CN106575917B - 驱动设备和驱动方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种驱动设备(10)，用于驱动负载(22)、尤其用于驱动包括一个或多个LED的LED单元。驱动设备包括：用于将驱动设备连接至电源(16)的输入端(12，14)，以接收来自电源的可变输入电压(V10)；转换单元(25)，用于将输入电压(V10)转换为输出电压(V12)，包括谐振转换器(40)和开关单元(26)，其中开关单元适于将作为驱动电压(V16)的输入电压的斩波电压提供给谐振转换器；以及控制单元(34)，连接至开关单元，用于控制斩波电压的脉冲频率(fP)，其中，控制单元适于基于可变输入电压的测量值通过控制斩波电压的脉冲频率来控制从电源汲取的输入电流(I10)。

Description

驱动设备和驱动方法
技术领域
本发明涉及驱动设备和对应的驱动方法，它们用于驱动负载，尤用于驱动包括一个或多个LED的LED单元。此外，本发明涉及包括一个或多个照明设备，具体为一个或多个LED的灯装置。
背景技术
在驱动设备的领域中，尤其在LED驱动器的领域中，需要高功率因子和安全隔离输出。这些驱动器可以采用具有隔离输出级的PFC前端级，或者可以使用在高功率因子下进行操作并且可以采用第二非隔离功率级的隔离输入级。例如，在WO 2012/085759A2中已知用于驱动LED的对应驱动设备。
隔离PFC级通常形成为反激转换器，其可以提供需要用于对应PFC操作的高增益比，然而，反激转换器的功率密度和效率太低而不能用于要求微型和/或高效驱动器的应用，这主要是由于开关和整流器中的半导体损耗。此外，利用反激转换器设计可实现的最大功率主要由于来自变压器的实际极限而受到限制。
还用于隔离PFC级的谐振转换器(如LC并联谐振转换器和LCL转换器)在接近谐振或处于谐振下进行操作时具有与输出电压成比例的输入电流，这原则上能够被用于PFC操作，然而，另外要求的隔离要求高达三个电磁部件，这导致低功率密度和高成本。此外，E类转换器提供高功率因子操作，然而，功率晶体管不得不抵抗远超典型的低成本设备的极限的电压应力。
作为隔离输出级，由于高效率和小尺寸，谐振LLC转换器被广泛例如用于专业LED驱动器或者用于消费者或办公电子设备中的电源，然而，LLC转换器具有受限的增益比。
US2014/091718A1公开了一种包括电感器-电感器-电容器级的功率转换器以及对其进行操作的方法。在一个实施例中，该功率转换器包括耦合至所述功率转换器的输入的电感器-电感器-电容器(LLC)级。该功率转换器还包括控制器，其被配置为根据该功率转换器的输入电压控制LLC级的切换频率。
应用注释：来自STMicroelectronics的AN2644提供了对LLC谐振半桥转换器的介绍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的驱动设备，其用于驱动负载(例如，恒定电压负载或恒定电流负载)、尤其用于驱动可用于PFC操作的包括一个或多个LED并且具有高效率和小尺寸的LED单元。本发明的又一目的在于提供对应的改进驱动方法，其用于驱动负载(例如，恒定电压负载或恒定电流负载)、尤其用于驱动包括一个或多个LED的LED单元。此外，本发明的目的在于提供一种对应的灯装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于驱动负载的驱动设备，包括：
-输入端，用于将驱动设备连接至电源，以接收来自电源的可变输入电压，
-转换单元，用于将输入电压转换为输出电压，包括谐振转换器和开关单元，开关单元适于向谐振转换器提供输入电压的斩波电压作为驱动电压，以及
-控制单元，连接至开关单元，用于控制斩波电压的脉冲频率，其中控制单元适于基于可变输入电压的测量值通过控制斩波电压的脉冲频率来控制从电源汲取的输入电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于驱动负载的驱动方法，包括以下步骤：
-通过包括谐振转换器的转换单元将可变输入电压转换为输出电压，以用于为负载供电，其中，通过开关单元向谐振转换器提供输入电压的斩波电压作为驱动电压，以及
-通过控制斩波电压的脉冲频率，基于从电源接收的可变输入电压的测量值来控制从电源汲取的输入电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种照明装置，其包括一个或多个照明设备(特别地为一个或多个LED)以及用于驱动照明设备的这种种类的驱动设备。
本发明的优选实施例在从属权利要求中进行限定。应该理解，所要求的方法具有与所请求保护的设备以及从属权利要求中所限定的相似和/或相同的优选实施例。
本发明基于以下构思：利用具有高效率和小尺寸的谐振转换器(如LLC转换器)的优势，并且控制输入电流，使得可以进行PFC操作。由于谐振转换器的功率因子取决于谐振频率，所以由转换单元汲取的电流和对应的功率因子取决于提供给谐振转换器的驱动电压的频率。因此，由电磁转换单元汲取的电流和功率因子可以通过控制提供给谐振转换器的斩波电压的脉冲频率来控制，使得可以根据对应驱动设备的输入电压的测量值通过控制由转换单元汲取的电流来实现转换单元的PFC操作。从而，可以利用谐振转换器的优势并操作用作PFC级，使得可以实现具有高效率和小尺寸的PFC操作。
在优选实施例中，可变输入电压的测量值是输入电压的相位，并且其中控制单元适于基于输入电压的相位控制输入电流。这使得可能将从电源汲取的输入电流设置为与输入电压同相，从而可以实现PFC操作和高功率因子。
在优选实施例中，驱动设备还包括连接至输入端的整流器，用于将输入电压整流为整流电压并且用于将整流电压或整流输入电压提供给转换单元，并且其中斩波电压的包络对应于整流电压或输入电压的绝对值。这使得可能利用低技术努力来驱动谐振转换器，因为驱动电压对应于由开关单元斩波的整流输入电压。换句话说，整流输入电压被直接提供给开关单元，用于提供斩波电压作为驱动电压。因此，可以避免滤波电容器或升压转换器的使用。
在又一优选实施例中，斩波电压具有对应于整流电压的半正弦包络。换句话说，斩波电压的峰值与输入电压的对应绝对值相同。这使得可能利用低技术努力直接将整流和斩波正弦输入电压(诸如市电电压)提供给谐振转换器。
特别地，斩波电压是输入电压的单级或整流斩波电压。
在优选实施例中，转换单元包括连接至谐振转换器的电磁变压器。这使得可能利用低技术努力实现与输入端的安全隔离。
在优选实施例中，谐振转换器是LLC转换器。这使得可能利用低技术努力增加转换单元的效率并减小尺寸。
在优选实施例中，控制单元适于基于谐振转换器的测量状态变量控制脉冲频率。这使得可能将谐振转换器用作自振荡谐振转换器，后者可以基于测量变量利用低技术努力来控制。
在优选实施例中，谐振转换器的测量变量是转换单元的电磁变压器的电容器的电压。这使得可能进一步减小用于控制自振荡谐振转换器的技术努力。
在优选实施例中，开关单元进一步基于为转换单元的电容器或电磁变压器的电压限定的阈值来控制。
在优选实施例中，开关单元包括两个可控开关，用于将输入电压转换为斩波驱动电压，其中，可控开关之间的节点直接连接至谐振转换器以将斩波驱动电压直接提供给谐振转换器。这使得可能向谐振转换器提供基于输入电压的斩波驱动电压，其中，可以利用低技术努力来控制斩波电压的频率。
在优选实施例中，开关单元形成为半桥。这使得可能减小技术努力并且提供针对过电压具有增加电阻的开关单元。
在优选实施例中，控制单元连接至用于确定驱动设备的输出功率的测量单元，并且其中控制单元适于基于测量的输出功率来控制输入电流。这使得可能控制输出电压或电流。
在优选实施例中，控制单元连接至用于测量电磁转换单元的输出电流的电流测量单元，并且其中控制单元适于通过控制脉冲频率来控制输出电流。这使得可能提供用于驱动负载的期望驱动电流并实现驱动设备的高功率因子。
在优选实施例中，控制单元连接至用于测量电磁转换单元的输出电压的电压测量单元，并且其中控制单元适于通过控制脉冲频率来控制输出电压。这使得可能将输出电压控制为期望值并实现高功率因子。
在优选实施例中，控制单元适于基于预定的期望值来控制作为控制变量的输出电流或输出电压。这使得可能利用低技术努力精确地将输出电流或输出电压设置为预定值。
在优选实施例中，控制单元适于通过控制开关单元的切换频率来控制斩波电压的脉冲频率。这使得可能利用低技术努力将斩波电压提供给电磁转换单元。
在优选实施例中，控制单元适于在输入电压的每个周期内，将输入电流控制为至少分段恒定的值。这使得可能减少用于控制输入电流的技术努力，其中，输入电流可以设置为与输入电压同相，并且仍然可以实现高功率因子。特别地，输入电流被控制为与输入电压同相的方形或梯形。
在可替换实施例中，控制单元适于将输入电流控制为与输入电压同相的正弦曲线。这使得可能实现驱动设备的高功率因子。
在优选实施例中，开关单元经由整流器连接至输入端，其中驱动电压是整流斩波电压。这使得可能实现驱动设备的高功率因子。
如上所述，驱动设备和驱动方法可以在效率和尺寸方面利用谐振转换器的优势，并且可以作为PFC级进行操作，因为从电源汲取的电流可以容易地基于输入电压的测量值来控制。可以利用低技术努力来控制输入电流，因为通过转换单元汲取的电流取决于提供给谐振转换器的驱动电压的频率。
附图说明
本发明的这些和其他方面将从以下描述的实施例中变得显而易见并且参考这些实施例而得以阐述。在以下附图中：
图1示出了用于驱动负载的驱动设备的示意性框图，
图2示出了用于驱动电磁转换器单元的输入电压和斩波驱动电压的定时图，
图3示出了由驱动设备汲取的输入电压、输入电流和电功率的定时图，以及
图4示出了用于驱动负载的驱动设备的详细框图。
具体实施方式
图1示出了笼统地由10表示的驱动设备的示意性框图。驱动设备10包括输入端12、14，用于将驱动设备10连接至电源12，特别地为电压源12，其将供电电压V10提供给驱动设备10。电源16优选是市电的，其将作为供电电压V10的市电电压提供给驱动设备10。驱动设备10还包括输出端18、20，用于向负载22提供输出电压V12和输出电流I12来为负载22供电，负载22在图1所示的具体实施例中形成为LED单元22。
驱动设备10包括整流器24，其连接至输入端12、14，用于对供电电压V10或输入电压V10进行整流并且用于提供整流电压V14。驱动设备10还包括转换单元25，其包括开关单元26和电磁转换单元28。开关单元26直接连接至整流器24，用于接收整流电压V14并用于提供驱动电压V16。电磁转换单元28包括谐振转换器，其连接在开关单元26与电磁转换单元28的电磁变压器之间。开关单元26向电磁转换单元28的谐振转换器提供驱动电压V16，用于驱动电磁转换单元28。电磁转换单元28连接至输出端18、20，用于向输出端18、20提供输出电压V12和输出电流I12并用于为负载22供电。
驱动设备10还包括滤波设备30，其连接至整流器24，用于对整流电压V14进行滤波。在这种特定情况下，滤波设备30形成为电容器30。驱动设备10可进一步包括滤波电容器32，其连接至输出端18、20，用于对输出电压V12进行滤波并且将作为输出电压V12的恒定电压提供给负载22。
开关单元26形成为逆变器开关或斩波器，其接收整流电压V14并且将作为脉动电压或斩波电压的驱动电压V16提供给电磁转换单元28的谐振转换器。通过控制单元34来控制开关单元26，其中，控制单元34控制脉动或斩波电压V16的脉冲频率以设置或控制从电源16汲取的输入电流I10，这将在以下进行详细描述。
由电磁转换单元28传输的电能取决于对应的驱动电压V16的频率，即，在这种特定情况下，取决于由开关单元26提供的脉动或斩波电压V16的脉冲频率。因此，由电磁转换单元28转换的电能以及从电源16得到的输入电流I10可以分别经由开关单元26通过控制脉动或斩波电压V16的脉冲频率来控制。在优选实施例中，开关单元26包括半桥或全桥逆变器，其可以容易地被控制单元34所控制，使得可以提供几乎任何波形的输入电流I10。脉动电压V16或斩波电压V16的频率例如在50和150kHz之间的范围内，或者对于另一转换器来说，例如在500kHz和1.5MHz之间的范围内。脉冲频率通过电磁转换单元28的部件(即，对应部件的电感和电磁转换单元的电容)来确定。进一步通过输入电压和功率来确定脉冲频率。
控制单元34连接至测量单元(未示出)，用于测量供电电压V10或整流电压V14，并且通过控制或设置脉动电压V16的脉冲频率，基于测量的供电电压V10或测量的整流电压V14来控制输入电流I10。控制单元34优选控制与供电电压V10同相的输入电流I10，使得驱动设备10形成PFC级并且行为相当于欧姆电阻器。
控制单元34进一步连接至用于测量输出电压V12和/或输出电流I12的测量设备(未示出)，并且进一步基于输出电压V12或输出电流I12控制输入电流I10。在这种情况下，控制单元34适于基于期望值(其可以在操作期间预定或可调)控制输出电压V12或输出电流I12，使得通过期望的输出电压V12或期望的输出电流I12来驱动负载22。
在一个实施例中，电磁转换单元28的谐振转换器形成为LLC转换器，其包括形成谐振电路的一个电容器和两个电感器，其中，在脉动或斩波电压V16的接近谐振转换器的谐振频率的脉冲频率处增加转换的电能。
控制单元34可连接至用于测量谐振转换器的至少一个状态变量的测量设备，特别地跨谐振转换器的电容器或跨变压器的压降可被测量并且提供给控制单元34，使得输入电流I10可基于谐振转换器的分别测量的状态变量来控制，这暗示调节驱动电压V16的脉冲频率。在特定情况下，使谐振转换器自振荡，即，其形成振荡器的一部分。
总的来说，驱动设备10由此可作为具有高效率和小尺寸的PFC转换器提供，使得该驱动设备可用于驱动LED单元并且可连接至作为电源供应的市电。
图2示出了供电电压V10和驱动电压V16的定时图。在电源16为市电的情况下，供电电压V10具有正弦交流波形并且具有50Hz的频率。驱动电压V16是单极电压，因为整流器24将双极正弦供电电压V10整流为整流电压V14。整流电压V14具有对应的全波整流波形作为输入电压V10。在这种情况下，整流电压V14具有DC全波正弦波形。因此，输入电压V10和整流电压V14的绝对值相同。此外，如图2所示，整流电压V14和输入电压V10的幅度或振幅相同。整流电压V14通过开关单元26被斩波，使得驱动电压V16是具有对应于整流电压V14的半正弦包络的脉动或斩波电压V16。因此，斩波电压V16的峰值与输入电压V10的对应绝对值相同。
脉动电压V16的脉冲频率fP是可变的，或者可以通过控制单元34来设置，并且例如在50-150kHz的范围内。
通过控制脉动电压V16的脉冲频率或切换频率，可以控制输入电流I10并且设置为期望波形，使得在特定实施例中，可以实现驱动设备10的PFC操作。
图3示出了从电源16汲取的供电电压V10、输入电压V10和传输的电功率P的定时图。该定时图示出了正弦供电电压V10的一个周期，其在电源16为市电的情况下具有50Hz的频率。从电源16中汲取且被驱动电压V16的切换频率fP或脉动频率fP控制的输入电流I10在输入电压V10的每个半波中具有梯形的形状并且与输入电压V10同相。因此，从电源16汲取的电功率P具有对应于输入电压V10的对应半波的脉动形状。在这种特定情况下，电磁转换单元的功率因子小于1，因为供电电压V10和输入电流I10的波形不相同。如果输入电流I10也被控制为正弦并且与输入电压V10同相，则功率因子可以为1。在另一实施例中，输入电流I10可以控制为在供电电压V10的每个半波上恒定。这通常使得可能降低控制努力，因为在输入电压V10的每个半波期间，输入电流I10可以至少分段地设置为恒定值。
图4示出了图1所示驱动设备10的详细框图。相同的元件由相同的参考标号表示，这里将仅详细描述不同之处。开关单元26形成为半桥，其包括相互串联的两个可控开关36、38，其中，电磁转换单元28的谐振转换器40直接连接至可控开关36、38之间的节点以接收驱动电压V16。谐振转换器40形成为LLC谐振转换器，其包括串联电容器41、串联电感器42、并联电感器44和电磁变压器46(其包括初级绕组48和次级绕组50)。串联电容器41和电感器42、44、48形成谐振转换电路28的谐振电路，其中，如果驱动电压具有对应于谐振电路的谐振频率的切换频率fP或脉冲频率fP，则可以实现最大功率。
次级绕组50提供变压器电压，其被提供给整流器52，整流器52对电压器电压V18进行整流，使得输出电压V12是被滤波电容器32滤波的恒定电压。该输出电容器被设计用于低频(100Hz)缓冲，而输入电容器30较小且被设计为仅滤波切换频率(例如，100Hz)。输入电容器30通常取决于额定功率或输入电压。例如，如果在230Vac和50Hz下期望高功率因子，则输入电容器包括小于10nF/W的电容。输出电容器取决于功率和额定电压以及期望的输出电压波纹。例如，在200Vdc处，对于+-5％的波纹要求至少1μF/W的电容。整流器52可以是桥式整流器。在可替换实施例中，电磁变压器46可以包括抽头次级绕组，用于对变压器电压V18进行整流并且用于将作为输出电压V12的单极电压提供给负载22。
在图4中详细示出控制单元34，其中，控制单元34包括驱动设备，用于将控制信号提供给可控开关36、38来相应地驱动开关单元26。控制单元34接收测量的输出电压V12或测量的输出电流I12，以及相应地接收作为期望值在输出端18、20处实现的参考值V12R或I12R。参考值可以是预定的，或者可以通过操作者进行选择。
控制单元34的第一控制设备54接收对应的参考值V12R、I12R之间的差值作为控制误差以及来自加法器的输出电压V12’或输出电流I12’的测量值。第一控制设备54将对应于驱动设备10的平均输出功率的控制因子提供给多路复用器56，多路复用器56接收对应于整流电压V14的测量值V14’。多路复用器56确定输入电流参考值I10R，其与测量的输入电流I10进行比较。通过第二控制设备58，通过可控开关36的切换频率来控制输入电流I10，第二控制设备58可替换地还可以接收串联电容器50的电容器电压Vc’，从而基于谐振转换器28的测量值以自振荡的方式控制输入电流I10。在这种情况下，基于用于电容器电压Vc的阈值来控制可控开关36、38，其中，当电容器电压Vc达到阈值时切换开关36、38。串联电容器41、第二控制设备58和开关单元26在这种情况下形成振荡环。第二控制设备58还包括用于驱动可控开关36、38的驱动器。
输入电流I10被控制成实际上对应于以下公式：
I10＝V14*P12*c0
其中，P12是输出端18、20处提供的输出功率，以及c0是取决于峰值输入电压的恒定因子。
通过从谐振转换器到PFC级的该控制环，可以精确地对应于供电电压V10来控制输入电流I10，使得可以实现具有高效率和小尺寸的PFC级。
应该理解，还可以在简化实施例中基于作为控制变量的整流电压V14或电容器电压Vc或者输出电压V12或输出电流I12来控制输入电流I10，使得进一步减少了技术努力。
虽然已经在附图和前面的说明书中示出和描述了本发明，但这些说明和描述是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员根据对附图、公开和所附权利要求的研究在实践所要求的发明时可以理解和实现对所公开实施例的其他变形。
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“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可满足权利要求中引用的多项的功能。在相互不同的从属权利要求中引用的特定措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不可用于获利。
权利要求中的任何参考符号不应解释为限制范围。

Claims (18)

1.一种用于驱动负载(22)的驱动设备(10)，所述驱动设备包括：
-输入端(12，14)，用于将所述驱动设备连接至电源(16)，以接收来自所述电源的作为可变电压的输入电压(V10)，
-转换单元(25)，用于将所述输入电压(V10)转换为输出电压(V12)，包括谐振转换器(40)和开关单元(26)，其中所述开关单元适于向所述谐振转换器提供所述输入电压的斩波电压作为驱动电压(V16)，以及
-控制单元(34)，连接至所述开关单元，用于控制所述斩波电压的脉冲频率(fP)，其中所述控制单元适于基于可变输入电压的测量值，通过控制所述斩波电压的脉冲频率，来控制从所述电源汲取的输入电流(I10)，并且其中所述控制单元(34)还适于确定输入电流参考值(I10R)以及对所述输入电流参考值(I10R)和所述输入电流(I10)的测量值进行比较。
2.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述测量值是所述输入电压的相位，并且其中所述控制单元适于基于所述输入电压的相位控制所述输入电流。
3.根据权利要求1所述的驱动设备，还包括连接至所述输入端的整流器(24)，用于将所述输入电压整流为整流电压(V14)，并且用于将所述整流电压提供给所述转换单元，并且其中所述斩波电压的包络对应于所述整流电压，以及所述控制单元(34)适于根据所述整流电压(V14)来控制所述输入电流(I10)，或者在所述输入电压(V10)的每个半波内将所述输入电流(I10)控制为恒定。
4.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述转换单元包括连接至所述谐振转换器的电磁变压器。
5.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述谐振转换器是LLC转换器。
6.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述控制单元适于基于所述谐振转换器的测量变量(Vc)控制所述脉冲频率。
7.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述开关单元包括两个可控开关(36，38)，用于将所述输入电压转换为所述斩波电压，其中，所述可控开关之间的节点直接连接至所述谐振转换器，以将所述斩波电压直接提供给所述谐振转换器。
8.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述控制单元连接至用于确定所述驱动设备的输出功率(P12)的测量单元，并且其中所述控制单元适于基于测量的输出功率来控制所述输入电流。
9.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述控制单元连接至用于测量所述转换单元的输出电流(I12)的电流测量单元，并且其中所述控制单元适于通过控制所述脉冲频率来控制所述输出电流。
10.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述控制单元连接至用于测量所述转换单元的输出电压的电压测量单元，并且其中所述控制单元适于通过控制所述脉冲频率来控制所述输出电压。
11.根据权利要求4或5所述的驱动设备，其中，所述控制单元适于接收所述输出电压(V12)的测量值或者输出电流(I12)的测量值，以及相应地接收作为期望值在输出端(18，20)实现的所述输出电压的参考值(V12R)或者所述输出电流的参考值(I12R)。
12.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述控制单元适于通过控制所述开关单元的切换频率来控制所述斩波电压的脉冲频率。
13.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述控制单元适于在所述可变输入电压的每个半周期内，将所述输入电流控制为至少分段恒定的值。
14.根据权利要求1-10、12和13中任一项所述的驱动设备，其中，所述负载是包括一个或多个LED的LED单元。
15.一种用于驱动负载(22)的驱动方法，所述驱动方法包括以下步骤：
-通过包括谐振转换器(40)的转换单元(25)将可变输入电压(V10)转换为输出电压(V12)，用于为所述负载供电，其中，通过开关单元(26)向所述谐振转换器提供所述输入电压的斩波电压(V16)作为驱动电压；
-基于所述可变输入电压(V10)的测量值(V14’)确定输入电流参考值(I10R)；
-将输入电流(I10)的测量值与所述输入电流参考值(I10R)进行比较；以及
-通过控制所述斩波电压的脉冲频率(fP)，基于所述输入电流(I10)的测量值与所述输入电流参考值(I10R)的比较结果，来控制从电源(16)汲取的所述输入电流(I10)。
16.根据权利要求15所述的驱动方法，其中所述负载是LED单元。
17.一种照明装置，包括一个或多个照明设备(22)，以及用于驱动所述照明设备的根据权利要求1-14中任一项所述的驱动设备(10)。
18.根据权利要求17所述的照明装置，其中一个或多个照明设备(22)包括一个或多个LED。
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