CN105576977B - 谐振网络的电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了谐振网络的电路和方法，具体地揭示了一种功率变换电路。该功率变换电路包括：方波发生器、谐振网络、变压器和控制器。所述方波发生器用来产生方波功率。所述谐振网络用来接收所述方波功率并输出第一谐振功率。所述谐振网络包括电容、电感和可控容性装置。所述变压器与所述可控容性装置相连，用来接收所述第一谐振功率并输出第二谐振功率。整流后的第二谐振功率提供给负载。基于阀值信号和根据至少一个所述负载的检测信号计算得到的一信号的比较结果，所述控制器用来生成开关信号并提供给所述可控容性装置。本发明同时揭示一种控制功率变换电路和谐振网络的方法。
Description
技术领域
本发明公开的实施方式涉及用来扩大功率变换电路功率调整范围的电路和方法，尤其涉及在功率变换电路的谐振网络中使用可控容性装置的电路和方法。
背景技术
功率变换电路广泛应用于各种领域，例如通信、照明、汽车、军工等，用来提供合适的功率。为满足低功耗和节能的要求，一些谐振网络常用于功率变换电路中。例如LC谐振网络、LLC谐振网络或LCC谐振网络等有助于使功率变化电路工作效率更高并且拥有较大的功率调整范围。
就发光二极管(Light Emitting Diode，LED)而言，利用较宽的功率调整范围可实现调光功能。由于LED阵列不能直接被交流电或固定的直流电驱动，因此采用功率变换电路以将一种交流电或直流电转换成一种输出直流电。当向LED阵列提供一种可控电流时，功率变换电路应该表现出高电能转换效率(例如达到90％)。当采用交流电源时，功率因数修正电路被用于产生直流电。直流电源或功率因数修正电路可输出恒定电压(例如380V到450V)。谐振电路的合理设计很容易实现宽功率调整范围。
LCC谐振网络是一种串并联谐振结构，LCC谐振网络包括电感、电容和分流电容。LCC谐振网络常用于功率变换电路中。在包括两个串联的半导体开关的半桥电路中采用变频控制可实现负载功率调节。LCC谐振网络连接在这两个串联的半导体开关中点。分流电容可通过LCC谐振网络分流通过该中点的大部分电流。
然而，固定的LCC谐振网络并不适合所有种类的LED阵列。某些情况下，当LED阵列调光时，开关信号频率过高，从而导致较大的开关损耗。某些情况下，尽管开关信号的频率在一个较大的范围，但是功率调整的范围很窄。
所以，需要提供一种改进的电路或方法来解决上述至少一个技术问题。
发明内容
鉴于上面提及的技术问题，本发明的一个方面在于提供一种功率变换电路。该功率变换电路包括方波发生器、谐振网络、变压器和控制器。方波发生器用来产生方波功率。谐振网络用来接收方波功率并输出第一谐振功率。谐振网络包括电容、电感和可控容性装置。将变压器与可控容性装置相连，用来接收第一谐振功率并输出第二谐振功率。整流后的第二谐振功率提供给负载。基于阀值信号和根据至少一个负载的检测信号计算得到的一信号的比较结果，控制器用来生成开关信号并提供给可控容性装置。
本发明的另一方面在于提供一种控制功率变换电路和谐振网络的方法。该方法包括：接收负载的至少一个检测信号。根据该至少一个检测信号计算得到一信号。将该信号和阀值信号进行比较。及基于该信号与阀值信号的比较结果生成开关信号并提供给可控容性装置。
本发明的又一方面在于提供一种谐振网络。该谐振网络包括第一支路和第二支路。第一支路包括串联的电容和电感。第二支路与第一支路相连，且第二支路包括可控容性装置，用以分流通过所述第一支路的部分电流。
本方法通过将可控容性装置应用于LCC谐振网络中，当负载功率需要调节时，通过调节可控容性装置的电容值，一方面可通过降低输出给半桥功率变换电路的开关信号的频率来实现较宽的功率调节范围，从而降低了开关损耗和导通损耗。另一方面，当半桥功率变换电路的开关信号频率在一个较窄范围内调节时，负载的电流可在一个较宽的范围内调节，从而可实现较宽的功率调节范围。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中，相同的元件标号在全部附图中表示相同的部件，其中：
图1所示为本发明功率变换电路的一种实施方式的示意图；
图2所示为本发明功率变换电路的另一实施方式的示意图；
图3所示为本发明功率变换电路的又一实施方式的示意图；
图4所示为本发明功率变换电路的再一实施方式的示意图；
图5所示为本发明具有可变频率和可变电容的一种实施方式的电流波形图；
图6所示为本发明具有可变频率和可变电容的另一实施方式的电流波形图；及
图7所示为本发明控制功率变换电路方法的一种实施方式的流程图。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个，除非另行说明，仅用以方便表述，并不限于任何位置或空间取向。
请参照图1，为本发明功率变换电路10的一种实施方式的示意图。该功率变化电路10包括方波发生器103、谐振网络105、变压器107、整流器109和控制器150。
方波发生器103用来接收直流输入源101通过高电压端子102和低电压端子104产生的直流功率并输出方波功率。在某些实施方式中，当输入源101为交流电源时，直流功率由功率因数修正电路产生。
如图1所示，方波发生器103包括半桥电路，该半桥电路又包括串联的第一开关111和第二开关113。第一开关111与直流输入源101的高电压端子102相连，第二开关113与直流输入源101的低电压端子104相连。在第一开关111和第二开关113的中点O，输入的直流功率被转换成方波功率。
第一开关111和第二开关113可包括任何形式的半导体开关，如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。本实施方式中，半桥电路103还包括与第一开关111相连的第一反向并联二极管115及与第二开关113相连的第二反向并联二极管117。在某些实施例中，方波发生器103可包括其他形式的电路，例如H桥型电路。
谐振网络105用来接收方波功率并输出第一谐振功率。谐振网络包括彼此相连的第一支路和第二支路。第一支路连接于方波发生器103和第二支路之间，更具体而言，在半桥103的中点O和节点A之间。第一支路包括串联的电容121和电感123。第二支路包括可控容性装置123，用来分流通过第一支路的部分电流。本实施方式中，谐振网络105被称为LCC谐振网络。
如图1所示的实施方式中，可控容性装置124包括第一电容125、第二电容127和开关129。第二电容127与第一电容125并联，开关129与第二电容127串联。当开关129被关断时，第二电容127与第一电容125断开连接。当开关129被导通时，第二电容127与第一电容125连接。因此，在控制该功率变换电路10时，该可控容性装置124的电容是可变的。
如图2所示的另一实施方式中，可控容性装置224包括第一电容225、第二电容227和开关229。第二电容227与第一电容225串联，开关229与电容227并联。当开关229被导通时，第二电容227短路。当开关229被断开时，第二电容227与第一电容225连接。因此，在控制该功率变换电路20时，该可控容性装置224的电容是可变的。其他实施方式中，可控容性装置可包括多于两个的相互串并联的电容。
在图3所示的另一实施方式中，相比于图1所示实施方式，谐振网络105还包括两个二极管148和149组成的限幅器147。限幅器147与可控容性装置124和方波发生器103相连。二极管149的阴极与直流输出源101的高电压端子102相连，二极管149的阳极连接于节点A。二极管148的阴极与节点A相连，二极管148的阳极与低电压端子104相连。限幅器147将可控容性装置124的交流电压限制在直流输入源101输出的直流电压范围内。限幅器147可防止高压谐振电压损毁谐振网络105中的元件。相类似地，在图4所示的另一实施方式中，相比于图2中的实施方式，其还包括限幅器147，其已经在以上实施方式中进行说明，因此这里不再赘述。
请再次参照图1，变压器107包括一次绕组135和二次绕组137。电感131与电容133串联并与可控容性装置124并联。一次绕组135与电感131并联。经可控容性装置124分流后，其余部分电流通过一次绕组135并作为第一谐振功率。二次绕组137与一次绕组135电磁耦合连接，在二次绕组137中产生第二谐振功率。
整流器109与二次绕组137相连。整流器109用来接收第二谐振功率并输出整流后的第二谐振功率给负载143。负载143包括LED阵列或其它形式的直流负载。对LED阵列143而言，为实现调光功能，LED阵列143必须具有较大的功率调整范围和较低的功耗。某些实施方式中，控制器150使用的第一开关111和第二开关113提供控制频率可变的开关信号。
在某些实施方式中，LED阵列143作为电流控制元件，所以控制器150使用了电流闭环控制算法。当通过LED阵列143的电流变化时，LED阵列143的功率调节范围较宽。驱动器165、163产生变频开关信号175、173，来分别驱动第一开关111和第二开关113。功率变换电路10通常使用变频控制方式来调节负载电流反馈信号，以跟踪参考电流信号。
本实施方式可使用传感器，如电流传感器与/或电压传感器(未图示)来检测LED阵列143的电流、电压与/或功率并产生至少一个检测信号153。控制器150接收至少一个检测信号号153并基于该至少一个检测信号153计算得到信号155。例如，可根据实际功率和额定功率的比值计算出功率比155。根据该检测的电流电压信号153可计算出实际功率。控制器150用于对该信号155和阀值信号151进行比较，并基于负载143的信号155和阀值信号151的比较结果生成开关信号171以提供给该可控性装置124。
对于图1所示实施方式，当信号155为功率比时，阀值信号151为阀值功率比。例如，阀值功率比30％表示轻载。基于阀值信号151和信号155的比较结果，开关129被导通或关断。
当LED阵列143工作于重载状态时，更具体而言，当信号155超出阀值信号151，控制器150用来产生第一开关信号(例如OFF信号)，来提供给开关129的驱动器161并作为开关信号171。然后，开关129被驱动关断，电容127断路。在此情况下，可控性装置124的电容值较低。
相反地，当LED阵列143工作于轻载状态时，更具体而言，当信号155未超出阀值信号151，控制器150用来产生第二开关信号(例如ON信号)，来提供给开关129的驱动器161并作为开关信号171。然后，开关129被驱动导通，第二电容127和第一电容125同时工作。在此情况下，可控性装置124的电容值较高。
同样地，对于图2所示的实施方式，当LED阵列143工作于重载状态时，更具体而言，当信号155超出阀值信号151，控制器150用来产生第一开关信号(例如OFF信号)，来提供给开关229的驱动器161并作为开关信号171。然后，开关229被驱动关断，第二电容227和第一电容225同时工作。在此情况下，可控性装置224的电容值较低。
相反地，当LED阵列143工作于轻载状态时，更具体而言，当信号155未超出阀值信号151，控制器150用来产生第二开关信号(例如ON信号)，来提供给开关229的驱动器161并作为开关信号171。然后，开关229被驱动导通，第二电容227被短路。在此情况下，可控性装置224的电容值较高。
图1、5、6中将说明可控性装置124或224的电容如何影响开关信号173、175的频率，以及LED阵列143的电流。
请参照图5，为本发明一实施方式中具有可变频率和可变电容的LED阵列143的电流波形图。横轴表示可控容性装置124的电容，纵轴表示LED阵列143的电流。由此可知，可控容性装置124在不同频率下产生的电流具有非单调性。
例如，当指定参考电流信号Iref为75mA并且开关信号171为OFF信号时，功率变换电路10工作于工作点P，并且开关信号173、175的频率为300kHz。然后，确定信号155未超出阀值信号151后，产生ON信号171，可控容性装置124被控制为较高电容值。功率变换电路10工作于工作点Q，并且开关信号173、175的频率为200kHz。通过设计合适的第一电容125和第二电容127，并随着可控容性装置124的电容增加，功率变换电路10的工作点从P调节到Q。降低开关信号173、175的频率有利于减小开关损耗、导通损耗和工作频率范围。因此，实现了较宽的功率调节范围和较低的损耗。
图6所示为本发明另一实施方式具有可变频率和可变电容的LED阵列143的电流波形图。横轴表示可控容性装置124的电容，纵轴表示LED阵列143的电流。由此可知，可控容性装置124在不同频率下产生的电流具有非单调性。
当开关信号173、175的频率为150kHz，随着可控容性装置124的电容增大，当该频率保持恒定时，功率变换电路10的工作点可由点M移到点N。当频率固定，有利于实现较低的调光电流。当频率在一个较窄范围内调节时，LED阵列143的电流在一个较宽的范围内调节。因此，可实现较宽的功率调节范围。
图7所示为本发明控制功率变换电路方法500的一种实施方式流程图。该方法包括如下步骤。步骤501，接收负载的至少一个检测信号。步骤503，根据该至少一个检测信号计算得到一信号。步骤505，将该信号与阀值信号进行比较。步骤507，基于该信号与该阀值信号的比较结果生成开关信号并提供给该功率变化电路10的可控容性装置124。
如何采用谐振网络105控制功率变化电路10已经在以上实施方式中进行说明，因此这里不再赘述。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (11)
1.一种功率变换电路，其特征在于，所述功率变换电路包括：
方波发生器，用来产生方波功率；
谐振网络，用来接收所述方波功率并输出第一谐振功率，其中所述谐振网络包括电容、电感和可控容性装置，所述电容和所述电感串联在所述方波发生器和所述可控容性装置之间，所述可控容性装置包括第一电容、第二电容和开关；
变压器，与所述可控容性装置相连，用来接收所述第一谐振功率并输出第二谐振功率，其中整流后的第二谐振功率输出给负载；及
控制器，基于阀值信号和根据至少一个所述负载的检测信号计算得到的计算信号的比较结果，用来产生开关信号并输出给所述可控容性装置，
其中，当所述计算信号没有超出所述阀值信号时，所述开关被导通；当所述计算信号超出所述阀值信号时，所述开关被关断；在所述开关被导通时，所述可控性装置具有较高的电容值，在所述开关被关断时，所述可控性装置具有较低的电容值。
2.如权利要求1所述的功率变换电路，其中，所述谐振网络包括限幅器，其与所述可控容性装置和所述方波发生器相连接，用来限制所述可控容性装置的交流电压。
3.如权利要求1所述的功率变换电路，其中，所述开关和所述第二电容的串联电路与所述第一电容并联。
4.如权利要求1所述的功率变换电路，其中，所述第二电容与所述第一电容串联，所述开关与所述第二电容并联。
5.如权利要求1所述的功率变换电路，其中，所述负载的检测信号包括负载的电流、电压或功率。
6.如权利要求1所述的功率变换电路，其中，所述方波发生器包括第一开关和第二开关，所述谐振网络连接在所述第一开关和所述第二开关的中点与接地端之间。
7.如权利要求6所述的功率变换电路，其中，所述控制器用来生成开关信号以提供给所述第一开关和第二开关，以调整反馈负载电流信号来跟踪参考电流信号。
8.如权利要求1所述的功率变换电路，其中，所述可控容性装置的一端连接到所述谐振网络的所述电感与所述变压器的一次绕组的同名端之间的节点，另一端连接到接地端，所述变压器的一次绕组的异名端通过另一个电容连接到接地端。
9.一种控制功率变换电路的方法，其中所述功率变换电路包括用来产生方波功率的方波发生器、用来接收所述方波功率并输出第一谐振功率的谐振网络、以及用来接收所述第一谐振功率并输出第二谐振功率给负载的变压器，所述谐振网络包括电容、电感和可控容性装置，所述电容和所述电感串联在所述方波发生器和所述可控容性装置之间，所述可控容性装置包括第一电容、第二电容和开关，其特征在于，所述方法包括：
接收所述负载的至少一个检测信号；
根据所述至少一个检测信号计算得到一计算信号；
将所述计算信号和阀值信号进行比较；
基于所述计算信号与所述阀值信号的比较结果生成开关信号并提供给可控容性装置；
当所述计算信号没有超出所述阀值信号时，所述开关被导通；及
当所述计算信号超出所述阀值信号时，所述开关被关断，
其中，在所述开关被导通时，所述可控性装置具有较高的电容值，在所述开关被关断时，所述可控性装置具有较低的电容值。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述负载的检测信号包括负载的电流、电压和功率。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述方波发生器包括第一开关和第二开关，所述谐振网络连接在所述第一开关和所述第二开关的中点与接地端之间，所述方法包括：生成开关信号以提供给所述第一开关和第二开关，以调整反馈负载电流信号来跟踪参考电流信号。
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