CN103270684A - 用于驱动固态照明负载的功率转换器设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于转换来自市电电源(201)的功率以对固态照明负载(280)进行供电的功率转换器设备包括转换器(230)和控制电路(350)。该转换器(230)包括用作升压逆变器和输出级逆变器的半桥逆变器(220)，该半桥逆变器具有多个开关(221，222)。该控制电路(350)被配置为通过向该半桥逆变器中的开关提供开关信号(S_HB)而对该设备的市电输入电流和输出电流独立地进行控制，其中该开关信号具有占空比、频率和周期跳步占空比。

Description

用于驱动固态照明负载的功率转换器设备
技术领域
本发明总体上针对用于固态照明负载的功率转换。更具体地，这里所公开的各种发明方法和装置涉及一种具有半桥逆变器的功率转换器，该半桥逆变器用作集成的市电整流器、升压逆变器和输出级逆变器并且提供关于固态照明负载的功率因数校正。
背景技术
数字照明技术(即，基于诸如发光二极管(LED)之类的半导体光源的照明)提供了针对传统荧光灯、HID和白炽灯的可行的替换形式。LED的功能优势和好处包括高的能量转换和光学效率、耐用性、较低的工作成本等等。LED技术近年来的进步已经提供了支持许多应用中的各种照明效果的有效且稳健的全光谱光源。例如，如美国专利第6,016,038号和第6,211,626号中所详细讨论的，包含这些光源的一些器材以包括能够产生不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)的一个或多个LED的照明模块以及用于独立控制LED的输出以便生成各种颜色和颜色变化的照明效果的处理器为特征。
典型地，包括多个基于LED的光源(诸如串行连接的LED串)的基于LED的照明单元或者LED负载由功率转换器进行驱动，该功率转换器从市电电源接收电压和电流。现有各种具有集成的功率因数校正(PFC)的功率转换器，特别是与荧光镇流器相连接。通常，功率转换器可以被分为两组。第一组包括将部分逆变功率反馈至经整流的市电电源以对市电输入电流进行整形的功率转换器。这是基于反馈电流和/或电压来实现的。第二组包括具有相对简单的集成形式的功率转换器，其中升压逆变器或升降压逆变器与输出级逆变器相结合。输出级可以是谐振型转换器或衍生的降压转换器。
关于第二组中的功率转换器，调节经整流的输入电压的占空比仅用于控制输出电流。这样的功率转换器仅提供窄负载范围的覆盖。而且，升压逆变器的软开关仅能够在部分操作范围内发生，或者根本无法发生。
因此，在本领域中需要一种具有半桥逆变器的功率转换器以及操作该功率转换器的方法，该半桥逆变器用作集成的市电整流器、升压逆变器和输出级逆变器并且提供关于固态照明负载的功率因数校正。
发明内容
本公开内容针对用于对诸如基于LED的照明单元之类的固态照明负载提供功率转换的发明设备和方法。更具体地，这里所公开的各种发明方法和装置涉及具有半桥逆变器的功率转换器，该半桥逆变器用作集成的市电整流器、升压逆变器和输出级逆变器并且提供关于固态照明负载的功率因数校正。
总体而言，在一个方面，提供了一种用于转换来自市电电源的功率以对固态照明负载进行供电的功率转换器设备。该设备包括转换器和控制电路。该转换器包括用作升压逆变器和输出级逆变器的半桥逆变器，该半桥逆变器包括多个开关。该控制电路被配置为通过向该半桥逆变器中的开关提供开关信号而对该设备的市电输入电流和输出电流独立地进行控制，该开关信号具有占空比、频率和周期跳步占空比。
在另一个方面，提供了一种用于转换来自市电电源的功率以对基于发光二极管(LED)的照明单元进行供电的功率转换器，该基于LED的照明单元连接至变压器的次级侧以从该功率转换器接收输出电流。该功率转换器包括半桥逆变器、谐振转换器和控制电路。该半桥逆变器包括多个开关。该谐振转换器连接在该半桥逆变器和变压器的初级侧之间。该控制电路被配置为输出半桥控制信号以选择性地激活该半桥逆变器中的开关以生成输入至该谐振转换器的脉冲电压信号，其中该半桥控制信号为具有开关占空比和跳步操作占空比的方波。
在另一个方面，提供了一种用于转换来自市电电源的功率以对基于LED的照明单元进行供电的功率转换器。该设备包括半桥逆变器和控制电路。该半桥逆变器包括多个开关，并且被配置为用作集成的市电整流器和输出级，其中该输出级包括谐振电容器和变压器。该控制电路被配置为通过向该半桥逆变器中的开关提供开关信号而对该设备的市电输入电流和输出电流独立地进行控制，该开关信号具有占空比、频率以及对应于周期跳步操作的周期跳步占空比。该周期跳步占空比基于将多个差信号与对应的阈值信号进行比较，其中第一差信号是该设备的输出电流和参考输出电流之间的差，而第二差信号是谐振电容器电压和参考电容器电压之间的差。
如这里出于本公开内容的目的所使用的，术语“LED”应当被理解为包括任意的电致发光二极管或者能够响应于电信号而生成辐射的其它类型的基于载流子注入/接合的系统。因此，术语LED包括但不限于响应于电流、发光聚合物、有机发光二极管(OLED)、电致发光带等而发光的各种基于半导体的结构。特别地，术语LED指的是所有类型的发光二极管(包括半导体二极管和有机发光二极管)，其可以被配置为在红外线光谱、紫外线光谱和可见光光谱的各个部分中的一个或多个光谱中生成辐射(通常包括从大约400纳米至大约700纳米的辐射波长)。LED的一些示例包括但不限于各种类型的红外线LED、紫外线LED、红色LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED、琥珀色LED、橙色LED和白色LED(以下进一步讨论的)。还应当意识到的是，LED可以被配置和/或被控制为生成具有针对给定光谱(例如，窄带宽、宽带宽)的各种带宽(例如，半极大处全宽度或FWHM)和在给定的一般色彩分类内的各种主波长的辐射。
例如，一种被配置为实质上生成白色光的LED(例如，白色LED)的实施方式可以包括分别发射不同电致发光光谱的若干管芯，这些光谱共同进行混合以形成实质上为白色的光。在另一种实施方式中，白色光LED可以与将具有第一光谱的电致发光转换为不同的第二光谱的磷光体材料相关联。在该实施方式的一个示例中，具有相对短的波长和窄的带宽的光谱的电致发光“泵送”磷光体材料，该磷光体材料进而辐射具有稍宽光谱的较长波长的辐射。
还应当理解的是，术语LED并不限制LED的物理和/或电气封装类型。例如，如以上所讨论的，LED可以指的是具有被配置为分别发射不同辐射光谱的多个管芯(例如，可以是或可以不是可单独控制的)的单个发光设备。而且，LED可以与被认为是LED(例如，一些类型的白色LED)的整体部分的磷光体相关联。通常，术语LED可以指的是封装LED、非封装LED、表面安装LED、板载芯片LED、T封装安装LED、径向封装LED、功率封装LED、包括某种类型的包装和/或光学元件(例如，漫射透镜)的LED，等等。
术语“光源”应当被理解为指的是各种辐射源中的任意一种或多种，包括但不限于基于LED的源(包括如以上所定义的一个或多个LED)、白炽源(例如，白炽灯、卤素灯)、荧光源、磷光源、高强度放电源(例如，钠蒸汽、汞蒸气和金属卤化物灯)、激光、其它类型的电致发光源、焦酚发光源(例如，火焰)、烛发光源(例如，汽灯罩、碳弧辐射源)、光致发光源(例如，气体放电源)、使用电子饱和的阴极发光源、流电发光源、晶体发光源、运动发光源、热发光源、摩擦发光源、声致发光源、辐射发光源和发光聚合物。
给定光源可以被配置为在可见光谱内、在可见光谱外或者二者的组合中生成电磁辐射。因此，术语“光”和“辐射”在这里被可互换地使用。此外，作为整体组件，光源可以包括一个或多个滤波器(例如，色彩滤波器)、透镜或其它光学组件。而且，应当理解的是，光源可以针对各种应用进行配置，包括但不限于指示、显示和/或照明。
术语“照明器材”在这里被用来指代具有特定形状因数、装配或封装的一个或多个照明单元的实施方式或布置形式。术语“照明单元”在这里被用来指代包括一个或多个相同或不同类型的光源的装置。给定照明单元可以具有各种(多个)光源的安装布置形式、外围/外壳布置形式及形状和/或电气及机械连接配置中的任意一种。此外，给定照明单元任选地可以与涉及(多个)光源的操作的各种其它组件(例如，控制电路)相关联(例如，包括、被耦合至和/或与之封装在一起)。“基于LED的照明单元”指的是单独地或者与其它非基于LED的光源相结合地包括一个或多个如上所述的基于LED的光源的照明单元。“多通道”照明单元指的是包括至少两个被配置为分别生成不同辐射光谱的光源的基于LED的或非基于LED的照明单元，其中每个不同源的光谱可以被称作多通道照明单元的“通道”。
术语“控制器”在这里通常被用来描述与一个或多个光源的操作相关的各种装置。控制器能够以多种方式(例如，诸如使用专用硬件)来实施以执行这里所讨论的各种功能。“处理器”是控制器的一个示例，该控制器采用一个或多个可以使用软件(例如，微代码)进行编程以执行这里所讨论的各种功能的微处理器。控制器可以在采用或不采用处理器的情况下来实施，并且还可以被实施为用于执行一些功能的专用硬件以及用于执行其它功能的处理器(例如，一个或多个经编程的微处理器和相关联的电路)的组合形式。可以在本公开内容的各个实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。
在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质(在这里总体上被称作“存储器”，例如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM、软盘、高密度磁盘、光盘、磁带等)相关联。在一些实施方式中，存储介质可以使用一个或多个程序进行编码，当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，该程序执行这里所讨论的功能中的至少一些功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器之内或者可以是可运输的，使得存储于其上的一个或多个程序能够被加载到处理器或控制器中以便实施这里所讨论的本发明的各个方面。术语“程序”或“计算机程序”在这里在一般意义上用以指代能够被用来对一个或多个处理器或控制器编程的任意类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。
如这里所使用的术语“网络”指的是两个或更多个设备(包括控制器或处理器)的便于在耦合至网络的任意两个或更多个设备之间和/或多个设备之间进行信息传输(例如，用于设备控制、数据存储、数据交换等)的任意互连形式。如应当容易意识到的，适于对多个设备进行互连的各种网络实施方式可以包括任意的各种网络拓扑并且采用任意的各种通信协议。此外，在根据本公开内容的各种网络中，两个设备之间的任意一种连接可以表示两个系统之间的专用连接，或者可替换地表示非专用连接。除了承载意在用于两个设备的信息之外，这样的非专用连接(例如，开放式网络连接)可以承载并非必然意在用于两个设备中的任何一个设备的信息。此外，应当容易意识到的是，如这里所讨论的各种设备网络可以采用一个或多个无线、有线/线缆和/或光纤链路以便于贯穿网络的信息传输。
应当意识到的是，前述概念和下文更为详细地讨论的附加概念的所有组合(假设这样的概念并不是互相矛盾的)被预期作为这里所公开的发明主题的一部分。特别地，在本公开内容的结尾处所出现的请求保护的主题的所有组合被预期作为这里所公开的发明主题的一部分。还应当意识到的是，还可以出现在通过引用而被结合的任意公开内容之中的这里明确采用的术语应当符合与这里所公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
在附图中，同样的附图标记一般贯穿不同视图而指代相同部分。而且，附图并不必依比例绘制，而是通常强调图示本发明的原理。
图1图示了根据代表性实施例的包括半桥逆变器和控制电路的功率转换器的框图。
图2图示了根据代表性实施例的包括半桥逆变器的功率转换器中的功率系(power train)的电路图。
图3图示了根据代表性实施例的功率转换器的控制电路的框图。
图4图示了根据另一个代表性实施例的包括半桥逆变器的功率转换器中的功率系的电路图。
具体实施方式
总体而言，申请人已经认可并意识到提供用于向诸如基于LED的照明单元的固态照明负载提供功率的功率转换器将是有益的，该功率转换器包括用作集成的市电整流器、升压逆变器和输出级逆变器的半桥逆变器并且提供关于该固态照明负载的功率因数校正。
考虑到上文，本发明的各个实施例和实施方式针对一种功率转换器，该功率转换器包括用作集成的(无桥的)市电整流器、升压逆变器和输出级逆变器的半桥逆变器。此外，该半桥逆变器由控制电路进行控制，该控制电路通过操控针对该半桥逆变器的开关信号来对市电输入电流和输出电流(例如，至诸如基于LED的照明单元或LED负载之类的照明负载)独立地进行控制。该半桥逆变器因此能够提供功率因数校正。
该控制电路包括状态变量监视电路(watching circuit)，该状态变量监视电路使用两个阈值信号直接生成开关信号。第一阈值信号基于功率转换器的输出电流和参考输出电流之间的差，而第二阈值信号则基于在该功率转换器的谐振转换器中的电容器处测量的电容器电压和参考电容器电压之间的差。该参考电容器电压根据测量的市电输入电压、测量的母线电压以及源于测量的市电输入电流和参考市电输入电流之间的差的参考占空比信号来确定。
更特别地，在控制电路的内部控制回路中，指示该功率转换器的输出电流和参考输出电流之间的差的输出电流误差信号对阈值差(差动值)进行控制。在控制电路的外部控制回路中，指示该功率转换器的市电输入电流和参考输入电流之间的差的输入电流误差信号对阈值平均值(共模值)进行控制。也就是说，输入电流误差信号被用来提供要与测量的平均电容器电压进行比较的参考电容器电压。第二阈值信号(即，阈值平均值)根据来自各自的市电半周期的市电输入电压的符号而对于接地电压或母线电压来确定，从而使能无桥操作。例如，第二阈值信号可以在正的市电输入电压处参考接地，而在负的市电输入电压处参考母线电压。
控制电路的外部控制回路还被配置为切换至周期跳步操作以便将母线电压保持在预设限制以内，例如以避免对于输出电压和电流的最大范围的“超增压(overboosting)”。例如，可以引发周期跳步操作以对照明负载进行补偿(例如，照明负载的深度调光)，其中调光可以由外部调光控制信号(例如，0-10V)来控制。也就是说，控制电路的外部控制回路导致周期性中断，将开关信号保持在恒定的高电平或低电平状态。跳步操作是周期性的，并且因此具有有效叠加于开关信号的占空比之上的跳步操作占空比。该控制电路还可以支持在墙装插头调光器处的操作并且与之兼容。
因此，该功率转换器能够执行市电整流器、提供PFC的升压转换器以及输出级的功能，即，将母线电压转换成LED负载的输出电压的转换器。输出级可以包括串行并行谐振转换器，其例如可以是具有堆栈输出的LCC型转换器或LLC型转换器。可以针对输出电压和电流的范围而实现单位功率因数(PF)操作。该功率转换器克服了具有集成PFC的谐振转换器关于就输入和输出电压范围以及输出电流范围、可控性和鲁棒性而言的PF操作限制的问题。其固有地支持零电压开关(ZVS)，并且因此通过高频功率转换而允许小型化。
图1图示了根据代表性实施例的包括半桥逆变器和控制电路的功率转换器的框图。
参考图1，照明系统100包括市电电源101、功率转换器110和固态照明器材180。市电电源101可以根据各种实施方式提供不同的未经整流的输入AC线路电压，诸如100VAC、120VAC、230VAC和277VAC。固态照明负载180可以是基于LED的照明单元，例如包括串行连接的LED光源181、182的串。
根据代表性实施例，功率转换器110是集成的半桥转换器，其包括功率系130和相关联的控制电路150。控制电路150被配置为从市电电源101接收市电电压vm，以及在功率系130测量的各种电压和电流信号M。控制电路150基于市电电压vm和测量的信号M生成用于控制功率系130的半桥控制信号S_HB。在各个实施例中，功率系130例如包括接收半桥控制信号S_HB的半桥逆变器、谐振转换器和变压器。功率系130因此响应于半桥控制信号S_HB而向固态照明负载180提供输出功率。根据代表性实施例，图2和图4示出了功率系(例如，功率系130)的说明性配置，并且图3是控制电路(例如，控制电路150)的说明性配置的框图。
参考图2，功率转换器的功率系230包括功率电路210、半桥逆变器220、谐振转换器240、变压器250以及用于向固态照明负载280提供功率的输出电路260，该固态照明负载280由代表性的LED光源281来描述。半桥逆变器220连接在功率电路210和谐振转换器240之间。半桥逆变器220包括第一开关221和第二开关222，它们例如可以是场效应晶体管(FET)，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，它们分别包括第一开关二极管223和第二开关二极管224的功能。当然，可以结合其它类型的开关器件而并不背离本教导的范围。第一开关221由半桥控制信号S_HB进行控制而第二开关222由实际上为半桥控制信号S_HB的反转形式(互补形式)的另一半桥控制信号进行控制。半桥控制信号S_HB由诸如以下参考图3所讨论的控制电路350之类的控制器(图2中未示出)所生成。
功率电路210包括串行连接在市电电源201和节点N1之间的升压电感器211，节点N1在半桥逆变器220的第一开关221和第二开关222之间。功率电路210还包括升压整流器215和升压整流器216，它们与母线电容器217并行连接。市电电源201连接在升压电感器211和节点N2之间，节点N2位于升压整流器215和升压整流器216之间。市电电源201提供市电电压vm和通过升压电感器211的市电输入电流im。市电电源201还可以包括市电滤波器组件(未示出)。母线电容器217与升压整流器215和升压整流器216并行连接，并且母线电压vb是跨母线电容器217的电压。
通过第一开关221和第二开关222响应于半桥控制信号S_HB的操作，半桥逆变器220基于母线电压vb在输入节点N1处提供被输入至谐振转换器240的经整流的脉冲电压信号vx。该脉冲电压信号vx可以是脉冲宽度调制(PWM)信号，其例如具有通过第一开关221和第二开关222的操作来设置的占空比和脉冲频率。半桥逆变器220因此用作集成的市电整流器、升压或升降压逆变器以及输出级逆变器，其中输出级实际上包括谐振转换器240、变压器250和输出电路260。半桥逆变器220还通过第一开关221和第二开关222响应于半桥控制信号S_HB的操作而支持PFC。
谐振转换器240连接在半桥逆变器220的节点N1和变压器250的初级侧之间。在所描述的实施例中，谐振转换器240为L(L)CC转换器，其包括第一电容器241、第二电容器242和电感器243。第一电容器241和电感器243串行连接在节点N1和变压器250的初级侧之间。第二电容器242与变压器250的初级侧并行连接。第一电容器241提供从脉冲电压信号vx产生的电容器电压vC。谐振转换器240将由半桥逆变器220输出的脉冲电压信号vx有效地转换为提供至变压器250的正弦电压信号。
在变压器250的次级侧，输出电路260包括整流二极管261和整流二极管262，以及任选地包括电感器263和电感器264。整流二极管261和电感器263串行连接在节点N3(在变压器240的次级侧)和节点N4之间。整流二极管262连接在次级侧和节点N4之间。电感器264和固态照明负载280串行连接在节点N4和节点N3之间。固态照明负载280由此经由电感器264接收来自功率系230的输出电流io。
图3图示了根据代表性实施例的功率转换器的控制电路(诸如图1中所示的控制电路150)的框图。
参考图3，控制电路350基于从市电电源301接收的输入市电电压vm以及来自功率系330的反馈信号而生成用于控制功率系330(诸如图2中所示的说明性功率系230)的半桥控制信号S_HB。特别地，控制电路350接收来自功率系330的母线电压vb、市电电流im、电容器电压vC和输出电流io，它们例如对应于图2中的功率系230中所描述的母线电压vb、市电电流im、电容器电压vC和输出电流io，并且因此将不重复描述这些反馈信号。
在所描述的实施例中，控制电路350包括信号生成器电路320(其也被称作状态变量监视电路)，其生成半桥控制信号S_HB。信号生成器电路320包括加法器321、减法器322、第一比较器323和第二比较器324、第一单稳态触发器325和第二单稳态触发器326、周期跳步使能或(OR)门327、重启或(OR)门328和触发器329。
信号生成器电路320具有三个输入。第一输入经由内部控制回路接收第一阈值信号，其被示为集成差动误差信号ΔvCsw。特别地，减法器341从预先确定的参考输出电流ioref减去在功率系330处测量的输出电流io，并且提供输出电流误差信号Δio。参考输出电流ioref例如由调光控制信号来确定。输出电流误差信号Δio例如借助于比例积分器343来进行处理，比例积分器343被配置为控制误差信号Δio变为零，以提供集成差动误差信号ΔvCsw。
信号生成器电路320的第二输入经由外部控制回路接收第二阈值信号，其被示为集成误差信号vC0sw，其基于平均电容器电压vC0和参考电容器电压vC0ref之间的差。平均电容器电压vC0例如通过使用低通(LP)滤波器346对在功率系330处测量的电容器电压vC进行滤波而获得。参考电容器电压vC0ref由第二乘法器372部分基于市电输入电流im和参考市电输入电流imref之间的差来确定，如以下所讨论的，这提供了输入电流误差信号Δim。减法器342从参考电容器电压vC0ref减去平均电容器电压vC0，并且提供电容器电压误差信号ΔvC0。电容器电压误差信号ΔvC0例如借助于比例积分器344进行处理以提供集成误差信号vC0sw。信号生成器电路320的第三输入接收在功率系330处测量的电容器电压vC。
信号生成器电路320的加法器321将集成差动误差信号ΔvCsw与集成误差信号vC0sw相加，并且信号生成器电路320的减法器322从集成误差信号vC0sw减去集成差动误差信号ΔvCsw，以检测市电电压vm的零交叉。因此，加法器321和减法器322分别提供准静态阈值vCoff和vCon。第一比较器323将电容器电压vC(正输入)与vCoff(负输入)相比较，并且将比较结果off0输出至第一单稳态触发器325，以及第二比较器324将电容器电压vC(负输入)与vCon(正输入)相比较，并且将比较结果on0输出至第二单稳态触发器326。第一单稳态触发器325和第二单稳态触发器326分别由比较结果off0和比较结果on0进行触发，因此降低了零交叉检测期间的噪声。
如以下所讨论的，或(OR)门327接收来自第一单稳态触发器325的输出off1和来自定时器组块Toff 375的周期跳步使能信号En，并且将输出off2提供至RS触发器329的复位输入R。例如，当来自第一单稳态触发器325的输出off1或来自定时器组块Toff 375的周期跳步使能信号En中的至少一个为高电平时，或(OR)门327输出1并且RS触发器329被复位。与此同时，如以下所讨论的，或(OR)门328接收来自第二单稳态触发器326的输出on1和来自单稳态触发器376的重启信号Rst，并且将输出on2提供至RS触发器329的置位输入S。例如，当来自第二单稳态触发器326的输出on1或来自单稳态触发器376的重启信号Rst中的至少一个为高电平时，或(OR)门328输出1并且RS触发器329被置位(或重新置位)。
RS触发器329的输出为方波，如通过输出on2和输出off2、周期跳步使能信号En以及重启信号Rst所确定的，其周期或占空比是可变的。RS触发器329的输出连同表示市电电压vm的符号的信号一起被提供至异或(XOR)门379以提供用于控制功率系330的半桥控制信号S_HB，该异或(XOR)门379为被配置为执行异或运算的逻辑门。异或(XOR)门379因此提供了占空比切换(toggling)以使得RS触发器329的输出针对半桥控制信号S_HB在市电电压vm的正符号处进行反转。因此，电容器电压vC与阈值vCon和阈值vCoff的交叉经由第一单稳态触发器325和第二单稳态触发器326、或(OR)门327以及或(OR)门328对RS触发器329进行置位和复位，从而导致生成半桥控制信号S_HB。
如以上所指出的，控制电路350执行跳步操作，其中其将功率系330的半桥开关控制为被定期中断，从而跳过开关占空比的一个或多个周期。该跳步操作根据市电电压vm的市电半周期的符号而经由使能信号En和重启信号Rst使得半桥控制信号S_HB保持在低电平状态或高电平状态。响应于外部控制回路中的内部参考占空比信号drefx生成使能信号En和重启信号Rst，该内部参考占空比信号drefx的确定是基于市电电压vm、市电电流im和母线电压vb。
更具体地，市电电压vm和母线电压vb(或者从母线电压vb得出的母线电压信号，其也由vb指示)被提供至第一乘法器371。例如，第一乘法器371可以接收市电电压vm以及从母线电压vb和预定母线电压设置点vb0(未示出)得出的误差信号。作为响应，第一乘法器371确定动态市电电流参考信号imref。减法器373从由第一乘法器371输出的市电电流参考信号imref减去市电电流im以提供输入电流误差信号Δim。输入电流误差信号Δim例如借助于比例积分器374进行处理以提供以上所讨论的内部参考占空比信号drefx。
为了以单位功率因数(PF＝1)或接近于单位功率因数(PF＝1)对功率系330进行操作，市电电流im必须与市电电压vm成比例。因此，市电电流参考信号imref并不是常量，而是遵循市电电压vm，并且使用内部参考占空比信号drefx作为操控变量而进行反馈控制。当然，可以结合用于确定市电电流参考信号imref以及评估针对单位(或接近单位)功率因数的市电电流im的可替换手段而并不背离本教导的范围。
此外，市电电压vm和母线电压vb(或者从母线电压vb得出的母线电压信号，其也由vb指示)同样连同反馈参考占空比信号dref0一起被提供至第二乘法器372。作为响应，第二乘法器372确定参考电容器电压vC0ref，该参考电容器电压vC0ref被提供至减法器342。如以上所讨论的，减法器342从参考电容器电压vC0ref减去平均电容器电压vC0以经由比例积分器344将集成误差信号vC0sw提供至信号生成器电路320的第二输入。
由限制器电路377基于由比例积分器374输出的内部参考占空比信号drefx来生成反馈参考占空比信号dref0。限制器电路377在内部参考占空比信号drefx处于预设限制内时输出与内部参考占空比信号drefx相等的占空比信号dref0。然而，当内部参考占空比信号drefx超出或低于限制时，占空比信号dref0被箝位至该限制。因此，第二乘法器372如下确定参考电容器电压vC0ref：
vC0ref＝vb*dref0(在市电电压vm的负值处)；以及
vC0ref＝vb*(1-dref0)(在市电电压vm的正值处)。
与此同时，如以下所讨论的，定时器组块Toff 375接收由比例积分器374输出的内部参考占空比信号drefx以及由限制器电路377输出的标志x。
通常，在正常状况下，反馈参考占空比信号dref0等于内部参考占空比信号drefx。正常状况在固态照明负载(例如固态照明负载280)的输出功率处于包括满载在内的预设范围内时出现。在该输出功率范围内，内部参考占空比信号drefx预计处于某个预设上限(或下限)以内。在轻载或空载时(诸如在固态照明负载280的调光操作期间)，内部参考占空比信号drefx被限制器电路377箝位至预设值以防止其超过该上限(或下限)。在这种情况下，标志x被设置为1，这使得定时器组块Toff 375能够经由使能信号En对信号生成器电路320的RS触发器329进行复位。通过对RS触发器329进行复位，逆变器开关被周期性地禁用。随后，内部参考占空比信号drefx例如使用断开周期作为操控值而将导通周期作为固定值来控制定时器组块Toff 375中断的占空比。内部参考占空比信号drefx形成最终的(实际的)占空比：drefx＝dref0*dToff，其中dToff为周期跳步操作的占空比。当然，定时器Toff 375中断的占空比可以由诸如固定频率或固定断开周期之类的可替换手段来实施而并不背离本教导的范围。
在所描述的实施例中，比例积分器344接收来自定时器Toff 375的使能信号En的反转形式。因此，在断开周期期间(例如，当RS触发器329的复位被使能信号En保持为高电平时)，接收电容器电压差信号ΔvC0的比例积分器344被禁用以避免偏离集成误差信号vC0sw。单稳态触发器376在每个断开周期之后例如通过经由重启门328向RS触发器329提供高电平信号来重启逆变器开关。
因此，半桥开关被周期性地中断并且半桥控制信号S_HB根据市电电压vm的半周期而依据跳步操作处于低电平状态或高电平状态。例如，在内部参考占空比信号drefx例如作为照明负载操作设置的结果而超过预设上限(或下限)时，响应于内部参考占空比信号drefx来控制中断时间(或周期跳步时间)。如以上所指出的，跳步操作是周期性的，并且因此具有实际上叠加于开关占空比之上的跳步操作占空比。
在各种可替换实施例中，可以使用其它控制实施方式。例如，在轻载模式中，可以特别地对调制器的导通时间进行控制。而且，如果没有明确的参考输出电流ioref(例如，没有DALI、DMX，0-10V)，则参考输出电流ioref可以被设置为预设值，或者例如结合墙装插头调光器，参考输出电流ioref可以根据由调光器施加的调光器相位角(即，调光电平)来确定。
如以上所指出的，只要可以测量功率系330的母线电压vb、市电输入电流im、电容器电压vC和输出电流io，控制电路350就不限于向其提供半桥控制信号S_HB的功率系330的类型。例如，图4图示了根据另一个代表性实施例的包括半桥逆变器的功率转换器中的功率系的电路图。
参考图4，功率转换器的功率系430包括功率电路210和半桥逆变器220，它们与以上参考图2所讨论的实质上相同，并且因此将不重复描述。功率系430进一步包括谐振转换器440、变压器450以及用于向由代表性LED光源481所描述的固态照明负载480提供功率的输出电路460。
谐振转换器440连接在半桥逆变器220的节点N1和变压器450的初级侧之间。在所描述的实施例中，谐振转换器440为LLC转换器，其包括电容器441和电感器443，它们串行连接在节点N1和变压器450的初级侧之间。电容器441提供从脉冲电压信号vx产生的电容器电压vC。谐振转换器440将由半桥逆变器220输出的脉冲电压信号vx有效地转换为提供至变压器450的正弦电压信号。
在变压器450的次级侧，输出电路460包括整流二极管461和整流二极管462、电感器463以及电容器467和电容器468。整流二极管461连接在变压器440的次级侧和节点N3之间。电感器463和整流二极管462串行连接在节点N3和对应于固态照明负载480的输入的节点N4之间。电容器467连接在节点N3和节点N5之间，并且电容器468连接在节点N4和节点N5之间。固态照明负载480也与电容器468并行地连接在节点N4和节点N5之间，并且因此经由整流二极管462接收来自功率系430的输出电流io。
虽然这里已经描述并图示了若干发明实施例，但是本领域技术人员将容易想象用于执行这里所描述的功能以及/或者获得这里所描述的结果和/或一种或多种优势的各种其它手段和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改都被认为处于这里所描述的本发明实施例的范围之内。更一般地，本领域技术人员将容易意识到，这里所描述的所有参数、尺寸、材料和配置都意在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于针对其使用本发明教导的(一些)具体应用。本领域技术人员将会认识到或者能够仅使用常规实验确认这里所描述的具体发明实施例的许多等同形式。因此，所要理解的是，前述实施例仅通过示例给出，并且在所附权利要求及其等同形式的范围之内，可以以不同于具体描述并请求保护的其它形式来对发明实施例加以实践。本公开内容的发明实施例针对这里所描述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并不互相矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任意组合包括在本公开内容的发明范围之内。
如这里所定义和使用的所有定义应当被理解为控制词典定义、通过引用所结合的文档中的定义和/或所定义的术语的通常含义。
除非清楚地相反指出，否则如说明书中和权利要求中在此使用的不定冠词(“a”和“an”)应当被理解为意思是“至少一个”。
还应当理解的是，除非清楚地相反指出，否则在这里所要求保护的包括多于一个步骤或动作的任意方法中，该方法的步骤或动作的顺序不必限于该方法的步骤或动作被记载的顺序。而且，以括号的形式在权利要求中出现的附图标记和其它符号仅仅为了方便起见而被提供，并且不应当被理解为以任何方式对权利要求进行限制。

Claims (20)

1.一种用于转换来自市电电源(201)的功率以对固态照明负载(280)进行供电的功率转换器设备，所述设备包括：
转换器(230)，所述转换器包括用作升压逆变器和输出级逆变器的半桥逆变器(220)，所述半桥逆变器包括多个开关(221，222)；以及
控制电路(350)，所述控制电路被配置为通过向所述半桥逆变器中的所述多个开关提供开关信号(S_HB)而对所述设备的市电输入电流(im)和输出电流(io)独立地进行控制，所述开关信号具有占空比、频率和周期跳步占空比。
2.根据权利要求1所述的功率转换器设备，其中所述转换器进一步包括输出级，所述输出级包括所述半桥逆变器和谐振电容器，以及
其中所述控制电路使用第一阈值信号和第二阈值信号来提供所述开关信号，其中所述第一阈值信号基于所述设备的所述输出电流和参考输出电流之间的差，并且所述第二阈值信号基于在所述谐振电容器处测量的电容器电压和参考电容器电压之间的差。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述参考电容器电压从测量的市电电压、测量的母线电压以及从测量的市电输入电流和参考市电输入电流之间的差得出的参考占空比信号来确定。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述控制电路进一步包括状态变量监视电路，所述状态变量监视电路被配置为通过将状态变量分别与所述第一阈值信号和所述第二阈值信号相比较来生成所述开关信号以实施跳步操作。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述状态变量监视电路包括：
第一比较器，所述第一比较器被配置为将所述第一阈值信号和所述第二阈值信号之和与所述电容器电压相比较以提供断开信号；
第二比较器，所述第二比较器被配置为将所述第一阈值信号和所述第二阈值信号之间的差与所述电容器电压相比较以提供导通信号；以及
触发器，所述触发器被配置为基于来自所述第一比较器的所述断开信号和来自所述第二比较器的所述导通信号而生成所述开关信号。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述触发器进一步被配置为基于从所述参考占空比信号得出的使能信号和重启信号而生成所述开关信号。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述使能信号和所述断开信号指示所述开关信号的脉冲的结束，而所述重启信号和所述导通信号指示所述开关信号的脉冲的开始。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制电路进一步包括逻辑门，所述逻辑门被配置为对所述触发器的输出和表示所述测量的市电电压的符号的信号执行异或运算，由此在所述测量的市电电压的正符号处对所述触发器的输出进行反转以提供所述开关信号，使得所述半桥逆变器进一步用作集成的市电整流器。
9.一种用于转换来自市电电源(201)的功率以对基于发光二极管(LED)的照明单元(280)进行供电的功率转换器，所述基于发光二极管(LED)的照明单元连接至变压器(250)的次级侧以从所述功率转换器接收输出电流(io)，所述功率转换器包括：
半桥逆变器(220)，所述半桥逆变器包括多个开关(221，222)；
谐振转换器(240)，所述谐振转换器连接在所述半桥逆变器和所述变压器(250)的初级侧之间；以及
控制电路(350)，所述控制电路被配置为输出半桥控制信号(S_HB)以选择性地激活所述半桥逆变器中的所述多个开关以生成输入至所述谐振转换器(240)的脉冲电压信号，其中所述半桥控制信号包括具有开关占空比和跳步操作占空比的方波。
10.根据权利要求9所述的功率转换器，其中所述控制电路包括：
信号生成器电路，所述信号生成器电路被配置为接收基于所述功率转换器的所述输出电流和参考输出电流之间的差的第一阈值信号，以及基于市电输入电流和参考市电输入电流之间的差的第二阈值信号；
定时器组块，所述定时器组块被配置为响应于基于所述市电输入电流和所述参考市电输入电流之间的差的内部参考占空比信号而提供使能信号；以及
单稳态触发器，所述单稳态触发器被配置为响应于所述使能信号而提供重启信号，其中所述使能信号和所述重启信号使得所述信号生成器电路依据所述跳步操作占空比而选择性地中断所述开关占空比。
11.根据权利要求10所述的功率转换器，其中所述信号生成器电路包括：
第一比较器，所述第一比较器被配置为将在所述谐振逆变器中的电容器处测量的电容器电压与所述第一阈值信号和所述第二阈值信号之和进行比较，并且输出第一比较结果；
第二比较器，所述第二比较器被配置为将所述电容器电压与所述第一阈值信号和所述第二阈值信号之间的差进行比较，并且输出第二比较结果；
第一逻辑门，所述第一逻辑门被配置为接收所述第一比较结果和所述使能信号，并且输出断开信号逻辑结果；
第二逻辑门，所述第二逻辑门被配置为接收所述第二比较结果和所述重启信号，并且输出导通信号逻辑结果；以及
触发器，所述触发器被配置为响应于所述断开信号逻辑结果和所述导通信号逻辑结果而生成所述半桥控制信号。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，其中所述触发器包括复位-置位(RS)触发器，其中所述断开信号逻辑结果输入至所述RS触发器的复位输入，所述导通信号逻辑结果输入至所述RS触发器的置位输入，并且从所述RS触发器的输出输出所述半桥控制信号。
13.根据权利要求12所述的功率转换器，其中所述第一逻辑门和所述第二逻辑门中的每一个包括或逻辑门。
14.根据权利要求10所述的功率转换器，其中所述控制电路进一步包括：
第一乘法器，所述第一乘法器被配置为将市电电压与在所述功率转换器的母线电容器处测量的母线电压信号相乘，并且输出所述参考市电输入电流；
减法器，所述减法器被配置为确定所述市电输入电流和由所述第一乘法器输出的所述参考市电输入电流之间的差；以及
第二乘法器，所述第二乘法器被配置为将所述市电电压、所述母线电压与基于由所述减法器确定的所述市电输入电流和所述参考市电输入电流之间的差的反馈参考占空比信号相乘，并且输出参考电容器电压，
其中所述第二阈值信号根据由所述第二乘法器输出的所述参考电容器电压和所述电容器电压之间的差来确定。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，其中所述第一阈值信号根据参考输出电流和所述功率转换器的所述输出电流之间的差来确定。
16.根据权利要求15所述的功率转换器，其中所述控制电路进一步包括：
第一比例积分器，所述第一比例积分器被配置为对所述参考输出电流和所述功率转换器的所述输出电流之间的差进行积分以提供所述第一阈值信号；以及
第二比例积分器，所述第二比例积分器被配置为对所述参考电容器电压和所述电容器电压之间的差进行积分以提供所述第二阈值信号。
17.根据权利要求16所述的功率转换器，其中所述控制电路进一步包括：
第三比例积分器，所述第三比例积分器被配置为对所述市电输入电流和所述参考市电输入电流之间的差进行积分，并且输出内部参考占空比信号。
18.根据权利要求17所述的功率转换器，其中所述控制电路进一步包括：
限制器电路，所述限制器电路被配置为基于由所述第三比例积分器输出的所述内部参考占空比信号来确定所述反馈参考占空比信号。
19.根据权利要求18所述的功率转换器，其中所述限制器电路进一步被配置为响应于所述内部参考占空比信号达到预设值而生成标志，所述标志被提供至所述定时器组块以使得所述定时器组块生成所述使能信号，防止所述内部参考占空比信号超过上限或下限之一。
20.一种用于转换来自市电电源(201)的功率以对基于发光二极管(LED)的照明单元(280)进行供电的功率转换器设备，所述设备包括：
半桥逆变器(220)，所述半桥逆变器包括多个开关(221，222)，并且被配置为用作集成的市电整流器和输出级，所述输出级包括谐振电容器(241)和变压器(250)；以及
控制电路(350)，所述控制电路被配置为通过向所述半桥逆变器中的所述多个开关提供开关信号(S_HB)而对所述设备的市电输入电流(im)和输出电流(io)独立地进行控制，所述开关信号具有占空比、频率以及对应于周期跳步操作的周期跳步占空比，所述周期跳步占空比基于将多个差信号与对应的多个阈值信号进行比较，第一差信号(ΔvCsw)包括所述设备的所述输出电流和参考输出电流之间的差，而第二差信号(vC0sw)包括谐振电容器电压和参考电容器电压之间的差。
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