壓器(18)，具有初級側(20)和次級側(22)，所述初級側被連接到所述第一電路(12)而所述次級側(22)被連接到所述第二電路(14)，優選地連接到所述整流器，這樣所述第一和第二電路被電流隔離。
文檔編號H05B33/08GK101513124SQ200780033435
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月29日 優先權日2006年9月7日
發明者C·洛夫, M·溫特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司