CN101263648A - 控制的e类dc-ac变换器 - Google Patents

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Abstract

将由DC电源(2)提供的直流(DC)输入电压转换为交流(AC)输出电压，包括将DC输入电压经过电感器(8)提供到谐振电路(10、12、16、18)和负载(6)的串联连接、交替地接通和断开提供给该串联连接即谐振电路(10、12、16、18)和负载(6)的电压，其中该输入电压被控制以形成具有控制的幅度的DC电压，尤其通过布置DC－DC降压变换器，该降压变换器连接到DC电源(2)并且包括第二开关(22)和整流二极管(24)，后者被并联连接到电感器(8)、谐振电路(10、12、16、18)和负载(6)的串联连接。

Description

控制的E类DC-AC变换器
技术领域
本发明涉及如在权利要求1的前序中所描述的将直流(DC)输入电压转换为交流(AC)输出电压的方法，和如在权利要求4的前序中描述的E类型DC-AC变换器。
背景技术
US6008589，特别是参考它的图5a，公开了一种DC-AC转换方法和上述类型的E类DC-AC变换器。
该变换器的负载是灯。
为了控制提供给负载的功率，建议控制变换器的开关交替地接通和断开的频率和/或应用开关的电容器到该变换器的谐振电路。在两种情况中，该开关被接通和断开的频率必须大约是谐振电路的谐振频率。这限制了可提供的频率范围和由此限制了控制的输出功率的范围。然而，如果该灯是高压放电(HID)灯，那么频率范围可能大大超出所谓的声谐振自由窗口(acoustic resonance free window)，在该窗口之外由于在灯内的压力波而引起放电弧可能振动。由于压力波和E类DC-AC变换器的切换频率相关，所以光输出可能变得不稳定并且灯可能甚至爆炸。这样的窗口可能小如5kHz。在HID灯的正常工作期间，它的阻抗是电阻性的，但是它的阻抗值可以根据不同的条件(诸如它的温度和流经它的电流)而变化巨大。结果，通过E类DC-AC变换器的开关的切换频率来控制对于负载的输出功率是非常困难的。
发明内容
本发明的目的是解决如上所述的现有技术的缺陷。
通过提供如在权利要求1中所述的方法实现本发明的上述目的。
相应地，几乎不怎么费力就可以在宽的范围上控制提供给E类DC-AC变换器的谐振电路的平均DC电压并由此控制输出功率，在负载是HID灯的情况下保持处于声谐振自由窗口之内。
通过提供如在权利要求4中所述的E类DC-AC变换器也能实现本发明的上述的目的。
附图说明
从下面的结合附图的示范性描述，本发明将变得更加逐渐地清楚。在图中：
图1示出现有技术的E类DC-AC变换器的电路图；和
图2示出根据本发明的受控制的E类DC-AC变换器的电路图。
具体实施方式
在图1中示出的电路包括直流电压(DC)电源2，其连接到现有技术的E类DC-AC变换器4，该变换器4进而连接到负载6。在图1中示出的现有技术的E类DC-AC变换器4为基本类型，诸如由US6008589(它的图5a)公开的。然而，本发明不限于和这样的E类变换器一起使用。
注意到，由DC电源2提供的直流电压不改变极性并且它的幅度可能因为仅由一个二极管来整流交流电压而改变。
E类DC-AC变换器4包括串联的、且以下面的次序连接在DC电源2的一端(假定正极端)和负载6的一端之间的扼流线圈(或者更通常地，第一电感器8)、第二电感器10和第一电容器12。DC电源2的另一端(假定为负极端)和负载的另一端相互连接。半导体开关14(其可以是MOSFET)连接在DC电源2的负极端和在电感器8和电感器10之间的互连(interconnection)之间。第二电容器16和开关14并联。第三电容器18连接在DC电源2的负极端和在第二电感器10和第一电容器12之间的互连之间。
第二电感器10和三个电容器12、16、18组成谐振电路。
第一电感器8主要用于在开关14接通或者断开时保持流经在电感器8和电感器10之间的节点的电流。
在图1中示出的电路的正常工作期间，通过向开关14提供时钟信号来规律地接通和断开开关14。时钟信号的频率和谐振电路的谐振频率相匹配。结果，将由变换器4产生交流电流(AC)并且提供给负载6。
如果负载6是高压气体放电(HID)灯，那么在导电(conducting)时，该灯象电阻器一样运转。然而，该灯的阻抗可能由于不同的原因而变化巨大，这些原因中的一个是它的温度并因此是流经该灯的电流。如果该灯的阻抗的这种变化将被忽略，那么该灯输出也会变化巨大。为了避免灯输出的这种变化，需要功率控制。根据现有技术的功率控制器，测量在负载(灯)6的两端的输出电压和经过负载6的电流，将它们的乘积和参考值相比较以提供误差，且根据误差值，改变提供给开关14的时钟信号的频率，以便减小误差。使用一些现有技术的功率控制器，通过控制和额外的电容器串联的电子开关来将该额外的电容器并联连接到或者不连接到一个或者几个电容器12、16、18，谐振电路4的谐振频率被改变。
当负载是HI D灯时，改变到开关14的时钟信号的频率来控制到灯6的输出功率可以足够导致超出所谓的声谐振自由频率窗口。当时钟频率超出这样的窗口时，HID灯的放电弧可能振动，光输出可能变得不稳定并且灯甚至可能爆炸。根据灯的类型，声谐振自由窗口可能小得等于5kHz。将清楚的是，这使得提供在灯的实际范围的条件之内合适的功率控制器非常困难。
通过将电抗性部件连接到谐振电路或者从该谐振电路断开该电阻抗部件来改变谐振频率具有增加成本的额外缺陷。
为了解决上面提到的缺陷，根据本发明，根据在测量的输出功率和参考值之间的误差来控制提供给E类DC-AC变换器4的DC电压。
相应地，在图2示出的图中包括DC-DC下变频器(down converter)或者降压变换器(buck converter)20。降压变换器20包括：开关22(诸如MOSFET)，其和E类DC-AC变换器4一起串联连接到DC电源2；二极管24，其并联连接到E类DC-AC变换器4，该二极管的阴极连接到第一电感器8；以及E类DC-AC变换器4的第一电感器8。E类DC-AC变换器4和降压变换器20一起形成根据本发明的控制的E类DC-AC变换器26。
通过由控制器(未示出)提供的脉冲控制信号来控制开关22。该控制信号的频率可以和到第一开关14的时钟信号的频率不同。使控制信号的占空因数取决于在测量的输出功率值和参考值之间的误差(包含符号的)。
当第二开关22接通时，电流将流经DC电源2、E类变换器4和负载6。当第二开关22随后断开时，依靠二极管24将电流保持流经E类变换器4和负载。因此，二极管24被称为整流(freewheeling)二极管。然而剩余的电流将减小，直到第二开关再次接通。因此，添加第二开关22和二极管24是实用的，只因为这些元件被连接到一电路(特别是E类变换器4)，该电路包括电流持续(sustaining)元件(特别是已经存在的第一电感器8)，以与其一起提供降压变换器20。
通过根据所述误差改变到第二开关22的控制信号的占空因数，改变在二级管24两端的DC电压，从而E类变换器的输出电压、输出电流和输出功率相应地改变。根据下变频器的操作的连续或者不连续的模式，控制信号的占空因数被改变以便减小所述误差，即，至少在一段时间内平均的误差。
使用根据本发明的控制的E类变换器26，不需要为了控制提供给负载6的输出功率而改变谐振电路10、12、16、18的谐振频率。通过很小的努力，特别是通过在标准的E类变换器4的输入端提供简单的降压变换器20来获得这种改善。
在电路的恒稳态工作过程中控制输出功率的改善也允许在图示的电路中作为负载6的HID灯在启动时段的期间产生更高的抬高(run-up)电流。
必须要注意到的是，在不偏离由所附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员可以进行不同的改变。例如，E类DC-AC变换器4可以具有不同的配置，诸如包括变压器，并且降压变换器20可以被提供具有它自己的电感器，和已经存在的第一电感器8串联。此外，第二开关22和示出的相比较可以连接到DC电源2的另一个(正极)端。

Claims (7)

1.一种将直流(DC)输入电压转换为交流(AC)输出电压的方法，包括：提供所述DC输入电压到电感器(8)并且交替地接通和断开经过所述电感器(8)被提供的所述电压，和提供所述切换的电压到连接到负载(6)的谐振电路(10、12、16、18)，其特征在于，提供给所述电感器的所述电压被控制以形成具有控制的幅度的DC电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制提供给所述电感器的所述电压包括交替地接通和断开所述DC输入电压和当所述输入电压被断开时维持流经所述电感器(8)的电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以取决于要被提供给所述负载(6)的期望功率的开关比率来进行所述DC输入电压的切换。
4.一种E类DC-AC变换器(26)，包括其输出端连接到负载(6)的谐振电路(10、12、16、18)、与所述谐振电路串联耦合到直流电压(DC)电源(2)的电感器(8)、和并联连接到所述谐振电路(10、12、16、18)的第一开关(14)，其特征在于，在所述E类变换器(26)的输入端布置有控制的DC-DC变换器，用于控制从所述DC电源(2)经过所述电感器(8)提供到所述谐振电路(10、12、16、18)的平均DC电压。
5.根据权利要求4所述的E类DC-AC变换器(26)，其特征在于，所述电感器(8)是所述控制的DC-DC变换器的一部分。
6.根据权利要求4或5所述的E类DC-AC变换器(26)，其特征在于，所述DC-DC变换器包括连接到与所述电感器(8)串联的所述DC电源(2)的第二开关(22)，和耦合到所述第二开关(22)的、与所述电感器(8)、所述谐振电路(10、12、16、18)和所述负载6的串联连接并联的整流二极管(24)。
7.根据权利要求4、5或6所述的E类DC-AC变换器(26)，其特征在于，所述第二开关(22)适于以取决于要被提供给所述负载(6)的期望功率的开关比率被接通和断开。
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