CN102792776A - 用于供电电路的功率接口 - Google Patents

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CN102792776A CN201180013586XA CN201180013586A CN102792776A CN 102792776 A CN102792776 A CN 102792776A CN 201180013586X A CN201180013586X A CN 201180013586XA CN 201180013586 A CN201180013586 A CN 201180013586A CN 102792776 A CN102792776 A CN 102792776A
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Abstract

从整流的电源直接操作并联谐振转换器。单级供电应对当前调光器(比如前沿调光器和尾沿调光器)并且满足EMC标准。操作方案允许避免激发100/120Hz闪烁而未使用电解电容器。这在全操作和调光操作二者期间是可能的。下至少于5％的深度调光是可能的并且无需额外的功率部件。

Description

用于供电电路的功率接口
技术领域
本发明涉及功率接口及其方法。具体而言，它涉及一种功率接口和用于向负载提供来自供电电路的信号的方法。
背景技术
为了固态光源(比如发光二极管(LED)光源)的高度市场渗透，当前认为翻新的灯颇为重要。对于多数消费者发光器，用户/消费者可以能够以低初始成本用现代LED光源仅取代发光器以内的唯一光源(例如白炽灯泡)。不仅与插座的兼容性而且与现有安装/电路的兼容性颇为重要。因此，光源应当相配于现有插座中并且应当与包括调光器的现有电安装兼容。这包括与现有壁式调光器的可互操作性。
通常用于离线应用的谐振转换器不直接从整流的电源驱动，但是在例如预调整器产生的稳定母线电压驱动。如果调光信号可用，则操控逆变器切换(例如切换频率)以便相应修改通常测量的输出电流。
从并联谐振转换器(PRC)领域已知：对于两种这些转换器(即具有电感或者电容输出滤波器)并且在与谐振频率(由输入电感器和并联电容器给出)相等的切换频率，输出电流变成独立于输出电压(例如参见Johnson等人在IEEE Transactions on PE，1988中的“Steady-State  Analysis  and Design  of the Parallel  ResonantConverter”)。
WO2008/120019A1描述了一种“LCL串并联谐振电路”作为在谐振频率(根据其中的图4由输入电感器L1、L2和电容器C1给出)操作并且由逆变器占空比调制的LED驱动器。WO2008/120019A1描述了如下操作，在该操作中，操控占空比以调整电源电流以便与电源电压实质上成比例从而产生单位功率因子。因此，它满足关于电源谐波的EMC标准。然而它需要与驱动的LED并联放置的大(即电解)电容器以便过滤被怀疑引起可见闪烁的所得100Hz电流脉动。在原理上，转换器可以由电源电压直接调光。
发明内容
本公开内容的发明人已经认识到WO2008/120019A1的诸多缺点。首先如上文所言，根据WO2008/120019A1需要相对大的存储元件(即电解电容器)。这一电容器越大，LED负载在它的寄生电阻减少方面就变得越高效。这样的电解电容器关于特别是在更高驱动器温度时它的大体积和它的有限可靠性有缺点。其次，在WO2008/120019A1中描述的电源电流形状可能由于在正常操作中电源电压过零期间的减少电流而在低功率水平造成更差的调光器兼容性。其中描述的LCL电路的另一缺点是可能在可变占空比操作期间损害零电压切换的第二谐振电感器。
本发明的目的是克服这些问题并且提供一种功率接口，该功率接口避免在附接到功率接口的光源负载中的可见闪烁。
一般而言，上述目的由根据所附独立权利要求的一种功率接口实现。
根据第一方面，上述目的由一种用于向负载提供来自供电电路的信号的电流整形器实现，其中电流整形器被设置成操作地连接于负载与供电电路之间；其中电流整形器被配置成从供电电路接收供电电压信号，该供电电压信号具有调光角度；并且通过转换接收的供电电压信号并且在转换的信号中引入消隐时段来从接收的供电电压信号形成输出电流信号，其中消隐时段始于接收的供电电压信号的每个半周期的中间，并且其中消隐时段的长度与供电电压信号的消隐角度成比例。术语“中间”应当解释为消隐时段在与每个半周期的中间的预定距离内开始。预定距离可以与半周期的持续时间的固定百分比或者与固定时间单位对应。
公开的电流整形器可以适合作为用于小功率(例如1W至10W)的LED驱动器。公开的电流整形器无需电解电容器。公开的电流整形器可以与调光器兼容(前沿/尾沿)。公开的功率电流整形器可以在全功率以及在调光状态中具有强烈减少的100/120Hz闪烁。电流整形器接口可以与单和多结LED配置二者兼容。公开的电流整形器造成低损耗、控制起来简单、小型并且具有低成本部件。作为结论，公开的主题内容可以提供一种用于低成本应用的电源可调光、无elcap(elcap-free)的谐振LED驱动器。
调光角度可以与供电电流信号的结束消隐时段对应。调光角度因此可以视为供电电流信号的如下相角，(供电电路提供的)供电电流信号的消隐时段结束于该相角。
可以配置输出电流信号使得待由负载的发光元件发射的可见光的可见闪烁(比如可见光的100Hz分量的减少)在预定水平以下。预定水平可以例如与少于10％的闪烁对应。电流整形器可以包括控制器，并且消隐时段可以由控制器限定。
输出电流信号可以包括始于电源半周期的1/3和2/3处的两个消隐时段，并且消隐时段的长度可以与调光角度成比例。
电流整形器可以包括升压转换器、LCC、回扫转换器和升压-降压转换器的组中的一个。
输入电流信号的电流谐波可以满足根据IEC6100-3-2的针对照明设备的要求。
电流整形器还可以包括变压器。
供电电路可以包括调光器。
根据第二方面，上述目的由一种在电流整形器中用于向负载提供来自供电电路的电流的方法实现，该方法包括：从供电电路接收供电电压信号，供电电压信号具有调光角度；通过转换接收的供电电流信号并且在转换的信号中引入消隐时段来从接收的供电电压信号形成输出电流信号，其中消隐时段在接收的供电电流信号的每个半周期的中间开始，并且其中消隐时段的长度与供电电压信号的调光角度成比例；并且向负载提供输出电流信号。
该方法还可以包括在转换的信号中引入第二消隐时段，其中消隐时段始于电源半周期的1/3和2/3处，并且其中消隐时段的长度与调光角度成比例。
注意本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。第一方面的特征和优点也等同适用于第二方面。
附图说明
现在将参照示出了本发明实施例的以下附图更具体描述本发明的这些和其它方面：
图1是根据一个实施例的转换器电路的示意图示；
图2是根据一个实施例的包括变压器电路的转换器电路的示意图示；
图3至图5是根据实施例的转换器电路的作为时间的函数的输入/输出行为；并且
图6是根据一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将参照多个示例实施例描述一种用于向负载提供来自供电电路的信号的电流整形器和方法。通过示例的方式提供以下实施例使得本公开内容将透彻和完整并且将向本领域技术人员传达本发明的范围。相似标号全篇指代相似要素。在图4至图6中，字母t表示时间。
图1示出了电路100。电路100包括电流整形器102、供电电路104和负载106。供电电路104提供(时变)电压并且可以包括调光器114。调光器114可以引入调光角度。电流整形器102可以包括转换器电路108、整流器电路110和控制器电路112。在整流器电路110两端的电压表示为vm。向转换器电路108的输入电流表示为im。负载106也可以包括整流器电路和转换器电路(未示出)。有利地，负载106包括一个或者多个发光元件。优选地，一个或者多个发光元件是LED。具体而言，见图2，转换器电路可以包括电感元件Ls和一个或者多个电容元件Cdc、Cp。
电流整形器102可以实施为谐振转换器。将在本公开内容全篇可互换地使用术语电流整形器和谐振转换器。耦合于供电电路104与负载106之间的电流整形器102因此被设置成操作地连接于负载106与供电电路104之间。电流整形器因此向负载106提供来自供电电路104的信号。电流整形器102从供电电路104接收供电功率并且向负载106提供输出功率，其中输出功率基于来自供电电路104和电流整形器102的内部部件的供电功率。输出功率可以依赖于调光器114的设置。
电流整形器102还可以包括变压器118。
图2示出了根据一个实施例的电路200的示例。电路200包括电流整形器102、供电电路104和负载106。在负载106两端的电压表示为vo而经过其中的电流表示为io。电路200可以包括功率减少设备114。电流整形器102可以包括整流器110和控制器112。控制器被设置成提供一个或者多个脉冲串。为了生成一个或者多个脉冲串，控制器可以包括定时电路。可以向一个或者多个晶体管提供一个或者多个脉冲串。控制器112然后可以控制一个或者多个晶体管使得从供电电路104接收的电流在它向电流整形器的转换器电路馈送之前被中断。因此有可能插入一个或者多个消隐时段(见下文)。在控制器112被设置成提供两个脉冲串的情况下，所述两个脉冲串可以具有180°的相位差。因此可以在交替时隙中一次激活一个晶体管(其中为每个晶体管提供所述两个脉冲串之一)。电流整形器102还可以包括变压器118。控制器112可以被设置成提供多于两个脉冲串，并且电流整形器可以包括多于两个晶体管。
提供图1和图2作为很好地适合于支持提出的操作方案的实现方式的示例。如上文所言，也可以使用其它转换器：LCC、升压、降压-升压、回扫等。
图6是用于操作电路100、200的方法的流程图。在步骤S02中，电流整形器102被配置成从供电电路104接收供电电压信号并且在步骤S 104中从接收的供电电压信号形成用于向负载106提供的输出电流信号。换而言之，电流整形器被配置成从接收的供电电压信号形成输出电流信号。具体而言，在步骤S04a中转换接收的供电电压信号(借助转换器电路108的元件或者借助转换器电路108并且借助一个或多个变压器)。如下文将参照图4a和4b进一步公开的那样，在步骤S04b中在转换的信号中引入消隐时段。控制器112可以控制消隐时段。在步骤S06中，然后可以向负载106提供形成的输出电流信号。
如上文所言，电流整形器102可以包括至少一个电容元件Cp。电流整形器102还可以包括至少一个电感元件Ls。当它包括电容元件Cp和电感元件Ls时，可以在电感元件Ls和电容元件Cp的谐振给出的实质上恒定频率处操作谐振转换器。图1和图2的谐振转换器因此可以视为电容耦合的。穿过电感元件Ls的电流表示为iLs。
(半桥)逆变器如由供电电路104供电那样由整流的电源直接供电而实质上无母线滤波器电容。又一电容元件Cdc可以位于输入回路中或者输出回路中以便阻止来自供电电路104的直流。
一般而言，电流整形器102可以是升压转换器。取而代之，电流整形器102可以是LCC转换器。又取而代之，电流整形器102可以是回扫转换器或者升压-降压转换器。如本领域技术人员理解的那样，这些转换器中的每个转换器具有本领域中本身已知的部件、优点和特征。
图3的上图示出了电流iLs如何依赖于电压vx。类似地，图3的下图示出了在iLo与io之间的关系。更具体而言，图3示出了针对全电压vx和约为10％的示例占空比、图1和图3的电流整形器的具有一个功率转换时段的HF(高频)功率转换周期。切换频率在极端占空比的一些变化支持零电压切换、因此实现高频操作。在这一示例图示中，功率转换时段是Ls和Cp的谐振频率以及最大逆变器(电源)电压的0.9倍。
全功率操作
图4示出了在一个电源周期(100/120Hz)期间，根据提出的操作(即对于具有变压器和并联谐振转换器的输出配置)在非调光状态中的理想化输入波形。
最上图图示了在一个时段内(即在两个半周期内)的理想化整流的电源电压vm。在第二最上图中，线d1示出了根据公开内容的优选占空比调制(该调制产生功率pm和电源电流im)。在第二最下图中图示了对应功率pm，而在最下图中图示了电源电流im。
可以例如使用电源电压并且向下式赋值来处理占空比：
d1＝0.5*(1-a*vm/vmpeak)，
其中a是调制因子并且vmpeak是峰值电源电压。用0.8的调制因子(这意味着在10％与50％之间的占空比变化)仍然可以满足根据IEC6100-3-2的针对照明设备的电源电流(im)的谐波要求。换而言之，输出电流信号的电流谐波可以满足根据IEC6100-3-2的针对照明设备的要求。
在50％与90％之间的占空比调制如第二最上图中的虚线d2所示给出等效结果。关于无任何实质100/120Hz存储装置的系统，光输出特征与输入功率pm相似。进一步考虑在最大电源电压(最小占空比)处的最高转换器损耗和在最低电流处的最高LED效率，剩余100Hz光波动可以仅在总光输出的10与20％之间。
概括而言，图4示出了电流波形，该波形先满足电源谐波规章并且其次造成减少的100Hz输出功率脉动(这可能以增加的200Hz脉动为代价)。在无电源滤波器(elcap)时，闪烁与输出功率脉动对应。也可以用图4中所示方式借助占空比调制(在图1和图2的转换器的情况下)实现这一电流波形。
调光操作
图5a和5b示出了在一个电源周期(100/120Hz)期间，根据提出的操作(即对于具有变压器和并联谐振转换器的输出配置)用于调光的理想化波形。例如图5a和5b可以代表在前沿调光器的情况下在调光模式中用于占空比调制方案的行为。图5a和5b中的绘制的行为与不同调光水平(状态)对应：对于图5a的绘图，使用比图5b的调光状态更少的调光状态。类似于图4，图5a和5b的最上图各自图示了在一个时段内(即在两个半周期内)的理想化整流的电源电压vm。在第二最上图中，线d示出了根据公开内容的优选占空比调制(该调制产生功率pm和电源电流im)。在第二最下图中图示了对应功率pm，而在最下图中图示了电源电流im。
公开的电流整形器和方法先利用如下事实：转换器可以在电源调光器的可控角度的约一半之后已经在关断状态中操作。其次，这里无需在调光状态中满足关于电源电流谐波的EMC标准。用于避免100/120Hz闪烁的解决方案因此将引入消隐时段以实质上中断在峰值输入电压vm始于约90°(即t2)处的功率转换。这里(即在约90°)，占空比已经在它的最小值，并且调光器无需电流以恰当工作。然而相对高电流即使对于数瓦特的低功率驱动器仍然在电源电压过零期间被汲取、因此支持调光器兼容性。
来自电流整形器102的输出电流信号具有波形，该波形具有在接收的供电电流信号的每个半周期的大约中间开始的消隐时段。引入的消隐时段在t3与t2之间延续并且(根据当前示例实施例)变得与限定调光角度的t1成比例。即供电电压信号可以视为具有调光角度t1。消隐时段t1的长度因此与供电电压信号的调光角度成比例。因此可以借助始于t2(在半周期的大约中间)并且延续直至t3的消隐时段而时段长度与调光角度t1成比例来避免可见闪烁。因此，可以配置输出电流信号使得待由负载的发光二极管发射的可见光的可见闪烁在预定水平以下。
在尾沿调光器的情况下，根据一个实施例可以用类似方式调制占空比。在这一情况下，可以基于先前电源时段向调光角度t1赋值。
在两个示例实施例中，可以减少光输出的所得100/120Hz分量下至平均光输出的15％(或者甚至以下)而以200/240Hz闪烁为主。为了向300/360Hz移位最小闪烁频率，可以引入两个消隐时段，然而这可能进一步减少可用调光角度t1。该方法因此可以包括在步骤S08中在转换的信号中引入又一消隐时段。当有两个消隐时段时，这些可以始于电源半周期的1/32和2/3处。消隐时段的长度可以与调光角度成比例。
调制方案也可以应对深度调光，因为第一脉冲在大于90°的调光角度t1消失而第二脉冲保持于最小角度以仍然允许残留调光器电流而又未转换几乎任何功率(例如全功率的5％以下)。
上述电容元件可以是(非电解)电容器。
概括而言，电流波形以如图5a和5b中所示以包络和电源同步消隐时段为特征从而产生适合作为用于小功率(1W至10W)的LED驱动器的电流整形器而无需电解电容器。它与调光器兼容(前沿/尾沿)、在全功率以及在调光状态中具有强烈减少的100/120Hz闪烁。它与单和多结LED配置二者兼容并且造成低损耗、控制起来简单、小型并且包括低成本部件。
在用于全功率和调光操作的公开操作方案中发现用于使这些特征中的一些或者所有特征成为可能的措施。一种专用转换器设计即使在极端占空比和峰值电源电压仍然实现零电压切换。由此变得可能的高切换频率给予了小型无源部件和小型EMI滤波器或者母线电容器，这又支持了调光器兼容性。LED前向电压变化或者容差不变更LED电流。
本领域技术人员认识到公开的主题内容决不限于上文描述的优选实施例。恰好相反，许多修改和变化在所附权利要求的范围内是可能的。

Claims (11)

1.一种用于向负载(106)提供来自供电电路(104)的信号的电流整形器(102)，其中所述电流整形器(102)被设置成操作地连接于所述负载与所述供电电路之间；其中所述电流整形器被配置成：
从所述供电电路接收供电电压信号，所述供电电压信号具有调光角度(t1)；以及
通过转换所述接收的供电电压信号并且在所述转换的信号中引入消隐时段，从所述接收的供电电压信号形成输出电流信号，其中所述消隐时段在所述接收的供电电压信号的每个半周期的中间(t2)开始，并且所述消隐时段的长度与所述供电电压信号的调光角度成比例。
2.根据权利要求1所述的电流整形器，其中所述调光角度与所述供电电压信号的结束消隐时段对应。
3.根据权利要求1或2所述的电流整形器，其中配置所述输出电流信号使得待由所述负载的发光元件发射的可见光的可见闪烁在预定水平以下。
4.根据任一前述权利要求所述的电流整形器，其中所述电流整形器包括电容元件(Cp；Cdc)和电感元件(Ls)中的至少一个。
5.根据任一前述权利要求所述的电流整形器，其中所述电流整形器包括控制器，并且所述消隐时段由所述控制器限定。
6.根据任一前述权利要求所述的电流整形器，其中所述输出电流信号包括始于所述电源半周期的1/3和2/3处的两个消隐时段，其中所述消隐时段的长度与所述调光角度成比例。
7.根据任一前述权利要求所述的电流整形器，其中所述电流整形器是来自升压转换器、LCC、回扫转换器和降压-升压转换器的组中的一个。
8.根据任一前述权利要求所述的电流整形器，其中所述输出电流信号的电流谐波满足根据IEC6100-3-2的针对照明设备的要求。
9.根据任一前述权利要求所述的电流整形器，其中所述供电电路包括调光器。
10.一种在电流整形器(102)中用于向负载(106)提供来自供电电路的电流的方法，包括：
从所述供电电路接收(S02)供电电压信号，所述供电电压信号具有调光角度(t1)；
通过转换所述接收的供电电压信号并且在所述转换的信号中引入消隐时段，从所述接收的供电电压信号形成(S04)输出电流信号，其中所述消隐时段在所述接收的供电电压信号的每个半周期的中间(t2)开始，并且所述消隐时段的长度与所述供电电流信号的调光角度成比例；以及
向所述负载提供(S06)所述输出电流信号。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在所述转换的信号中引入(S08)第二消隐时段，其中所述消隐时段始于所述电源半周期的1/3和2/3处，并且所述消隐时段的长度与所述调光角度成比例。
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