CN101878675B - 尤其用于led的带电气隔离pfc功能的发光器件控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电源电压(Vin)电位以隔离方式产生输出电压(Vout)的电路(30、40)，该电路(30、40)包括：功率因数修正电路(31)，其具有由电源电压(Vin)供电的电感(L31)和控制该电感(L31)充电和放电的可控开关(T31)；以及至少一个电位隔离变压器(N1-N2、N1’-N2’)，其用于使所述输出电压(Vout)与所述电源电压(Vin)电气隔离，其中，在该电感(L31)放电时，给该电位隔离变压器(N1-N2、N1’-N2’)直接供应在充电过程中由该电感(L31)存储的电能的第一部分。

Description

尤其用于LED的带电气隔离PFC功能的发光器件控制装置

技术领域

本发明涉及一种具有主动功率因数修正(PFC)功能的发光器件控制装置，尤其涉及一种具有电气隔离的功率因数修正功能的电路。本发明的技术应用领域是尤其借助这种电路对光源供电及控制的领域。

背景技术

通常，功率因数反映了电气设备从供电源耗用电流的情况。众所周知，电源交流电压具有正弦形时间曲线，因而在理想情况下，从电源获得的电流也应该具有正弦形时间曲线。可是，这个通过功率因数1表示的理想状况不会总是出现，相反，电流甚至显著偏离正弦包络曲线，因此，功率因数随之降低。

也就是说，在功率因数小于1时，所获得的电流不是正弦形的，因此在电源电流中产生谐波。根据所知道的，在供电源中这个不被期望的谐波电流借助功率因数修正电路被减小。

为了实现正弦形的且本身对于电源交流电压是同相位的输入电流，从现有技术中例如公开了一种利用图1所示的基于升压逆变器布局技术的主动功率因数修正电路20。在这里称为主动是因为开关通过控制单元的控制信号被主动地开和关。

此时，滤波电容器C21对经过整流的输入交流电压Vin进行滤波，该输入交流电压Vin借助分压器R21和R22被测量。输入交流电压Vin将被供应至电感L21，在这里，次级绕组L22确定流过电感L21的电流的过零。

此外，例如在晶体管T21的源极线路中与开关串联的电流测量电阻(并联电阻)R23实现了电感峰值电流的测定，以便可以确定可能有的过电流状态。与输出电容器C22并联地设有第二分压器R24、R25，以用于测量总线直流电压Vbus并且例如依据负载跃变来确定过电压状态。

这四种测量方式借助控制电路25的四个测量输入21、22、23和24来完成，其中这个控制电路25依赖于这些测量方式如此控制晶体管或者说开关T21，即总线电压保持不变，且功率因数被提高。

在这种技术情形中不利的是，电路20无法提供电隔离的电压。

与此相关，US 2007040516 A1公开一种具有功率因数修正功能的电路，以用于将交流电压转换成电隔离的直流电压。在整流器将电源电压转换为经过整流的输入交流电压之后，这个输入交流电压又被逆变器10转换为适合控制灯的直流电压。

图2中所示的用于产生输出直流电压的逆变器10是半桥逆变器，该半桥逆变器包括推挽逆变器11和输出级12，以用于存蓄电能和低通滤波。

在逆变器10之前接有一个功率因数修正电路(未示出)，该功率因数修正电路作为主动功率因数修正手段用于从电源获得近似正弦形的电流。这个前置的功率因数修正电路为逆变器10提供升压的总线直流电压Vin。

所述推挽逆变器或者说半桥11包括两个晶体管T11和T12，例如两个MOSFET晶体管，它们与两个电容C11和C12并联。两个串联的晶体管T11和T12的中间点如此与变压器的原级侧n1相连接，即原级变压器线圈的一侧n1被交替接通至正电压和负电压。原级变压器线圈的另一侧n2通过电容式分压器C11和C12被保持在一个固定不变的电压。

在变压器的次级侧n2，通过推挽逆变器11产生的斩波交流电压被输出级12整流和平滑。随后，最终的输出电压Vout在连续工作时为：

Vout＝f(n2/n1*Vbus)

发明内容

本发明的任务是提出一种基于电源电压电位以隔离方式产生输出电压的改进电路。

本发明的基本思想是，来自主动功率因数修正电路的开关的电流的一部分直接被供应至变压器，而没有先经受暂时存储。

因此，基于电源电压电位以隔离方式产生输出电压的电路可以具有包括电感和主动控制开关的功率因数修正电路，其中来自电感的或者经过开关(当合上开关时)的电流总是部分被用于暂时存储在电容器中，而电流的另一部分直接被供应至电位隔离变压器。

本发明的功率因数修正电路一方面具有这种电路的常规任务，但另一方面也担负了US 2007040516 A1的半桥功能。

功率因数修正电路的控制尤其依据电源能级。当由此开始在次级侧也就是说从输出电压方面完成反馈时，这个反馈必须被电位隔离，以便进而也在输入侧(电源侧)和输出侧之间具有完全的电位隔离。

原则上，当对电位隔离的输出电压有要求时，也可以有利的采用本发明。

根据本发明，所提出的任务通过独立权利要求的特征来完成。从属权利要求在特别有利的方式下改进本发明的中心思想。

根据本发明的第一方面，一种基于电源电压(统称输入电压)电位以隔离方式产生输出电压的电路包括：

功率因数修正电路，其具有由输入电压供电的电感和控制该电感充电和放电的可控开关，以及

至少一个电位隔离变压器，其用于使该输出电压与该电源电压电气隔离。在该电感放电时，给该电位隔离变压器直接供应在充电过程中由该电感所存储的电能的第一部分。

电路可以具有至少一个电容器，以用于暂时存储在充电过程中由该电感存储的电能的第二部分。

由电容器暂时存储的电能可以最好在下一个充电/放电周期中被继续传导至电位隔离变压器。

功率因数修正电路可以按照连续模式或间歇模式工作。

电容器的蓄电能力可以小于电解电容器的蓄电能力。

输出电压可以被低通滤波器滤波。

根据本发明的另一第一方面，提出一种用于发光器件的控制装置，如包括上述电路的发光二极管逆变器。

根据本发明的又一第一方面，提出一种基于电源电压(统称输入电压)电位以隔离方式产生输出电压的方法，其中

电源电压向功率因数修正电路的电感供电，

功率因数修正电路的可控开关控制该电感的充电和放电，以及

电位隔离变压器用于使该输出电压与该电源电压电气隔离。在该电感放电时，给该电位隔离变压器直接供应在充电过程中由该电感存储的电能的第一部分。

在充电过程中由该电感存储的电能的第二部分可以被至少一个电容器暂时存储。

由该电容器暂时存储的电能可以被继续传导至该电位隔离变压器。

根据本发明的另一第一方面，提出一种基于电源电压电位以隔离方式产生输出电压的电路，该电路尤其具有：

用于产生非电位隔离的总线电压(内部稳定直流电压)的功率因数修正电路，

用于控制该功率因数修正电路的控制电路，其中这种控制所需要的该总线电压的识别从该输出电压的测定中被导出。

根据本发明的另一第一方面，提出一种包括这类电路的发光二极管逆变器。

根据本发明的又一第一方面，提出一种基于电源电压电位以隔离方式产生输出电压的方法，其中

功率因数修正电路产生非电位隔离的总线电压，以及

控制电路控制该功率因数修正电路，

其中这个控制所需要的该总线电压的识别从该输出电压的测定中被导出。

根据本发明的又一第一方面，提出一种集成电路，该集成电路被设计用来执行上述的方法。

本发明的其它特征和优点将从阅读以下结合附图的优选实施方式的说明中变得清楚明白。

附图说明

图1表示将直流电压转换为电气隔离的直流电压的已知的DC-DC逆变器，

图2表示已知的功率因数修正电路，

图3表示根据本发明的第一实施方式的电路，

图4表示根据本发明的第二实施方式的电路，以及

图5表示根据本发明的第三实施方式的电路。

具体实施方式

在图3中示出了根据本发明的功率因数修正电路30的一个实施方式。

在功率因数修正电路30上输入侧施加输入电压Vin，该输入电压Vin给功率因数修正电路31供电，功率因数修正电路31随后产生DC总线电压Vbus。

关于“总线电压”不应被理解为外部总线的电压，而是指DC供电电压。

这个输入交流电压Vin最好是被整流器(未示出)整流的电源交流电压。

所述输入交流电压Vin将被供应至电感L31，即线圈。线圈L31与二极管D31串联，更确切地说在施加有输入交流电压Vin的第一输入端子DC_IN/MAINS和第二总线电压端子33之间线圈L31与二极管D31串联，在第二总线电压端子33上提供总线直流电压Vbus。

最好被构造为电解电容器的输出直流电压电容器C31将总线电压端子33接地，并且作为暂时存储元件来稳定总线电压。与这个输出直流电压电容器C31并联地还设有两个串联的开关T32和T33。所述开关或者说功率开关T31、T32、T33最好是相同的。

输出直流电压电容器C31通过开关元件二极管D31和开关T32与整流器(未示出)去耦，该整流器整流输入交流电压。

在线圈L31和二极管D31之间的接点32上接有晶体管或者说可控开关T31。

在开关T31的漏极线路32和开关T32、T33的中间点34之间串联接有第一变压器N1-N2的原级侧N1和第二变压器N1′-N2′的原级侧N1′。即便当两个变压器N1-N2和N1′-N2′可能不相同时，这两个变压器也最好有一样的尺寸。

当开关T31被接通时，线圈L31对地短路并且二极管D31不导通。线圈L31本身充电，从而实际上电能可以存储在这个线圈L31中。

在开关T31接通时，电流从电源Vin经由线圈L31流过开关T31。

在此期间，另一个电流分量可以从开关T32、T33的中间点经由变压器N1、N2的原级侧流过开关T31。

当开关断开时，线圈L31按照已知方式连接有流过二极管D31的电流。也就是说，二极管D31是导通的，并且线圈L31本身随后通过二极管D31对输出直流电压电容器C31放电。电能由此被传输至输出直流电压电容器C31。

在此期间，另一个电路分量由此开始从开关T31和二极管D31之间的连接点32又(这次是反向)经由变压器N1、N2的原级侧N1流向开关T32和T33的中间点34。

根据本发明，在开关T31的通断周期中，仅有一部分的流动电流被输送至输出电容器C31和总线电压Vbus。而根据现有技术的，整个电流流向总线电压，结合图1参见图2。

变压器N1-N2和N1′-N2′的次级侧N2和N2′串联，并且分别与一个二极管D32、D33相连接。这两个二极管D32和D33也在一个点36上相互连接。

在变压器N1-N2和N1′-N2′的中间点35和二极管D32、D33的连接点36之间出现的电压随后被输送至低通滤波器并相应被滤波或者说被平均。

这个低通滤波器例如包括扼流圈L32和输出电容器32，其中在输出电容器C32上出现输出电压Vout。

所述两个开关或者说MOSFET晶体管T32和T33能够被控制电路50以与开关T31同步的方式控制。例如，开关T32可以与开关T31同步地被接通并且如需要时同步地被断开。而当开关T31并且如需要时开关T32也通过控制电路50被断开时，开关T33可以随后被接通。不过，开关T32和T33的通断时间点可以通过控制环路或者依据所加的负荷来选择。为了避免半桥短路，可以在接通开关T32或者开关T33之前加入滞后时间。这个同步操作尤其可以用在具有高负荷的运行时，例如接通的发光器件以最大亮度运行时。

在不是高负荷运行例如不是在接通的发光器件以最大亮度运行的控制模式的情况下，可能需要改变两个开关T32和T33的控制。一种这样的控制模式例如可能存在于当没有负荷、仅存在有小负荷或者出现故障像例如空载运行时的情况或负荷短路时的情况下。例如，这两个开关的时钟频率可以被提高，其中可以做到，与开关T31同步地通过控制单元接通两个开关T32和T33其中之一，而这两个开关T32和T33随后以更高的频率被时钟脉冲化。如需要时也可以规定时间段，在该时间段内，两个开关或者只有一个开关未被时钟脉冲化。在这种方式下，可以实现所谓的脉冲操作。

不过，也可以彼此异步地控制开关T31、T32、T33。

二极管D31也可以由另一个开关T34来替代，该另一个开关T34随后也通过控制单元被主动时钟脉冲化和控制。开关T31-T34可以同步或异步地在脉冲操作中或在其它的类型操作中被控制。

图4表示本发明的另一个实施方式。在此所示的功率因数修正电路40基本上包括图3所示电路30的组成元件。

就与图3相比较而言，功率因数修正电路本身在以下方面有变化，输出直流电压电容器C31由两个串联的电容器C41和C42来替代。该电容器C41和C42最好是电解电容器。

在此实施方式中不再设有开关T32和T33。

与每个电容器C41和C42并联地接有一个二极管D41、D42，其中电容器C41和C42的中间点34’和进而二极管D41和D42的中间点与两个变压器N1-N2和N1’-N2’的串联结构相连。

电路40的工作方式类似于图3中所示电路30的工作方式。

因此，在开关T31的每个通断时间周期ton-toff中，一部分流动电流被供应至总线电压Vbus，而另一部分直接流入变压器N1-N2和N1’-N2’的原级侧N1和N1’。

根据本发明，与此相应地，直接由变压器N1-N2和N1’-N2’转换的部分，就是说未用于通过电解电容器C41和C42来保持总线电压Vbus的部分，被直接的且无损失地转换。

因此，根据图4的电容器C41和C42的结构比在常规的功率因数修正电路中的更简单。

甚至对于电容器C41和C42来说，如需要时可以放弃电解电容器。这在需要时带来了成本优势和使用寿命优势。

在任何情况下可以通过直接转换一部分电流，电解电容器C41和C42的电容被显著减小。

从这两个已述实施方式30、40中，根据图3的电路实施方式30具有大部分的控制容限，因为该电路实施方式30包括两个开关或者说MOSFET晶体管T32和T33。但这种控制带来以下缺点，即这些开关T32和T33也必须被同步化。

相反地在根据图4的电路实施方式40中，省掉了用于操作或者说控制电路30的额外花费，这是因为在那里没有使用开关T32、T33。由此，不再需要这些开关T32和T33用的相应控制器，这总体简化了功率因数修正。

图5表示根据本发明的依据图4中所示电路40可如何实现主动功率因数修正功能。

根据本发明，可替换地，也可以选择图3中所示实施方式的电路布局技术。

开关T31将被控制电路50控制。为此目的，控制电路50具有输出端51，通过输出端51控制信号被输送至开关T31。控制信号的频率(典型地至少为10kHz)和由此开关306的通断频率基本上高于电源电压的频率(典型地为50Hz)和经过整流的输入交流电压的频率(典型地为100Hz)。

为了确定开关T31的接通持续时间ton或者断开持续时间toff，控制电路50需要关于总线电压Vbus的信息(或者说关于输出电压Vout的信息)或者关于流过线圈L31的电流的过零的信息。

这样做是因为开关T31的接通持续时间ton和进而线圈L31的充电时间将依据总线直流电压Vbus与一个固定的参考电压的比较来被控制并且依据以下前提条件，即控制电路50一直断开开关T31直到流过线圈301的电流降低为零。

关于流过线圈L31的电流过零的信息实际上仅以间歇操作的方式被要求提供，在间歇操作中，线圈电流实际上在每个周期内都降至零。相反地在连续操作中，线圈电流在开关T31断开时没有归零，因此也不需要这个过零信息。

对于功率因数修正，也需要关于输入电压Vin或者流过线圈L31的峰值电流的信息，在后者情况下，尤其用于防止过电流状态。

就是说仍要确定，控制电路50必须识别总线直流电压Vbus或输出电压Vout，并且如需要时还要识别输入电压Vin、线圈电流的过零或者线圈峰值电流。

如已经从图2知道的，线圈电流的过零和线圈峰值电流可以分别借助次级绕组L22和电流测量电阻R23来测定。

但是，与控制电路25通过分压器R21、R22和R24、R25监测总线电压Vbus以及电源输入电压Vin的变化的现有技术不同，开关T31的控制器可以控制电源电压的变化以及在滤波器C32、L32上的输出电压。

而将不再测定中间的总线电压。

这是可行的，因为总线电压Vbus通过变压器N1-N2和N1’-N2’与输出电压Vout硬性耦合起来，从而将直接在输出电压Vout中识别出在总线电压Vbus中可能不允许的状态。

图5也示出了负荷60尤其是发光器件例如发光二极管如何可以直接连接到功率因数修正电路30、40的输出端上。

可选地，例如发光器件可以借助随后的逆变器(未示出)被控制。这个随后的逆变器可以是简单的稳定电流源。不过，发光器件也可以被一个或多个具有自身控制器的逆变器控制，其中这些逆变器随后最好具有彼此无关的亮度调整机构(或者说调节机构)或控制机构。

控制电路50具有一个附加的输入端61，该输入端测量或者掌握与负荷相关的数值(像例如电压、电流或功率)。

Claims (13)

1.一种用于发光器件的控制装置，所述控制装置具有基于输入电压（Vin）的电位以隔离方式产生输出电压（Vout）的电路（30、40），所述电路（30、40）包括：

主动功率因数修正电路（31），其具有由该输入电压（Vin）供电的电感（L31）和用于控制该电感（L31）充电和放电的可控开关（T31）；

至少一个电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’），其用于使该输出电压（Vout）与该输入电压（Vin）电气隔离，

其中，在该电感（L31）放电时，给该电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’）直接供应在充电过程中由该电感（L31）存储的电能的第一部分，

其中，所述控制装置具有至少一个暂时存储元件，以用于暂时存储在充电过程中由该电感（L31）存储的电能的第二部分。

2.根据权利要求1所述的用于发光器件的控制装置，其中，所述暂时存储元件为电容器（C31）。

3.根据权利要求2所述的用于发光器件的控制装置，其中由该电容器（C31）暂时存储的能量在下一个充电/放电周期内被继续传导至该电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’）。

4.根据上述权利要求中任一项所述的用于发光器件的控制装置，其中该功率因数修正电路（31）按照连续模式或间歇模式工作。

5.根据权利要求2所述的用于发光器件的控制装置，其中该电容器（C31）的蓄电能力小于电解电容器的蓄电能力。

6.根据权利要求1所述的用于发光器件的控制装置，其中该输出电压（Vout）被低通滤波器（L32、C32）滤波。

7.根据权利要求1所述的用于发光器件的控制装置，其特征是，所述控制装置是发光二极管逆变器。

8.一种照明单元，所述照明单元具有至少一个发光器件和根据上述权利要求中任一项所述的控制装置。

9.一种在用于发光器件的控制装置中基于电源电压（Vin）电位以隔离方式产生输出电压（Vout）的方法，其中，

需要时对该电源电压（Vin）整流并且供给至功率因数修正电路（31）的电感（L31），

该功率因数修正电路（31）的可控开关（T31）控制该电感（L31）的充电和放电，以及

电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’）使该电源电压（Vin）与该输出电压（Vout）电气隔离，

其中，在该电感（L31）放电时，给该电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’）直接供应在充电过程中由该电感（L31）存储的电能的第一部分，

其中，由至少一个电容器（C31）暂时存储在充电过程中由该电感（L31）存储的电能的第二部分。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，把由该电容器（C31）暂时存储的电能在下一个充电/放电周期内继续引导至该电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’）。

11.一种用于发光器件的控制装置，所述控制装置具有基于电源电压（Vin）的电位以隔离方式产生输出电压（Vout）的电路（30、40），所述电路（30、40）包括：

功率因数修正电路（31），其具有由该电源电压（Vin）供电的电感（L31）和用于控制该电感（L31）充电和放电的可控开关（T31），并且用于产生非电位隔离的总线电压（Vbus），

至少一个电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’），其用于使该输出电压（Vout）与该电源电压（Vin）电气隔离，

用于控制该功率因数修正电路（31）的控制电路（50），其中这种控制所需要的该总线电压（Vbus）的识别是从该输出电压（Vout）的测定中导出的，

其中，在该电感（L31）放电时，给该电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’）直接供应在充电过程中由该电感（L31）存储的电能的第一部分，

其中，所述控制装置具有至少一个暂时存储元件，以用于暂时存储在充电过程中由电感（L31）存储的电能的第二部分。

12.一种照明单元，所述照明单元具有至少一个发光器件和根据权利要求11所述的控制装置。

13.一种在用于发光器件的控制装置中基于如需要时被整流的电源电压（Vin）的电位以隔离方式产生输出电压（Vout）的方法，其中，

功率因数修正电路（31）具有由该电源电压（Vin）供电的电感（L31）和用于控制该电感（L31）充电和放电的可控开关（T31）并且产生非电位隔离的直流总线电压（Vbus），

至少一个电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’）使该输出电压（Vout）与该电源电压（Vin）电气隔离，以及

控制电路（50）控制该功率因数修正电路（31），其中从该输出电压（Vout）的测定中导出这种控制所需的该总线电压（Vbus）的识别，

其中，在该电感（L31）放电时，给该电位隔离变压器（N1-N2、N1’-N2’）直接供应在充电过程中由该电感（L31）存储的电能的第一部分，

其中，所述控制装置具有至少一个暂时存储元件，以用于暂时存储在充电过程中由电感（L31）存储的电能的第二部分。

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