CN101951713A

CN101951713A - 电流自平衡的多路输出谐振变流器

Info

Publication number: CN101951713A
Application number: CN2010102879180A
Authority: CN
Inventors: 张军明; 汪剑峰; 吴新科; 钱照明
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2011-01-19

Abstract

本发明涉及一种多路输出的谐振变流器，旨在提供一种电流自平衡的多路输出谐振变流器。该谐振变流器包括变压器，所述变压器包括初级绕组和次级绕组；原边变换器，其输入端接收输入信号，输出端耦接至所述初级绕组；副边整流器，具有至少两个输出端，以提供至少两路驱动信号给至少两路负载；谐振电感，与所述变压器初级绕组或者次级绕组串联耦接；谐振电容，与所述次级绕组串联耦接。本发明在不增加额外元器件的基础上，通过电路内部元器件功能的复用，实现多串LED的驱动及其均流，真正实现高效率、低成本以及高性能的LED均流。各个输出电流相互均衡(均流)，特别适合需要多个电流相等输出的电源，尤其适用于多路LED的驱动。

Description

电流自平衡的多路输出谐振变流器

技术领域

本发明涉及一种多路输出的谐振变流器，特别指多路输出的串联谐振变流器，或者说是电流自平衡的多路输出谐振变流器。

背景技术

LED是新型绿色环保节能的照明设备，它产生相同光亮时所需电能远比白炽灯小。与节能灯和白炽灯相比，LED具有体积小，不易损坏，具有点光源特性等优点，必将成为未来照明的最佳选择。

单个高亮度LED光源的功率由于受到封装、发热等限制，一般功率在1W～3W。在需要高功率、高亮度照明的情况下，如路灯、广场照明等场合，通常需要将许多LED组合起来使用。LED的亮度与其流过的电流直接相关：一般来说，流过LED的电流越大，其亮度将越大。为了实现多个LED的亮度均衡，通常将多个LED串联连接。但当串联的LED个数超过一定数量，会导致LED驱动器提供的电压很高，导致输出滤波电容、电路绝缘设计困难。如单个LED的压降一般在3.3V，当串联个数超过150个时，其电压将超过500V。因此，当需要大功率照明时，一般将多串LED进行并联，而实现每串LED之间的电流均衡对LED的使用寿命以及光亮度的均衡也变得十分重要。

传统的电流均衡方法包括线性电流源方法和后级开关电源调整方法。这两种方法均需要采用半导体可控开关以及相关的控制电路，均属于有源方法。这两种方法虽然能够实现多串LED的均流，但存在明显的不足。线性电流源方法由于采用可控开关M₁，电阻R以及运算放大器U₀(见图1)，电阻R上会有很大的损耗，因此系统效率很低；后级开关电源调整方法实现每串LED的电流均需要有一个直流/直流(DC/DC)变换器进行控制(见图2)，因每个DC/DC变换器均需要独立的开关管、控制电路、电感等器件，这导致系统结构复杂，成本变高。

基于传统有源均流方法存在的劣势，许多采用无源方法实现均流的方法被相继提出。传统的无源均流方式通常需要额外的耦合电感或者电容，增加电路的复杂性和成本，通常系统循环能量变大，均流精度一般较差。因此，如何低成本。高性能的多个均衡的电流输出，仍然存在很多的技术问题需要克服。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提出一种电流自平衡的多路输出谐振变流器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种电流自平衡的多路输出谐振变流器，包括：变压器，所述变压器包括初级绕组和次级绕组；原边变换器，其输入端接收输入信号，输出端耦接至所述初级绕组；副边整流器，具有至少两个输出端，以提供至少两路驱动信号给至少两路负载；谐振电感，与所述变压器初级绕组或者次级绕组串联藕接；谐振电容，与所述次级绕组串联耦接；所述变压器次级绕组及其所串联藕接的谐振电容，或所述变压器次级绕组及其所串联藕接的谐振电容及谐振电感，耦接在所述副边整流器的第一输入端和第二输入端之间，用以实现所述至少两路负载的驱动及电流均衡。

本发明进一步提供了一种电流自平衡的多路输出谐振变流器，包括：变压器组，所述变压器组包括N个变压器，其中N是自然数，所述N个变压器各自包括初级绕组和次级绕组，所述N个初级绕组串联耦接；原边变换器，其输入端接收输入信号，输出端耦接至所述串联耦接的初级绕组；N个副边整流器，所述N个副边整流器各自具有至少两个输出端，以提供两路驱动信号给两路负载；N个谐振电容和N个谐振电感，与所述N个次级绕组串联耦接，每个初级绕组与一个谐振电容、一个谐振电感串联藕接，所述N个串联耦接的谐振电容、谐振电感和次级绕组各自耦接在所述N个副边整流器的第一输入端和第二输入端之间，用以实现所述两路负载的驱动及电流均衡。

更进一步地，本发明还提供了一种电流自平衡的多路输出谐振变流器，包括：变压器，所述变压器包括初级绕组和次级绕组；原边变换器，其输入端接收输入信号，输出端耦接至所述初级绕组；至少2个输出模块，所述输出模块各自包括一副边整流器以及2个阻抗网络，所述2个阻抗网络分别与所述副边整流器的两个输入端相串联后，连接于至所述变压器次级绕组两端；所述副边整流器，具有第一输入端和第二输入端，以及两个输出端，以提供两路驱动信号给两路负载；所述阻抗网络，包括一个谐振电容和一个谐振电感串联，藕接于所述变压器次级绕组与副边整流器的一个输入端；相邻的两组输出模块中，相邻的谐振电感之间两两耦合，实现多个输出之间的电流均衡。

本发明中，所述原边变换器为全桥拓扑结构或对称半桥拓扑结构或非对称半桥拓扑结构。

本发明中，所述谐振电感为外加电感、或者仅仅是变压器的漏感，或者是两者的合成。

本发明中，所述副边整流器为一双输出全桥整流结构或双输出倍压整流结构。

本发明的有益效果在于：

本发明在不增加额外元器件的基础上，通过电路内部元器件功能的复用，实现多串LED的驱动及其均流，真正实现高效率、低成本以及高性能的LED均流。各个输出电流相互均衡(均流)，特别适合需要多个电流相等输出的电源，尤其适用于多路LED的驱动。

附图说明

图1是采用线性电流源方法实现LED串均流示意图；

图2是采用后级开关电源调整方法实现LED串均流示意图；

图3是传统串联谐振拓扑(副边全桥整流)电路示意图；

图4是串联谐振拓扑原边、副边结构示意图；

图5是本发明改进的串联谐振拓扑在输出为全桥整流结构实现两路均流的实施例；

图6是实施例电路100的仿真波形图；

图7是谐振电感置于变压器副边时的串联谐振均流拓扑示意图；

图8是本发明改进的串联谐振拓扑在输出为倍压整流结构实现两路均流的实施例；

图9是本发明一个在多个LED串驱动中的实施例；

图10是本发明应用在原边多个变压器串联实现多路均流的实施例。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细的描述。通过对本发明具体实施例的描述，可以更加易于理解本发明的特征和细节。

图3是一个传统的串联谐振电路，其原边拓扑(包含多个开关，也称为原边变换器)是半桥拓扑，副边整流器是全桥整流，实现一个直流输出。本领域技术人员知道，其原边拓扑(原边变换器)可以是全桥、对称半桥或者非对称半桥拓扑结构，副边整理器也可以是全桥或者倍压整流结构，如图4所示。传统的串联谐振电路不同于LLC谐振电路，其激磁电感不参与电路的谐振，因此激磁电感量可以设计得很大。在图3、图4所示的整流结构中整流开关用二极管表示。但本领域技术人员可以知道，为提高效率，二极管整流器可以被同步整流器(MOSFET)取代，相关内容超过本发明所针对的主题。为叙述简明，有关同步整流的控制及其工作不再详述。在以下实施例中，均以二极管整流为例进行叙述。

图5是本发明的一个具体实施例，电路100代表其输出采用全桥整流。如图5所示，电路100的原边拓扑(原边变换器)是半桥拓扑结构，副边整流器采用全桥整流结构(双输出)。但是本领域的技术人员应该认识到，电路100的原边变换器也可采用图4所示的全桥结构或者推挽结构，副边可以采用倍压整流结构。相对图3、图4所示的传统串联谐振电路而言，本发明实施例将谐振电容串联在变压器副边，其整流后的单个输出被分成2个输出，如图3所示整流二极管D_r1以及D_r2的阴极并联后连接到直流输出的正端。在图5所示的实施例中，整流二极管D_r1以及D_r2的阴极分别作为一个直流输出，驱动LED1以及LED2负载。串联谐振电路的谐振电容C_r在实现电路谐振情况下，基于电容自身的电荷平衡，实现两路输出的电流均衡(即LED1以及LED2的电流平衡)。在本发明中，谐振电容C_r同时具有谐振电容和电流平衡电容的功能，实现两个输出的电流均衡。在两路输出电压不相等的情况下，谐振电容自动均衡其电压差，实现两路输出的电流均衡。具体实施方式如下：电路100的变压器初级绕组与一个谐振网络之谐振电感L_r串联，串联后的第一端直接耦接至原边变换器多个开关的输出端，即第一晶体管Q₁和第二晶体管Q₂的串联耦接点，其第二端耦接至第一输入电容C₁和第二输入电容C₂的串联耦接点。电路100的变压器次级绕组与谐振网络之谐振电容C_r串联耦接在一起，两者耦接在副边整流器的第一输入端和第二输入端之间。即次级绕组的第一端耦接至由C_r的一端；C_r的第二端耦接至第一二极管D_r1的阳极和第四二极管D_r4的阴极的耦接点。第一二极管D_r1的阴极为电路100的第一输出端；电路100的变压器次级绕组的第二端耦接至第二二极管D_r2阳极和第三二极管D_r3阴极的耦接点；第四二极管D_r4的阴极为电路100的第二输出端。第一输出电容C_o1和第一LED串并联耦接在电路100的第一输出端和副边参考地之间；第二输出电容C_o2和第二LED串并联耦接在电路100的第二输出端和副边参考地之间。本领域技术人员应该熟知，谐振电感L_r可以是外加电感、或者仅仅是变压器的漏感，或者是两者的合成。

概括而言讲，图5所示副边整流器(也称为输出整流器)，为一双输出全桥整流结构(以下也简称全桥结构或双输出全桥结构)，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一输出电容和第二输出电容；其中所述第一二极管的阴极和所述第四二极管的阳极耦接在一起，作为所述副边整流器的第一输入端；所述第二二极管的阴极和所述第三二极管的阳极耦接在一起，作为所述副边整流器的第二输入端；所述第一二极管的阴极作为所述副边整流器的第一输出端；所述第二二极管的阴极作为所述副边整流器的第二输出端；所述第一输出电容耦接在所述副边整流器的第一输出端和副边参考地之间；所述第二输出电容耦接在所述副边整流器的第二输出端和副边参考地之间。

在电路100的Q₁导通期间，变压器次级绕组感应电流的正半周，副边电流经C_r，第一二极管D_t1、第一输出电容C_o1、第一LED串、第三二极管D_r3和次级绕组形成电流回路；在变压器次级绕组感应电流的负半周(Q₂导通期间)，副边电流经由第二二极管D_r2、第二输出电容C_o2、第二LED串、第四二极管D_r4和次级绕组形成电流回路。在上述两个过程中，流过谐振电容C_r的电流方向相反，充放电的电荷必然相等。而其充电电荷等于LED1的平均电流与时间的积分，而放电电荷为LED2的平均电荷与时间的积分。在正半周、负半周时间对称的情况下，实现两个输出的电流平衡。因此，可以将谐振电容C_r可以同时作为副边电流的平衡电容。根据电荷平衡规律，在上述两开始时刻和结束时刻，谐振电容C_r上电荷变化量为零。因此，若将变压器次级绕组感应电流的正半周时间段和变压器次级绕组感应电流的负半周时间段设置为相匹配，则电路100可以实现第一LED串LED1和第二LED串LED2的电流均衡。

电路100的工作波形如图6所示，图6(A)显示在两路输出电压均等情况下的波形，图6(B)显示两路输出电压不相等的情况下的波形。从波形上可以得出，不管输出电压是否相等，电路均能够保证两路输出电流均衡，不同之处在于输出电压有差异时，谐振电容上会有直流电压分量，如图6(A)谐振电容电压V_cr正负半周对称，无直流分量；在图6(B)中，存在直流分量，直流分量等于两个输出的电压差的一半。

在图5所示的实施例中，其谐振电感L_r可以在变压器的原边，也可以将谐振电感在变压器的副边，如图7所示。本领域技术人员应该熟知，谐振电感L_r可以是外加电感、或者仅仅是变压器的漏感，或者是两者的合成。

图8所示是本发明的第二个实施例，其副边整流器(输出整流器)为一双输出倍压整流结构(以下也简称倍压结构或双输出倍压结构)，包括第一二极管、第二二极管、第一输出电容和第二输出电容，其中所述第一输出电容和所述第二输出电容串联耦接在一起，其串联耦接点作为所述副边整流器的第一输入端；所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极耦接在一起，其共同耦接点作为所述副边整流器的第二输入端；所述第一输出电容的另一端和所述第一二极管的阴极耦接在一起，其共同耦接点作为所述副边整流器的第一输出端；所述第二输出电容的另一端和所述第二二极管的阳极耦接在一起，其共同耦接点作为所述副边整流器的第二输出端。图8中，两个二极管Dr1以及Dr2串联的中点以及两个输出电容(Co1以及Co2)相串联的中点构成副边整流器(输出整流器)的两个输入端。其谐振电容仍然与变压器副边相串联，实现电流均衡和电路谐振工作。本领域技术人员应该熟知，谐振电感L_r可以是外加电感、或者仅仅是变压器的漏感，或者是两者的合成，其可以在变压器的原边，也可以在变压器的副边。

图7给出的实施例也可以扩展到多于2个输出的场合，适合偶数个LED串之间的均衡。图9所示是本发明一个在多个LED串驱动中的实施例，输出整流器仍然以双输出全桥结构为例。图7所示的实施列中，将谐振均衡电容Cr与谐振电感Lr均拆分成2个，及用2个电感的串联、以及2个电容的串联进行等效，形成2个串联阻抗网络，分别连接于变压器副边绕组的2个输出端以及输出整流器的2个输入端，如图9所示。图中，输出整流器以及与之相串联的2个串联阻抗网络构成一个输出模块。由于电路输入串联，如对图9所示的第一个模块，Cr1与Cr2的串联等效为图7所示的Cr，Lr1与Lr2的串联等效为图7所示的Lr，实现电路的结构上下对称。这样m(m为自然数，＞2)多个输出模块并联于变压器的副边绕组。各个模块之间，通过谐振电感的耦合实现均流，如第一个模块的Lr2与第2个模块的一个谐振电感Lr3耦合，即Lr(2i)与Lr(2i+1)相互耦合，实现各个输出模块之间的电流均衡。在此实施例中，仍然以原边变换器为半桥结构、副边整理器采用全桥结构为例，通过将谐振电感放置在变压器副边，利用谐振电感之间的两两耦合，实现多个输出之间的电流均衡。每个模块内的均衡均通过2个串联的谐振均衡电容实现，其实质与图7所示实施例完全一致。多个模块之间的均衡则通过谐振电感的耦合实现，这样耦合电感也同时实现了功能的复用，即是串联谐振电路的谐振电感，同时也是多个输出模块之间的均衡电感。

图10是利用变压器的原边串联，副边整流器采用图5或者图8所示的整流结构，实现多个(＞2)LED串之间的均流。由于变压器原边串联电流相等，这样各个变压器副边绕组电流必然相等。每个变压器副边绕组的输出电流均衡与图5、图7以及图8所示本质一致，通过谐振电容Cr实现。

上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。总而言之，无论上文说明如何详细，还有可以有许多方式实施本发明，说明书中所述的只是本发明的具体实施例。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明实施例的上述详细说明并不是穷举的或者用于将本发明限制在上述明确的形式上。在上述以示意性目的说明本发明的特定实施例和实例的同时，本领域技术人员将认识到可以在本发明的范围内进行各种等同修改。

本发明这里所提供的启示并不是必须应用到上述系统中，还可以应用到其它系统中。可将上述各种实施例的元件和作用相结合以提供更多的实施例。

可以根据上述详细说明对本发明进行修改，在上述说明描述了本发明的特定实施例并且描述了预期最佳模式的同时，无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述电路结构及其控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。

如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims

1.电流自平衡的多路输出谐振变流器，包括：

变压器，所述变压器包括初级绕组和次级绕组；

原边变换器，其输入端接收输入信号，输出端耦接至所述初级绕组；

副边整流器，具有至少两个输出端，以提供至少两路驱动信号给至少两路负载；

谐振电感，与所述变压器初级绕组或者次级绕组串联藕接；

谐振电容，与所述次级绕组串联耦接；

所述变压器次级绕组及其所串联藕接的谐振电容，或所述变压器次级绕组及其所串联藕接的谐振电容及谐振电感，耦接在所述副边整流器的第一输入端和第二输入端之间，用以实现所述至少两路负载的驱动及电流均衡。

2.电流自平衡的多路输出谐振变流器，包括：

变压器组，所述变压器组包括N个变压器，其中N是自然数，所述N个变压器各自包括初级绕组和次级绕组，所述N个初级绕组串联耦接；

原边变换器，其输入端接收输入信号，输出端耦接至所述串联耦接的初级绕组；

N个副边整流器，所述N个副边整流器各自具有至少两个输出端，以提供两路驱动信号给两路负载；

N个谐振电容和N个谐振电感，与所述N个次级绕组串联耦接，每个初级绕组与一个谐振电容、一个谐振电感串联藕接，所述N个串联耦接的谐振电容、谐振电感和次级绕组各自耦接在所述N个副边整流器的第一输入端和第二输入端之间，用以实现所述两路负载的驱动及电流均衡。

3.电流自平衡的多路输出谐振变流器，包括：

变压器，所述变压器包括初级绕组和次级绕组；

至少2个输出模块，所述输出模块各自包括一副边整流器以及2个阻抗网络，所述2个阻抗网络分别与所述副边整流器的两个输入端相串联后，连接于至所述变压器次级绕组两端；

所述副边整流器，具有第一输入端和第二输入端，以及两个输出端，以提供两路驱动信号给两路负载；

所述阻抗网络，包括一个谐振电容和一个谐振电感串联，藕接于所述变压器次级绕组与副边整流器的一个输入端；

相邻的两组输出模块中，相邻的谐振电感之间两两耦合，实现多个输出之间的电流均衡。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的谐振变流器，其特征在于，所述原边变换器为全桥拓扑结构或对称半桥拓扑结构或非对称半桥拓扑结构。

5.如权利要求1至3中任意一项所述的谐振变流器，其特征在于，所述谐振电感为外加电感、或者仅仅是变压器的漏感，或者是两者的合成。

6.如权利要求1至3中任意一项所述的谐振变流器，其特征在于，所述副边整流器为一双输出全桥整流结构或双输出倍压整流结构。