CN102195510B - 单开关振荡逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开提出了一种单开关振荡变换器的概念。本概念特定的单开关电路拓扑，并通过控制电路中无功元件的谐振过程，把直流输入电能转换成可控的输出电能来驱动负载，并在此基础上延伸出一系列不同的实用电路结构。同时也为现代照明器件的特殊要求提供了高性价比的解决方案。

Description

单开关振荡逆变器

背景介绍

发明所属领域

本专利属于功率变换领域的发明。更具体地说，是利用单个电子开关和电路中能量的振荡来把直流电能转换成交流电能的一种独特的方法，同时为现代照明器件如LED和CCFL等的驱动控制提供了既简单又低成本的解决方案。

相关的领域描述

绿色能源运动正在对我们的生活和经济带来巨大而又不可阻挡的影响。在这场运动中LED也正在给照明领域带来一场革命性的变化。由于电光转换效率高、寿命长、机械特性牢固、污染低等特点，LED正成为照明领域未来的最佳选择。但另一方面，由于LED照明系统目前价格还较高，市场目前仍需要其它高效率、低成本的照明解决方案。冷阴极荧光灯等(下文简称CCFL)高效率光源对消费者来说在目前也是很好的选择。

众所周知CCFL器件工作电压一般几百伏至超过1000伏范围内，而起动电压往往超过2000伏。同时供给CCFL的操作电压必须是交流(AC)以防止灯泡内活性材料的直流迁移。灯的交流操作频率通常在几十KHz(赫兹)范围内。这样的高压、高频率电源一定要通过驱动电路来提供。LED则为直流工作器件，单个LED的操作电压大约在2.1伏至3.6伏之间。由于单个LED的功率限制以及大功率LED成本高等原因，再加之大功率LED的散热处理等问题，目前大多数应用都把多个LED以串联的形式接成LED串再把多串LED并联。这样的电路结构也需要驱动电路把交流或直流输入转换为LED操作所需要的电压来驱动。

另一方面LED器件的电流电压特性和一般二极管相似。当LED正向偏置时，它的正向电流-电压呈很陡的曲线，一个很小的电压增加可以使电流上升很多，这种情形为LED的电流控制，特别是当多个LED串并联时的操作控制，增加了一个难题。相似地CCFL灯也有非常低的动态操作阻抗，在灯起动点亮后，一个小的电压变化可以相应地产生较大的电流变化。而且由于CCFL的操作电压表现为负温度系数，综合这些情况，整个灯管的工作状态可能呈负阻抗特性。因此在驱动电路设计中如何保持灯管操作的稳定控制，特别当多个灯管并联时，如何保持灯的电流平衡也是一个极具挑战性的问题。

而且LED和CCFL都是非线性的器件。它们截止导电，当操作电压低于导通阈值时，器件将停止工作。这种现象在调光控制时对灯管操作形成限制。特别是当和今天已被广泛使用的双向可控硅调光控制器配合工作时，LED或CCFL器件可能在低亮度时由于输入电压的降低而产生闪烁或熄灭。所以如果驱动电路缺乏在低压输入下让灯管保持足够的工作电压的能力，这类照明设备将无法得到好的调光性能。

上述诸多情况在驱动电路设计中都必须给于考虑，才能使得系统在实际的输入电压范围内稳定地工作。另一方面，当多个CCFL或LED串并联应用时，电流平衡电路也必不可少，以保持灯的电流匹配和发光均匀度。所有这些功能电路势必会增加电路的复杂程度和系统的成本，并产生额外的功率损耗。最终影响方案的可行性和实用性。因此，本发明即为针对上述情形把所需要的所有驱动功能用一个单级功率转换电路来实现，并使用无损耗平衡电路来保持灯的电流匹配，从而提供一系列低成本、高效率的照明驱动方案。而且这种驱动电路也可以用来驱动其他不同类型的负载来更好地满足人们的需求。

发明的总结

本发明提出了一种驱动照明器件或其他交流负载的功率转换电路结构的概念。所提出的概念采用了单级变换电路，使用单个有源电子开关电路和电感、电容的配合来同时实现电压提升和直流到交流功率转换的功能来驱动照明器件或交流负，可以在宽输入电压范围的情况下为照明器件或AC负载提供可靠的驱动和调节功能。而且通过电感，电容等无功器件的阻抗匹配或变压器平衡网络来无损耗地平衡多路灯管或负载的电流。

第一个发明实例把升压转换器中的升压二极管换成耦合电容来实现电压提升和直流到交流逆变的双重功能。电感和电容的储能通过电子开关的操作产生持续振荡并通过电容的交流传导性能把交流能量传输给负载。电容两端的偏置电压在工作过程中会自动调节来产生负载工作所需要的电压并保证正负半周平衡的交流能量传输特性。

在另一个发明实例中升降压变换电路中的整流二极关被耦合电容所替代来实现升降压逆变器功能。负载的工作电压峰值可以高于或低于输入电压。电容两端的偏置电压在工作过程中会自动调节来满足负载的工作电压要求。

在另一个发明实例中反激转换器中的次级整流二极管由一个电容替代来实现隔离型升降压逆变器的功能。这种隔离型升降压逆变器可以把直流能量从初级传输到次级并转换成交流电能供给负载。

另一个发明实例用隔离变压器把从耦合电容输出的交流能量传输给负载。

另一个发明实例把LED串构成双向导通电路来接受耦合电容所传输的交流电流。这种双向LED电路可以通过一个桥式整流器和一个单串LED串连接或两个反并联的LED串所组成。

在另一个发明实例中电路驱动多个双向LED电路或交流负载。每个双向LED串或交流负载和一个相应的耦合电容串联，所有的电容器取相同的电容值，利用电容的交流阻抗匹配来平衡LED串或交流负载的电流。

另一个发明实例把双向LED电路或交流负载和电感串联并由单开关逆变器来驱动，利用电感的交流阻抗匹配来平衡负载电流。

另一个发明实例则把平衡变压器和多串双向LED电路或交流负载连接成平衡网络并由本发明的单开关振荡逆变器供电来实现多路平衡驱动。

附图说明

图1A所示为一个用单开关升压逆变器电路来驱动双向LED电路的基本原理。

图1B所示为一个用单开关升压逆变器电路来驱动多个LED串并利用耦合电容的交流阻抗匹配来平衡LED串电流的概念。。

图1C所示为一个利用耦合电容的交流阻抗匹配来平衡另一种交流LED串电流的概念。

图2A所示为一个单开关升降压逆变器电路的基本概念。

图2B所示为隔离型单开关升降压逆变器电路的基本电路。

图3A所示为用升压逆变器来驱动多个交流负载并利用匹配的电感的交流阻抗匹配来平衡负载电流的基本概念。

图3B所示为用隔离型升压逆变器来驱动多个交流负载并利用匹配的电感的交流阻抗匹配来平衡负载电流的概念。

图4A和图4B所示为使用两种不同的平衡变压器电路来平衡驱动多个双向LED串的原理。

图4C所示为使用升压逆变器来驱动多个双向LED串并利用平衡变压器网络来平衡LED串电流的原理。

图4D所示为使用隔离型升降压逆变器来驱动多个双向LED串并利用平衡变压器网络来平衡LED串电流的原理。

图5A所示为另一种用变压器隔驱动负载的升压逆变器电路。

图5B所示为在隔离型升压逆变器变压器的次级使用全波整流电路来驱动DC负载的例子。

图5C所示为在隔离型升降压逆变器电路中利用电容量的匹配来平衡多路双向LED串电流的例子。

发明的详细描述

图1描述了所发明的升压振荡逆变器的原理。如图1A所示，一个升压电感120从直流输入的正端VDC+连接到电子功率开关MOSFET 130的漏极，功率开关MOSFET的源极接到直流输入的地端GND。耦合电容器240的一端接在MOSFET 130的漏极，而另一端作为交流输出端和地端GND一起把交流能量传输给负载。负载由一个桥式整流器222和一个LED串210组成一个。桥式整流器222的两个交流输入端作为这个双向导电负载的输入端，而两个直流输出端中的正端接至LED串的阳极，负输出端则和LED串的阴极相连。桥式整流器222的两个交流输入端接到耦合电容240的输出端和GND之间，这样从电容240耦合过来的交流电能在正负两半周都可以使LED串210导通而把能量传输给它。由桥式整流器222和LED串210组成的双向导电结构在图1A中用200来代表。在下文中200将用来代表一般的交流负载。而因为LED本身只能通过直流电流，图1A中用210来代表其为直流负载。

在工作期间，当功率开关130开始导通时，电流从正输入端VDC+流过升压电感120和功率开关130，然后回到返回端GND，电感120的电流随时间线性地增长建立。当130关断时，电感电流改变流通路径通过开关电容240，交流LED负载200续流，返回到地端GND。在这期间，当电流流向负载时同时也对电容240充电，使电容240的电压向左正右负的方向增长。当经过几次开关动作后电容240的电压上升到超过负载200的导通电压时，电容将会在130导通时对负载放电，最终建立起一个稳定的动态平衡操作状态，当130关断时，电感120的能量通过电容240传输给负载，同时也对电容240充电，而当130导通时电感120从输入端吸取能量，同时电容240也向负载放电并使负载所流过的电流和130关断时方向相反。由于电容的交流导通特性，在动态平衡操作状态下130关断时电容240充入的能量和130导通时向负载放电所释放的能量将相等。电容240两端将会自动地建立起一个适当的直流偏置电压来维持这样的平衡操作关系从而可以在开关130重复的开关操作下向负载200持续地传输交流电能。

由于上述电路的交流输出特性，当驱动多个LED串或交流负载时可以利用电容交流阻抗的匹配来平衡LED串的电流。图1B描述了一个这样的例子。如图1B所示，每个LED串LED1......LEDK都和一个相应的整流桥222连接形成交流负载，并且分别和一个相应的耦合电容240串联。这样当所有的耦合电容CS1到CSK都选择相同的电容值，而且在给定的操作频率下电容上的电压降和LED操作电压相比足够高时，各LED串之间由于正向工作电压的差异所引起的操作电流误差将被大大地缩小。例如有一组额定工作电压为30伏LED串，工作电压误差为5％，也即1.5V。如果不采用电流平衡措施而将这些LED串直接并联起来，LED串的电流相互之间会产生超过100％的误差。而当使用串联耦合电容时在同一个驱动电压下电容之间的电压降差别也是1.5伏。如果选择耦合电容的工作电压相当于LED串的操作电压，也即30伏，则电容之间的电压降差别百分比也为5％。由电容交流阻抗的线性特性不难推出流过各耦合电容的电流误差也是5％。而流过电容的电流即是LED串的电流，因而各LED串的电流误差也是5％，大大低于没有串联电容的情形。而且由于电容是无功元件，这种平衡方法的损耗很低，从而提供了一种性能优越的高效率电流平衡方法。

图1C描述了另一种交流LED结构的例子。在图1C中，每个交流LED支路由两个LED串以反并联连接的形式组成，这样在正、反两种电压情况下都有一串LED导通，允许电流在两个方向流动。这种交流LED结构同样可以和耦合电容相串联来利用电容的交流阻抗匹配平衡LED串的电流。这里需要注意每个单独的LED串在一个完整的开关周期内仅仅导通半个周期。这样似乎LED的发光容量只利用了一半。但其实因为LED的发光量在恒定温度下在很大的范围内和正向电流成正比，所以当LED工作占空比为50％时，其工作电流可以加大一倍，从而使得用相同数量LED串可以和图1B中的电路在相同功率消耗的情况下产生相同的光输出量。

上述的升压逆变器的原理也可以扩展到升降压逆变器电路结构。图2A描述了这样的电路结构。和图1A不同的是在图2A中耦合电容和负载所形成的串联支路和升压电感120并联，而不是和电子功率开关130并联。基于同样的原理由于电容的交流导通特性，电路将最终建立起一个稳定的动态平衡操作状态，在动态平衡操作状态下130关断时电容240充入的能量和130导通时向负载放电所释放的能量相等，电容240两端会自动地建立起一个适当的直流偏置电压来维持这样的平衡操作关系，从而可以在开关130重复的开关操作下向负载200持续地传输交流电能。

当输入和输出之间需要隔离或输入到输出电源转换比太大时，图2A所示的升降压逆变器可以用变压器来进一步扩展为隔离型升降压逆变器。图2B描述了这样的电路原理。如图2B所示，图2A中的电感120用一个变压器500来代替。电子开关130和它的初级线圈510串联连接。负载则移到变压器的次级边，次级线圈520的输出通过耦合电容240传输到负载200。在操作过程中，当130导通时，次级线圈的感应电压使得电流从520的低端经负载200和耦合电容形成回路流动，最后返回到520的高端。在这个过程中电容器由于电流从左向右流过而使其电压按左正右负增长的方向改变。同时，在初级边变压器的初级线圈510的电流也通过输入正端VDC+，初级线圈510和功率开关130的路径流通并返回另一个输入端PGND。当130被关断时，初级线圈510的电流通过510和520之间的电磁耦合转移到次级并从520的高端，经耦合电容240和负载200返回到520的低端。在此过程中，电容240的电压也会随着反方向的电流向右正左负的增长方向改变。随着130的重复开关操作，电路将最终建立起一个稳定的动态平衡操作状态，在动态平衡操作状态下130关断时电容240充入的能量和130导通时向负载放电所释放的能量相等，电容240两端自动地建立起一个适当的直流偏置电压来维持这样的平衡操作关系，从而可以在开关130重复的开关操作下向负载200持续地传输交流电能。这种电路把升降压逆变器电路中的电感用变压器来代替，所以称作隔离型升降压逆变器。请注意为了方便描述，图2B中的变压器500标示了初次级线圈之间的相关极性，但电路的操作实际上并不受变压器极性关系的限制。相反的变压器极性结构按同样的原理工作。同时注意负载也不仅限于双向LED结构，其他类型的交流负载如CCFL灯管或任何容许双向电流流动的负载类型均适用于此原理。

当负载为多个分支时，耦合电容也可以像图1B和图1C那样每个负载都串联一个电容量一样的耦合电容并利用其交流阻抗的匹配来平衡各负载的电流。事实上，由于输出信号本身的交流特性，也可以使用其他类型的无功元件并利用其交流阻抗的匹配来实现负载电流的平衡。图3A和图3B描述了两个利用电感的交流阻抗的匹配来平衡负载电流的例子。请注意在图3A和图3B中耦合电容240仍然被用来提供交流耦合到整个负载阵列，每个负载分支有一个平衡电感和一个负载分支串联，当所有的电感都去相同的电感量，而且工作时电感上的电压降和负载电压相比较足够大，各负载分支的电流就可以通过平衡电感的感抗的匹配来得到平衡。这里也应该提醒负载可以是不同的类型，只要它允许双向电流流动都可以适用。本文中所描述的双向LED结构和CCFL灯管都是这种负载的典型例子。

图4描述了另一种通过使用平衡变压器网络来平衡负载电流的方法。事实上，在图4A和图4B中所示的变压器平衡网络是分别由Jin和Wshijima发明用来平衡多个CCFL灯管的电流的。这些变压器平衡网络也完全适合用于本发明上文中所描述的升压式单开关逆变器电路，升降压逆变器电路和隔离型升降压逆变器电路，为驱动多个交流负载提供了一种低成本，低损耗的驱动方案。图4C和图4D描述了平衡驱动多路双向LED负载结构的典型例子。其他类型的负载如CCFL灯管等也一样适用。

在以上所描述的各种转换电路中，电感性元件和电容性元件的同时存在也提供了利用感性阻抗和容性阻抗之间的谐振来实现软开关电路操作的可能性。在图1A和图2A所示的电路中，当功率开关130关断时能量在电感120和耦合电容240之间会自然地产生谐振。如果电路参数通过适当的选择可以使得电子开关130的D，S两端电压V_DS在谐振过程中出现过零点，而且在V_DS为零时使130导通，就可以实现零电压软开关操作。而在图2B所示的隔离型升降压逆变器电路中，由于耦合电容240是在变压器起次级绕组边，比较难以获得可以使开关130的V_DS过零的谐振控制。在这种情况下，为了有效地获得软开关操作条件，耦合电容240可以移到变压器的初级。图5A和图5C描述了这样的电路结构概念。因为在稳态的重复开关操作下，耦合电容240只能把交流电能耦合到变压器500，而变压器500又只能耦合交流电压到次级。这样的电路结构就同样能够从次级线圈520把正负半周相平衡的交流电能提供给负载。所以像本文所描述的双向LED电路结构或CCFL灯管或其它交流负载都可以直接接到次级线圈520的输出。而且当驱动多个负载支路时，本文所描述的负载电流平衡方法，包括电容匹配平衡，电感匹配平衡和变压器网络平衡等，都可以被同样地用于图5A和图5C所描述的电路中来平衡驱动多路负载结构。

最后，在图5A和图5C的电路中，因为直流到交流的转换在变压器的初级已完成，从变压器次级绕组的交流输出可以通过整流转换为直流而向直流负载供电，图5B描述了一个将交流信号通过全波整流转换为直流并给LED串供电的例子。其他形式的整流电路如桥式整流或倍流整流电流电路等也可以用来完成同样的功能。

在以上的发明解释中，应该注意到所描述的内容是通过具体的例子来表述发明的原理和概念，这些举例不从任何意义上限制本发明的原理和概念在其他情况下的应用。描述中所使用的元器件如电子功率开关、负载、变压器等也不限于在举例中所描述的类型。同时，所举例子也不限制本发明的原理和精神对于通过对元器件的增删，替代或电路接线方式的变更等所产生的其他电路形式的有效性。随附权利声明，以进一步表述本发明的原理和精神。

Claims (2)

1.一种使用单个电子开关的操作形成升压式自振荡逆变器电路来驱动交流LED结构的电路，其特征在于仅包括一个电感，一个电子开关，一个电容，一个直流输入电源和一个交流LED结构，电感的一端接至直流输入的第一端口，电感的另一端和电子开关的第一开关端口连接，电子开关的第二开关端口和直流输入的第二端口接在一起，电容和交流LED结构连接成一条串联支路，该串联支路的两端和电子开关的两个开关端口分另连接形成并联连接，交流LED结构由两个LED串反向并联组成，允许电流在正反两个方向都通过该结构流通，通过电子开关的开关操作和电感、电容所形成的振荡电路的谐振特性的配合，在操作过程中产生交流电压和交流电流来驱动交流LED结构。

2.一种使用单个电子开关的操作形成升降压式自振荡逆变器电路来驱动交流LED结构的电路，其特征在于仅包括一个电感，一个电子开关，一个电容，一个直流输入电源和一个交流LED结构，电子开关的第一开关端口和直流输入的第一端口连接，电子开关的第二开关端口和电感的一个端口连接，电感的另一个端口和直流输入的第二端口相连接，电容和交流LED结构连接成一条串联支路，该串联支路的两端和电感的两个端口分别连接形成并联连接，交流LED结构由两个LED串反向并联组成，允许电流在正反两个方向都通过该结构流通，通过电子开关的开关操作和电感、电容所形成的振荡电路的谐振特性的配合，在操作过程中产生交流电压和交流电流来驱动交流LED结构。