CN104247564A - 用于照明装置的llc谐振转换器的操作方法、转换器和led变换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于照明装置(5)的LLC谐振转换器(19)，该LLC谐振转换器包括初级电路(19)和与其电隔离的次级侧(30)。在操作LLC谐振转换器(19)的过程中，以时钟控制的方式接通半桥的第一开关(21)和第二开关(22)，初级电路(19)的LLC谐振电路(25-27)与该半桥相连。从次级侧(30)的输出端(35)供电的负载(5)根据在初级电路(20)中获取的测量参数(iavg)来检测。基于在初级电路(20)中获取的、指示负载(5)的测量参数(iavg)可变地控制半桥(21、22)。

Description

用于照明装置的LLC谐振转换器的操作方法、转换器和LED变换器
本发明涉及一种用于照明装置的转换器、LED变换器和用于这种类型的转换器的操作方法。本发明尤其涉及这样的装置和方法，即，其中利用所谓的SELV(“独立特低压”或“安全特低压”)装置为照明装置，尤其是包括一个或多个发光二极管的照明装置供电。
具有电位隔离的转换器用于从输入侧至输出侧的电能的电去耦输送。这种转换器被用于不同的应用中，例如在时钟控制的开关电源中，以供应电流或电压。在时钟控制的转换器中使用并以时钟控制的方式来操作能够被设计为功率开关形式的可控开关，以便将电能输送到输出侧。电去耦方式的能量输送可以通过使用变压器或者其他转换器来实现。在用于照明装置的操作装置中出于安全原因考虑需要这种类型的电隔离或者电位隔离，以便通过所谓的电位势垒或者SELV势垒将ELV(“特低压”)区域与具有较高供电电压、尤其是电源电压的区域隔离。
为了对照明装置进行操作可以使用被构造成具有谐振电路的所谓的谐振转换器的转换器。该谐振电路可以是串联电路或者并联电路。转换器的这种设计的目的在于，保持极低的损耗。包括LLC谐振电路(具有两个电感器和一个电容器)的谐振转换器能够在初级侧进行谐振控制或者类谐振控制。这种转换器具有以下优势，即能够以相对较低的开关损耗实现节能操作。
用于照明装置的转换器或者包括这种转换器的操作装置可以作为恒定电流源(也是FCC装置，“固定的恒定电流”)或恒定电压源(也是FCV装置，“固定的恒定电压”)来设计或操作。恒定电压源例如可以用于具有电子装置的LED模块以确保通过由该恒定电压源输送的输出电压来向LED供应相应的预定电流。
在生产用于操作LED的恒定电压流时通常尚不知相应的转换器应与多少LED一起使用。当针对一定数量或类型的LED或者某个LED模块对转换器进行优化时，可以向该转换器的使用者提供相应的指示，以便保持这些转换器只用于特定类型的LED或者相应的LED模块。然而未保证使用者会执行该指示。因此希望提供能够自动识别与转换器的输出端相连的负载的转换器。这使得必要时对转换器的操作与该负载相适应。
负载识别应用存在于在转换器的次级侧中的输出端处或者在另一合适的位置处所进行的测量过程中。在次级侧检测到的电压则可以通过隔离件输送回到初级侧。SELV势垒的连接需要相应的组件，这些组件提高了操作装置的结构空间和/或成本。美国专利US 2012/0033453 A1描述了谐振转换器的一个示例，该谐振转换器包括半桥和LLC电路，并且其中设置有隔离件，以便将在输出侧测量出的参数输送回输入侧。美国专利US 2012/0033453 A1还描述了谐振转换器的一个示例，其中在转换器的次级侧控制开关。这需要在次级侧上具有相应的电路部件，尤其是功率开关。期望达到的是，以简单的方式来实现负载识别，该负载识别允许对转换器的操作与所识别的负载相适应。尤其希望无需为此在次级侧上进行测量来实现负载识别以及使转换器的操作适合于被识别的负载。
需要提供在所述目标方面的改进的装置和方法。该装置和方法尤其需要，其中电路技术的支出和/或成本(其与用于桥接SELV势垒的传统装置相关联)能够减少或被避免。这样的装置和方法还需要的，即，其允许有效的能量输送。
根据本发明，提供了具有独立权利要求中所提供的特征的方法、转换器和LED变换器。从属权利要求限定实施方式。
根据本发明的实施例，如此操作LLC谐振转换器(包括初级侧的计时操作的半桥和LLC谐振电路)，即，在初级侧获取测量参数，可以通过该测量参数来确定负载，该负载与LLC谐振转换器的次级侧的输出端耦合。根据在初级侧电路中获取的测量参数来完成对负载的检测。该测量参数可以对应于电流的时间平均值，该电流在LLC谐振电路的半桥电路中流向地。该测量参数还可以与这种电流是成比例的，并且例如对应于流经分流电阻的电流的时间平均值或者经过分流电阻降低的电压的时间平均值。这些参数能够确定由LLC谐振转换器输送的功率，并且能够由此来检测负载。根据检测到的负载，可以调整对半桥的控制。这允许至少部分地补偿与负载相关的对输出电压的影响。(平均)输出电压可以被保持为至少大致与负载无关的值。该LLC谐振转换器可以作为恒定电压源来工作。
根据实施例，可以由此对在LLC谐振转换器的初级侧电路中获取的测量参数进行处理，以便包含关于负载的信息。获取次级侧上的负载的过程以及通过SELV势垒来返回的过程不再是必须进行的。输出电压随负载变化的改变能够至少部分被补偿，而不必获取次级侧上的负载或者描述该负载特征的参数和/或不必例如由次级侧上的功率开关进行有源控制。
根据一个实施例，提供一种用于操作照明装置的LLC谐振转换器的方法。该LLC谐振转换器具有包括半桥和LLC谐振电路的初级侧电路和与其电隔离的次级侧。该方法实现了通过半桥的开关中的计时开关来控制半桥。根据在初级侧电路中获取的测量参数来检测由次级侧的输出端供电的负载。根据在初级侧电路中获取的测量参数来调整对半桥的控制。
使用该方法，使得在LLC谐振转换器中，在初级侧获取的测量参数可以传递关于负载的信息，该负载与转换器的输出端相连。这允许，即使不对次级侧进行测量，也可以获得关于输送功率的信息，以及由此获得关于负载的信息。
转换器可以作为恒定电压源或者FCV装置(“固定的恒定电压”)来操作。该转换器可以被设计为具有电位隔离的装置，其中通过SELV势垒将SELV区域和非SELV区域隔离。
在以此前已知的方式操作半桥时，可以确定测量参数。尤其当半桥的第一和第二开关以预定的固定频率进行时钟控制时，可以确定该测量参数。
对半桥的控制可以被调整成使得随负载变化的LLC谐振转换器的输出电压的转换至少部分被补偿。
对半桥的控制过程的调整可以包括调节半桥的开关的定时。尤其可以对半桥的第一开关和第二开关进行时钟控制时所用的频率进行调节。由此例如可以当识别到输出电压随负载而变小时，至少部分地对此进行补偿，使得开关的接通频率被调节为新值，其中用于相应负载的转换器的增强变的更大，即更靠近频率运动，其中，增强作为用于相应负载的函数具有其最大值。类似地，例如可以在识别到输出电压随负载而提高时，至少部分地对此进行补偿，使得开关的接通频率被调节为新值，其中用于相应负载的转换器的增强变的更小，即更远离频率运动，其中，增强作为用于相应负载的函数具有其最大值。
控制装置可以在使用表格数值查询的情况下根据测量参数和/或通过对测量参数的计算处理来自动调节该频率。控制装置可以被设计为集成半导体电路。该控制装置可以被设计为特定应用的专用电路(ASIC，“专用集成电路“)或者其他的芯片。
表格数值和/或计算处理可以如此进行，即它们取决于根据负载的输出电压，该输出电压在固定时钟控制半桥时出现。由此可以有效降低随负载变化的输出电压的变化。表格数值的查询和/或计算处理可以被执行成，使得在对半桥进行相应改变的控制时，例如通过选择开关的新的接通频率，输出电压与目标值的偏差小于阈值。表格数值和/或计算处理能够根据LLC谐振转换器的理论模型和/或根据LLC谐振转换器处的测量值来确定。表格数值和/或计算处理能够如此执行，即，通过在初级侧获取的测量参数例如可以确定用于半桥开关的新的接通频率。
在初级侧电路中获取的测量参数可以与电流的平均值是成比例的，该电流在半桥的情况下(其中开关在低电位侧被导电接通)，流过初级绕组。与该电流成比例的测量参数可以在合适的位置处被测定，并且以模拟方式或数字方式求平均值。为此例如可以使用流过电阻(在半桥开关和地之间接通)的电流的平均值或者通过电阻降低的电压的平均值作为测量参数。该材料参数在初级侧被检测，并且能够用于检测负载。可以使用电路的飞流电阻来作为测量电阻(在该测量电阻上检测到电流的平均值)。
此外还可以获取电流的峰值。该峰值可以用于激活过电流保护。可以进行用于峰值的阈值比较。如果识别到应该激活过电流保护，可以将接通半桥开关所用的频率更改成使得LLC谐振转换器的增强变小。
可以以分解时间的方式检测初级侧开关的供电电压。可以根据供电电压随时间的变化来改变对半桥的控制。
可以根据初级侧电路的供电电压的纹波，尤其是周期性地改变半桥的时钟控制。半桥的时钟控制可以以对应于供电电压纹波的时间周期的时间周期进行周期性改变。通过这种方式，LLC谐振转换器的输出电压或输出电流中的纹波减小。此外，通过接通频率在频率空间中随时间变化发生改变来拓宽相关的谱峰，其导致在电磁干扰(EMI)方面的改善的关系。
用于控制半桥并且对半桥的控制进行调整的控制装置还可以对初级侧电路的供电电压的随时间变化的效果进行补偿，该供电电压也被称为总线电压。可以以大于纹波频率的速率来采集初级侧电路的供电电压的实际值。控制装置可以根据总线电压的纹波或电压纹波来自动更改半桥开关的接通频率。
作为替换或补充，可以布置控制装置，以便根据测量参数来进行用于限制输出功率的程序。
作为替换或补充，可以布置控制装置，以便根据测量参数来执行故障检测，并且在检测故障状态时启用故障工作状态。用于由控制装置检测的故障示例包括在转换器输出端处的短路和/或断路。故障工作状态可以如此实现，即控制装置输出显示故障的信号，启用安全切断和/或启用其他措施，其避免发生未经允许的操作状态。
作为替换或补充，可以布置控制装置，以便根据测量参数来输出包含关于识别到的负载信息的信号。这种信号例如可以是根据DALI(“数字可寻址照明接口“)标准生成的信号，例如是数据电文。该信号可以作为对相应DALI需求的回应而产生。
根据另一实施例，提供了用于照明装置的转换器。该转换器包括具有半桥和LLC谐振电路的初级侧电路。该转换器包括次级侧，该次级侧与初级侧电路电隔离，并且具有用于为照明装置供电的输出端。该转换器包括用于控制半桥的控制装置，其中该控制装置布置用于根据在初级侧电路中获取的测量参数值中的一个参数来检测与次级侧的输出端相连的负载，并且用于据此来控制半桥。
初级侧电路可以具有与半桥的一个开关串联接通的电阻。可以如此设置该控制装置，使得其采用流过电阻的电流的平均值或者预期成比例的参数作为测量参数。
控制装置可以被布置用于根据测量参数，调节对半桥的第一开关和第二开关进行时钟控制所用的频率，以便至少部分地补偿转换器的输出电压随负载变化的偏差。
控制装置可以被布置用于根据初级侧电路的以分解时间的方式获取的供电电压来改变半桥的时钟控制。
根据有利的或优选的实施例的转换器的设计以及由此分别实现的效果与参照该方法描述的实施例相对应。
根据另一个实施例，提供了一种LED变换器，该转换器包括根据一个实施例的转换器。该LED变换器可以被设计为恒定电压源。
根据另一个实施例，提供了一种照明系统，该照明系统包括LED变换器和与其耦合的照明装置。该照明装置可以包括一个或多个发光二极管(LED)。这些发光二极管可以集成在LED模块中，该模块与LED变换器分开布置。照明系统还可以包括中央控制装置，该中央控制装置被设置用于向LED变换器发送指令，或者对由LED变换器发送的信号进行计算。
下面将参照附图，借助优选的实施例更详细地描述本发明。
图1示出了具有根据一种实施例的LED变换器的照明系统的示意图。
图2示出了根据一个实施例的转换器的电路图。
图3示出了一个负载，可以利用根据一种实施例的转换器为该负载供电。
图4示出了根据一个实施例的转换器的控制装置所产生的用于半桥控制的门电压。
图5示意性示出了在转换器的初级侧中随时间变化而流过电阻的电流。
图6示出了在转换器的初级侧电路中检测到的测量参数与转换器的输出端处的负载的依赖关系。
图7示出了作为负载的函数的、转换器输出电压的待补偿变化图。
图8示出了根据一个实施例的方法的流程图。
图9示出了在采用图8的方法时，用于不同数量的供电LED的转换器的输出电压。
图10示出了根据另一个实施例的转换器的电路图。
图11示出了在根据另一个实施例的转换器中，作为时间函数的半桥开关的接通频率。
图12示出了在修正总线电压的纹波时，转换器的输出电压的纹波。
图13示出了在根据实施例的转换器中改善电磁干扰的过程。
图14示出了门电压和低频调制过程，其产生根据另一个实施例用于半桥控制的的转换器的控制装置。
下文所描述的不同实施例的特征可以相互组合，只要其未被明确排除在以下说明书之外。
图1示出了照明系统1，其中，根据一个实施例的操作装置2向具有LED 3的LED模块供电。该操作装置2可以被设计为LED变换器。该LED变换器2可以被构造为恒定电压源。该LED变换器2可以包括用于与中央控制装置通信的接口，并且被布置用于通过该接口来接收指令，并且通过该接口输出关于LED变换器2的操作状态和/或关于具有LED 3的LED模块的操作状态的信息。
该LED变换器2可以被设计为SELV装置，其中初级侧电路(例如非SELV侧)和次级侧电路(例如为SELV侧)被电隔离。该LED变换器2可以包括AC/DC转换器10。该AC/DC转换器10可以被布置成在输入侧与电源电压相耦合。该AC/DC转换器10可以包括所谓的滤波电路或用于功率因数校正(PFC)的电路。该AC/DC转换器10提供总线电压Vbus作为转换器的供电电压，该转换器具有输入侧或者初级侧电路11和与其电隔离的输出侧或次级侧电路13。电隔离通过变压器12或者其他转换器来实现。
LED变换器2被如此设计和操作，即，该LED变换器起到恒定电压源的作用。为了至少部分地补偿输出给LED的输出电压随负载而发生的变化，LED变换器2被布置用于检测负载，通过LED变换器2的输出端为该负载供电。
在检测负载的过程中，该负载至少在此范围内被量化，即输出电压随负载而发生的变化起反作用。
LED变换器2被设计成使得，在转换器的初级侧上对与次级侧13的输出端相连的负载进行检测。如还将具体描述的一样，在初级侧电路11中检测到测量参数，该测量参数提供有关负载的信息，并且允许对负载量化。可以使用流经初级侧电路11的半桥的低电位侧上的开关的电流的时间平均值，或者技术上等效地使用与该电流成比例的电压来作为测量参数。流过半桥的低电位侧上的开关的电流例如可以通过电压来采集，该电压通过接通在半桥的开关和参考电位(尤其是地)之间的测量电阻而降低。可以使用初级侧电路的分流电阻作为测量电阻，该电阻始终被设置用于安全切断。可被设计为集成电路，并尤其可被设计为ASIC的控制装置14对测量参数进行处理，并且控制LED变换器2的操作，使得可以至少部分地补偿输出电压根据负载的变化。
LED变换器2还被设计成，使得用于补偿输出电压随负载而发生的变化在初级侧11上进行。控制装置14尤其可以根据在初级侧电路11中检测到的测量参数或者该参数所代表的负载来调节接通半桥开关所用的时钟控制。控制装置14尤其可以改变半桥开关接通所用的频率。
在LED变换器2中，可以减少输出电压随负载而发生的变化，不需要返回通过SELV势垒的测量值。在LED变换器2中可以减少输出电压随负载而发生的变化，而不必为此在次级侧上对功率开关进行控制。
控制装置14可以实现其他功能。控制装置14可以在总线电压Vbus(作为初级侧电路11的供电电压被输送)的基础上对LED变换器的组件的操作过程，尤其是对AC/DC转换器10的操作进行调节。控制装置14尤其可以被用作调节器，该调节器稳定地保持总线电压Vbus。控制装置14可以自动执行故障识别，以便识别断路和/或短路。当在初级侧检测到的测量参数不在用于持续操作LED变换器2的可接受的值的区间内时，控制装置14可以进行相应的安全切断过程。作为替代或补充，控制装置14可以实施其他功能，例如过电流保护，其中通过改变对半桥开关的时钟控制减少输出侧的电流。控制装置14还可以执行控制LED变换器的常规功能，如对经由总线4或者经由无线接口接收的指令进行转化。
参照图2至图14更详细地描述根据实施例的转换器的功能和构造。
图2是根据一种实施例的转换器19的电路图。转换器19包括初级侧电路20和次级侧30。在初级侧电路20和次级侧30之间存在电位隔离。为了进行隔离，可以设置具有初级绕组28和次级绕组29的变压器。该变压器具有主电感器，该主电感器还可以用作LLC谐振电路的其中一个电感器。这在图2中被显示为第二电感器26。转换器19可被用于LED变换器2中或者用于操作LED的其他操作装置中，以满足图1中描述的初级侧电路11、电隔离12以及次级侧13的功能。转换器19用作DC/DC转换器。次级侧30可以是SELV区域，该区域通过SELV势垒39与初级侧区域隔离开。初级侧电路20可以包含不属于SELV区域的所有组件。
初级侧电路20包括LLC谐振电路，该电路被设计为串联谐振电路。该LLC谐振电路具有串联接通的第一电感器25、第二电感器26和电容器27。根据在本领域中使用的一般术语，如此使用术语“LLC谐振电路”或“LLC谐振转换器”，即由此谐振电路用两个电感器和一个电容器或一个相应的转换器来表示，其中电感器26被接通在电感器25和电容器器27之间还是电容器器27被接通在电感器元件25和26之间不受限制。第二电感器元件26表示所谓的变压器初级绕组28的主电感器。第二电感器元件26可以是谐振电路的主电感器，其电感大于第一电感器25。第一电感器25还可以被集成在变压器中，并且例如是漏电感器。另选地，还可以设置除变压器的初级绕组28之外的其它电感器，并且也用作LLC谐振电路的两个电感器中的一个电感器。LLC谐振电路的其他设计也是允许的。
初级侧电路20包括具有可以是功率开关的第一开关和可以是功率开关的第二开关的半桥。第一开关21和第二开关22可以是相同的，并且半桥可以被构造成对称的半桥。开关可以被构造成场效晶体管，例如被构造成MOSFET。谐振电路与第一开关21和第二开关22之间的节点相连。该谐振电路与第一开关21和第二开关22间的半桥的中点相连。谐振电路的第一电感器25的第一连接部可以与半桥电路的第一开关21和第二开关22之间的节点相连。谐振电路的第一电感器25的第二连接部可以与谐振电路的第二电感器26的第一连接部相连。谐振电路的第二电感器26的第二连接部可以与电容器27的第一连接部相连。
在操作转换器19时，控制装置14控制第一开关21和第二开关22。此时将每个开关分别以相同的预定频率接通。控制装置14控制第一开关21和第二开关22，从而使得始终只有两个开关中的一个开关被导通。第一开关21和第二开关22通过控制装置14被交替时钟操作。断开一个开关至接通另一个开关之间的停止时间可以很小，尤其是比接通频率的倒数小得多。
初级侧电路20被如此设计，即其获取测量参数，该测量参数给出当导通第二开关22时从LLC谐振电路流向地的电流的时间平均值，或者该参数与这种电流的时间平均值成比例。初级侧电路20可以具有相应的导体或者接口，利用它可以向控制装置14提供相应的测量参数。如还要具体说明的，这种测量参数允许对负载进行确定，该负载与次级侧30的输入端相连。
基于在初级侧电路中检测到的测量参数iavg推导出有关负载5在转换器的输出端35处的信息。当通过分流电阻23降低的电压通过低通滤波器而被滤波时，可以提供与流过第二开关22的电流的中间值成比例的测量参数。该低通滤波器例如可以包括电阻43和用于时间平均值的电容器44。电容器44的电容被选择成，使得用于平均值的低通滤波器的界限频率比半桥的开关21、22以时钟控制方式接通所用的频率小得多。在初级侧电路中检测到的测量参数iavg被输送给控制装置14。在初级侧电路中获取的测量参数iavg可以在被输送给控制装置14之前，通过A/D转换器45进行A/D转换。
在初级侧电路20的稳定的供电电压Vbus中，初级侧检测到的测量参数iavg与次级侧的输出端35处的负载5有直接关系。这允许在测量参数的基础上检测负载5。控制装置14还用作调节器，其稳定地保持供电电压Vbus，并且为此向LED变换器的连接在初级侧电路20前面的部件，例如向AD/DC转换器输出相应的控制指令。如果负载5例如因LED的数量改变而发生变化，则可以通过相应地改变对半桥的时钟控制来执行补偿，其中在次级侧的输出端35处的与负载有关的效应至少部分被补偿。转换器19被设计成使得次级侧30的输出端35处的输出电压与供电电压Vbus(被输送给初级侧电路20)具有预定的关系。这种关系在其中与负载有关的效应尚未被补偿的情况下，只是较弱地依赖于负载。因此，测量参数iavg尤其适合于检测负载。
用于确定与流过第二开关22的电流成比例的测量参数的其他设计也是可以的。例如，与流过第二开关22的电流成比例的电压不必通过分流电阻23来测量，而是还可以设置单独的测量电阻，该测量电阻连接在第二开关22和地之间。流过第二开关22的电流的时间平均值不必以模拟信号执行，而是还可以根据A/D转换，尤其是由控制装置14本身来执行。为此在半桥的低电位支路中流动的电流以高于半桥的开关21、22的接通频率的速率来进行A/D变压，并且控制装置14可以将采集到的信号在时间上均分，以便确定iavg。
为了至少部分地对于负载相关的输出电压的改变进行补偿，控制装置14可以具有相应的逻辑装置15，借助该逻辑装置根据在初级侧获取的测量参数来确定用于半桥控制的新的参数。该逻辑装置15可以对相应的计算要求进行计算，该计算要求将在初级侧获取到的测量参数与用于半桥的开关21、22的开关的新的频率或者频率偏差相互关联。作为替代或补充，控制装置14可以包括具有数值表的存储器16，其中逻辑装置15通过根据测量参数调用数值表来确定用于半桥的开关21、22的开关的新的频率或者频率偏差。
次级侧30具有连接在次级绕组29下游的整流器，该整流器例如可以通过第一二极管31和第二二极管32构成。次级绕组29的中点可以与次级侧电路的输出端连接。次级绕组29的端部可以通过二极管31和32与输出端35相耦合。充电电容器34可被插接在整流器的输出端之间。
与次级侧电路30或者转换器的输出端35相连的负载5可以包括一个或多个LED。因为转换器19作为恒定电压源来操作，负载5可以被设计成，使得该负载除了LED外还具有其他组件，以便通过由输出端35输送的恒定电压来产生用于LED的对应预定操作电流。
图3示意性示出了负载50的设计，该负载50可以作为负载5与转换器19的输出端相连。该负载50具有多个LED 52至54以及一个电子装置51。多个LED 52至54例如可被设置为串联电路或者与图3中示出的一样被设置成并联电路，或者设置为串联、并联电路的组合。电子装置51可以被设计成，使得它接收转换器20的输出电压作为操作电压，并且LED52至54被供以预定的操作电流。
参照图4至图9，更加详细地描述了根据实施例的转换器的功能和操作。
图4示意性示出了由控制装置14施加到第一开关21上的门电压61和施加到第二开关22上的门电压63，利用该门电压接通相应的开关。以相同的频率周期性地接通两个开关，其中该两个开关交替地时钟控制。用于第一开关21的门电压61的周期时间60和用于第二开关22的门电压63的周期时间62对于两个开关来说是相同的，这两个周期时间分别可以被限定为门电压的连续上升沿之间的时间。如此交替时钟控制地接通开关21和22，使得始终只导通最多一个开关。切断一个开关和接通另一个开关之间的停止时间与接通频率的倒数相比可以是较小的，即小于周期时间60、62。
如果在操作中，用于补偿负载相关的效果的开关21、22的时钟控制发生改变，则这可以以不同的方式完成。在种设计中，周期时间60、62可以相应地改变，其中接通和切断时间之比保持恒定。在这种情况下，用于每个开关的接通和切断时间随频率的降低或提高而相应地变长或缩短。在另一个设计中，在延长周期时间60、62以及由此延长切断时间时，保持接通时间恒定，从而使得频率具有确保用于检测的负载的一致的输出电压的新值。
开关21、22接通所用的频率可以根据LLC串联谐振电路的属性，尤其是固有频率来选择。该接通频率可以被选择成，使得周期时间60、62大致对应于LLC谐振电路的固有振荡的周期时间。也就是说，每个开关均可以在初始操作状态中被如此接通，使得它是用于接通状态中的持续时间，该持续时间大致对应于LLC谐振电路的固有振荡的半个周期时间。从用于时钟控制开关21、22的初始值出发，接通频率可以根据在初级侧通过测量参数iavg检测出的负载来进行调整。
图5示意性示出了作为时间函数的电流，当第二开关22在LLC谐振电路和地之间被导通时，该电流在半桥的低电位侧中流动。在导通第二开关22的LLC谐振电路的振荡半周期中，相应的电流流过第二开关22并且流过分流电阻23。当采用不同的独立测量电阻时，这将是相应适用的。图5只是简化的示意图。在开始接通第二开关22时，通常在开始时负电流流动。由于谐振输出电路，也提供电压和电流之间已知的相位移动。
示意性示出用于第一负载的电流65和用于第二负载的电流66。向初级侧电流供电的总线电压Vbus稳定地保持。通过电流65或电流66的时间平均值可以由此推断出输送功率或者与次级侧的输出端相连的负载。
图6示意性地作为负载的函数示出了测量参数67的函数关系，该测量参数与流过半桥的第二开关22的电流的时间平均值I_avg成比例。测量参数与负载的依赖性允许该负载根据检测到的测量参数来确定。转换器的控制装置14可以自动确定用于控制半桥的新参数，例如接通开关21、22所用的新的频率。因此即使当不同的负载(例如具有不同的LED数量)与转换器19相连时，也可以提供一致的输出电压。该转换器自动且独立地检测负载，并且相应调整其操作。
图7示出了示例性系统中的负载依赖性，当转换器的半桥针对不同的负载始终以相同的频率接通时，该依赖性将具有输出电压68。在示出的示例中，当负载从初始值(100％)减少至初始值的40％时，输出电压将增加4％。针对这种类型变化的示例是对不同数量的LED的使用。该数量也可能会在操作中，例如在LED失效时发生变化。
输出电压68对负载的函数关系例如通过LLC谐振转换器的理论描述已知和/或可以通过测量来确定。
LLC谐振转换器和根据实施例的方法根据在初级侧上检测的测量参数来检测负载，并且如此调整对半桥的控制，即，图7中示出的与负载相关的输出电压的变化被抵消。这可以例如通过改变半桥开关的接通频率来实现。用于操作连接电桥的参考频率可以如此选择，使得针对参考负载实现预定的目标输出电压。如果输出电压根据输出电压68的负载依赖性而相对于目标输出电压提高，当半桥将以参考频率进行操作时，接通频率可以相对于参考频率发生改变。新的接通频率可以如此选择，即，以更远离一定频率(在该频率下，用于检测负载的转换器的输送功能或增强具有其最大值)的频率来实现转换器操作。转换器的操作点可以由此在转换器的输送功能或者增强的与频率相关的曲线上进行移动，使得当检测到负载时，输出电压再次被带至更接近目标输出电压处，即，抵消输出电压的依赖于负载的提高。如果输出电压根据输出电压68的负载依赖性而相对于目标电压降低，当将以参考频率来操作半桥时，可以相对于参考频率改变接通频率。新的接通频率可以如此选择，即，用于被检测的负载的输出电压再次接近目标输出值或者采用该值。新的接通频率可以例如如此选择，即，以更接近一定频率(在该频率下，用于被检测负载的转换器的输送功能或增强具有其最大值)的频率来实现转换器操作。转换器的操作点可以由此在转换器的输送功能或者增强的与频率相关的曲线上进行移动，使得当检测到负载时，输出电压再次被带至更接近目标输出电压处，即依赖于负载的输出电压的减小被抵消。
根据初级侧检测到的测量参数或者根据由此指示出的负载，可以由控制装置14自动执行对新的接通频率的选择。为此，例如可以实现对一个函数的计算，该函数根据测量值提供新的频率或者相对于参考频率的频率偏差。该函数在测量值中可以是线性的。还可以实现对数值表格的调用，该数值表格为不同的测量参数iavg分别提供相关的新的接通频率或者相对于参考频率的频率偏差。
图8是方法70的流程图，该方法可以由用于控制转换器的控制装置14来执行。该转换器可以被设计为根据一种实施例的转换器。该转换器具有包括半桥控制的LLC谐振电路。该转换器具有初级侧电路和与其电隔离的次级侧。初级侧电路可以例如是转换器的非SELV区域，次级侧可以是转换器的SELV区域。
在步骤71中，开始转换器的操作。在开始操作之后，在步骤72中，以预定的参考频率fsw时钟控制地接通转换器的半桥开关。该频率可以被调整为LLC谐振电路的固有频率。
在步骤73中，在初级侧电路中获取测量参数，以便检测与次级侧的输出端相连的负载。这可以在半桥的控制还基于“标准”参数来实现时得以达成，其中例如以预定的参考频率fsw时钟控制地接通转换器的半桥开关。
在步骤74中，可以监测是否满足准则(其中应该实现对半桥控制的调整)。该准则可以例如包括，在初级侧获取的测量参数是否存在于确定的数值区间中，从而使得负载具有值，在该值情况下，以“标准”参数对半桥进行的控制确保了一个足够接近目标输出电压的输出电压。如果不用对半桥的控制进行调整，则可以在步骤75中，当转换器或者其中安装有转换器的LED变换器继续操作时，基于“标准”参数继续对半桥进行调整。尤其是能够进一步以参考频率fsw时钟控制地接通半桥开关。
如果在步骤74中确定了，应该改变对半桥的控制，则应该确定用于控制半桥的新的参数。例如可以在步骤76中，确定半桥开关接通所用的新的频率。为此可以确定频率偏差，频率应该相对于参考频率变化这样多的偏差，或者它可以被确定为与新的接通频率相等。作为替代或补充，用于每个开关的接通和切断时间以计算方式来确定，或者从数值表格中读取。如前所述，每个开关的切断时间通常比接通时间长所述停机时间。
在步骤77中，调整半桥的控制。可以基于在步骤76中确定的用于半桥控制的新的参数来接通开关。
图9示出了根据实施例的方法和装置的效果，其中，在初级侧检测负载，并且对半桥控制进行相应调整。
输出电压78在补偿(根据负载执行)的基础上仅还具有一个比无补偿更弱的负载依赖性。确定在图9中示出的数据78以用于一个系统，在该系统中，对半桥控制的调整在简单模型基础上进行，该模型在测量参数或负载中是线性的。通过使用数值表和/或考虑更高的级次可以进一步减小输出电压的负载依赖性。
针对图9中示出的数据78(其中使用了线性模型)在负载从初始值(100％)减小到初始值的40％时，输出电压的变化少于±0,8％。这描述出了在没有补偿地操作(通过线68来表示)时，与4％的改变相比显著的降低。
其他的控制功能和/或处理步骤可以由根据实施例的转换器的控制装置14来执行。例如，控制装置14可以获取转换器的初级侧电路的供电电压Vbus。AC/DC转换器和/或滤波电路和/或用于功率因数校正的电路可以在作为调节参数的总线电压的基础上进行调节。以此方式可以稳定地保持总线电压。
此外，控制装置14还可以设计成，使得根据初级侧电路的供电电压Vbus的时间依赖性，尤其是根据该电压的纹波(电压纹波)来调整对半桥的控制。
图10是根据另一个实施例的转换器79的电路图。在设计和功能上与已参照图1至图9加以描述的元件或装置相对应的元件或装置用同样的附图标记来表示。
转换器79具有初级侧电路80，该初级侧电路具有时钟控制操作的半桥和LLC谐振电路。控制装置14基于在初级侧获取的测量参数iavg来检测负载，并且根据负载调整对具有开关21、22的半桥的控制过程。
控制装置14还可以被设计用于提供过电流保护。可以观察流过分流电阻或者流过另一测量电阻的电流的峰值，以便有选择地激活过电流保护。该峰值可以进行阈值比较。为此，例如流过分流电阻的峰值ipeak可以与阈值ref进行比较。这可以简单地通过比较装置83来实现。比较装置的输出信号ipeak_cmp可以输送给控制装置14。可以根据峰值电流的阈值比较的结果来激活过电流保护。为此，控制装置14可以如此改变半桥的开关21、22的接通频率，使得转换器的传输功能或增强过程采用较小的值。该频率可以如此改变，即从增强曲线的最大值移开。为了实现过电流保护而进行的频率改变可以根据分别检测的负载来实现，以便确保针对对应于分别检测到的负载的与频率相关的增强曲线按照所期望地实现减小输送功率和/或输出电流的目的。作为比较装置83的替代，也可以通过控制装置14来实现电流峰值与数字域中的参考值的计算比较。
控制装置14还可以实现对初级侧电路的供电电压Vbus的调节。供电电压Vbus可以通过具有电容器18的低通滤波器或者例如通过RC元件和控制装置14的A/D转换器82来输送。电容器81的电容可以如此选择，即低通滤波器的界限频率比供电电压Vbus的纹波或电压纹波大，尤其是大得多。该电压通常具有大致100Hz的频率。控制装置14如此检测供电电压Vbus(也被称为总线电压)，即控制装置14检测供电电压Vbus的纹波或电压纹波。控制装置14以比供电电压Vbus的电压纹波的周期大的，尤其是大得多的速率来采集供电电压。控制装置14可以如此控制AC/DC转换器10、滤波电路或用于功率因数校正的电路，即供电电压Vbus的时间平均值被调整为额定值。
此外，控制装置14可以根据初级侧电路80的供电电压Vbus随时间变化调整对半桥的控制。例如可以根据供电电压的纹波随时间变化调整对半桥的控制。半桥开关在接通状态下的接通频率可以根据供电电压的纹波，随时间变化，尤其是周期性地进行改变。即使当如在图4中示出的一样，由于接通周期的有限的周期持续时间60、62，而不能连续调整频率时，也可以由于供电电压Vbus中的电压纹波的周期与接通周期的周期持续时间60、62之间的大的区别，而使得用于半桥开关的时钟控制的周期持续时间60、62近似连续地根据输出电压的电压纹波来执行。因此，例如可以分别在一些接通周期之后或者在一个接通周期之后确定用于半桥开关时钟控制的周期持续时间60、62的新值。通常情况下，时间尺度的划分在于，在供电电压(可以具有100Hz的频率)的电压纹波的一个周期中，运行几百或甚至几千次半桥开关的接通循环。
如此调整半桥开关的频率，使得在总线电压Vbus的电压纹波的局部最大值时，转换器的增强降低，并且在总线电压Vbus的电压纹波的局部最小值时，转换器的增强提高。因此，供电电压的波动总是可以被补偿到一定的程度。可以减少转换器的输出电压或输出电流的纹波。
图11示出了在操作转换器79时，半桥开关的接通频率的典型走向90。开始时可以参考频率91来接通开关。在该操作状态中，可以在初级侧检测测量参数，该测量参数允许对次级侧输出端处的负载进行检测。根据测量参数或者相应的负载，可以如此调整半桥的控制，即接通开关所用的频率移动频差92，该频差可以是正值或者负值。频率此时可以连续地或者近似连续地增大或者缩小频差92。与总线电压的纹波无关的转换器操作在随后可以以新的接通频率93以时钟控制的方式来接通开关。
如图11中示出的，根据总线电压Vbus的电压纹波的周期性，接通频率也周期性地以值93进行改变。相应的周期持续时间95比LLC谐振电路的固有振荡的周期持续时间以及用于半桥开关的接通周期的相关的周期持续时间60、62大得多。
根据总线电压Vbus(为初级侧电路供电)的纹波进行的频率调整可以与总线电压Vbus的纹波同相或反相，这取决于转换器在转换器输送曲线上的哪个工作点处工作。如此进行变化，使得在总线电压Vbus的电压纹波的局部最大值时，接通频率的提高或降低导致输送功能的值的降低和/或在总线电压Vbus的电压纹波的局部最小值时，接通频率的提高或降低导致输送功能的值的提高。接通频率94的周期性改变的符号和幅度通过LLC转换器的理论描述已知。控制装置14可以使用接通频率的周期性改变的固定幅度和/或以计算的方式或通过调用数值表格来确定。
当接通频率94的波纹状改变的幅度根据负载来选择时，已经可以实现转换器输出电压的纹波的减小。在其他设计中，甚至可以考虑，改变转换器的输送功能作为负载的函数。接通频率94的波纹状改变的幅度可以根据检测到的负载或者根据显示该负载的测量参数iavg来选择。电压冲击的进行仅用于抑制电磁干扰，因此可以省略。
图12示出了根据初级侧电路的供电电压Vbus 96的纹波对多半桥控制进行调整的效果。没有对纹波的补偿，输出电压97同样具有电压纹波。电压纹波的幅度可以通过对半桥控制随时间进行调整而减小。在对半桥控制进行调整时，在转换器的输出端处能够达到输出电压98，其纹波与输出电压97相比减小。
根据总线电压Vbus的纹波对半桥开关的接通频率随时间进行调整可以改善电磁干扰。随时间变化而进行的调整可以将干扰电压的频谱比重(这将没有这种与时间相关的调整在单一频率情况下集中)分布到更大的频谱范围。
图13示出了干扰电压VEMI的频谱中的这种类型的频谱展宽。在以固定频率接通半桥开关时，干扰电压VEMI的频谱101具有尖锐的谱峰。在根据总线电压Vbus的纹波对半桥开关的接通频率随时间调整时，加宽干扰电压VEMI的频谱102，从而可以减少电磁干扰。
用于控制半桥的复杂方法可以在本发明的其他实施例中实现。例如针对改进的可调整性和对转换器的控制，对半桥的控制可以不仅通过对开关的接通频率的控制来实现。对半桥开关的控制可以与低频脉宽调制相结合，其中，半桥在确定的时间段内完全切断，即，两个开关切断一定的时间段。该时间段可以包括开关的多个接通周期。
图14示出了与半桥的这种控制相关的信号。控制装置14产生用于半桥的脉宽调制的信号107。此时在接通周期108期间，交替地以时钟控制方式接通半桥的第一开关和第二开关，如前述的那样。对应于第一开关21的门电压和对应于半桥的第二开关22的门电压在接通周期108中运行分别具有周期持续时间110或112的多个接通周期。
在随后的切断周期109中，第一开关和第二开关保持切断。控制装置14可以输出相应的控制信号，该信号确保了开关在切断周期109期间保持切断。切断周期109的持续时间可以包括多个周期持续时间110、112。
随后，接通周期108和切断周期109的序列可以循环重复。图14中的描述此时是示意性的，接通周期108和切断周期109的持续时间可以比周期持续时间110、112大得多，并且例如可以包含几十个到几千个这样的周期持续时间110、112。接通周期108和切断周期109的持续时间的比率可以由转换器的控制装置14自动进行调节。这种调整可以根据在初级侧上获取的测量参数和/或根据所希望的亮度来实现。
初级侧低频脉宽调制的使用(其中半桥在切断期间109被断开)可以与不具有这种低频脉宽调制的操作结合起来。两个操作类型之间的过渡可以根据如下来实现，即应该通过转换器来输送功率。如果功率小于阈值，则可以启用具有初级侧低频脉宽调制的操作。如果功率超出阈值，则可以终止不具有初级侧低频脉宽调制的操作。
虽然参照附图对实施例进行了描述，可以在其他实施例中进行修改。流过分流电阻(连接在半桥开关和地之间)的电流的平均值可以被用作用于负载的指示器，也可以在初级侧电路的其他元件处执行对负载的相应的初级侧检测例如可以设置独立的测量电阻。
根据实施例的转换器的控制装置和LED变换器可以被设计为集成半导体电路。该控制装置可以被设计为特定应用的专用电路(ASIC，“专用集成电路“)或者其他的芯片。可以使用控制装置的其他设计形式。
电感器和电容器可以分别由相应的电感器或电容器元件(例如作为线圈或电容器)构成。然而也可以将较小的电感器，例如LLC谐振电路的较小的电感器构造成漏电感器。类似的，将较小的电容器构造成漏电容器。
可以将LLC谐振电路的线圈中的一个线圈设置成与变压器的一个初级绕组并联，或者在其他实施例中，转换器的初级绕组还可以用作LLC谐振电路的其中一个电感器或者甚至是两个电感器。
根据实施例的转换器和方法尤其可以用于为具有LED的模块供电。

Claims (17)

1.一种用于照明装置(3；5；50)、尤其是具有LED(52-54)的照明装置(3；5；50)的LLC谐振转换器(19；79)的操作方法，其中所述LLC谐振转换器(19；79)包括初级侧电路(20；80)和与该初级侧电路电隔离的次级侧(13；30)，所述初级侧电路具有半桥(21，22)和LLC谐振电路(25-27)，该方法包括：
通过对所述半桥的开关(21，22)进行时钟控制式接通来控制所述半桥(21，22)，
基于在所述初级侧电路(20；80)中获取的测量参数(iavg)来检测负载(3；5；50)，该负载由所述次级侧(13；30)的输出端(35)供电，以及
基于在所述初级侧电路(20；80)中获取的测量参数(iavg)来调整对所述半桥(21，22)的控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调整对所述半桥(21，22)的控制，使得至少部分地补偿所述LLC谐振转换器(19；79)的输出电压(68)的随负载变化的偏差。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述半桥(21，22)的控制过程的调整包括：调节所述半桥的第一开关(21)和第二开关(22)以时钟控制方式进行接通所用的频率(93)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，控制装置(14)根据所述测量参数(iavg)在使用表格数值查询的情况下和/或通过对测量参数的计算处理来自动调节所述频率(93)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述表格数值查询和/或计算处理取决于所述输出电压(68)的负载依赖性，该输出电压在对所述半桥(21,22)进行固定时钟控制时出现。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述初级侧电路(20；80)中检测到的所述测量参数(iavg)与电流平均值成比例。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述初级侧电路(20；80)中获取的所述测量参数(iavg)与流过电阻(23)的电流平均值成比例，该电阻被插接在所述半桥的开关(22)和参考电位、尤其是和地之间。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，检测所述电流的峰值(ipeak)，并且有选择地根据所述峰值(ipeak)的阈值比较来启用用于所述照明装置(3；5；50)的过电流保护操作模式。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述初级侧电路(20；80)的供电电压(Vbus；96)以分解时间的方式来检测，并且其中根据所述供电电压(Vbus；96)随时间变化来改变对所述半桥(21，22)的控制。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，根据所述初级侧电路(20；80)的所述供电电压(Vbus；96)的纹波随时间变化来改变对所述半桥(21，22)的时钟控制(94)，尤其是周期性地改变对所述半桥(21，22)的时钟控制(94)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据所述测量参数(iavg)至少执行以下任一操作：
-功率限定；
-故障检测，用于启用故障模式；
-生成与所述测量参数(iavg)相关的信号，并且向信号总线(4)发出信号。
12.一种用于照明装置的转换器，该转换器包括：
初级侧电路(20；80)，该初级侧电路具有半桥(21,22)和LLC谐振电路(25-27)，
次级侧(13；30)，该次级侧与所述初级侧电路(20；80)电隔离，并且具有用于为所述照明装置供电的输出端(35)，以及
控制装置(14)，用于控制所述半桥(21,22)，其中所述控制装置被设置成用于根据在所述初级侧电路(20；80)中获取的测量参数(iavg)来检测在所述次级侧(13；30)的所述输出端(35)处的负载(3；5；50)，并且用于由此控制所述半桥(21,22)。
13.根据权利要求12所述的转换器，其中，所述初级侧电路(20；80)具有电阻(23)，该电阻与所述半桥的开关(22)串联连接，并且其中所述控制装置(14)被设计用于将流过所述电阻(23)的电流平均值或者与之成比例的参数用作测量参数(iavg)，以便至少部分地补偿所述谐振转换器(19；79)的输出电压随负载变化的偏差。
14.根据权利要求13所述的转换器，其中，所述控制装置(14)被设计用于根据所述测量参数(iavg)来调节所述半桥的第一开关(21)和第二开关(22)以时钟控制的方式接通所用的频率(93)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的转换器，其中，所述控制装置被设置成用于根据所述初级侧电路(20；80)的以分解时间的方式获取的供电电压(Vbus；96)来改变所述半桥(21，22)的时钟控制(90)。
16.根据权利要求12所述的转换器，所述转换器被设置用于执行根据权利要求2至11中的任一项所述的方法。
17.一种LED变换器，其包括根据权利要求12至16中的任一项所述的转换器(19；79)，其中所述LED变换器(2)被设计为恒定电压源。
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