CN104640305A

CN104640305A - 电流、电压移相软开关控制技术及无频闪交流照明驱动

Info

Publication number: CN104640305A
Application number: CN201310593216.9A
Authority: CN
Inventors: 刘晓博
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-20

Abstract

本发明涉及电流、电压移相软开关控制技术及无频闪交流照明驱动，电流电压混合型移相软开关技术能够提供移相的PWM脉波，使得桥臂电流频率相同但相位错开一定角度；应用于LED照明，对于交流LED，单个交流LED具有频闪，但是由于移相，多串交流LED光强互补，总光强几乎为恒定直流，将多个桥臂电流整流滤波后驱动直流LED，滤波电容和电感大大减小，具有体积小的特点，是一种节能产品。

Description

电流、电压移相软开关控制技术及无频闪交流照明驱动

技术领域

本发明属于电力电子驱动领域，特别涉及一种电流、电压移相软开关控制技术，以及在照明驱动的应用。

背景技术

电力电子控制技术中，移相控制皆为电压型控制，多采用DSP等芯片实现，若不采用DSP等高性能的芯片，仅采用少量的数字和模拟电路如何实现移相，此外电流型控制具有高精度和不受电路参数影响的特点，但是不能用于移相控制。

直流LED及直流驱动为代表的直流照明是目前照明行业的趋势，交流照明与直流照明相比最大的缺点在于交流照明具有频闪，使得交流照明难以成为未来照明行业的主流。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流型移相软开关控制技术、电流电压混合型移相软开关控制技术，该技术应用于交流照明驱动可得无频闪交流照明驱动。

本发明提供的一种简化的电流型移相软开关控制技术，其特征在于，建立电流空间，空间内的一个点与桥臂电流的一种情况对应，电流向量I表示电流空间内的一个点，状态向量D是电流向量I的一种，D的导数与桥臂电压对应且成比例，桥臂电压的所有情况对应的状态向量D的集合是Dg；状态向量D作为电流子空间IZ的法向量与实数a一起确定子空间IZ，全部电流子空间的集合是IZg，Dg的元素通过a与IZg的元素一一对应，即Dn通过an对应IZn(n为自然数，Dn为Dg第n个元素，an为a第n个元素，IZn为IZg第n个元素)；实施时包括如下步骤：

步骤1：检测各桥臂电流，得到电流向量I；

步骤2：若I超过电流子空间IZn，IZn通过an与Dn对应，则选取状态向量D′，且D′≠Dn；

步骤3：令电路开关状态改变为向量D′对应状态；

电流型移相控制技术进一步详细化，对于具有N个可控桥臂的电路，第n个桥臂电流为in，N个桥臂的电流组成N维电流向量I是[i1，i2，i3…in]，为N维线性空间，IZ是线性空间中的子空间；不考虑死区时间的情况下，N个可控桥臂开关的状态组成N维状态向量D；状态向量D是指，N维向量[d1,d2,d3...dn]，其任意元素dn只具有两种值，比如1、0或1、-1，1表示上桥臂开关开通、下桥臂开关断开，0或-1表示下桥臂开通、上桥臂断开；设状态向量D采用-1，1作为元素d的值，D与子空间IZ的点乘D.IZ是N个桥臂的电流的符号和，即桥臂电流in的符号对应于-1、1两种状态，取+in对应于1，-in对应于-1，则N个桥臂的电流的符号和±in…±i3±i2±i1对应状态向量D，例如状态向量[1，1，1，1]对应i1+i2+i3+i4，[1，1，1，-1]对应i1+i2+i3-i4；n为正整数，令N维状态向量D的一个实例用Dn代表，电流向量子空间IZ的一个实例用IZn表示，满足IZn.Dn=an，an为正实数；实施方法一：

步骤1：检测各桥臂电流，得到N维电流向量I；

步骤2：若I.Dn>an，选取除Dn以外的状态向量D′；

步骤3：令电路开关状态改变为向量D′对应状态；

实施方法二：

步骤1：令n=1，集合DA为空；

步骤2：当前的电路开关状态对应向量Dn，DA=DAU Dn；

步骤3：检测各桥臂电流，得到N维电流向量I；

步骤4：若I.Dn>an，选取除集合DA以外的状态向量D′；

步骤5：令电路开关状态改变为向量D′对应状态；

步骤6：n=n+1；

步骤7：若n≤N，跳到步骤2；

步骤8：结束

将状态向量D的实例进行排序，得到有序集合Dp，Dpn是有序集合Dp的第n个元素；

实施方法三：

步骤1：检测各桥臂电流，得到N维电流向量I；

步骤2：若I.Dpn>an，令电路开关状态改变为向量Dp(n+1)对应状态(若n=N，Dp(n+1)是有序集合Dp的第1个元素)；

或

步骤1：检测各桥臂电流，得到N维电流向量I；

步骤2：若I.Dpn>an，令电路开关状态改变为向量Dp(n-1)对应状态(若n=1，Dp(n-1)是有序集合Dp的第N个元素)；

上述步骤并未包含死区生成，为实现软开关控制，只需要在所得PWM脉波变化时刻添加死区即可。

本发明提供的一种电流电压复合移相控制技术，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对一个可控桥臂实施电流滞环比较控制得到目标PWM脉波；

步骤2：将步骤1所得目标PWM脉波采用脉宽镜进行移相，得到其余可控桥臂的PWM脉波；

所述一种电流电压复合移相控制技术，步骤2所述脉宽镜，包括如下特征：

特征1：采用倍频器对目标PWM信号进行锁相后，得到倍频信号；所述倍频器可包含一个分频电路，得到非2的整数幂倍的倍频；

特征2：计数器对倍频信号进行计数，输出计数值；目标PWM信号的上升沿或下降沿时刻计数器复位；

特征3：片选器包含多个逻辑门，对计数值进行逻辑后选中计数值对应的那一路PWM(RS触发器)，并对这路PWM(触发器的R或S端)置数；

所述脉宽镜的应用不应局限于此，电压型控制产生的PWM脉波也可以被脉宽镜复制和移相。

无频闪交流LED，其特征在于，控制技术是电流型移相软开关控制技术或电流电压混合型移相软开关技术，电路结构是推挽结构，由一个续流二极管和一个开关管并联为一块，两块串联为一个桥臂，两块的连接点为中间节点；中间节点流出桥臂的电流称为桥臂电流，中间节点电压称为桥臂电压；两电容串联为一串，连接点为中性点，该串与多个桥臂并联。

本发明创新点在于，所述电流型移相软开关控制技术，其中，与典型的矢量空间法不同，建立了电流空间，将电路桥臂电流映射到电流空间中，为电流向量I，I的每个实例对应了一种桥臂电流状态；将电路桥臂电压映射到电流空间中，为状态向量D，D的每个实例对应了一种桥臂电流变化趋势；建立电流空间，并将电路中的控制量映射为状态向量D到此为创新点之一。

本发明创新点在于，所述电流型移相软开关控制技术，其中，状态向量D作为电流子空间IZ的法向量与实数a一起确定子空间IZ，以IZ作为电流环，判断电流向量I是否超出子空间IZn，如果超出则选取状态向量D′，将开关状态变更为D′对应状态，且D'≠Dn；以子空间IZ作为电流环，此为创新点之二。

本发明创新点在于，所述电流型移相软开关控制技术，其中，或将状态向量D动态排序，或事先将状态向量D排序，当超出电流环时，按顺序选取状态向量，该向量作为下一时刻的开关状态；如此做法，使开关遍历所有的状态，达到移相的目的，此为创新点之三。

本发明创新点在于，所述电流电压复合移相控制技术，其中，将对一个桥臂进行电流型控制得到PWM脉波，利用脉宽镜对该脉波进行复制和移相，这样既具有电流型控制的高静度和不受电路参数影响的特点，又实现了移相，此为创新点之四。

本发明创新点在于，所述电流电压复合移相控制技术，其中，脉宽镜对输入信号进行倍频，对倍频后的信号进行计数，输入信号的上升沿或下降沿时刻计数器复位，一个或多个数值对应一个RS触发器，逻辑模块判断计数值确为该数值时，逻辑模块将对应RS触发器R或S端置数，使RS触发器信号翻转；由于计数值或是递增或是递减，将各数值遍历一遍，则RS触发器信号逐个翻转，从而实现移相，此为创新点之五。

本发明创新点在于，所述无频闪交流LED，其中，直接用交流驱动交流LED会有频闪，即使将交流整流后直接驱动直流LED也会有频闪，需要较好的滤波环节(较大的滤波电容和电感)将脉波变为恒定直流；所以采用移相技术将多个桥臂电流移相后，或直接驱动多串交流LED，或将多个桥臂电流整流滤波(较小的滤波电容和电感)后驱动直流LED；单串交流LED具有频闪，但是由于移相，多串交流LED光强互补，总光强几乎为恒定直流，此为创新点之六。

本发明创新点在于，所述解耦的电流型移相软开关控制技术，仅含两可控桥臂的移相控制时，由于状态向量D两两正交，则对应的子空间IZ(电流环)可以实现解耦，设解耦矩阵为J，J为两阶坐标旋转矩阵，I和I′电流向量，得I'=IJ，则I′是解耦后的电流向量，可以单独对I′的元素进行电流型控制，此为创新点之七。

专利附图

图1是两桥的半桥推挽驱动电路图。

图2是负荷的电流矢量图。

图3是两桥的电流矢量图。

图4是简化的电流型移相软开关控制的电流空间图。

图5是解耦的简化的电流型移相软开关控制的电流空间图。

图6是电流型移相软开关控制的电流空间图。

图7是电流电压复合移相控制的控制电路图。

图8是片选器逻辑电路图。

图9是带分频器的复合型移相控制电路图。

具体实施方式

本发明提供一种电流、电压移相软开关控制技术，并将其用于LED照明电路，解决交流LED的频闪问题，使得交流LED无频闪。下面以两桥电路驱动两串交流LED为例。

实施例1电流移相控制技术

图1是两桥的半桥推挽驱动电路图，图1中，由续流二极管D1和开关管T1并联为一块，二极管D2和开关管T2并联为另一块，两块串联为一个桥臂，两块的连接点为中间节点，中间节点流出桥臂的电流称为桥臂电流i1，中间节点电压称为桥臂电压u1；同理，二极管D3、D4和开关管T3、T4组成另一个桥臂，桥臂电流为i2，桥臂电压为u2；两电容Cu、Cd串联为一串，连接点为中性点，中性点电压为uo，流出电流是io，-io=i1+i2，该串与两个桥臂并联；负荷是直流LED正反并联组成的交流LED；PWM是(PWM1，PWM2)，PWM1为1时，T1开通、T2关断，PWM1为0时，T1关断、T2开通，同理可得PWM2。

图2是负荷的电流矢量图。图2中，以电流i1为横轴x，电流i2为纵轴y，o为原点建立直角坐标系，称作电流空间，不考虑开关电路，电流i1、i2仅受LED的电压Uled的作用，且该作用随i1、i2发生阶跃变化，此作用在电流空间中可用LED矢量来表示。图3中，s1至s6的起点位于原点，所以可以用终点的坐标表示各矢量，则：

s1=(Uled1／L1，0)

s2=(Uled1／L1,Uled2／L2)

s3=(0,Uled2／L2)

s4=(-Uled1／L1，0)

s5=(-Uled1／L1,Uled2／L2)

s6=(0,-Uled2／L2)

图3是两桥的电流矢量图，不考虑LED电路，电流i1、i2仅受驱动电路的电压作用，由于每条通道由一个桥臂驱动，在不考虑死区的情况下每个桥臂具有两种状态及两种输出电压，那么在有中性点的情况下，两通道并不耦合，则两通道具有四种状态，分别对应图3中四个状态向量(矢量)x1至x4。图3中，x1至x4的起点位于原点，所以可以用终点的坐标表示各矢量，则：

x1=[(Up-Uo)／L1，(Up-Uo)／L2]，对应PWM=(1，1)；

x2=[-(Up-Uo)／L1，(Up-Uo)／L2]，对应PWM=(-1，1)；

x3=[-(Up-Uo)／L1，-(Up-Uo)／L2]，对应PWM=(-1，-1)；

x4=[(Up-Uo)／L1，-(Up-Uo)／L2]，对应PWM=(1，-1)；

图4是简化的电流型移相软开关控制的电流空间图。该方法设Uo=0.5Up，L1=L2，得到x1／／x3，x2／／x4，x1=K(1，1)，x2=K(-1，1)。图4中，将矩形A1B1C1D1作为电流环，点A1和C1位于横轴，点B1和D1位于纵轴，当电流超出矩形时，判断电流所在象限，在第一象限，驱动电路改变为向量x4对应状态，同理，在第二象限改变为x1对应状态，第三象限x2，第四象限x3。无论位于电流空间上何种位置，都会自动收敛至图中虚线所示位置，实现移相同时又能够软开关。

图5是解耦的简化的电流型移相软开关控制的电流空间图，图5是图4的映射，设解耦矩阵为J，I′=J*I，矩阵J使I的坐标顺时针旋转45度得到新坐标I′，图5就是I映射到I′后的图形，图4中线段C1D1、A1B1映射为C2D2、A2B2，线段C2D2、A2B2垂直于横轴，从而与电流i1无关，同理线段C2B2、D2A2与电流i2无关，判断电流向量(i1，i2)是否超过电流环，从而选择对应的状态向量，开关状态改变为状态向量对应状态：分别对电流i1和i2采用滞环比较法得到电平M1和M2，将M1和M2输入数字逻辑电路，简单的逻辑后即可得到PWM信号。所述滞环比较法是以电流为输入量，输入值超过设定的上限时，输出低电平，超过设定的下限时，输出高电平，其余情况电平保持不变；具体是

对i1和i2分别进行滞环比较，得到电平M1和M2，设M是(M1，M2)则

M=(0，0)，选取x4，PWM=(1，-1)，开关管改变为PWM对应状态；

M=(0，1)，选取x3，PWM=(-1，-1)，开关管改变为PWM对应状态；

M=(1，1)，选取x2，PWM=(-1，1)，开关管改变为PWM对应状态；

M=(1，0)，选取x1，PWM=(1，1)，开关管改变为PWM对应状态；

此外，也可以不采用映射，根据解析几何学也可判断点与直线的位置关系，具体为：

设环宽为a，a>0，则

-io>a、i1>0且i2>0，选取x4，PWM=(1，-1)，开关管改变为PWM对应状态；

i1-i2>a、i1>0且i2<0，选取x3，PWM=(-1，-1)，开关管改变为PWM对应状态；

-i1-i2>a、i1<0且i2<0，选取x2，PWM=(-1，1)，开关管改变为PWM对应状态；

-i1+i2>a、i1<0且i2>0，选取x1，PWM=(1，1)，开关管改变为PWM对应状态；其余情况，PWM不变；

或，对-io(-io=i1+i2)和-i1+i2分别进行滞环比较，得到电平M1和M2，设M是(M1，M2)则

M=(0，0)，选取x4，PWM=(1，-1)，开关管改变为PWM对应状态；

M=(0，1)，选取x3，PWM=(-1，-1)，开关管改变为PWM对应状态；

M=(1，1)，选取x2，PWM=(-1，1)，开关管改变为PWM对应状态；

M=(1，0)，选取x1，PWM=(1，1)，开关管改变为PWM对应状态；

图6是电流型移相软开关控制的电流空间图，与图4的不同是，考虑到了负荷的电压对桥臂电流的影响，将状态向量与负荷对电流影响叠加得到新的状态向量，从而得到新的电流环。s1至s6是图2所述的LED的电流矢量，x1至x4是图3所述状态矢量(状态向量)，设w1=x4+s5，w2=x1+s6，w3=x1+s1，w4=x2+s2，w5=x3+s3，w6=x3+s4。点B2、G2位于纵轴，点E2、A2位于横轴，点D2、H2位于直线y=-x上，则线段B2A2／／w1，C2D2／／w2，D2E2／／w3，F2G2／／w4，G2H2／／w5，H212／／w6；以A2B2C2D2E2F2G2H2I2为电流环，与图4类似，判断电流向量(i1，i2)是否超过电流环(子空间IZ)，从而选择对应的状态向量，开关状态改变为状态向量对应状态，使得桥臂电流维持在电流环附近，沿着电流环顺时针或反时针移动，达到移相的目的。

实施例2电流电压复合移相控制

图7是电流电压复合移相控制的控制电路图，首先对i1进行滞环反馈控制，产生控制信号PWM(0)，PWM(0)，用于控制开关T1、T2；其次，脉宽镜复制PWM(0)信号并进行移相，产生PWM(1)、PWM(2)、PWM(3)，PWM(1)，用于控制开关T3、T4；PWM(2)、PWM(3)还可再控制两个可控桥臂。

图7中，比较器cmp(1)、cmp(2)和RS触发器组成典型的滞环比较器，全控桥臂1的输出电流ix和设定的环宽h输入滞环比较器后产生控制脉冲PWM(0)，取PWM(0)的一路脉冲PWM(f)输入到脉宽镜；脉宽镜中，设PWM(f)信号的频率为f，通过倍频器倍频后输出频率为2ⁿf的信号至计数器1和计数器2的计数端ct；下降沿检测ED(1)检测到PWM(f)的下降沿后，输出信号D至计数器1的复位端，计数器1复位；计数器1的寄存器通过数据线dat1输入至片选器1，片选器1的输出端连接到各RS触发器的复位端R；同理，上升沿检测输出信号R至计数器2复位端，计数器2数据线dat1输入至片选器2，片选器2的输出端连接到各RS触发器的置位端S，RS触发器RS_1输出信号PWM(1)、触发器RS_2输出信号PWM(2)、触发器RS_3输出信号PWM(3)。

当PWM(f)下降沿到来时，计数器1复位，从0开始对倍频信号计数，由0，1，2…开始不断累加，满足log的设定逻辑时，d1输出1，触发器RS_1复位；当PWM(f)上升沿到来时，计数器2复位，从0开始对倍频信号计数，数据线dat2由0，1，2…开始不断累加，满足log的设定逻辑时，rd1输出1，触发器RS_1置位，改变片选器的逻辑就可以调节PWM(1)与PWM(0)的相位差；同理可得PWM(2)、PWM(3)。

图8是片选器逻辑电路图，是图7所示片选器与数据线的具体化。图8中，片选器为逻辑与；以4位数据线为例，数据线的位线dat_1、dat_3、dat_4连接到逻辑与输入端，位线dat_2连接反向器后再连接到逻辑与输入端，当dat_1=1、dat_2=0、dat_3=1、dat_4=1时片选器输出1，否则输出0；由此可见只有当数据线各位为设定的电平时，片选器输出才为1；1个逻辑与门驱动一个触发器，图7中片选器1和片选器2具有3个与门。

图9是带分频器的复合型移相控制电路图，图9中，分频器由计数器和主从JK触发器(或边沿JK触发器)组成，计数器的输入端作为分频器输入端，计数器输出端作为时钟信号输入JK触发器，JK触发器的两输入端置位；JK触发器的输出端作为分频器的输出端；当计数器计数到设定位时，复位并输出脉冲信号至JK触发器，JK触发器输出电平Q反转。图9与图7的不同是，倍频器将PWM(f)信号倍频，由分频器分频后再输入计数器1和2的计数端Ct，此外还可采用典型的分频器，实现2n分频。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种简化的电流型移相软开关控制技术，其特征在于，建立电流空间，空间内的一个点与桥臂电流的一种情况对应，电流向量I表示电流空间内的一个点，状态向量D是电流向量I的一种，D的导数与桥臂电压对应且成比例，桥臂电压的所有情况对应的状态向量D的集合是Dg；状态向量D作为电流子空间IZ的法向量与实数a一起确定子空间IZ，全部电流子空间的集合是IZg，Dg的元素通过a与IZg的元素一一对应，即Dn通过an对应IZn(n为自然数，Dn为Dg第n个元素，an为a第n个元素，IZn为IZg第n个元素)；实施时包括如下步骤：

步骤1：检测各桥臂电流，得到电流向量I；

步骤2：若I超过电流子空间IZn，IZn通过an与Dn对应，则选取状态向量D′，且D'≠Dn；

步骤3：令电路开关状态改变为向量D′对应状态。

2.一种简化的电流型移相控制技术进一步详细化，其特征在于，括如下三步：

步骤1：检测各桥臂电流，得到N维电流向量I；

步骤2：若I.Dn>an，选取除Dn以外的状态向量D′；

步骤3：令电路开关状态改变为向量D′对应状态。

3.一种简化的电流型移相控制技术进一步详细化，其特征在于，包括如下八步：

步骤1：令n=1，集合DA为空；

步骤2：当前的电路开关状态对应向量Dn，DA=DAU Dn；

步骤3：检测各桥臂电流，得到N维电流向量I；

步骤4：若I.Dn>an，选取除集合DA以外的状态向量D′；

步骤5：令电路开关状态改变为向量D′对应状态；

步骤6：n=n+1；

步骤7：若n≤N，跳到步骤2；

步骤8：结束。

4.一种简化的电流型移相控制技术进一步详细化，其特征在于，将状态向量D的实例进行排序，得到有序集合Dp，Dpn是有序集合Dp的第n个元素；实施方法包括如下两步：

步骤1：检测各桥臂电流，得到N维电流向量I；

或

步骤1：检测各桥臂电流，得到N维电流向量I；

步骤2：若I.Dpn>an，令电路开关状态改变为向量Dp(n-1)对应状态(若n=1，Dp(n-1)是有序集合Dp的第N个元素)。

5.一种电流电压复合移相控制技术，其特征在于，包括如下步骤：

6.一种用于电流电压复合移相控制技术的脉宽镜，且特征在于，包括如下特征：

特征3：每路PWM具有对应的计数值；片选器包含多个逻辑门，对计数值进行逻辑后，将计数值对应的那路PWM置数；

所述脉宽镜的应用不应局限于电流型控制产生的PWM脉波，电压型控制产生的PWM脉波也可以被脉宽镜复制和移相。

7.无频闪交流LED，其特征在于，控制技术是电流型移相软开关控制技术或电流电压混合型移相软开关技术；电路结构是推挽结构，由一个续流二极管和一个开关管并联为一块，两块串联为一个桥臂，两块的连接点为中间节点；中间节点流出桥臂的电流称为桥臂电流，中间节点电压称为桥臂电压；两电容串联为一串，连接点为中性点，该串与多个桥臂并联。

8.一种解耦的电流型移相软开关控制技术，其特征在于，仅含两可控桥臂的移相控制时，对应的子空间IZ(电流环)可以实现解耦，J为两阶坐标旋转矩阵，J，I和I′电流向量，得I'=IJ，则I′是解耦后的电流向量，单独对I′的元素进行电流型控制。