CN101513124B - 用于大功率发光二极管照明的具有低压次级侧控制的谐振驱动器 - Google Patents

用于大功率发光二极管照明的具有低压次级侧控制的谐振驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于向优选为LED的负载供给功率的电源设备，包括：第一电路(12)，具有逆变器单元(24)以及谐振电路(30)，该逆变器单元适于提供优选为矩形电压的AC电压，该谐振电路具有电容(32)和电感(34)；第二电路(14)，具有整流器单元(42)、开关(64)和所述负载(60)，所述开关适于接通和切断所述负载；控制器单元(16)，适于控制所述开关(64)以便调整提供到所述负载(60)的功率而不需要来自所述初级电路(12)的任何测量信号；和变压器(18)，具有初级侧(20)和次级侧(22)，所述初级侧被连接到所述第一电路(12)而所述次级侧(22)被连接到所述第二电路(14)，优选地连接到所述整流器，这样所述第一和第二电路被电流隔离。

Description

用于大功率发光二极管照明的具有低压次级侧控制的谐振驱动器
技术领域
本发明涉及一种用于将功率提供给负载(优选发光二极管(LED))的电源设备。
背景技术
通常，固态照明对于住宅、汽车以及专业应用来说日益得到关注。由于固态灯例如LED不能从电池或者交流电网(main)直接获得供给，因此需要电子功率驱动器(也称为电源设备)来进行功率的有效功率。由于效率的原因，LED驱动器必须以开关模式操作。该驱动器将可用的DC或AC电压转换成DC电流提供给LED。电子驱动器不得不提供DC输出电流，该DC输出电流独立于输入电压源的变化并且独立于LED的电压降。在多数应用中，电流隔离(galvanic isolation)对于LED驱动器来说是另外一个重要的要求。
用于供给LED和其他负载的电源，例如从US 2005/0225176A1、US2003/0067791A1、US 2006/0077600A1或WO 2005/036726中已知。
通常，开关模式电源产生DC输出电压，其中在多数情况下，输出电压通过脉冲宽度调制(PWM)控制。为了在LED照明系统内使用这个驱动器概念，必须增加包括电流传感器的电流控制器单元。对于电流隔离驱动器电路，电流必须在次级侧进行测量而PWM控制和晶体管设置在初级侧。这就造成额外的工作，原因是次级侧上需要辅助电压并且在反馈路径中必须预见电流隔离。如果电流测量是基于廉价简单的分流电阻器，则会发生额外的损耗。
这种已知概念的另外一个问题可以在通常与PWM开关布局相关的电磁干扰(EMI)失真中见到。
US 6369525公开了一种基于具有输出电流模式控制的多输出转换器的白色发光二极管灯驱动器。
US 6430064公开了一种非接触电源设备。
发明内容
鉴于上文，本发明的一个目的是提供一种克服现有技术设备的不足的电源设备。特别地，应当最小化EMI以及应当避免开关损耗。此外，另外一个目的是提供一种节省成本的电源而不放弃电流隔离以及对负载的功率控制。
本发明的这一和其他目标通过一种用于向负载供给功率的电源设备来解决，该电源设备包括：第一电路，其具有逆变器单元以及谐振电路，所述逆变器单元适于提供优选为矩形电压的AC电压，所述谐振电路彼此并联连接，每个谐振电路包括变压器的初级侧、电容和电感；第二电路，该第二电路包括分支，每个分支具有整流器单元、开关和负载，所述开关适于接通和切断所述负载，每个变压器的次级侧与第二电路的单个分支连接，从而所述第一电路和第二电路被电流隔离；和控制器单元，其适于控制所述开关以便调整提供到所述负载的功率而不需要来自所述第一电路的任何测量信号。
本发明的电源设备提供一种用于供给负载(优选LED)的新颖的谐振操作电流隔离驱动器布局以及控制方案。该设备能够通过DC电压来供给，该DC电压可以通过经整流和平滑的电网电压供给。本发明的设备包括逆变器(优选高频逆变器)、变压器、串联电容器以及次级整流器级。该变压器用作电流隔离以及把电压电平例如从初级的300伏特适配到次级的30伏特。该谐振电路优选地由变压器的杂散电感和串联电容器形成。这样，变压器的寄生漏电感为设备的一部分。对比已知的基于PWM的转换器例如前进和回扫(forward and fly back)布局，不需要对漏电感进行最小化。这对于隔离和线圈设计来说是有利的并且因此保持了低成本。
在变压器的次级低电压侧控制供给到负载的功率。在第二电路中开关的打开状态数相对关闭状态数决定到负载的平均输出。
本发明设备的一个优点是电流变成正弦的并且在开关情况下为零。这避免了开关损耗并且最小化了EMI。此外，提供给第二电路的标称输出电压可以根据所需的负载特性由变压器的匝数比设定。此外，根据本发明的电源设备非常适合于电网(mains)供给。此外，控制器单元不需要任何来自第一电路的信号/反馈来调整功率，即供给到负载的电流。第一电路和第二电路之间的“信息传输”不是必需的。
本发明的电源设备的进一步优点是不需要附加的昂贵DC平滑电容器来平滑负载电压。这提高了所期望的寿命，因为就寿命而言，缓冲电容器常常是最差的元件。
在优选实施例中，所述控制器适于在电路过零期间操作所述开关。
这种措施的优点是开关损耗被最小化或避免。
在另一个优选实施例中，所述第二电路包括电流测量元件。
这种措施具有这样的好处，即电流控制在第二电路中完成并且因此处于低电压电平。
优选地，所述控制器单元设置成借助于在开关的打开状态期间横跨该开关的电压来估计电流。
在进一步的优选实施例中，所述负载每一个包括串联连接的多个LED。
这种措施的好处是多个LED可以通过一个开关来控制。
在优选实施例中，在每个谐振电路中，通过变压器的杂散电感来提供电感器。
在进一步的优选实施例中，每个分支包括与所述LED和所述开关串联的电阻器。
这种措施具有这样的优点，即提供了过电流防护装置。
在优选实施例中，开关为晶体管开关(例如，双极晶体管或MOSFET)，其优选地在线性区中被驱动以用于过电流保护。更优选地，所述晶体管开关在线性区中被驱动以用于不同分支的同步操作LED之间的电流平衡。
这种措施在实践中证实具有优点。
换句话说，每个分支包括一个或多个LED和开关的串联连接，并被分配一个变压器。
这种措施具有这样的优点，即提高了电源的灵活性。特别地，通过使用变压器的不同线圈匝数比，供给到分支的标称电压可以不同。
在进一步的优选实施例中，所述第一电路包括用于感测电流并将感测的电流信号传送到逆变器的电流感测元件。优选地，所述逆变器适于提供均具有相同符号的AC电压和电流。
这种措施具有这样的优点，即可以避免开关损耗并且可以最小化EMI。结果，谐振频率能够很高，这样可以使用小型变压器。
在优选实施例中，逆变器与变压器和谐振电路机械分离。
这种措施具有这样的优点，即设备可以用于可移动的电网供给的照明产品。
在进一步的优选实施例中，如果所述电流感测元件检测到过电流，则逆变器单元适于切断输出，优选地达若干谐振周期。
这种措施具有这样的优点，可以针对过负载来保护电路和变压器。
进一步的特征和优点可以从下面的说明和附图得出。
要理解，上面提及的特征和下面将要解释的那些特征，在不背离本发明的保护范围的情况下，不仅可以以指出的各种组合来使用，还可以以其他组合或者单独使用。
附图说明
本发明的一个实施例在图中示出并且将参照附图在以下说明书中进行详细解释。在图中：
图1为根据本发明第一实施例的电源设备的框图；
图2为示出了根据本发明第二实施例的电源设备的框图；和
图3a示出图1中设备的电流和电压包络的图；
图3b示出图2中设备的电流和电压包络的图。
具体实施方式
在图1和2中，电源设备的两个实施例以框图示出。电源设备用于向负载(优选灯)供给功率，其中该功率是可调节的。灯优选为发光二极管(LED)或者例如以串联连接的多个这种LED。然而，应当注意到其他的电子负载，优选其他类型的照明系统，也可以用本发明的电源设备来供给。这里，术语“LED”还包括有机发光二极管(OLED)。
进一步，应当注意在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以实施对图1或2中示出的设备的各种变化和修改。
在图1中，示出了电源设备的一般结构并以附图标记10表示。电源设备10包括彼此互相电流隔离的第一电路12和第二电路14。
通过变压器18实现电流隔离，变压器18包含具有分配给第一电路的初级线圈的初级侧20和具有分配给第二电路14的次级线圈的次级侧22。
第一电路12包括逆变器单元24，其具有两个输入终端25和两个输出终端26。
逆变器单元24适于在输出终端26提供高频AC电压。输出电压的频率可以处于110KHz或更大的范围内。
逆变器单元24在输入终端25接收DC电压。然而，也有可能逆变器单元24接收AC电压，例如AC电网。
这种高频AC逆变器单元24的一般结构对于本领域技术人员而言是已知的，因此在下文中不再详述。在两个输出终端26之间连接谐振电路30。该谐振电路30包括变压器18的初级侧(初级线圈)、电容器32和电感器34。这些部件被串联连接。
虽然图1示出了分离的电感器34，但是该电感器34可以通过变压器的杂散电感来提供。
该第一电路还包括电流检测器40，其适于检测在两个输出终端26之间流动的电流I1。电流检测器40的相应信号被作为控制信号提供给逆变器单元24。
如图3a中示出的，逆变器单元24提供两个输出终端26之间的矩形电压U1。还如图3a所示出的，矩形输出电压的符号与输出电流的符号相同，该输出电流本身是正弦的。为了保持输出电压符号与输出电流符号相同，通过电流检测器40测量电流。
如上面已经提到的，逆变器24的结构对本领域技术人员是已知的。其可以通过半桥或全桥逆变器来实现，必须提及两个例子。
谐振电路30的谐振频率由谐振电容器和全部的谐振电感决定。谐振电路30的谐振阻抗作为串联电阻并且限制变压器18中的初级和次级线圈电流。
第二电路14包括变压器18的次级侧(次级线圈)22，其向整流器42提供AC电压。整流器42包括以全桥形式连接的四个二极管44。经整流的电压被供给至一个或多个分支50，52，54的输入侧，这些分支的输出侧与地耦合。在图1所示的实施例中，示出了三个分支50，52，54。然而要注意，分支的数量可根据应用而变化。每个分支50，52，54的一般结构是相似的，因此使用相同的附图标记来表示相同的部件。
一个分支50，52，54包括至少一个发光二级管(LED)60.1-60.n和开关64以及电阻器62。所有的成员即电阻器62、LED 60和开关64被串联连接在分支的输入侧和输出侧之间。LED 60.1-60.n的数量取决于应用并且可以从1变化到10或更多。
开关64作为晶体管优选npn双极晶体管来提供。然而，还可以使用其他开关，例如晶闸管。然而，所使用的开关64必须通过控制信号可控，在本实施例中该控制信号被供给至晶体管的基极。在本实施例中，晶体管的集电极与LED 60.n的阴极连接，而晶体管的发射极与分支的输出侧连接因此接地。
LED 60.1-60.n可以通过操作开关64来接通和切断。开关64的各个操作通过产成控制信号并将其发送给各个开关64的控制器单元16来完成。供给到开关64的控制信号可以基于供给到控制器单元16的一般控制信号76或基于任何其他存储在控制器单元16中的程序或算法来产生。
要注意，供给到LED 60.1-60.n的功率以及因此这些元件的光输出可以通过开关64的打开周期数量对关闭周期数量来调节。每个时间单位的开关64的打开周期越长，LED的光输出越高。
要注意，分支50的LED 60.1-60.n以不是彼此独立地接通和切断。更确切地说，LED 60.1-60.n同时接通和切断，这样分支的每个LED的光输出是类似的。
然而，由于多个分支50，52，54并联连接在整流器42的输出和地之间，所以这些分支的LED光输出可以被独立地调节。这可以通过不同分支50，52，54的开关64的打开周期与关闭周期的不同数量来实现。
如图1所示，每个分支50，52，54包括电阻器62，该电阻器62作为过电流防护装置并且用于并联连接的LED强度之间的电流平衡。可选地，分支的开关64可以以这样的方式来驱动：尽管在线性区中驱动它们，但是保证了最大电流并且在分支50-54的串联连接的LED之间平衡了电流。
控制器16基于由电流检测器70提供的电流检测信号来产生用于开关64的控制信号。该电流检测器70检测供给到分支50-54的全部电流。产生控制信号以使得当电流接近零时操作开关，这样开关损耗被最小化。
在图1中进一步示出了经由线路72从变压器18的次级线圈向控制器16供给功率。横跨变压器的次级线圈的AC电压由二极管44整流并且通过电容器46平滑，这样经由线路72供给至控制器的电压为DC电压。这种电压供给的另外优点是：即使关闭所有LED，最小负载仍然被施加到变压器的次级线圈。因此，将避免由变压器的次级线圈的谐振效应引起的电压过冲。
逆变器单元24可以与变压器18和谐振电路30的其他部分进行机械分离，这对于可移动电网供给的照明产品而言是有用的。
进一步，由电流检测器40在第一电路中的电流检测可以用于检测电路中的过电流，这样逆变器单元24能对其做出响应，切断电源一小段时间例如若干谐振周期。此后，可以再次打开谐振电路。
作为进一步的任选措施，每个分支50，52，54的电流能够被检测并且被供给到控制器16。在图1中，电流由控制器16借助于在开关64打开状态期间横跨开关64的电压来估计。将此电压供给到控制器16的各条线路以图1中的附图标记74表示。然而，作为可选方案，串联分流电阻器可以应用在分支中来检测LED电流值。
例如，电源设备10可以用于供电信号灯、装饰灯、壁灯(wallflooding)、LCD背景照明和通用照明灯特别是LED。然而，应当注意这个可能应用列举并非无遗漏的。
还要提到的是，初级和次级线圈的匝数比是根据在用于供电LED的第二电路中所需的电压来选择的。每个分支中的LED数量越大，由变压器的次级侧供给的标称电压必定越高。
在图2中，示出了电源设备的另外实施例并且以附图标记10表示。由于这个电源设备10的结构与图1的结构很类似，所以对于相同的部件使用相同的标记。这两个实施例之间的主要不同是根据图2的第二实施例包括彼此并联连接的多个谐振电路30.1-30.3。每个谐振电路30包括变压器的初级线圈匝、电感34和电容器32。
在第二电路中，把每个分支50，52，54分配给变压器18.1，18.2，18.3的次级侧。
这个实施例允许用由不同变压器18.1-18.3提供的不同电压供电分支50，52，54。
因此，提高了LED控制的灵活性。
然而，每个分支50，52，54的结构和功能与参考图1详细讨论的分支类似，所以不需要再描述该结构和功能。
简而言之，本发明提供了一种电源设备，其允许以可控方式供电LED而无须将来自第二电路的电流信号信息反馈回第一电路。特别地，通过第二电路中的开关来实现功率控制，而第一电路供给具有固定频率(即谐振电路的谐振频率)的AC电压。由于当电流接近零或为零时接通和切断开关，因此开关损耗最小。此外，由于这些开关位于以低电压操作的第二电路中，所以与在第一电路中使用的开关相比，这样的开关的要求较低，进而成本较低。

Claims (17)

1.用于向负载(60)供给功率的电源设备，包括：
第一电路(12)，具有适于提供AC电压的逆变器单元(24)以及彼此并联连接的谐振电路(30.1-30.3)，每个谐振电路(30.1-30.3)包括变压器(18.1-18.3)的初级侧(20)、电容(32)和电感(34)，
第二电路(14)，具包括分支(50，52，54)，每个分支具有整流器单元(42)、开关(64)和负载(60)，所述开关(64)适于接通和切断所述负载(60)，每个变压器(18.1-18.3)的次级侧(22)与第二电路(14)的单个分支(50，52，54)连接，从而所述第一电路和第二电路(12，14)被电流隔离，以及
控制器单元(16)，适于控制所述第二电路(14)的所述开关(64)以便调整提供到所述负载(60)的功率，而不需要来自所述第一电路(12)的任何测量信号。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述控制器单元(16)适于在电流过零期间操作所述开关(64)。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述第二电路(14)包括电流测量元件(70)。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述控制器单元(16)设置成借助于在开关(64)的打开状态期间横跨该开关的电压来估计电流。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述负载(60)每一个包括串联连接的多个LED(60.1-60.n，60.1-60.k，60.1-60.m)。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于在每个谐振电路(30.1-30.3)中，通过变压器(18.1-18.3)的杂散电感来提供电感器(34)。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述负载(60)是LED。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述AC电压是矩形电压。
9.如权利要求5所述的设备，其特征在于每个分支(50，52，54)包括与所述LED(60.1-60.n，60.1-60.k，60.1-60.m)和所述开关(64)串联的电阻器(62)。
10.如权利要求5所述的设备，其特征在于开关(64)为晶体管开关。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于所述晶体管开关在线性区中被驱动以用于过电流保护。
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于所述晶体管开关在线性区中被驱动，用于不同分支(50，52，54)的同时操作LED(60.1-60.n，60.1-60.k，60.1-60.m)之间的电流平衡。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述第一电路(12)包括用于感测电流并将所感测的电流信号传送到所述逆变器单元(24)的电流感测元件(40)。
14.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述逆变器单元(24)适于提供均具有相同符号的所述AC电压和电流。
15.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述逆变器单元(24)与所述变压器(18.1-18.3)和所述谐振电路(30.1-30.3)机械地分离。
16.如权利要求13所述的设备，其特征在于如果所述电流感测元件(40)检测到过电流，则所述逆变器单元(24)适于切断输出(26)。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于所述逆变器单元(24)适于切断输出(26)达若干谐振周期。
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