CN102577064B - 用于照明器件的运行设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于照明器件、尤其地LED、OLED或卤素灯的驱动设备，具有用于整流交流电压的带有至少一个二极管(D1)的电路组件，其中，电子开关元件与二极管并联，开关元件具有比二极管更小的导通电阻，并且，设置用于开关元件的控制器件，其保证，开关元件的导通持续时间在二极管的导通持续时间之内。

Description

用于照明器件的运行设备
技术领域
本发明涉及一种用于照明器件的驱动设备。本发明可应用在例如用于OLED、LED或DC卤素灯的驱动设备(“转换器”)中。
背景技术
已知，导通状态下的二极管上的明显压降为例如0.8V。由此，在小的输出电压和相应地高的电流时，产生显著的整流损失。因此，对于用于具有8A的100W转换器的零点整流器(2个二极管)损失例如约为6.4W。与此相比，在10mOhm电阻上对于8A的电流仅仅产生0.64W的损失功率。
已经从文件DE 10012362A1中已知，为对交流电压进行整流，代替二极管使用电子开关元件，在交流电压的周期中如下地控制该电子开关元件，即，其在一极性阶段中导通并且在另一极性阶段中不导通。然而，对于这种主动受控的开关元件，仅仅通过评估待整流的交流电压而确定准确的切换时刻是困难的。
发明内容
因此，本发明的目的为，提供用于整流交流电压的方法和电路组件，此外其利用二极管工作，但是，在其中可明显地减小二极管的上述损耗。
该目的通过独立权利要求的特征实现。从属权利要求涉及本发明的适宜的实施方式。
第一方面涉及一种用于照明器件、尤其用于LED、OLED或卤素灯的驱动设备，其具有用于整流交流电压的带有至少一个二极管(D1)的电路组件，其中，该二极管与电子开关元件并联，该开关元件具有比二极管更小的导通电阻，并且提供用于该开关元件的控制器件，所述控制部件保证该开关元件的导通持续时间在所述二极管的导通持续时间之内。
此外，控制器件可保证，开关元件的导通持续时间早于二极管的导通持续时间而结束。
控制器件可如下地控制开关元件，即，在评估二极管的前一的截止周期的情况下动态地调整该开关元件的导通持续时间。
控制器件可如下地控制开关元件，即，与二极管的导通持续时间相比，针对该开关元件的导通持续时间首先设定为短的，并且然后逐渐延长其导通持续时间，并且，当该导通持续时间晚于二极管的导通时间结束时，再次缩短针对该开关元件的导通持续时间。
控制器件可具有开关调节器(Schaltregler)，其直接地或间接地测量二极管上的电压，并且评估该电压以用于控制开关元件。
控制器件可具有由串联电阻器、另一二极管和缓冲电容器组成的串联电路，其与开关元件并联。开关调节器一方面与在串联电阻器和另一二极管之间的连接点相连接并且另一方面与在缓冲电容器和开关元件之间的连接点相连接。
开关元件可为场效应晶体管，其源极与首先提及的二极管的一个管脚相连接，其漏极与首先提及的二极管的另一管脚相连接，并且其栅极与开关调节器的控制输出端相连接。
在此，首先提及的二极管可为场效应晶体管的体二极管(Body-Diode)。
首先提及的二极管、开关元件、串联电阻器、另一二极管和开关调节器可属于集成的半导体开关单元，并且相对于半导体开关单元，缓冲电容器为外部的器件。
在驱动设备中，集成的半导体开关单元可使用在零点整流器中或者使用在通过变压器耦合交流电压的桥式整流器中。
另一方面涉及一种用于至少一个照明器件、尤其LED的驱动设备，其中，首先在第一整流器级中整流电网电压，其中，然后在DC/AC转换器中将如此产生的直流电压再次转换成比电网电压频率更高的交流电压，其中，以变压器的方式减小如此产生的更高频率的交流电压的电压值，其中，在第二整流器级中将以变压器的方式减小的交流电压重新整流以用于供给至少一个LED，并且其中，至少在第二整流器级中应用集成的半导体开关单元。
因此，本发明的基本想法在于，将二极管和与其并联的可主动控制的开关元件组合，开关元件具有比二极管更小的导通电阻。那么，如此控制开关元件，即，(当二极管过渡到导通状态时)，开关元件尽可能地承受导通电流。
主动控制的开关元件与二极管的组合同样允许，克服以上提及的困难，即，可针对开关元件确定准确的切换时刻。现在，根据二极管的可测得的切换或者在评估二极管的截止周期的历史记录的情况下确定切换时刻。
优选地，用于开关元件的接通持续时间选择为比二极管的接通持续时间更短，这允许，更晚地开始和/或更早地结束用于开关元件的接通持续时间。
有利地，以下述方式动态地调整开关元件的通过持续时间，即，在通过开关元件的电流为零或者其极性变化之前，始终将开关元件切换到截止状态中。
在开关元件从截止状态切换到导通状态时，可利用与技术相关的滞后以用于实现相对于二极管的所期望的接通滞后，在开关元件中自然地在切换信号的输出和实际的切换之间出现该滞后。那么，当确定二极管从截止状态过渡到导通状态时，给出切换信号。
对于确定开关元件从导通状态到截止状态的切换的时刻，存在多种可能性。第一可能性为，获取、评估过去的接通/断开循环的频率或时间上的时钟信号，并且为用于开关元件的下次切换的切换信号设置安全余量。如果待整流的交流电压的频率以相对小的(递增的)幅度变化，则该安全余量确保，开关元件时间上始终在二极管之前过渡到截止状态。
本发明涉及电路组件，因此允许设计新式的半导体开关单元，其特征在于开关元件和二极管集成在该半导体开关单元中。在开关元件构造为场效应晶体管的情况下，所述二极管可为其体二极管。
此外，这种半导体开关单元可包括(同样集成的)开关调节器，其评估二极管上的当前电压以用于产生用于开关元件的切换信号。可通过附加的整流从待整流的直流电压中获得用于驱动开关调节器的和用于产生切换信号的能量。通过该附加的整流获得的工作电压可储存在缓冲电容器中，该缓冲电容器相对于集成的半导体开关单元优选地实施成外部的器件。
以上给出的类型的半导体开关单元可应用在用于整流交流电压的各种不同的电路组件中，在其中设置有整流二极管(例如在AC/DC转换器、反激式转换器等中)。可理解的是，半导体开关单元尤其适合应用在出现小的电压和高的电流的情况中，例如在用于驱动LED的控制设备中，其中，电压源为电网。
例如，当这种类型的半导体开关单元以多的数量应用在零点整流器或桥式整流器中时，则建议，通过同时评估开关调节器的测量结果或者通过使半导体开关单元相互通讯，来相互协调对单个半导体开关单元的控制或将其同步。所有这些的目的为，“柔和地”接入或者断开整个联接内的半导体开关单元。
附图说明
下面根据附图描述本发明的实施方式。
附图中：
图1示出根据本发明的半导体开关单元；
图2以独立的电路符号示出图1所示的半导体开关单元；
图3示出通过开关调节器测得的电压VSense的与时间相关的图示；
图4示出通常的零点整流器，当然在此，在使用根据图1或图2的半导体开关单元的情况下；
图5示出通常的桥式整流器，当然在此，在使用根据图1或图2的半导体开关单元的情况下；
图6示出以交流电压、尤其地以电网电压驱动的用于一个或多个LED、OLED或DC卤素灯的控制设备，其中，控制设备使用根据图1或图2的半导体开关单元以用于整流。
具体实施方式
在图1中，确定用于整流交流电压的第一二极管D1位于引导交流电压的线路中。MOS-FET的形式的电子开关元件S与第一二极管D1并联，其中，二极管D1可为MOS-FET的体二极管。MOS-FET的源极与二极管D1的一个管脚相连接，并且MOS-FET的漏极与二极管D1的另一管脚相连接。MOS-FET的栅极与开关调节器1的控制信号输出端相连接。通过由串联电阻器R1、另一二极管D2和缓冲电容器C组成的串联电路为开关调节器1提供电压。为此，串联电路的一个端点与第一二极管D1的一个管脚相连接，并且串联电路的另一端点与第一二极管D1的另一管脚相连接。开关调节器1截取在缓冲电容器C处的用于开关调节器1的供给直流电压VCC。借助于串联电阻器R1和另一二极管D2通过整流待整流的交流电压获得供给直流电压VCC，并且将其储存在缓冲电容器C中。
开关调节器1在串联电阻器R1和另一二极管D2之间的连接点处检测电压VSense，其相应于第一二极管D1上下降的电压并且提供与此相关的信息，即，何时二极管D1导通或者何时其不导通。
第一二极管D1、开关元件S、开关调节器1、串联电阻器R1和第二二极管D2形成集成的半导体开关单元DS或者半导体开关单元DS的集成的部分。相对于集成的半导体开关单元DS，缓冲电容器C为外部的器件。
在图2中以带有三个管脚的独立的开关符号示出半导体开关单元，使用在下文中描述的电路组件中。
下面根据在图3中示出的时间上的电压变化曲线描述通过开关调节器1对开关元件S进行的控制。
图3显示了由开关调节器1相对于地GND测得的电压VSense。其显示出，在二极管D1上电压以交变的方式在-48V和+0.8V之间下降。当出现在二极管D1上的交流电压小于+0.8V时，二极管截止。相反地，当交流电压上升超过+0.8V时，二极管D1导通，其中，当待整流的交流电压设为大于+0.8V的电压值时，在二极管D1上的压降也不下降到+0.8V以下。这具有的结果为，在导通状态中在二极管D1上产生显著的损失功率，由流过二极管D1的电流和0.8V的导通电压的乘积得到该损失功率。如开头描述的那样，该损失功率为显著的并且无论如何是不期望的。
为了减小功率损失，开关元件S与二极管D1并联，该开关元件S在导通状态下在其上下降比在二极管D1上的明显更小的导通电压。由此，这同样意味着，开关元件S的导通电阻明显小于二极管D1的导通电阻。在图3中利用Vred表示导通电压之间的区别。从Vred和流过二极管D1和开关元件S的组合的电流的乘积中得到功率损失的减小。
现在，如此控制开关元件S，即，其导通持续时间ton在二极管D1的导通持续时间Ton之内。也就是说，开关元件的导通持续时间最早与二极管的导通持续时间一起开始并且最晚与其一起结束，但是也可比其更晚地开始和/或更早地结束。
在该实施方式中，开关元件S的导通持续时间ton比二极管D1的导通持续时间Ton晚开始滞后时间t1，并且比其早结束余量时间t2。
可理解的是，滞后时间t1和余量时间t2应尽可能短(理想地为0，考虑切换时间)。但是为了保证，仅仅当二极管可靠地导通时，开关元件S才接受电流，滞后时间t1和余量时间t2是必要的。尤其重要的是，开关元件S在取消激活的时刻之前处于导通状态，在取消激活的时刻电流为零或者极性变换。以这种方式保证，在整流循环结束时再次实现二极管上的电流，该二极管具有自然的整流特性。由此同样实现，开关元件S可靠地过渡到截止状态，或者形成开关元件S的半导体中的通道再次完全截止。
可以至少两种不同的方式确定用于开关元件S的单个的切换时刻。
对于带有50％的占空比的整流系统(例如对于电网整流)，通过当测量电压VSense相对于地GND为零或者电极变化时开关调节器1(以延迟t1的方式)给出接通信号，开关调节器1确定针对开关元件S的导通持续时间的开始的切换时刻。然后，由于同样通过VSense进行对二极管D1的上述导通周期Ton的监测和评估，开关调节器1确定用于开关元件S的导通持续时间ton。
在PWM系统中，同样评估二极管D1的以上切换过程的历史记录。为此，开关调节器1在几个周期上取消激活开关元件S。然后，开关调节器1仅仅以非常短的时间间隔ton将开关元件1切换到导通状态，并且然后随着每个周期连续地提高ton。只要通过VSense还可确定在ton结束时的电压上升，这就继续进行。当不再是这种情况时，再次减小用于开关元件S的导通时间ton直至可再次测得电压上升。
图4示出带有缓冲电容器C的两个半导体开关单元DS在已知的零点整流器中的应用。通过带有初级绕组和两个对称的二级绕组的变压器耦合交流电压。通过整流产生脉冲的直流电压，通过电解电容器C2使其平滑。较小的电容器C1用于抑制干扰的高次谐波。
图5示出带有缓冲电容器C的四个半导体开关单元DS在已知的桥式整流器中的应用。通过带有初级绕组和二级绕组的变压器耦合交流电压，其中，二级绕组位于由四个半导体开关单元DS形成的整流桥的桥支路中。通过整流产生脉冲的直流电压，通过电解电容器C2使其平滑。较小的电容器C1用于抑制干扰的高次谐波。
图6示出用于基于交流电压(例如电网电压)驱动至少一个LED、OLED或DC卤素灯或者其它DC供电的照明器件的已知的控制设备10。在第一整流电路部分12中整流电网电压。为了避免在整流时产生的不期望的高次谐波反馈到电网中，在第一整流电路部分12和电网输入端之间还插入高次谐波滤波器。此外，第一整流电路部分12还设有主动地受时钟控制的PFC级，其自身用于使从电网中提取的电流尽可能为正弦形。
第一整流电路部分12产生通过PFC级调节的直流电压Ubus。该直流电压Ubus在带有变压器(其同样用于电势分离)的DC/AC转换器13中再次转换成交流电压，其电压值明显小于电网电压的电压值，并且由此与LED的驱动电压值相等。相应地，使电流升高。
在第二整流电路部分14中重新整流如此产生的交流电压。该第二整流级14必须处理小的电压，但是高的电流。在此，应用以上描述的半导体开关单元DS。
在将第二整流级14的输出电压输送到照明器件之前，还可进一步处理第二整流级14的输出电压，例如进行调制、尤其地PWM调制。即，通常基于第二整流级14的输出电压供给照明器件。
在最后的级15中通过相应的调节电路进行高次谐波的再次滤波以及进行对待由前置设备驱动的LED的电流需求的匹配。

Claims (10)

1.一种用于照明器件的驱动设备，具有用于整流交流电压的带有至少一个二极管D1的电路组件，其中，电子开关元件S与所述二极管D1并联，所述开关元件S具有比所述二极管D1更小的导通电阻，并且，设置用于所述开关元件S的控制器件，所述控制器件保证，所述开关元件S的导通持续时间ton在所述二极管Dl的导通持续时间Ton之内，其中，所述控制器件如此控制所述开关元件S，即，与所述二极管Dl的导通持续时间Ton相比，用于所述开关元件S的导通持续时间ton首先设定为短的，并且然后连续地延长该导通持续时间ton，并且，当所述开关元件S的导通持续时间ton比所述二极管的导通持续时间Ton更晚地结束时，再次缩短用于所述开关元件S的导通持续时间ton。
2.根据权利要求1所述的驱动设备，其特征在于，所述控制器件还保证，所述开关元件S的导通持续时间比所述二极管Dl的导通持续时间更早结束。
3.根据权利要求1或2所述的驱动设备，其特征在于，所述控制器件如此控制所述开关元件S，即，在评估所述二极管Dl的之前的截止周期的情况下动态地调整所述开关元件S的导通持续时间ton。
4.根据权利要求1所述的驱动设备，其特征在于，开关调节器(1)属于所述控制器件，所述开关调节器(1)直接地或间接地测量所述二极管Dl上的电压，并且评估所述电压以用于控制所述开关元件S。
5.根据权利要求4所述的驱动设备，其特征在于，由串联电阻器Rl、二极管D2和缓冲电容器C组成的串联电路属于所述控制器件，所述串联电路与所述开关元件S并联，所述开关调节器(1)一方面与在所述串联电阻器Rl和所述二极管D2之间的连接点相连接并且另一方面与在所述缓冲电容器C和所述开关元件S之间的连接点相连接。
6.根据权利要求5所述的驱动设备，其特征在于，所述开关元件S为场效应晶体管，其源极与所述二极管Dl的一个管脚相连接，其漏极与所述二极管D1的另一管脚相连接，并且其栅极与所述开关调节器(1)的控制输出端相连接。
7.根据权利要求6所述的驱动设备，其特征在于，所述二极管D1为所述场效应晶体管的体二极管。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的驱动设备，其特征在于，所述二极管D1、所述开关元件S、所述串联电阻器Rl、所述二极管D2和所述开关调节器(1)属于集成的半导体开关单元DS，并且，相对于所述半导体开关单元DS，所述缓冲电容器C为外部的器件。
9.根据权利要求8所述的驱动设备，其中，所述集成的半导体开关单元DS使用在零点整流器中或者在带有通过变压器耦合交流电压的桥式整流器中。
10.根据权利要求1所述的驱动设备，其特征在于，所述照明器件是LED、OLED或卤素灯。
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