CN103858328A - 有源电容器电路 - Google Patents

有源电容器电路 Download PDF

Info

Publication number
CN103858328A
CN103858328A CN201280047948.1A CN201280047948A CN103858328A CN 103858328 A CN103858328 A CN 103858328A CN 201280047948 A CN201280047948 A CN 201280047948A CN 103858328 A CN103858328 A CN 103858328A
Authority
CN
China
Prior art keywords
capacitor
voltage
current
coupling
driving voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201280047948.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103858328B (zh
Inventor
R·埃尔费瑞驰
T·洛佩斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Signify Holding BV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of CN103858328A publication Critical patent/CN103858328A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103858328B publication Critical patent/CN103858328B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H02M1/15—Arrangements for reducing ripples from dc input or output using active elements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/375—Switched mode power supply [SMPS] using buck topology
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/38—Switched mode power supply [SMPS] using boost topology
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/37—Converter circuits
    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
    • H05B45/39—Circuits containing inverter bridges

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于在驱动负载(22)的驱动器器件中使用的有源电容器电路(40)，该负载(22)特别是包括一个或多个LED(23)的LED单元。进一步，本发明涉及包括这种有源电容器电路的驱动器器件。所提出的有源电容器电路包括：耦合端子(41、42)，用于提供驱动被耦合在所述耦合端子(41、42)之间的负载的驱动电压(vD)和/或驱动电流(iD)；输出功率级(50)，被耦合在所述耦合端子(41、42)之间，以用于将所述周期性电流(iA)转换为所述驱动电流(iD)；低频电容器(46)，被耦合在所述输出功率级(50)的电容器输出端子(48)和耦合端子(42)之间；和控制单元(60)，用于通过使用从驱动电压(vD)、跨所述低频电容器(46)的电容器电压(vC)和/或通过所述低频电容器(46)的电容器电流(iC)的反馈获得的控制信号(Sd)，来控制所述输出功率级(50)。

Description

有源电容器电路
技术领域
本发明涉及供用于驱动负载的驱动器器件中使用的有源电容器电路，该负载特别是包括一个或多个LED的LED单元。本发明还涉及用于驱动负载的驱动器器件。更进一步，本发明涉及灯装置。
背景技术
在用于诸如改装灯的离线应用的LED驱动器领域中，需要解决方案应对高效率、大功率密度、长寿命、高功率因子和低成本，以及其他相关特征。尽管实际上全部现有解决方案折中一个或其他要求，但是必须的是，所提出的驱动电路将市电功率适当地调节到LED所需要的形式，而同时维持符合现在和将来的功率市电规范。至关重要的是，当功率因子被维持在某一限值以上时确保可察觉光闪烁不超过最大值(优选地为零)。
进一步，在离线转换器中，来自功率市电的能量通常需要与被供给电压波形同步地汲取，以便实现高功率因子和低谐波失真。具有独立的预调节器级的功率转换器架构通常被用于最佳地完成这个任务，而未折中将被供给给负载的能量的恰当形式。
通常，两个串联连接的功率级被用于获得高功率因子，而在整个市电周期(或供给周期，即市电电压或供给电压的周期)保持输出功率恒定。在这些架构中，第一级对市电电流整形，并且第二级执行到负载的功率转换。
尽管如此，出于与复杂性和成本有关的原因，简化的动力系解决方案通常已知被采用为单级，其中可以实质地不并入两个级的任一级。由于这个简化，上述要求可以大大地折中和/或转换器性能被极大地降低，特别是在尺寸、可靠性和寿命方面。后者主要归因于当将确保恒定输出功率传送时，对使用与负载并联的大型低频存储电容器的需要。
单级解决方案在文献中普遍。在Robert Erickson和MichaelMadigan的标题为“Design of a simple high-power-factor rectifierbased on the flyback converter”，IEEE Proceedings of the Applied PowerElectronics Conferences and Expositions，1990，pp.792-801的著作中给出了一个参考示例。
在两级和单级方法之间的半途的中间解决方案是具有积分预调节器的单级转换器。这些解决方案能够以减少的部件计数和大功率密度，而同时保持符合负载和功率市电要求为特征。具有单个功率转换器级的其他实施例借助集成在不连续传导模式中操作的升压转换器而允许高功率因子(HPF)。这些转换器事实上结合了上述的两个功率转换级。
典型地，即使使用大滤波电容器，用于驱动诸如包括一个或多个LED的LED单元的负载的驱动器器件的高功率因子操作也产生强的100Hz输出电流波纹。这些滤波器在与具有陡峭的IV(电流对电压)特性(也称作“二极管特性”)的LED负载并联应用时，几乎无效。从电动汽车和光伏系统已知，负载和电容器之间的dc/dc转换器改善了(超)电容器的运用。
Q.Hu和R.Zane的“A0.9PF LED Driver with Small LED CurrentRipple Based on Series-input Digitally-controlled Converter”，Proceeding ofthe APEC2010，pp.2314-2320描述了使用双向降压转换器作为第二功率级的两级LED驱动器，其将120Hz电容器连接到LED负载，而该LED负载也被连接到第一功率级的输出。
发明内容
本发明的目的是提供一个用于驱动器器件中的有源电容器电路，该驱动器器件用于驱动特别是包括一个或多个LED的LED单元的负载，这避免了使用如通常与离线驱动的LED负载并联采用的甚至更加大型的电解电容器，并且即便在现代功率LED的低动态电阻下这实质上也不会产生100/120Hz的波纹/闪烁(例如＜1％)。
本发明的另一目的是提供用于驱动负载的驱动器器件和灯装置。
根据本发明的第一方面，存在有源电容器电路，其包括
耦合端子，用于提供驱动被耦合在所述耦合端子之间的负载的驱动电压和/或驱动电流，
输出功率级，被耦合在所述耦合端子之间，以用于将所述周期电流转换为所述驱动电流，
低频电容器，被耦合在所述输出功率级的电容器输出端子和耦合端子之间，和
控制单元，用于通过利用从驱动电压、跨所述低频电容器的电容器电压和/或通过所述低频电容器的电容器电流的反馈获得的控制信号，来控制所述输出功率级。
在本发明的另一方面中，提供了一种驱动器器件，其包括
功率输入端子，用于从外部电源接收周期性电源电压，
输入转换器级，被耦合到所述功率输入端子，以用于将所述周期电源电压转换为所述驱动电压并且用于在转换器输出端子处输出中间电流，和
根据本发明的有源电容器电路，其被耦合到所述输入转换器级的所述转换器输出端子。
在本发明的再一方面中，提供了一种灯装置，其包括
灯组件，包括一个或多个发光单元，特别是包括一个或多个LED的LED单元，和
所提出的驱动器器件，用于驱动所述灯组件。
在从属权利要求中限定本发明的优选实施例。应当理解，所要求权利的驱动器器件和所要求权利的灯装置具有如从属权利要求中所限定的和作为所要求权利的有源电容器电路的类似和/或一致的优选实施例。
所提出的有源电容器电路表示模块，其与负载(例如，一个或多个LED或LED封装)并联耦合或者被集成到该负载中，并且小电容器被连接于该模块，该小电容器也可能被集成到该负载中。相反，在大多数现有技术方法中，功率级被级联设置。
进一步，所提出的有源电容器电路能够被认为是独立、非常紧凑、高阶低通滤波器元件(即，有效地从负载去除第一级的全部AC分量)。然而，在一个实施例中，可以通过光谱的一些波段，由此使得能够进行某些水平的负载调制。
根据上面所引用的Q.Hu和R.Zane公开的驱动器，第一级和第二级两者都与负载并联。所提出的有源电容器电路关于现有技术的优势在于所提出的有源电容器电路能够独立工作，即像无源滤波器电路一样，但性能显著提高。这种工作便于模块化、集成化、和即插即用的用途，比如现有输出滤波器电路的轻易更换。进一步，既不需要测量负载电流或其他功率级电流，又不需要到任何功率级的信号连接。
优选地，根据本发明提供了一个或多个反馈回路，特别是两个级联反馈回路，用于控制所述电容器电流和/或电容器电压。特别地，根据优选实施例，所述控制单元包括第一反馈回路，其用于控制所述电容器电流跟随参考电容器电流。优选地，所述控制单元被配置为通过高通滤波所述驱动电压并将高通滤波的驱动电压放大驱动电压放大因子，而从所述驱动电压确定所述参考电容器电流。更进一步，在实施例中，所述控制单元被配置为根据被耦合在所述耦合端子之间的所述负载的动态电阻的电压降，而确定所述驱动电压放大因子。
假设，有源电容器电路在用于驱动一个或多个LED的驱动器器件中使用，那么根据LED技术(也被称作驱动电流)，LED可以被认为是由理想电压源和串联电阻组成的，后者被称作动态电阻。为了依据所述负载的动态电阻的电压降确定驱动电压放大因子，因此意味着该控制能够以某种方式，或者通过预定值(硬件或软件)或者自动地(自适应地)或者不通过任何方式，而适应于LED。
根据另一个实施例，所述控制单元包括第二反馈回路，其用于控制所述电容器电压围绕参考电容器电压摆动。优选地，所述控制单元被配置为关于所述低频电容器的额定电压确定所述参考电容器电压。
为了有效地过滤大部分或全部市电波纹，电容器优选地能够至少存储能量Ecapmin＞Po/(2PI fm)，其中Po是输出功率并且fm是市电频率。然而，这种电容器将产生100％波纹(峰值与平均电压的比值为2)。为了应对容许误差、老化、以及缓解输出功率级中的部件应力，电容器优选地示出略微较高的存储能力Ecapact＝N*Ecapmin。这个产生大约Vpk/Vavg＝2/(1+√(1-1/N))的平均电压的峰值。N＝2，例如意味着vpk/Vavg＝1.2。实际比值优选地位于1.05和1.3之间。
优选地，如上面简要提到的，将所述第一反馈回路和所述第二反馈回路级联，以便第一反馈回路形成内部回路，以导出内部控制信号，并且第二反馈回路形成外部回路，以导出外部控制信号。进一步，优选地通过高通滤波所述驱动电压、将高通滤波驱动电压放大驱动电压放大因子、并且从经放大的高通滤波驱动电压减去所述外部控制信号，而从所述驱动电压确定所述参考电容器电流。
级联的优点是，两个控制任务能够被分别解决：控制负载电流为恒定和控制存储电容器电压以停留在预先限值内。第一反馈回路(内部回路)的优点是，通过控制在输出功率级内可容易测量的电容器电流，该负载电流在稳态运行中实际上变为恒定。第二反馈回路(外部回路)的优点是，通过首先考虑输入转换器级的稳态电流波纹(经由高通滤波工作电压)、其次考虑平均电容器电压而能够易于导出所述参考信号、并且在这样做的情况下也能处理输入转换器级电流的瞬变(例如接通/关闭)。
在一个实施例中，所述控制单元被配置为在用于控制所述电容器电流的所述第一控制回路中使用所述参考电容器电流之前，将调制信号增加到所述参考电容器电流。优选地，所述控制单元被配置为从所述驱动电压和/或所述电容器电压确定所述调制信号。该调制信号通常为外部信号，例如其用于经由不可见发光波动发送数据。为了避免可见失真，即使得发光响应等于调制信号，可以向调制信号施加用于预补偿的前馈传递函数，从而产生修改的调制信号，该信号被注入到参考电流的接合处中。
存在用于输出功率级的各种实施方式，这很大程度上取决于有源电容器电路的应用的种类和负载的种类。根据优选实施例，所述输出功率级包括双向转换器，特别是双向升压转换器、双向降压转换器或双向降压-升压转换器。例如，在双向转换器作为双向升压转换器的实施方式中，其包括输出电感器和输出电容器，输出电感器被耦合在所述双向转换器的开关结点和耦合端子之间，并且输出电容器被耦合在所述耦合端子之间。
有利地是，所述控制单元被配置为控制所述双向转换器以准方波模式工作。这使得能够实现ZVS(零电压开关)并因此使得能够仍然以高效率实现高开关频率(例如＞1MHz)。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置为控制所述双向转换器在比所提出的驱动器器件的优选实施例中提供的输入转换器更高的开关频率(优选地，高出很多)下工作。这可以允许完全省略输入转换器级的输出滤波器。
美国Delta Energy Systems的Bogdan Bucheru和Ionel Dan Jitaru在德国纽伦堡市2011年5月17-19日的PCIM Europe2011中的论文“Single Stage Isolated PFC with AC Line Ripple Steering”公开了一种提供了针对低频波纹操纵的解决方案的电力构造。然而，所提出的构造不同于本发明，其涉及具有输出电压控制(非电流)的充电器电路，并且涉及第一和第二级的特定组合，并且使用两个级的组合控制。特别是，第一控制级控制第二级的电容器电压，第二级控制第一级的输出电压。
根据本发明的再一方面，提出一种灯装置，包括：
功率输入端子，用于从外部功率源接收周期性电源电压，
输入转换器级，被耦合到所述功率输入端子，以用于将所述周期性电源电压转换为所述驱动电压并且用于在转换器输出端子处输出中间电流，
耦合端子，被耦合到所述输入转换器级的所述转换器输出端子，以用于提供驱动被耦合在所述耦合端子之间的负载的驱动电压和/或驱动电流，
输出功率级，被耦合在所述耦合端子之间，以用于将所述周期性电流转换为所述驱动电流，
低频电容器，被耦合在所述输出功率级的电容器输出端子和耦合端子之间，和
控制单元，用于通过使用从所述驱动电压、跨所述低频电容器的电容器电压和/或通过所述低频电容器的电容器电流的反馈获得的控制信号，来控制所述输出功率级，和
灯组件，包括被耦合到所述耦合端子的一个或多个灯单元，其特别是包括一个或多个LED的LED单元。
因此，按照本发明的灯装置的各种实施例，控制单元和/或输出功率级可以是有源电容器电路或灯组件的部分。
按照本发明的再一个方面，输入转换器级不是灯装置的部分，即所提出的灯装置包括：
功率输入端子，用于从外部功率源接收周期性电源电压，
耦合端子，被耦合到所述功率输入端子，以用于提供驱动被耦合在所述耦合端子之间的负载的驱动电压和/或驱动电流，
输出功率级，被耦合在所述耦合端子之间，以用于将所述周期性电流转换为所述驱动电流，
低频电容器，被耦合在所述输出功率级的电容器输出端子和耦合端子之间，和
控制单元，用于通过使用从所述驱动电压、跨所述低频电容器的电容器电压和/或通过所述低频电容器的电容器电流的反馈获得的控制信号，来控制所述输出功率级，和
灯组件，包括被耦合到所述耦合端子的一个或多个灯单元，其特别是包括一个或多个LED的LED单元。
因此，根据本发明的灯装置的各种实施例，该控制单元和/或该输出功率级可以是有源电容器电路或灯组件的一部分。
附图说明
本发明的这些及其他方面根据下文中所述的实施例将变得显而易见并且参考这些实施例将得以被阐述。在下列附图中
图1示出已知驱动器器件的示意图，
图2示出所提出的驱动器器件的第一实施例的示意图，该驱动器器件包括所提出的有源电容器电路的实施例，
图3示出所提出的驱动器器件的第一实施例的示意图，
图4示出所提出的有源电容器电路的一个实施例的电路图，
图5示出所提出的有源电容器电路的另一个实施例的电路图，其示出所提出的控制单元的一个实施例的细节，
图6示出所提出的有源电容器电路的另一个实施例的电路图，其示出所提出的控制单元的另一个实施例的细节，
图7示出如图5中所述的控制单元控制的如图2或3中所示的驱动器器件中的多种信号的信号图，和
图8示出如图6中所述的控制单元控制的如图2或3中所示的驱动器器件中的多种信号的信号图。
具体实施方式
图1示出被连接到外部电源20(例如，市电电压供给)的已知LED驱动器器件的示意图。该驱动器器件10包括输入转换器级12(也称作电源单元PSU)和与外部负载22并联耦合的输出滤波器电容器14，外部负载22例如包括一个或多个LED23。该输入转换器级12将供电电流iS和周期性供电电压vS转换为中间电流iPSU，其等于提供到负载的驱动电流(或输出电流)iD和电容器电流iC的和。跨功率输出端子16、17的驱动电压vD等于电容器电压vC。
在这里，平均输出电流iD优选地由输入转换器级12例如使用负载电流反馈进行控制。为了这个目的，可以在连接到输入转换器级12的负载中提供(可选的)电流传感器。因此，平均输出功率并不通过有源电容器电路调节。
图2示出所提出的驱动器器件30的第一实施例的示意图，该驱动器器件30包括输入转换器级32(也称作输入功率级)和用所提出的有源电容器电路40代替已知驱动器器件10的电容器14的实施例。输入转换器级32与已知驱动器器件的输入转换器级12相同或类似。然而，应当注意，有源电容器电路40也可以被用于其他驱动器器件，包括不具有输入转换器级的驱动器器件。在功率输入端子33、34，供电单元20被耦合到所述输入转换器级32的转换器输入端子。在输入转换器级32的转换器输出端子35、36处，耦合所提出的有源电容器电路40。也在这里，平均输出电流iD优选地由输入转换器级32例如通过反馈负载电流进行控制，为了这个目的，可以在连接到输入转换器级32的负载中提供(可选的)电流传感器。
所提出的有源电容器电路40包括耦合端子41、42，其被耦合到输入转换器级32的转换器输出端子35、36，用于接收周期性输入电流，在本实施例中，用于接收中间电流iPSU。进一步，在所述耦合端子41、42处，驱动电压vD和驱动电流iD被提供用于驱动被耦合在所述耦合端子41、42之间的负载23，该耦合端子41、42对应于驱动器器件30的功率输出端子。
所提出的有源电容器电路40进一步包括被耦合在所述耦合端子41、42之间的输出功率级50，以用于将所述周期性输入电流iPSU转换为所述驱动电流iD。输出功率级50特别地接收功率级电流iA。低频电容器46被耦合在所述输出功率级50的电容器输出端子48和耦合端子42之间。
最后，控制单元60被提供用于通过利用从驱动电压vD、跨所述低频电容器46的电容器电压vC和/或通过所述低频电容器46的电容器电流iC的反馈获得的控制信号Sd来控制所述输出功率级50。
尽管在图2中所示的实施例中输出功率级50被包括在有源电容器电路40中，但是在图3中所示的可替换实施例中，输出功率级50被集成到负载22’中，即为外部元件的部分，而不是图3中所示的驱动器器件30’的部分。此外(而未示出)，在另外的其他实施例中，不仅输出功率级50而且控制单元60被集成到负载22’中，或者仅有控制单元(而不是输出功率级50)被集成到负载22’中。
对于输入功率级32的单位功率因子(unity power factor)操作，如图7中所示，中间电流iPSU在100Hz处显示出100％波纹。
图4示出所提出的有源电容器电路40a的实施例的电路图，其包括可以被用于如图2和3中所示的驱动器器件30、30’的实施例的输出功率级50a的实施例。输出功率级50a包括双向升压转换器，其优选地被用于低压LED作为负载的情形中。该升压(逐步升高(step up))转换涉及电容器充电阶段，其中LED电压被逐步升高转换成更高的电容器电压，而在电容器放电阶段期间，电容器电压被逐步降低(降压)被转换为LED电压。在高压LED的情形中，优选地使用双向降压转换器。在其它实施例中能够使用其他双向转换器，诸如降压-升压转换器。
双向升压转换器包括两个开关元件51、52，其被串联耦合在所述电容器输出端子48和耦合端子42之间，并且在介于二者之间形成开关结点53。进一步，在所述开关节点53和耦合端子41之间耦合高频电感器(扼流圈(choke))54。在所述耦合端子之间，耦合高频电容器(输入滤波器电容器)55。驱动器56基于从控制单元60接收的控制信号Sd控制所述开关元件51、52。该驱动器56在这个实施例中优选地为门驱动器，其用于驱动由开关元件51、52形成的半桥逆变器的门并且遵从开关模式Sd。Sd通常是驱动信号，该驱动信号在这个示例中为用于输出功率级的逆变器的PWM开关模式，并且其确定平均开关结点电压。
优选地，转换器以准方波模式工作以获得零电压开关(ZVS)，并因此使得能够以高效率实现高开关频率(例如＞1MHz)。该转换频率进一步允许扼流器54和输入滤波器电容器55的集成，然而，这也能够位于外部。此外，开关频率比输入功率级32的开关频率高得多也允许完全跳过优选地被包括在输入功率级32中的输出滤波器。
图5示出所提出的有源电容器电路40b的另一个实施例的电路图40b，其示出所提出控制单元60b的实施例的细节。使用图5中所示的控制机制，即使电容器46仅仅与通过零波纹工作所需要的能量Ecapmin＞Po/(2PI fm)(fm是市电频率)所给定的理论最小值一样小或者稍大，也能够几乎消除通过负载22(LED)的波纹电流。
图6示出有源电容器电路40c的又一个实施例的电路图，其示出所提出控制单元60c的另一个实施例的细节。如同在图5的示例中，LED电流iD是1A，并且供电电流波纹振幅iA也是1A。电容器46是22μF，并且显示出从大约5V到35V摆动的电压。在示例中，图1中所示的电路中的10mF(6.3V)电容器将仍旧产生20％的波纹。
该控制单元60b、60c每个都包括两个级联反馈回路。该核心是内部反馈回路61，其控制电流iC跟随参考电流iCref(减法单元62)。参考电流iCref转而通过在高通滤波器63中的高通滤波和放大器64中的放大比例因子从驱动电压vD获得，所述放大比例因子随着负载的动态电阻的电压降越小而越高。然后，在PI控制器65中生成该控制信号Sd(也称作内部控制信号)。外部反馈回路66控制电容器电压vC围绕预定值vCmean_ref摆动，该预定值vCmean_ref可以与电容器的额定电压有关。另一个PI控制器67生成校正信号(也称作外部控制信号)。关于控制策略，重要的是注意，被传递给负载的平均(DC)电流仍旧由输入功率级32控制。进一步，有源电容器仅仅从负载电流消除波纹。
在图6中所示的控制单元60c中，提供额外的调制单元69，调制信号iDmod通过该调制单元69在加法单元68中被加到参考iCref。所述调制单元69优选地包括乘法器，其取决于电压vD和vC。这个乘法器补偿了iC与iLED的关系。图8示出由大约1kHz的调制信号iDmod引起的波形。
在这个应用中并且在低调制频率(例如1kHz)的情形中，优选地在实施例中提供输入功率级32和负载22之间的额外电感器(未示出)，以免调制电流流过输入功率级32。在这个情形中，负载22到有源电容器电路40c的相对低的电感连接也是有利的。
该调制信号iDmod是外部信号(例如，被用于经由不可见光波动发送数据)。为了避免可见失真，即使得光响应等于iDmod，可以向IDmod应用前馈传递函数，从而得到iDmod_1，其被注入参考电流结点(即加法单元68)，也就是iDmod_1＝iDmod*vD/vC。
如上面所提到的，图7示出通过如图5中所示的控制单元控制的图2或3中所示的驱动器器件中的各种信号的信号图，并且图8示出通过如图6中所示的控制单元控制的如图2或3中所示的驱动器器件中的各种信号的信号图。驱动电压vD(未明确示出)基本上恒定，因为驱动电流恒定。仅留有电流iD的微小变化，其经由相当小的动态电阻导致vD的微小电压变化，该微小电压变化又显示电流iC跟随的波形。
关于典型的单级高功率因子驱动器，本发明所克服的问题包括：
-即使在大电容器的情形下的输出电流的高波纹，这使得LED利用率恶化并引起可见闪烁；
-电解电容器的高容量和寿命限制；
-热交换问题(在仅将无源电容器连接到负载的情形中，电容器通常非常大(如上面所解释的)，以至完全有效，这引起高涌入电流)和对调光信号的低响应时间。
针对Hu和Zane的论文中所公开的上述转换器，本发明提供了单独模块，其能够被独立使用或者集成到负载(例如LED封装)中。不需要控制单元与输入功率级的连接(以用于组合控制)，但是只需要电源和/或负载电流的测量。
关于负载电流(例如LED电流)的调制(“编码光”)，由于即便在高调制比率和高调制频率下的光调制，不需要额外部件并且不存在额外损耗。
进一步，根据本发明的优选实施例，反馈控制从高通滤波负载电压(驱动电压)导出用于电容器电流的参考。额外输入允许向转化为电流调制的参考添加信号，因为其可以用于“编码光”。
本发明优选地被应用于消费者型和专业型的驱动器，特别是专业的单级HPF无闪烁LED驱动器。有源电容器电路可以被用作LED封装(具有或没有小型化滤波电容器)中的增值系统。进一步，有源电容器电路可以被用作独立模块(具有或没有小型化滤波电容器)。更进一步，本发明也可以用于驱动OLED。
尽管已经在附图和前述说明中详细说明并描述本发明，但是这些说明和描述将被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明不限制于所公开的实施例中。本领域技术人员在实践所要求权利的发明中，能够从附图、公开、和附加权利要求的学习中，理解并实现本公开的实施例的其他变化。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以满足权利要求中阐述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示不能对这些措施的组合加以利用。
权利要求中任何参考标记不应被理解为限制保护范围。

Claims (15)

1.一种用于在驱动负载(22)的驱动器器件中使用的有源电容器电路(40)，所述负载(22)特别是包括一个或多个LED(23)的LED单元，所述有源电容器电路包括：
耦合端子(41、42)，用于提供驱动被耦合在所述耦合端子(41、42)之间的负载(22)的驱动电压(vD)和/或驱动电流(iD)，
输出功率级(50)，被耦合在所述耦合端子(41、42)之间，以便将所述周期性电流(iA)转换为所述驱动电流(iD)，
低频电容器(46)，被耦合在所述输出功率级(50)的电容器输出端子(48)和耦合端子(42)之间，以及
控制单元(60)，用于通过使用从所述驱动电压(vD)、跨所述低频电容器(46)的电容器电压(vC)和/或通过所述低频电容器(46)的电容器电流(iC)的反馈获得的控制信号(Sd)，来控制所述输出功率级(50)。
2.根据权利要求1所述的有源电容器电路(40)，
其中，所述控制单元(60b)包括第一反馈回路(61)，其用于控制所述电容器电流(iC)跟随参考电容器电流(iCref)。
3.根据权利要求2所述的有源电容器电路(40)，
其中，所述控制单元(60b)被配置为通过对所述驱动电压(vD)进行高通滤波并将所述高通滤波的驱动电压放大驱动电压放大因子，从所述驱动电压(vD)确定所述参考电容器电流(iCref)。
4.根据权利要求3所述的有源电容器电路(40)，
其中，所述控制单元(60b)被配置为根据将被耦合在所述耦合端子之间的所述负载的动态电阻的电压降，来确定所述驱动电压放大因子。
5.根据权利要求1所述的有源电容器电路(40)，
其中，所述控制单元(60b)包括第二反馈回路(66)，其用于控制所述电容器电压(vC)围绕参考电容器电压(vCmean_ref)摆动。
6.根据权利要求5所述的有源电容器电路(40)，
其中，所述控制单元(60b)被配置为关于所述低频电容器(46)的额定电压确定所述参考电容器电压(vCmean_ref)。
7.根据权利要求2和5所述的有源电容器电路(40)，
其中，所述第一反馈回路(61)和所述第二反馈回路(66)级联，从而所述第一反馈回路(61)形成内部回路，以导出内部控制信号(Sd)，并且所述第二反馈回路(66)形成外部回路，以导出外部控制信号，其中通过高通滤波所述驱动电压(vD)、将所述高通滤波的驱动电压放大驱动电压放大因子、以及从经放大的高通滤波驱动电压减去所述外部控制信号，而从所述驱动电压(vD)确定所述参考电容器电流(iCref)。
8.根据权利要求2所述的有源电容器电路(40)，
其中所述控制单元(60b)被配置为在用于控制所述电容器电流(iC)的所述第一控制回路(61)中使用所述参考电容器电流(iCref)之前，将调制信号(iDmod)增加到所述参考电容器电流(iCref)。
9.根据权利要求8所述的有源电容器电路(40)，
其中，所述控制单元(60c)被配置为从所述驱动电压(vD)和/或所述电容器电压(vC)确定所述调制信号(iDmod)。
10.根据权利要求1所述的有源电容器电路(40)，
其中所述输出功率级(50a)包括双向转换器，特别是双向升压转换器、双向降压转换器或双向降压-升压转换器。
11.根据权利要求10所述的有源电容器电路(40)，
其中所述控制单元(60)被配置为控制所述双向转换器以准方波模式工作。
12.根据权利要求10所述的有源电容器电路(40)，
其中所述双向转换器包括输出电感器(54)和输出电容器(55)，所述输出电感器(54)被耦合在所述双向转换器的开关结点(53)和耦合端子(41)之间，并且所述输出电容器(55)被耦合在所述耦合端子(41、42)之间。
13.一种用于驱动负载(22)的驱动器器件(30)，所述负载特别是包括一个或多个LED(23)的LED单元，所述驱动器器件包括：
功率输入端子(33、34)，用于从外部电源(20)接收周期性电源电压，
输入转换器级(32)，被耦合到所述功率输入端子(3334)，以用于将所述周期性电源电压(vS)转换为所述驱动电压(vD)并且用于在转换器输出端子(35、36)处输出中间电流(iPSU)，以及
如权利要求1到12中任一项所述的有源电容器电路(40)，其被耦合到所述输入转换器级(32)的所述转换器输出端子(35、36)。
14.根据权利要求13中所述的驱动器器件(30)，
其中所述控制单元(60)被配置为控制所述双向转换器在比所述输入转换器级(32)更高的开关频率下工作。
15.一种灯装置，包括：
功率输入端子(33、34)，用于从外部电源(20)接收周期性电源电压，
输入转换器级(32)，被耦合到所述功率输入端子(3334)，用于将所述周期性电源电压(vS)转换为所述驱动电压(vD)并且用于在转换器输出端子(35、36)处输出中间电流(iPSU)，
耦合端子(41、42)，被耦合到所述输入转换器级(32)的所述转换器输出端子(35、36)，以用于提供驱动被耦合在所述耦合端子(41、42)之间的负载(22)的驱动电压(vD)和/或提供电流(iD)，
输出功率级(50)，被耦合在所述耦合端子(41、42)之间，以用于将所述周期性电流(iA)转换为所述驱动电流(iD)，
低频电容器(46)，被耦合在所述输出功率级(50)的电容器输出端子(48)和耦合端子(42)之间，以及
控制单元(60)，用于通过使用从所述驱动电压(vD)、跨所述低频电容器(46)的电容器电压(vC)和/或通过所述低频电容器(46)的电容器电流(iC)的反馈获得的控制信号(Sd)，来控制所述输出功率级(50)，以及
灯组件，包括被耦合到所述耦合端子(41、42)的一个或多个灯单元，所述灯单元特别是包括一个或多个LED(23)的LED单元。
CN201280047948.1A 2011-09-30 2012-09-28 有源电容器电路 Active CN103858328B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161541343P 2011-09-30 2011-09-30
US61/541,343 2011-09-30
PCT/IB2012/055180 WO2013046160A1 (en) 2011-09-30 2012-09-28 Active capacitor circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103858328A true CN103858328A (zh) 2014-06-11
CN103858328B CN103858328B (zh) 2017-02-15

Family

ID=47178786

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280047948.1A Active CN103858328B (zh) 2011-09-30 2012-09-28 有源电容器电路

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9258858B2 (zh)
EP (1) EP2745387A1 (zh)
JP (1) JP6290085B2 (zh)
CN (1) CN103858328B (zh)
WO (1) WO2013046160A1 (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105262328A (zh) * 2014-06-16 2016-01-20 香港城市大学 一种用于电力电子系统上的输入滤波器
CN107079548A (zh) * 2014-08-01 2017-08-18 飞利浦灯具控股公司 用于驱动负载的电路
CN107491130A (zh) * 2017-08-29 2017-12-19 浙江工贸职业技术学院 一种有源电容器电路
TWI623243B (zh) * 2017-05-26 2018-05-01 轉換式定電流led驅動器
CN108966403A (zh) * 2017-05-26 2018-12-07 台湾半导体股份有限公司 转换式定电流led驱动器
CN110462959A (zh) * 2017-02-09 2019-11-15 艾弗尔软件和功能有限公司 用于双极电压源的有源滤波器
CN113109611A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 歌瑞宇航电子(天津)有限公司 一种中低电压电源测试用有源负载

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130006039A1 (en) * 2010-02-10 2013-01-03 Sadler John W Power management in transcranial magnetic stimulators
KR101321236B1 (ko) * 2012-11-01 2013-10-28 명지대학교 산학협력단 Ｐｆｃ 컨버터의 출력전압 리플 보상 장치 및 이를 이용한 전기 차량용 배터리 충전 장치
US9225249B2 (en) * 2014-01-28 2015-12-29 Honeywell International Inc. Power management alarm devices
EP3342258B1 (en) * 2015-12-01 2019-06-05 Signify Holding B.V. Coded light modulation arrangement
US11606849B2 (en) * 2019-06-28 2023-03-14 Texas Instruments Incorporated Active shunt filtering
US20240147590A1 (en) * 2021-03-12 2024-05-02 Signify Holding B.V. A power converter for converting an input to an output for driving a load, as well as a corresponding led based lighting device and a corresponding method
US12051975B2 (en) 2021-09-14 2024-07-30 Collins Aerospace Ireland, Limited Three-level boost converter to maintain a zero-voltage switching condition at an output thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5345376A (en) * 1993-02-19 1994-09-06 Tescom Corporation Switching power supply with electronic isolation
US20100213858A1 (en) * 2009-01-22 2010-08-26 Yoshifumi Kuroki Power supply for an led illumination device
EP2315497A1 (en) * 2009-10-09 2011-04-27 Nxp B.V. An LED driver circuit having headroom/dropout voltage control and power factor correction
CN102158079A (zh) * 2010-01-26 2011-08-17 松下电工株式会社 电源装置和照明器具

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3232741B2 (ja) * 1993-02-23 2001-11-26 松下電工株式会社 電源装置
US5416387A (en) * 1993-11-24 1995-05-16 California Institute Of Technology Single stage, high power factor, gas discharge lamp ballast
US7202608B2 (en) 2004-06-30 2007-04-10 Tir Systems Ltd. Switched constant current driving and control circuit
JP2007097258A (ja) * 2005-09-27 2007-04-12 Univ Of Tokushima アクティブ制御キャパシタ装置
US7919928B2 (en) 2008-05-05 2011-04-05 Micrel, Inc. Boost LED driver not using output capacitor and blocking diode
US20100270931A1 (en) 2009-04-24 2010-10-28 City University Of Hong Kong Apparatus and methods of operation of passive led lighting equipment
US8305004B2 (en) 2009-06-09 2012-11-06 Stmicroelectronics, Inc. Apparatus and method for constant power offline LED driver
WO2011027816A1 (ja) * 2009-09-05 2011-03-10 加賀コンポーネント株式会社 電源回路および発光装置
JP2011193653A (ja) * 2010-03-15 2011-09-29 Univ Of Tokushima アクティブ制御蓄電池
US8294388B2 (en) * 2010-05-25 2012-10-23 Texas Instruments Incorporated Driving system with inductor pre-charging for LED systems with PWM dimming control or other loads
CN102457049B (zh) * 2010-10-29 2014-07-02 登丰微电子股份有限公司 电源转换控制器及发光二极管驱动电路
JP5891454B2 (ja) * 2011-04-18 2016-03-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体発光素子の点灯装置およびそれを用いた照明器具

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5345376A (en) * 1993-02-19 1994-09-06 Tescom Corporation Switching power supply with electronic isolation
US20100213858A1 (en) * 2009-01-22 2010-08-26 Yoshifumi Kuroki Power supply for an led illumination device
EP2315497A1 (en) * 2009-10-09 2011-04-27 Nxp B.V. An LED driver circuit having headroom/dropout voltage control and power factor correction
CN102158079A (zh) * 2010-01-26 2011-08-17 松下电工株式会社 电源装置和照明器具

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CECILIO BLANCO ET AL: "A single stage fluorescent lamp ballast with high power factor", 《THE APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION》, 3 March 1996 (1996-03-03) *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105262328A (zh) * 2014-06-16 2016-01-20 香港城市大学 一种用于电力电子系统上的输入滤波器
CN105262328B (zh) * 2014-06-16 2019-05-17 香港城市大学 一种用于电力电子系统上的输入滤波器
CN107079548A (zh) * 2014-08-01 2017-08-18 飞利浦灯具控股公司 用于驱动负载的电路
CN107079548B (zh) * 2014-08-01 2019-01-18 飞利浦灯具控股公司 用于驱动负载的电路
CN110462959A (zh) * 2017-02-09 2019-11-15 艾弗尔软件和功能有限公司 用于双极电压源的有源滤波器
CN110462959B (zh) * 2017-02-09 2023-11-03 艾弗尔软件和功能有限公司 用于双极电压源的有源滤波器
TWI623243B (zh) * 2017-05-26 2018-05-01 轉換式定電流led驅動器
CN108966403A (zh) * 2017-05-26 2018-12-07 台湾半导体股份有限公司 转换式定电流led驱动器
CN108966403B (zh) * 2017-05-26 2020-09-04 台湾半导体股份有限公司 转换式定电流led驱动器
CN107491130A (zh) * 2017-08-29 2017-12-19 浙江工贸职业技术学院 一种有源电容器电路
CN113109611A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 歌瑞宇航电子(天津)有限公司 一种中低电压电源测试用有源负载
CN113109611B (zh) * 2021-04-15 2022-09-13 歌瑞宇航电子(天津)有限公司 一种中低电压电源测试用有源负载

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013046160A1 (en) 2013-04-04
US20140368128A1 (en) 2014-12-18
JP6290085B2 (ja) 2018-03-07
CN103858328B (zh) 2017-02-15
US9258858B2 (en) 2016-02-09
EP2745387A1 (en) 2014-06-25
JP2014532261A (ja) 2014-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103858328A (zh) 有源电容器电路
US8076920B1 (en) Switching power converter and control system
US6781351B2 (en) AC/DC cascaded power converters having high DC conversion ratio and improved AC line harmonics
TWI434622B (zh) 轉換器之等效電阻值的控制方法與裝置
CN102237794B (zh) 开关电源的控制电路和控制方法、发光装置及电子设备
TWI288522B (en) Circuit and method for controlling DC-DC converter
US9210749B2 (en) Single switch driver device having LC filter for driving an LED unit
CN102474189B (zh) 低成本电源电路和方法
US9502981B2 (en) Enhanced power factor correction
CN102047760B (zh) 电源装置以及灯具、车
TWI530079B (zh) 無電解電容之交流／直流轉換器及其控制方法
CN104054226A (zh) 具有高功率系数的脉动抵消变换器
CN103441658A (zh) 一种Boost控制器及Boost变换器
CN103636107A (zh) 用于驱动负载特别是led单元的、具有输入和输出滤波器的dc-dc驱动器设备
KR20150083039A (ko) 제로 크로싱 보상 전류 및 저항기에 의한 케이블 보상
CN102958244A (zh) Led驱动电路和led驱动方法
CN104396128A (zh) 功率因数校正电路、用于照明用具的操作装置和用于控制功率因数校正电路的方法
CN201075835Y (zh) 新型音频功放电源
CN113381626B (zh) 一种适于调光驱动的负载供电系统和调光驱动系统
CN113572353A (zh) 一种双向Boost变换器、控制系统及控制方法
JP2011513982A (ja) 発光ダイオードの駆動
US20100270931A1 (en) Apparatus and methods of operation of passive led lighting equipment
Pal et al. Improved power quality opto-couplerless Cuk converter for flickerless LED lighting
Singh et al. A single stage optocoupler-less buck-boost PFC driver for LED lamp at universal AC mains
Shrivastava et al. A universal input single-stage front end power factor corrector for HB-LED lighting applications

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20170309

Address after: The city of Eindhoven in Holland

Patentee after: KONINKL PHILIPS NV

Address before: The city of Eindhoven in Holland

Patentee before: Koninkl Philips Electronics NV

CP03 Change of name, title or address
CP03 Change of name, title or address

Address after: Eindhoven

Patentee after: Signify Holdings Ltd.

Address before: The city of Eindhoven in Holland

Patentee before: PHILIPS LIGHTING HOLDING B.V.