CN104734514A - 用于led驱动的llc转换器上的初级侧电流调节 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及用于LED驱动的LLC转换器上的初级侧电流调节。一种LLC转换器(200)，其具有：桥接电路(210)，其耦合到输入电压(220)，具有至少一对电源开关(230、240)；谐振网络，其耦合到所述桥接电路且由所述至少一对电源开关驱动；输出变压器(270)，其耦合到所述谐振网络；所述变压器具有第一和第二初级侧绕组(271、272)和至少一次级侧绕组(273)；电流感测变压器(300)，其在初级侧上串联耦合到所述谐振网络和所述第一初级绕组；积分器电路(280)，其并联耦合到所述第二初级侧绕组且并联耦合到所述电流感测变压器的次级侧绕组；整流电路(290)，其耦合到所述第二初级侧绕组；和频率调整控制器(310)，其耦合到至少一对电源开关和所述电流感测变压器和所述积分器电路。

Description

用于LED驱动的LLC转换器上的初级侧电流调节

技术领域

本发明涉及改善电感器电容器转换器(“LLC转换器”)的成功操作，且更特定来说，涉及增加LLC转换器的可靠性和降低LLC转换器的生产成本。更具体来说，本发明的实例涉及通过在LLC转换器的变压器的初级侧上使用电流感测变压器来控制LLC转换器的输出。

背景技术

日益受到关注的一种类型的功率转换器为电感器电容器转换器(“LLC转换器”)。在标准LLC转换器中，初级侧电流为反射次级侧电流(除以匝数比)与磁化电流的总和。

图1为具有半桥结构的普通LLC转换器1的现有技术电路配置。LLC转换器1表示由两个电感器和一个电容器组成的电路。半桥电路3由用于驱动谐振网络9的一对电源开关5和7形成。LLC具有三个谐振参数。第一谐振参数为串联谐振电感器Lr，第二参数为串联谐振电容器Cr且第三谐振参数为变压器11的磁化电感器Lm。

LLC转换器的输入端子13为DC电压。变压器11通过一初级侧绕组17和两个串联次级侧绕组19、21使半桥电路3和谐振网络9与整流电路15隔离。两个串联次级侧绕组19、21串联耦合。

整流电路15包含一对整流二极管23和25。二极管23和25连接到输出电容器27。二极管23、25的阴极连接到电容器27的正极端子。二极管23的阳极连接到次级侧线圈19的正极端子，且二极管25的阳极连接到次级侧线圈21的负极端子。线圈19、21之间的共同连接节点为输出电压的接地。

LLC转换器1的电源开关5、7在相等脉冲宽度的条件下(一般在50％的条件下)减去延迟时间操作。通过改变电源开关5、7的操作频率来获得对输出电压的调整。

为给LLC转换器提供适当驱动信号以稳定输出电流，可根据现有技术水平使用电流感测变压器。所述电流感测变压器反平行地连接到次级侧线圈。此电流感测变压器的缺点中的一者为：此类电流感测变压器是昂贵的，这是因为它们必须经受(例如)4kV的高隔离电压。此外，在输出侧上需要额外的过电压保护，这是因为LLC转换器仅在电流感测变压器的帮助下受电流控制。此过电压保护可(例如)由光耦合器和齐纳二极管或短路器系统提供。结合电流感测变压器，使用光耦合器和齐纳二极管使总系统十分昂贵。

因此，需要更好的技术来解决以上问题以给LLC转换器提供适当驱动信号。因此，本发明的一般目标为提供用于给LLC转换器提供适当驱动信号的替代方案，所述替代方案允许对次级侧电流和次级侧电压的更廉价感测。

发明内容

本发明的一个方面为LLC转换器。根据本发明的一个实例，LLC转换器可具有桥接电路(其耦合到输入电压)和至少一对电源开关。谐振网络可耦合到所述桥接电路且可由所述至少一对电源开关驱动。此外，LLC转换器可具有耦合到所述谐振网络的变压器，其中所述变压器可包括第一和第二初级侧绕组和至少一个次级侧绕组。此外，LLC转换器可包括电流感测变压器(其在初级侧上串联耦合到谐振网络和变压器的第一初级绕组)以及积分器电路(其可并联耦合到变压器的第二初级侧绕组且可并联耦合到电流感测变压器的次级侧绕组，从而提供变压器的图3上展示的第二初级侧绕组(或辅助绕组)272的电压的积分)。整流电路可耦合到所述变压器的次级侧绕组。所述变压器可提供LLC串联谐振转换器的输出电流。频率调整控制器可耦合在所述至少一对电源开关与所述电流感测变压器和所述积分器电路之间，从而向所述至少一对电源开关提供驱动信号。

应分别示范性地理解术语变压器和电流感测变压器的正极端子和负极端子和初级侧和次级侧以易于对本发明的理解。当然，正极端子可为负极端子且初级侧可为变压器的次级侧，且反之亦然。

本发明的意外发现中的一者为，根据现有技术水平，可使用变压器的初级侧上的电流感测变压器而非使用次级侧上的电流感测变压器来控制LLC转换器的输出。

此在初级侧上直接测量LLC转换器的电流的缺点中的一者为，必须补偿变压器的磁化电感器的磁化电流以计算变压器的次级侧电流。借此，归因于将方波施加到变压器，变压器自身的磁化电流可具有三角波形。

根据本发明，可通过在积分器的帮助下合成磁化电流来补偿所述磁化电流。积分器自身可借此充当低通滤波器。因为积分器可并联耦合到变压器的辅助绕组，所以合成三角波形的峰值和斜率可以与磁化电流自身相同的方式依赖于变压器电压和开关频率。通过将积分器耦合到电流感测变压器的次级侧，可减去合成磁化电流，且借此可消除或减少变压器的初级电流对磁化电流的依赖性。为从电流感测变压器的次级侧上的电流减去合成磁化电流，可为有利的是，耦合变压器的初级侧的次级绕组的正极端子与电流感测变压器的次级绕组的负极端子且耦合变压器的初级侧的次级绕组的负极端子与电流感测变压器的次级绕组的正极端子。

根据本发明的一方面，积分器电路可包括至少四个电阻器和第一电容器。第一电阻器和第三电阻器可串联连接，其中所述第一电阻器可连接到变压器的第二初级侧绕组的正极端子。第二电阻器和第四电阻器可串联连接，其中所述第二电阻器可连接到变压器的辅助绕组的负极端子。与变压器的第二绕组并联，第一电容器的第一侧可连接在第一电阻器与第三电阻器之间且第一电容器的第二侧可连接在第二电阻器与第四电阻器之间。第三电阻器可连接到电流感测变压器的次级侧绕组的负极端子且第四电阻器可连接到电流感测变压器的次级侧绕组的正极端子。

根据本发明的再一方面，第一或第二电源开关为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

根据本发明的一方面，整流电路可包括至少两个整流二极管。根据本发明的一方面，所述至少两个整流二极管可连接到输出电容器的阳极且所述输出电容器的阴极可连接到接地。

根据本发明的一方面，第一整流二极管的阳极可连接到变压器的次级侧绕组的正极端子，且第二整流二极管的阳极可连接到变压器的次级侧绕组的负极端子。

在替代方案中，可以连接到变压器的单个次级侧绕组的全波整流器的形式提供整流电路。因此，第一和第二整流二极管的阳极可连接到接地，且第一整流二极管的阴极可连接到变压器的次级绕组的正极端子，且第二整流二极管的阴极可连接到变压器的次级绕组的负极端子，且第三整流二极管的阳极可连接到变压器的次级绕组的正极端子，且第四整流二极管的阳极可连接到变压器的次级绕组的负极端子，且第三和第四第二整流二极管的阴极可连接到输出电容器的阳极，且输出电容器的阴极连接到接地或电阻器。

根据本发明的另一方面，至少一个电感器可耦合在桥接电路与变压器之间。根据再一实例，第一偏置二极管的阳极连接到变压器的第二初级绕组的正极端子，且第二偏置二极管的阳极连接到变压器的第二初级绕组的负极端子，且第一和第二偏置二极管的阴极连接到共同连接点。此外，根据一个实例，所述共同连接点连接到频率调整控制器的输入端。

根据此方面，串联谐振电感器可不集成到变压器中。因此，变压器的第二初级绕组复制按匝数比调整的次级绕组的输出电压。因此，共同连接点处的电压可与输出电压成比例。存在现有技术水平中已知的控制器(例如，来自德州仪器(Texas Instruments)的TPS92020)，所述控制器具有内部过电压保护，所述过电压保护在共同连接点处的偏置电压过高的情况下开关电源开关的栅极信号。当然，对于所属领域的技术人员显然，可基于共同连接点处的偏置电压而使用其它类型的过电压保护。

根据本发明，在可串联耦合在谐振网络与变压器之间的外部电感器以及可提供在第一共同连接点处的电压的帮助下，不需要任何齐纳二极管和光耦合器来提供过电压保护。

根据本发明的一方面，第一电流感测二极管的阳极可连接到电流感测变压器的次级侧绕组的正极端子，且第二电流感测二极管的阳极可连接到电流感测变压器的次级侧绕组的负极端子。第一和第二电流感测二极管的阴极可连接到第二共同连接点。第二共同连接点可连接到频率调整控制器的第二输入端。

根据本发明的一方面，低通滤波器可连接在第二共同连接点与频率调整控制器的第二输入端之间。所述低通滤波器可包括耦合在第二连接点与接地之间的第五电阻器、连接在第二共同连接点与频率调整控制器的第二输入端之间的第六电阻器和第二电容器。第二电容器的第一侧可耦合在频率调整控制器的第二输入端与第六电阻之间，且第二电容器的第二侧可连接到接地。

在低通滤波器的帮助下，由电流感测变压器测量的电流可经提取而与变压器的次级侧上的电流成比例。

根据本发明的再一方面，比较器可连接到第六电阻器且连接到频率调整控制器的第三输入端，其中所述比较器可经配置以比较与控制器的次级侧上的电流成比例的电压与参考电压。

所述比较器可为误差放大器且比较与控制器的次级侧上的电流成比例的电压与参考电压。频率调整控制器可使用所得误差信号来调制电源开关的开关频率。

附图说明

通过参考在结合附图的情况下进行的以下详细描述将更容易地了解本发明的以上方面和许多伴随优点，这是因为本发明的以上方面和许多伴随优点得到更好的理解，其中：

图1为说明根据现有技术水平的电感器电容器转换器的一个实例的示意图；

图2为说明电源开关的栅极电压和在初级侧上测得的复制次级侧电流的图表；

图3为说明根据本发明的电感器电容器转换器的一个实例的示意图；

图4为说明根据本发明的电感器电容器转换器的经补偿输出电流的图表；

图5为说明根据本发明的电感器电容器转换器的未经补偿输出电流的图表；

图6为说明根据本发明的电感器电容器转换器的未经补偿输出电流与经补偿输出电流的比较的图表；以及

图7为具有全波整流器输出的图3的电路的图表。

具体实施方式

虽然下文说明和描述说明性实例，但将了解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下在其中中做出各种改变。在那方面，下文结合附图陈述的详细描述仅旨在作为所揭示的标的物的各种实例的描述且不旨在表示仅有的实例。本发明中描述的每一实例仅作为实例或说明而提供。本文中提供的说明性实例不旨在为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。类似地，本文中描述的任何步骤可与其它步骤或步骤的组合互换，以便达成相同或实质上类似的结果。

图2展示说明电源开关的栅极电压110、120和在LLC转换器的初级侧上测得的复制次级侧电流的图表100。两个电源开关在相等脉冲宽度的条件下(一般在50％的条件下)减去延迟时间操作。电压130表示两个电源开关的中心点。由电流感测变压器测量的电流140包括变压器的反射次级侧电流和磁化电流150。电流160表示已从其减去磁化电流150的测得电流140，且因此与LLC转换器的变压器的次级侧电流成比例且可用于调节LLC转换器的输出。

可通过图3中展示的设备实践本发明的实例。图3展示说明根据本发明的电感器电容器转换器的一个实例的示意图。LLC转换器200包括耦合到输入电压220的桥接电路210。桥接电路210包括至少一对电源开关230、240。谐振网络250耦合到桥接电路210且由至少一对电源开关230、240驱动。一个电感器260作为谐振网络250的部分而耦合在桥接电路210与变压器270之间。

变压器270耦合到谐振网络250，其中所述变压器包括第一初级侧绕组271和辅助绕组272和至少一次级侧绕组273。电流感测变压器300在电流感测变压器300的初级侧321上与谐振网络250和变压器270的第一初级绕组271串联耦合。

积分器电路280并联耦合到变压器270的辅助绕组272且并联耦合到电流感测变压器的次级侧绕组302，从而提供所述变压器的第二初级侧绕组的电压的积分。积分器电路280包括至少四个电阻器281、282、283、284和第一电容器285，其中第一电阻器281和第三电阻器283串联连接。所述第一电阻器连接到变压器270的辅助绕组272的正极端子272′。第二电阻器282和第四电阻器284串联连接；第二电阻器282连接到变压器270的辅助绕组272的负极端子272″。与变压器270的辅助绕组272并联，第一电容器285的第一侧连接在第一电阻器281与第三电阻器283之间且第一电容器285的第二侧连接在第二电阻器282与第四电阻器284之间。第三电阻器283连接到电流感测变压器300的次级侧绕组的负极端子301，且第四电阻器284连接到电流感测变压器300的次级侧绕组的正极端子302。

整流电路290耦合到提供LLC串联谐振转换器的输出电流的变压器270的次级侧绕组273。频率调整控制器310耦合在至少一对电源开关230、240与电流感测变压器300和积分器电路280之间，从而向所述至少一对电源开关提供驱动信号。

第一偏置二极管320的阳极连接到变压器270的第二初级绕组272的正极端子272′，且第二偏置二极管330的阳极连接到变压器270的第二初级绕组272的负极端子272″。第一和第二偏置二极管320、330的阴极连接到第一共同连接点且所述第一共同连接点连接到频率调整控制器310的第一输入端。

第一电流感测二极管340的阳极连接到电流感测变压器300的次级侧绕组302的正极端子，第二电流感测二极管350的阳极连接到电流感测变压器300的次级侧绕组302的负极端子。

第一和第二电流感测二极管340、350的阴极连接到第二共同连接点。低通滤波器360连接在所述第二共同连接点与频率调整控制器310的第二输入端之间。低通滤波器360包括耦合在第二共同连接点与接地之间的第五电阻器370、耦合在第二共同连接点与第二电容器390之间的第六电阻器380。第二电容器390的第一侧耦合到第六电阻380且第二电容器390的第二侧连接到接地。比较器400连接到第六电阻器且连接到频率调整控制器310的第三输入端，其中比较器400经配置以比较与频率调整控制器310的次级侧上的电流成比例的电压与参考电压。

图4到6展示说明根据本发明的电感器电容器转换器的经补偿和未经补偿输出电流。为测试根据本发明的LLC转换器，已在390V与410V之间变化输入电压。根据本发明的LLC转换器的输出端子已连接到电子负载，其中所述电子负载为恒定电压负载以模拟LED串。输出电压设置在18V与24V之间变化。如图4中展示，所有条件中的经补偿输出电流变动最大高达+2.75％和-0.75％。如果以4.04A为中心，那么变化将高达+/-1.73％。图5展示在与根据本发明的经补偿LLC转换器相同的条件下的未经补偿LLC转换器。未经补偿电流变动最大高达+17.5％和-2.5％。如果以平均值为中心，那么电流变化将高达+/-9.3％。图6展示根据本发明的未经补偿LLC转换器与经补偿LLC转换器的直接比较。

图7展示图3的电路的修改(大体为700)，其中变压器270的次级绕组并非中心分接，且替代地利用全波整流702。

虽然已详细描述本发明，但应理解，可在不脱离如由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围情况下对本发明做出各种改变、替换和变更。

Claims (17)

1.一种LLC转换器，其包括：

桥接电路，其耦合到输入电压，包括至少一对电源开关；

谐振网络，其耦合到所述桥接电路且由所述至少一对电源开关驱动；

输出变压器，其耦合到所述谐振网络；所述变压器包括第一初级侧绕组、辅助绕组和至少一次级侧绕组；

电流感测变压器，其在初级侧上串联耦合到所述谐振网络和所述变压器的所述第一初级绕组；

积分器电路，其并联耦合到所述输出变压器的第二初级侧绕组且并联耦合到所述电流感测变压器的次级侧绕组，从而提供所述输出变压器的所述第二初级侧绕组的电压的积分；

整流电路，其耦合到所述变压器的所述次级侧绕组，所述变压器提供所述LLC串联谐振转换器的输出电流；

频率调整控制器，其耦合在所述至少一对电源开关与所述电流感测变压器和所述积分器电路之间，从而向所述至少一对电源开关提供驱动信号。

2.根据权利要求1所述的LLC转换器，其进一步包括：

所述积分器电路包括至少四个电阻器和第一电容器，其中第一电阻器和第三电阻器串联连接器，所述第一电阻器连接到所述变压器的所述第二初级侧绕组的正极端子；

第二电阻器与第四电阻器串联连接，所述第二电阻器连接到所述变压器的所述第二初级侧绕组的负极端子；

与所述变压器的所述第二初级侧绕组并联，所述第一电容器的第一侧连接在所述第一电阻器与所述第三电阻器之间且所述第一电容器的第二侧连接在所述第二电阻器与所述第四电阻器之间，且其中

所述第三电阻器连接到所述电流感测变压器的所述次级侧绕组的负极端子且所述第四电阻器连接到所述电流感测变压器的所述次级侧绕组的正极端子。

3.根据权利要求1所述的LLC转换器，其中

第一或第二电源开关为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

4.根据权利要求1所述的LLC转换器，其中

所述整流电路包括至少两个整流二极管。

5.根据权利要求4所述的LLC转换器，其中

至少两个整流二极管的阴极连接到输出电容器的一个端子且所述输出电容器的另一端子连接到接地；

第一和第二整流二极管的阳极连接到接地且所述第一整流二极管的阴极连接到所述变压器的所述次级绕组的所述正极端子且所述第二整流二极管的阴极连接到所述变压器的所述次级绕组的所述负极端子，且第三整流二极管的阳极连接到所述变压器的所述次级绕组的所述正极端子且第四整流二极管的阳极连接到所述变压器的所述次级绕组的所述负极端子，且所述第三和第四整流二极管的阴极连接到输出电容器的一个端子且所述输出电容器的另一端子耦合到接地。

6.根据权利要求4所述的LLC转换器，其中

所述第一整流二极管的所述阳极连接到所述输出变压器的所述次级侧绕组的所述正极端子，且第二整流二极管的所述阳极连接到所述输出变压器的所述次级侧绕组的所述负极端子。

7.根据权利要求1所述的LLC转换器，其中

至少一个电感器耦合在所述桥接电路与所述输出变压器之间。

8.根据权利要求7所述的LLC转换器，其中

第一偏置二极管的阳极连接到所述输出变压器的所述第二初级绕组的所述正极端子且第二偏置二极管的阳极连接到所述输出变压器的所述第二初级绕组的所述负极端子且所述第一和第二偏置二极管的阴极连接到第一共同连接点。

9.根据权利要求8所述的LLC转换器，其中

所述第一共同连接点连接到所述频率调整控制器的第一输入端。

10.根据权利要求1所述的LLC转换器，其中

所述频率调整控制器为模拟控制器。

11.根据权利要求1所述的LLC转换器，其中

第一感测电流二极管的阳极连接到所述电流感测变压器的所述次级侧绕组的所述正极端子，且第二电流感测二极管的阳极连接到所述电流感测变压器的所述次级侧绕组的所述负极端子。

12.根据权利要求11所述的LLC转换器，其中

所述第一和第二电流感测二极管的阴极连接到第二共同连接点。

13.根据权利要求12所述的LLC转换器，其中

电阻器连接在所述第二共同连接点与所述频率调整控制器的第二输入端之间。

14.根据权利要求13所述的LLC转换器，其中

低通滤波器连接在所述第二共同连接点与所述频率调整控制器的所述第二输入端之间。

15.根据权利要求14所述的LLC转换器，其中

所述低通滤波器包括耦合在所述第二连接点与接地之间的第五电阻器、耦合在所述第二共同连接点与所述频率调整控制器的所述第二输入端之间的第六电阻器和第二电容器，所述第二电容器的第一侧耦合在所述频率调整控制器的所述第二输入端与第六电阻器之间且所述第二电容器的第二侧连接到接地。

16.根据权利要求15所述的LLC转换器，其中

比较器耦合到所述第六电阻器且耦合到所述频率调整控制器的第三输入端，其中所述比较器经配置以比较与所述频率调整控制器的次级侧上的电流成比例的电压与参考电压。

17.一种LLC转换器，其包括：

桥接电路，其耦合到输入电压，包括至少一对电源开关；

谐振网络，其耦合到所述桥接电路且由所述至少一对电源开关驱动；

输出变压器，其耦合到所述谐振网络；所述变压器包括第一和第二初级侧绕组和至少一次级侧绕组；

电流感测变压器，其在初级侧上串联耦合到所述谐振网络和所述输出变压器的所述第一初级绕组；

积分器电路，其并联耦合到所述输出变压器的所述第二初级侧绕组且并联耦合到所述电流感测变压器的次级侧绕组，从而提供所述变压器的所述第二初级侧绕组的电压的积分；

整流电路，其耦合到所述输出变压器的所述次级侧绕组，所述输出变压器提供所述LLC串联谐振转换器的输出电流，

频率调整控制器，其耦合到至少一对电源开关和所述电流感测变压器和所述积分器电路，从而向所述至少一对电源开关提供驱动信号，以及

至少一个电感器，其耦合在所述桥接电路与所述变压器之间，且第一偏置二极管的阳极连接到所述变压器的所述第二初级绕组的正极端子且第二偏置二极管的阳极连接到所述变压器的所述第二初级绕组的负极端子，且所述第一和第二偏置二极管的阴极连接到第一共同连接点，且其中所述第一共同连接点连接到所述频率调整控制器的第一输入端；且其中

第一电流感测二极管的阳极连接到所述电流感测变压器的所述次级侧绕组的正极端子，且第二电流感测二极管的阳极连接到所述电流感测变压器的所述次级侧绕组的负极端子；

所述积分器电路包括至少四个电阻器和第一电容器，其中第一电阻器与第三电阻器串联连接，所述第一电阻器连接到所述变压器的所述第二初级侧绕组的正极端子；

第二电阻器与第四电阻器串联连接，所述第二电阻器连接到所述变压器的所述第二初级侧绕组的负极端子；

与所述变压器的所述第二初级侧绕组并联，所述第一电容器的第一侧连接在所述第一电阻器与所述第三电阻器之间且所述第一电容器的第二侧连接在所述第二电阻器与所述第四电阻器之间，且其中

所述第三电阻器连接到所述电流感测变压器的所述次级侧绕组的负极端子且所述第四器连接到所述电流感测变压器的所述次级侧绕组的正极端子且其中

所述第一和第二电流感测二极管的阴极连接到第二共同连接点且所述第二共同连接点耦合到所述频率调整控制器的第二输入端；且其中

低通滤波器连接在所述第二共同连接点与所述频率调整控制器的所述第二输入端之间。