CN103155704B - 高效led电力供应源 - Google Patents

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Abstract

日益需要简单且低成本的电源来控制例如电池充电器和LED的负载。本发明的目的在于提供一种用于高效地控制这种负载中的电流的备选方案，并降低负载电流和电源电压的变化。本发明尤其涉及一种LED电源或电池充电器，并提供了一种电力供应源，用于控制与电源相连的电子负载，所述电子负载包括具有至少一个LED的主负载和具有至少一个LED的辅助负载，所述电力供应源包括与主负载串联的串联补偿块并包括电压源，串联补偿块通过直接控制传递到辅助负载的电力和间接控制在主负载中转换的电力，来与电压源电压相反地提供电压。

Description

高效LED电力供应源
技术领域
本发明涉及一种高效的电力供应源。本发明尤其适于驱动LED。
背景技术
日益需要简单且低成本的电源来控制例如LED的负载。在汽车、工业和家庭应用中存在使用LED来替换传统照明系统的大量新应用。通常，需要尽可能高的效率来确保能量耗散的最小化，并因此保持电源的尺寸和成本尽可能的小。
在可再生能源应用中，以尽可能高的效率对电池充电，并为不同的负载提供电力。
为了保持高效率同时在诸如电池充电器、LED系统之类的负载中控制电流，可使用如图1所示的电子驱动电路。电压源1向电子驱动电路4供电，电子驱动电路可以是降压电路(下降)、升压电路(上升)、升降压电路(上升-下降)或任何其它传统dc-dc转换器电路。
当电力供应源用于为LED系统供电时，关键是控制负载中的电流，而不是电压。这是因为LED的正向电压会有显著变化，固定的电压驱动会产生不确定的电流和不同光水平。为了消除这些变化，监控LED系统中的电流，反馈电路调整电子驱动电路的控制，以保持LED系统中的电流为常数或预定值，由此排除电压源的变化或由制造公差或温度引起的LED正向电压。电子驱动电路可用于改变通过LED系统的受控电流以提供亮度控制。针对LED系统的控制，鲁棒性和灵活性的特点使得基于现有技术dc到dc转换器电路的电子驱动电路非常普遍。在电子驱动电路中通常使用一个或多个电源开关的宽度脉冲调制来实现对LED系统的控制。
尽管电子驱动电路提供了LED电流的控制，电子驱动电路中仍存在损耗。这些损耗与电子电力元件中电流的切换和传导有关。这些损耗降低了LED系统效率。取决于操作条件，用于驱动LED的典型现有技术的具有80％-95％的效率。大多数情况下，效率在80％-90％的范围内。
为了提高LED电子驱动电路的效率，谐振电路技术是有益的。在谐振电路中，几乎能够消除开关晶体管中的开关损耗，并能够提高电子驱动电路的效率。美国专利申请2010/0141169公开了一个这种电路。在美国专利申请2010/0141169中，LCL串并联谐振电路用于驱动LED。该电路利用在“A constant frequency，constant current，load-resonant capacitor charging power supply”，IEE Proc.Electric Power Applications，Vol.146，Issue2，pp.187-192，March1999中公开的LCL串并联谐振电路的特性。
美国申请专利2010/0141169公开的使用驱动LED的LCL串并联谐振电路的恒定输出电流特性导致通过LED串的电流与LED串中LED的数量或各个LED正向电压无关。此外，串联电流测量电阻器的移除和由于谐振开关导致的开关损耗的减少会得到高效LED电源，其中效率达到85％-92％。
然而，在该串并联谐振电路中，通过LED负载的电流与电源电压相关的。这意味着如果谐振电路以可变电压输入来驱动LED负载，则LED中的电流将与输入电压成正比例的变化。这在例如由电池供电的照明系统是不期望的，其中光输出会随着电池电压的降低而下降。
电力设备的传导损耗依赖于诸如MOSET或IGBT之类器件的结构。传导损耗会随着通过器件两端的电压降和传导电流而增大。在设计用于提供更高额定电压或维持电压的设备中，电压降趋向于增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种替代方法，用于高效控制诸如LED系统或电池充电器之类的负载中的电流，并降低负载电流和电源电压的变化。
根据本发明，提供了一种用于控制与电源相连的电子负载的电力供应源，电子负载包括包含至少一个LED的主负载和包含至少一个LED的辅助负载，所述电力供应源包括与主负载串联的串联补偿块并包括电源，在控制传送到辅助负载的电力的同时，串联补偿块还与电源电压相反地产生电压。
根据本发明的串联补偿块直接控制传送到辅助负载的电力，并间接控制在主负载中转换的电力。
根据本发明，主负载或辅助负载可包含至少一个LED。
根据本发明的另一方面，主负载或辅助负载可以包含利用电源进行充电的电池或电容器。
附图说明
将结合以下附图来描述本发明：
图1示出了根据现有技术的电压源，其中电力供应源控制LED系统。
图2示出了根据发明的电路示例，其中电压源与串联补偿块和辅助负载相连。
图3示出了根据本发明的电路示例，其中主负载和辅助负载包括两个或更多个LED的串。
图4示出了根据本发明的电路示例，其中串联补偿块包括LCL串并联谐振电路。
图5示出了根据本发明的电路示例，其中利用降压转换器实现串联补偿块。
图6示出了根据本发明的电路示例，其中利用升压转换器实现串联补偿块。
图7示出了根据本发明的电路示例，其中利用升降压转换器实现串联补偿块。
具体实施方式
图2示出了根据本发明控制的电子负载。电子负载可以是多种类型。仅作为示例，适用于本发明的两个常见负载是电池充电器和LED照明系统。本发明的实现需要将负载分为两部分，称作主负载和辅助负载。主负载和辅助负载可以是相同负载的两部分或两个完全不同的设备。
图2中，电压源1用于为包括主负载220和辅助负载221的电子负载供电。串联补偿块5进行操作以与电压源1相反地提供电压，从而调整主负载220两端的电压。串联补偿块具有输入端子200、201和输出端 子210、211。辅助负载221连接在串联补偿块的输出端子210、211的两端。
如果本发明用于控制LED，主负载220和辅助负载221均可以是包括一个或多个串联或并联LED的LED串。图3示出了用于驱动LED的示例。主负载225包括一个或多个LED。辅助负载226包括一个或多个LED。在需要大量串联LED来产生更大光输出方面本发明尤其有效。在这种情况下，主负载包括串联的LED串。辅助负载也可以包括串联的LED串。
将通过一些示例来更详细描述串联补偿块5。
图4示出了向与串联补偿块串联的主负载225提供电力的电压源1。图4所示的主负载225包括由一个或多个串联和/或并联连接的LED组成的LED系统。串联补偿块具有输入端子200、201和输出端子210、211，并包括dc-ac-dc逆变器。谐振电路元件布置具有串联和并联两个路径。这种谐振电路布置被称为串并联谐振电路，这种电感器、电容器和电感器的组合被称为LCL串并联谐振电路。
电容器241支持串联补偿块的输入端子200、201两端的电压。包括4个开关器件231、232、233和234的高频逆变器将交流电压传送到包括电感器242、电容器234和电感器244的谐振电路。与谐振电感器244串联的整流器245将高频交流电转换为通过辅助负载226的直流电。图4中的辅助负载226被示出为另一LED系统。主负载225的LED系统和辅助负载的LED系统共同构成完整的LED负载，并且可以安装在一起以产生大于每个单独光输出的总光输出。
现有技术中已经描述了LCL串并联谐振电路的特性特征，当在谐振元件的电抗具有相等幅度的频率下工作时，输出电流可表示为：
I o = k V in X L - - - ( 1 )
其中Vin是逆变器开关的dc输入电压，k是考虑到逆变器的开关策略、方波激励的有效ac电压以及ac到dc输出整流器的常数。因此，在LCL串联谐振电路中，当X242≈X244≈-X243时，负载中的电流与Vin成比例。
在如图4所示的串联补偿块中，来自串联补偿块的输出端子的输出 电流通过辅助负载226(LED系统)。包含一个或多个串联或并联的LED的辅助负载的正电压降在较大输出电流范围内相对恒定。因此，输出端子处的输出功率PO是
P o = V o I o = k V o V in X L - - - ( 2 )
输入端子处吸收的功率Pin是
Pin＝VinIin (3)
假设串联补偿块中的损耗与输出功率相比非常小，则输入功率近似等于输出功率，且
I in = k V o X L - - - ( 4 )
该串联补偿块输入电流的公式表明当串联补偿块的输出电压近似恒定时，串联补偿块的输入电流也近似恒定。如果串联补偿块的输出端子处的电压恒定，则输入电流恒定。因此，通过连接由一个或多个LED组成的辅助负载，串联补偿块的输出电压相对恒定，假设电源电压足以驱动恒定电流通过主负载，在这种条件下，串联补偿块的输入电流将是恒定的，而与主负载和电源电压无关。
在保持主负载中电流恒定的同时，串联补偿块的输入端子两端的电压自动调整以与电源电压的任何变化相反。
因此，本发明通过在串联补偿块的输入端子处提供串联补偿电压且串联补偿电压自动改变以与电源电压的任何变化相反，保证了主负载中的恒定电流。此外，连接到串联补偿块的输出端子的辅助负载承载了实质上与LED正向电压微小变化无关且无需任何电流反馈电路的可预测电流。
使用本发明控制例如LED之类负载的主要优点是本电路所实现的高效率。为了演示该效率改进，给出简单示例。假设总电源电压Vs中 主负载两端的电压降是VL，串联补偿块支持其余电压。
如果从电源引出的电流是Is，则整个电路的输入功率为
Pinput＝IsVs (5)
功率传递到主负载过程中不出现损耗，如果假设串联补偿块的功率转换效率是η(0＜η＜1)，则根据本发明的整个电路的有效输出功率由以下给出
Poutput＝IsVL+ηIs(Vs-VL) (6)
系统效率是
Efficiency = = [ η + ( 1 - η ) V L V s ] × 100 % - - - ( 7 )
根据本发明的电路的效率始终比单独串联补偿块的效率高。如果串联补偿块的效率是0.9(90％)，并且主负载两端的电压是电源电压的一半，则根据本发明的电路的效率将会提高到95％。
该电路的另一个优点是因为主负载降低了明显百分比的电源电压，串联补偿块的额定电压低于总电源电压。这意味着电子组件可以具有较低的额定电压，结果是较低的损耗，进一步改进了系统效率。
因此，本发明提供了一种在电源电压范围内控制通过主负载的电流的方式，同时还可以为辅助负载传送电力并实现较高的系统效率。
根据本发明的串联补偿块与主负载和电压源串联，以便与电压源相反地产生电压，因此电压源与串联补偿电压之间的差是主负载两端所需要的电压。通过控制用于对传送到辅助负载的电力进行控制的串联补偿块中的一个或多个开关，实现了对串联补偿块两端产生的电压的控制。
本发明提供的优点在于：串联补偿块仅直接控制传送到辅助负载的电力。串联补偿块中的损耗被限制为只占传送到辅助负载的电力的一小部分。串联补偿块间接控制传送到主负载的电力。不存在与电力到主负 载的传送有关的任何额外损耗。这就是根据本发明的电路的效率如此高的原因。因为串联补偿块的端子两端的电压小于电压源的端子处的电压，串联补偿块中电力电子元件的额定电压整体上可以低于现有技术控制电子负载的电力供应源所需的电压。具有低额定电压的组件具有较低的传导电压降和较低的开关损耗。这意味着根据本发明的电路的传导和开关损耗均显著低于根据现有技术的电路。
图5示出了本发明的另一示例，其中基于降压转换器或降压dc-dc转换器来实现串联补偿块。串联补偿块的输入端子两端的电压是图5中与电压源1和主负载2串联的电容器10两端的电压。电压源的电压是Vs。主负载两端的电压是VL。结合电感器13使用电源开关11和二极管12，以便为辅助负载15提供电流。通过基于被称作占空比D的接通时间时段比可变地反复切换电源开关11，来控制降压dc-dc转换器。如果在电源开关断开期间电感器13中的电流没有降低到零，则认为电感器电流是连续的。此时，串联补偿块的输入端子两端的电压Vs-VL与连接到串联补偿块的输出端子的辅助负载15两端的电压V0之间的关系如下给出
V o V s - V L = D - - - ( 8 )
辅助负载15的电流Io和主负载电流Is之间的关系如下给出
I o I s = 1 D - - - ( 9 )
占空比D提供了电路使用方式的灵活性。可以按照与本发明的第一方面相同的方式操作电路，以使通过主负载的电流保持恒定。如果再次假设辅助负载是LED串，其中正向电压会随着电流的增大发生微小的变化，则V0近似恒定，根据公式(9)，需要占空比与Vs-VL成反比。通过上述操作，输入端子两端的电压的值保持了主负载两端的电压相对恒定， 因此保持主负载中的电流恒定。
可以通过控制固定时段内的接通时间来改变占空比D；这被称为脉冲宽度调制。备选地，接通时间或断开时间可随着频率的变化保持恒定。作为另一替代方案，接通时间和断开时间可由电感器13中达到特定值的电流唯一确定。
图6示出了本发明的另一实现方式，其中在串联补偿块中使用升压转换器。电压源1与主负载2和包含升压转换器的串联补偿块相连。串联补偿块的输入端子两端的电压是电容器20两端的电压，并由Vs-VL给出。结合电感器23使用电源开关21和二极管22，以便为辅助负载25提供电流。通过基于被称作占空比D的接通时间时段比可变地反复切换电源开关11，来控制升压或升压dc-dc转换器。串联补偿块的输出端子处的电压Vo高于输入端子处的电压。与降压转换器相同，占空比D可用于传送恒定电流通过主负载。在连续电流模式下，当辅助负载是恒定电压负载时，传送近似恒定电流通过主负载的占空比函数是：
D = 1 - V s - V L V o - - - ( 10 )
图6的电路中的电容器20是可选的，可以去除而不会显著改变电路的工作原理。
图7示出了本发明的另一实现方式，其中串联补偿块中使用升降压转换器。电压源1与主负载2和包含升降压转换器的串联补偿块相连。串联补偿块的输入端子两端的电压是电容器30两端的电压，并由Vs-VL给出。结合电感器33使用电源开关31和二极管32，以便为辅助负载35提供电流。辅助负载两端的电压可以小于或大于串联补偿块的输入端子两端的电压。
这些示例中所讨论的dc-dc转换器均不具有磁隔离。存在广泛用于串联补偿块的dc-dc转换器，可包括将辅助负载与电路的其余部分之间的磁隔离。例如反激式转换器是一种电感器被分成两个耦合线圈的升降 压转换器。
已经假定在电路的所有示例中示出的电压源是dc源。该dc源可以由电池提供，其中根据本发明电路的高效具有显著优势，具有更长的负载运行时间。然而，在许多应用中，干线ac电源是可用的，并且电压源需要ac-dc整流器。在ac源为ac-dc整流器供电的情况下，平流电容器可以连接在整流器的直流输出端子两端以降低整流电压的纹波。根据本发明的任意电路的操作均与平流电容器的存在或具有特定值无关。
上述示例均涉及需要dc电流的负载。图4中，如果辅助负载不需要dc电流，则不必存在位于LCL谐振电路之后的整流器。辅助负载可能是发热负载，可在高频交流电条件下工作，而无需进行整流。
在给出的所有示例中，电路均使用电压源。可以替换成能够提供电力的任何电源，例如电流源。例如，电源可能是光伏电池，在这种情况下，电源特性与电流源更加类似。电流源适合用于根据本发明的电路。
在本发明的另一方面，辅助负载或主负载可包含一个或多个电池。例如，在风力发电机或光伏系统中，通常使用电能来为一个或多个电池充电。然而，必需控制流入一个或多个电池的电流，以确保电池系统不会充电过度。实现根据本发明的电池充电系统的优点在于传送到主负载和辅助负载的能量可以变化。如果一个或多个电池作为主负载，则可以调节通过一个或多个电池的电流。当一个或多个电池进行充电时，即使当电源电压超过电池电压时，串联补偿电压也可用于防止充电过度。在电源电压升高(由于高风速或高强度光照)的情况下，可以提高串联补偿电压以调节主负载两端的电压或通过主负载的电流。按照类似的方式，当电池形成根据本发明的电路中辅助负载的一部分时，串联补偿块会控制辅助负载的充电电压和电流，而多余能量可用于主负载中的其它用途。使用根据本发明的电路有助于对电池进行高效充电，同时当超过电池容量时，还可提供对第二负载系统供电的选择。作为另一备选方案，主负载和辅助负载均可以包含用于充电的电池，以便根据本发明的串联补偿块可直接控制传送到辅助负载的电力，并间接控制在主负载中转换的电力。
可通过监控电路中任意电压或电流或通过开环方法来实现根据本 发明的电路的控制。例如，串联补偿块中的控制器可以调整其端子两端的电压，以便与电源的电压相反地变化。另外，控制器可以实现为控制主负载和/或辅助负载中的电流。

Claims (21)

1.一种控制电子负载的电力供应源，所述电子负载包括包含至少一个LED的主负载和包含至少一个LED的辅助负载，所述电力供应源包括连接在所述辅助负载两端并且与主负载串联的串联补偿块并包括电源，
其中，所述串联补偿块包括dc-dc转换器块，电驱动所述dc-dc转换器块以便在控制传递到辅助负载的电力的同时，与电源相反地产生电压；
其中，不在所述主负载的两端连接串联补偿块。
2.如权利要求1所述的电力供应源，其中，所述电源是电压源。
3.如权利要求1所述的电力供应源，其中，主负载包含具有两个或更多个串联的LED的LED串。
4.如权利要求1所述的电力供应源，其中，辅助负载包含具有两个或更多个串联的LED的LED串。
5.如权利要求1所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含LCL串并联谐振电路。
6.如权利要求1所述的电力供应源，其中，串联补偿块直接控制传递到辅助负载的电力，并间接控制在主负载中转换的电力。
7.如权利要求6所述的电力供应源，其中，主负载包含具有两个或更多个串联的LED的LED串。
8.如权利要求6所述的电力供应源，其中，辅助负载包含具有两个或更多个串联的LED的LED串。
9.如权利要求6所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含LCL串并联谐振电路。
10.如权利要求6所述的电力供应源，其中，所述电源是电压源。
11.如权利要求10所述的电力供应源，其中，辅助负载包含具有两个或更多个串联的LED的LED串。
12.如权利要求10所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含LCL串并联谐振电路。
13.如权利要求10所述的电力供应源，其中，主负载包含具有两个或更多个串联的LED的LED串。
14.如权利要求13所述的电力供应源，其中，辅助负载包含具有两个或更多个串联的LED的LED串。
15.如权利要求13所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含LCL串并联谐振电路。
16.如权利要求1-4、6-8、10、11、13或14所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含降压dc-dc转换器。
17.如权利要求1-4、6-8、10、11、13或14所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含升压dc-dc转换器。
18.如权利要求1-4、6-8、10、11、13或14所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含升-降压dc-dc转换器。
19.如权利要求1-4、6-8、10、11、13或14所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含无磁隔离的dc-dc转换器。
20.如权利要求1-4、6-8、10、11、13或14所述的电力供应源，其中，串联补偿块包含具有磁隔离的dc-dc转换器。
21.一种控制电子负载的电力供应源，所述电子负载包括主负载和辅助负载，主负载或辅助负载中的至少一方包含一个或多个电池，所述电力供应源包括连接在所述辅助负载两端并且与主负载串联的串联补偿块并包括电源，
其中，串联补偿块包括dc-dc转换器块，电驱动所述dc-dc转换器块以便在控制传递到辅助负载的电力的同时，与电源相反地产生电压；
其中，不在所述主负载的两端连接串联补偿块。
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