CN107113954B - 具有改进的功率因数的低成本驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于为负载供电的驱动器电路被公开。该驱动器电路包含连接到AC功率源用于接收的输入端，以及把来自该输入端的AC功率变换成DC功率的整流器。该驱动器电路还包含电压母线滤波器、用于产生高频AC信号的高频振荡器、谐振驱动器、反馈电路和高频DC整流器。该电压母线滤波器平滑来自整流器的DC功率，并包含至少一个电容器。该谐振驱动器与该高频振荡器电联通，并限制该高频AC信号的电流，以及基于该高频AC信号产生受限制的输出电压。该反馈电路与该谐振驱动器和电压母线滤波器电联通，并维持电压母线滤波器的电容器上的电荷。

Description

具有改进的功率因数的低成本驱动器电路
技术领域
本公开一般涉及用于为负载供电的驱动器电路，尤其是有改进的功率因数(PF)的驱动器电路，该驱动器电路包含反馈电路，用于维持电压母线滤波器上的电荷。
背景技术
基于发光二极管(LED)的照明系统，比其他类型照明系统，诸如白炽或荧光照明，可以给出若干能量和可靠性优点。因此，基于LED的照明系统，可以是取代其他已有照明技术的、有吸引力的候选者。
历史上，白炽灯泡已经有近乎完美的功率因数(PF)。换句话说，白炽灯泡通常有约1的PF。本领域的熟练技术人员会容易意识到，有相对低PF的电学装置需要来自公用设施的额外功率，该公用设施亦称电网。因此，高功率因数的解决方案，对基于LED的照明系统是所希望的。尤其是，为了获得美国政府颁布的特定类型的能量证书(如ENERGY证书(证书))，基于LED的照明灯具有至少0.7的PF可能是特别希望的。这是因为，一些照明产品的潜在消费者，可以根据某种LED照明灯具是否已经获得一种或多种特定类型的能量证书，来做出购买决定。此外，本领域的熟练技术人员也会意识到，对用于LED照明灯具的相对低成本的、可靠的驱动器，在本领域也还存在持续的需求。
发明内容
在一个实施例中，一种用于为负载供电的驱动器电路被公开。该驱动器电路包含连接到AC功率源用于接收的输入端，以及用于把来自该输入端的AC功率变换成DC功率的整流器。该驱动器电路还包含：电压母线滤波器、用于产生高频AC信号的高频振荡器、谐振驱动器、反馈电路和高频DC整流器。该电压母线滤波器平滑来自整流器的DC功率，并包含至少一个电容器。该谐振驱动器与该高频振荡器电联通，并限制该高频AC信号的电流，以及基于该高频AC信号，产生受限制的输出电压。该反馈电路与该谐振驱动器及该电压母线滤波器电联通，并维持电压母线滤波器的电容器上的电荷。该高频DC整流器与该谐振驱动器电联通，并把该受限制的输出电压整流成包含基本上恒定电流的DC输出电压，用于为负载供电。
在另一个实施例中，一种为保明(non-dimming)应用中至少一个发光二极管(LED)供电的驱动器电路被公开。该驱动器电路包含连接到AC功率源用于接收的输入端，以及用于把来自该输入端的AC功率变换成DC功率的整流器。该驱动器电路还包含：电压母线滤波器、用于产生高频AC信号的高频振荡器、谐振驱动器、反馈电路和高频DC整流器。该电压母线滤波器平滑来自该整流器的DC功率，并包含至少一个电容器。该谐振驱动器与该高频振荡器电联通，并限制该高频AC信号的电流，以及基于该高频AC信号，产生受限制的输出电压。该反馈电路与该谐振驱动器和该电压母线滤波器电联通。该反馈电路包括充当电荷泵的电容器，该电荷泵维持电压母线滤波器的至少一个电容器上的电荷。该高频DC整流器与谐振驱动器电联通，并把该受限制的输出电压整流成包含基本上恒定电流的DC输出电压，用于为LED供电。
附图说明
图1是用于为负载提供DC电流、具有改进的功率因数(PF)的电路的示例性方框图；
图2是图1所示电路的示例性电路图，其中整流器包含快速恢复二极管；
图3是在图1和2所示电路输入端上的示例性AC波形以及在该电路的电压母线滤波器上测量的整流后的输入电压的说明图；
图4是图1和2所示谐振驱动器的谐振曲线和工作点的说明图；
图5是图2所示电路图的另外实施例，其中整流器不包含快速恢复二极管；以及
图6是图5所示电路图的另一个实施例，其中隔直电容器的位置被修改。
具体实施方式
下面的详细描述将说明本发明的一般原理，附图中另外示出本发明的例子。在附图中，相同的附图标记指相同的或功能上类似的元件。
图1是用于为负载18提供DC电流的电路10的示例性方框图。驱动器电路10可以包含一对功率输入线20，用于连接到AC功率源(未示出)，诸如，举例说，标称120伏AC的电源线。驱动器电路10还可以包含电阻器R1(图2中示出)、电磁干扰(EMI)滤波器24、整流器26、电压母线滤波器27、起动电路28、开关30、变压器32、开关34、反馈电路35、谐振驱动器电路36、高频DC整流器40、以及隔直电容器46。如在下面更详细的解释，电路10为负载18提供基本上恒定的DC电流，同时维持相对高的功率因数(PF)。在一个实施例中，电路10可以包含至少0.7的PF。
参考图1-2，驱动器电路10的输入线20可以与EMI滤波器24电联通。在一个非限制性的实施例中，该EMI滤波器24可以包含电感器L1和电容器C1及C2(图2中示出)。整流器26可以与EMI滤波器24电联通，并被配置成把来自EMI滤波器24的输入AC功率变换成脉冲DC功率。在图2所示的实施例中，整流器26是高频桥式整流器，包含四个快速恢复二极管D1、D2、D3、D4。在一个实施例中，快速恢复二极管D1-D4可以有小于约150ns的响应时间，然而，应当理解，这一参数实质上仅仅是示例性的，而其他类型的快速恢复二极管也同样可以被使用。
整流器26的输出端可以与电压母线滤波器27电联通。在图2所示的示例性实施例中，电压母线滤波器27可以包含电容器C3。本领域的普通技术人员容易明白，电容器C3可以是充当平滑电容器的电解电容器。具体地说，电容器C3可以被用于平滑或减少由整流器26提供的DC功率中的波纹量，以便使相对稳定的DC功率可以被提供给电路10内的其余部件(即，起动电路28、开关30、变压器32、开关34、谐振驱动器电路36、以及高频DC整流器40)。如在下面更详细的解释，反馈电路35可以被用于建立电容器C3上的电荷。维持该电容器C3上的电荷进一步平滑由整流器26提供的DC功率，而平滑的DC功率又改进电路10的PF。
继续参考图1和2二者，电压母线滤波器27可以与起动电路28电联通。起动电路28可以包含电阻R2和R3、二极管D6、二端交流开关元件(diac)D7、以及电容器C6。二端交流开关元件D7是一种二极管，它只在已经达到导通(breakover)电压VBO之后才传导电流。在电路10最初起动期间，电容器C6可以被充电，直到二端交流开关元件D7达到导通电压VBO。导通电压一旦已达到，二端交流开关元件D7可以开始传导电流。具体地说，二端交流开关元件D7可以连接到开关30并向开关30发送电流。一旦二端交流开关元件D7达到导通电压VBO，二极管D6可以被用于放电电容器C6，并阻止二端交流开关元件D7再次导通。
如在图2所见，电路10可以包含按级联排列而连接的下部开关30(被标记Q2)和上部开关34(被标记Q1)。参考图1和2二者，电阻器R3可以被用于为下部开关元件Q2提供偏置。在图2所示实施例中，开关元件Q2是双极结型晶体管(BJT)。虽然BJT可以是用于开关的相对节俭且有成本效益的部件，但本领域的熟练技术人员会意识到，其他类型的开关元件也可以被使用。二极管D10可以被提供用于限制开关元件Q2的基极B和发射极E之间的负电压，这又增加效率。
开关30可以被连接到变压器32。如在图2中所见，在实施例中，变压器32包含三个绕组T1A、T1B和T1C。当与绕组T1B比较时，绕组T1A可以包含相反的极性。这样确保如果开关元件Q2被接通，另一个开关元件Q1将在同一时间不接通。
参考图1-2，两个开关30、34；二极管D9、D10；电阻器R5和R6；以及该变压器32，定义高频振荡器50。该高频振荡器50产生高频AC信号VIN(图1中示出)。在一个实施例中，该高频AC信号VIN可以是有至少约40千赫(kHz)频率的AC信号。高频振荡器50的输出端42(图1中示出)可以与谐振驱动器电路36电联通。
参考图2，上部开关元件Q1也可以是BJT。二极管D9可以被提供用于限制上部开关元件Q1的基极B和发射极E之间的负电压，这又增加效率。开关34可以被用于把高频振荡器50电连接到谐振驱动器电路36。在图2所示实施例中，谐振驱动器电路36可以包含与变压器32的绕组T1C串联连接的电容器C7。谐振驱动器电路36也可以包含电感器L2。该谐振驱动器电路36可以被用于限制从高频振荡器50接收的高频AC信号VIN的电流。该谐振驱动器电路36也基于该高频AC信号VIN产生受限制的输出电压VLIMITED(在图1中示出)。
谐振驱动器电路36可以与高频DC整流器40电联通。由谐振驱动器36建立的受限制的输出电压VLIMITED，可以被发送到高频DC整流器40，并被整流成为DC输出电压VDC(图1中示出)。DC输出电压VDC包含被供应给负载18的基本上恒定的电流。在如图2所示实施例中，高频DC整流器40是包含四个二极管D11-D14和滤波电容器C8的全波整流器。该全波整流器可以与滤波电容器C8并联连接。在一个实施例中，二极管D11-D14可以是低电压二极管。应当理解，全波整流器40使来自谐振电路36的被限制的输出电压VLIMITED的频率加倍，因而滤波电容器C8大小可以相对地小。例如，在一个实施例中，滤波电容器C8可以是小于1微法。
继续参考1-2，隔直电容器46可以包含电容器C4。电容器C4与整流器26、电压母线滤波器27以及高频DC整流器40电联通。电容器C4可以被用于阻抗匹配和阻隔DC电流。具体地说，电容器C4允许由高频振荡器产生的高频AC信号VIN(图1中示出)传递到高频DC整流器40。电容器C4还阻隔由位于电路10右侧的高频DC整流器40产生的DC输出电压VDC传回到整流器26。在图2所示实施例中，隔直电容器C4位于整流器26和高频DC整流器40之间。然而，在另外的实施例中，隔直电容器46可以被连接到开关30的发射极E。
反馈电路35可以在EMI滤波器24和整流器26之间被连接到电路10。反馈电路35也可以被连接到高频DC整流器40。反馈电路35包含电容器C5，该电容器C5充当电荷泵，维持电压母线滤波器27的电容器C3上的电荷，这又增加电路10的PF。现在转到图3，示出由电路10的输入端20所接收的AC波形A的示例性说明图。图3还示出电路10的已整流的输入电压VREC，该电压VREC是在整流器24后面的电压母线滤波器27的电容器C3上测量的。已整流的输入电压VREC是基于由电路10的输入端20所接收的AC波形。
参考图2和3二者，已整流的输入电压VREC包含波纹R。应当理解，由于反馈电路35维持电压母线滤波器27的电容器C3上的电荷，已整流的输入电压VREC的波纹R的幅度可以被降低。换句话说，维持电容器C3上的电荷，又会进一步平滑或降低通过电路10输入端20上的AC波形A的每半周期的已整流的输入电压VREC中的波纹量(AC波形A的半周期已标记在图3中)。此外，维持电容器C3上的电荷还会导致在电路10的输入端20上电流的增加传导时间。因此，反馈电路35可以改进电路10的总PF。例如，在一个实施例中，电路10的总PF可以是至少0.7。
回到图2，在一个实施例中，负载18可以是一个或多个发光二极管(LED)。例如，在如图2-6所示的实施例中，电路10可以包含与LED(未示出)连接的一对输出端子44。如在各图描述和示出的实施例中，驱动器电路10被用在保明(non-dimmable)LED应用中。虽然LED被描述，但应当理解，负载18可以是在工作期间要求基本上恒定电流的任何类型的装置。例如，在另外的实施例中，负载18可以是加热元件。
图4是图2所示谐振驱动器电路36的示例性谐振曲线的说明图。该谐振曲线可以包含工作点O和谐振临界频率fo。该临界频率fo被定位于谐振曲线的峰处，而该工作点O被定位于临界频率fo的左侧。参考图2和4二者，增加谐振驱动器36的电容器C7的电容或电感器L2的电感，可以向左移动临界频率fo，而降低电容器C7的电容或电感器L2的电感，可以向右移动临界频率fo。谐振曲线的振荡频率可以由变压器32的绕组T1C、电阻器R5及R6、上部开关元件Q1以及下部开关元件Q2确定。尤其是，谐振曲线的振荡频率可以是基于变压器32的绕组T1C的匝数，和上部开关元件Q1及下部开关元件Q2的存储时间(storage times)。
电感器L2的电感以及电容器C4和C7的电容在维持电路10的可接受的线路调节中是关键因素。具体地说，随着线路电压的增加，电路10的工作频率下降。此外，随着工作频率的下降，电感器L2的阻抗可能下降，从而引起提供给负载18(图1)的电流的增加。因此，电感器L2的电感以及电容器C7和电容器C4的电容可以被这样选择，使得电路10的总增益随着工作频率的下降而下降。这又可以随着线路电压的增加，实际上降低或最小化提供给负载18的电流的任何增加。
图5是另外的电路100的说明图。电路100包含如图2所示电路10类似的部件。然而，电路100还包含两个附加的二极管D15和D16，位于整流器26后面。在图5所示实施例中，二极管D15、D16是快速恢复二极管。二极管D15可以被定位于整流器26与二极管D16之间。二极管D16可以被定位于二极管D15与高频DC整流器40之间。因为电路100包含快速恢复二极管D15和D16，所以整流器26的二极管D1-D4也就不必是快速恢复二极管。换句话说，整流器26是标准的桥式整流器。所以，当与图1所示电路10比较时，图5所示电路100可以导致快速恢复二极管的数量减少。
图6是电路200的又另一个实施例。电路200包含如图5所示电路100类似的部件。然而，隔直电容器C4的位置已经被修改。具体地说，隔直电容器C4现在被连接在二极管D15和谐振驱动器电路36之间。还有，反馈电路35的电容器C5的位置也已经被修改。具体地说，电容器C5现在被定位成与二极管D16并联。但是，电容器C5依然充当电荷泵，以便维持电压母线滤波器27的电容器C3上的电荷。附加电容器C11已经被添加于电路200，并与电压母线滤波器27的电容器C3并联。电容器C11充当分配器。
如图1-6所示和以上所描述的被公开的电路提供一种用于驱动负载的相对低成本和有效的方案，而在同时提供相对高的PF(即，0.7以上)。尤其是，被公开的电路提供相对高的PF而无需有源电路，有源电路给LED照明灯具增加成本和复杂性。此外，被公开的电路还提供相对低成本和有效的方案，也用于向负载提供基本上恒定的电流。本领域的熟练技术人员容易意识到，当与今天市场上目前可购得的一些类型的LED驱动器比较时，被公开的电路导致更少部件和更简单设计。
虽然这里描述的设备和方法的形式构成本发明的优选实施例，但应当理解，本发明不限于这些设备和方法的精确形式，并且在不偏离本发明的范围下，可以在其中做出改变。

Claims (19)

1.一种用于为负载供电的驱动器电路，包括：
连接到AC功率源的用于接收的输入端，以及用于把来自该输入端的AC功率变换成DC功率的整流器；
电压母线滤波器，用于平滑来自整流器的DC功率，该电压母线滤波器包含至少一个电容器；
高频振荡器，用于产生高频AC信号；
谐振驱动器，与该高频振荡器电联通，该谐振驱动器限制该高频AC信号的电流，并基于该高频AC信号产生受限制的输出电压；
反馈电路，与该谐振驱动器和该电压母线滤波器电联通，该反馈电路维持电压母线滤波器的至少一个电容器上的电荷；
高频DC整流器，与该谐振驱动器电联通，该高频DC整流器把该受限制的输出电压整流成包含恒定电流的DC输出电压，用于为该负载供电；以及
隔直电容器，与该整流器、该电压母线滤波器和该高频DC整流器电联通，该隔直电容器位于该整流器和该高频DC整流器之间，其中该隔直电容器允许高频振荡器产生的高频AC信号流动到高频DC整流器，并且阻止高频DC整流器产生的DC输出电压流回到该整流器。
2.如权利要求1所述的驱动器电路，其中该反馈电路包括充当电荷泵的电容器，该电荷泵维持电压母线滤波器的至少一个电容器上的电荷。
3.如权利要求1所述的驱动器电路，其中该整流器是包含四个快速恢复二极管的高频桥式整流器。
4.如权利要求1所述的驱动器电路，还包括位于该整流器后面的两个快速恢复二极管。
5.如权利要求4所述的驱动器电路，其中该整流器是标准的桥式整流器。
6.如权利要求4所述的驱动器电路，其中该反馈电路包括电容器，且其中该电容器与该两个快速恢复二极管之一并联。
7.如权利要求1所述的驱动器电路，其中该高频振荡器包含按级联排列而连接的上部开关元件和下部开关元件。
8.如权利要求7所述的驱动器电路，其中该上部开关元件和下部开关元件二者都是双极结型晶体管(BJT)。
9.如权利要求7所述的驱动器电路，包括起动电路，该起动电路包含电阻器、二极管、二端交流开关元件和电容器，该二端交流开关元件连接到该下部开关元件并向该下部开关元件发送电流。
10.如权利要求9所述的驱动器电路，其中该起动电路的电容器在驱动器电路的最初起动期间被充电，直到该二端交流开关元件达到导通电压为止。
11.如权利要求7所述的驱动器电路，其中该高频振荡器包括与该上部开关元件和该下部开关元件连接的变压器，该变压器包含第一绕组、第二绕组和第三绕组，且其中该第一绕组和该第二绕组包含相反的极性。
12.如权利要求11所述的驱动器电路，其中该谐振驱动器电路包含电容器和电感器，其中该电容器与该变压器的第三绕组串联，且其中该电感器的电感及该电容器的电容被选定以使得该驱动器电路的总增益下降时，工作频率也下降。
13.如权利要求4所述的驱动器电路，其中该隔直电容器的一端直接连接到两个快速恢复二极管中的一个快速恢复二极管，并且该隔直电容器的剩余一端连接到该谐振驱动器。
14.一种用于为保明应用中的至少一个发光二极管(LED)供电的驱动器电路，包括：
连接到AC功率源的用于接收的输入端，以及用于把来自该输入端的AC功率变换成DC功率的整流器；
电压母线滤波器，用于平滑来自整流器的DC功率，该电压母线滤波器包含至少一个电容器；
高频振荡器，用于产生高频AC信号；
谐振驱动器，与该高频振荡器电联通，该谐振驱动器限制该高频AC信号的电流，并基于该高频AC信号产生受限制的输出电压；
反馈电路，与该谐振驱动器和该电压母线滤波器电联通，该反馈电路包括充当电荷泵的电容器，该电荷泵维持电压母线滤波器的至少一个电容器上的电荷；
高频DC整流器，与该谐振驱动器电联通，并把该受限制的输出电压整流成包含恒定电流的DC输出电压，用于为该LED供电；以及
隔直电容器，与该整流器、该电压母线滤波器和该高频DC整流器电联通，该隔直电容器位于该整流器和该高频DC整流器之间，其中该隔直电容器允许高频振荡器产生的高频AC信号流动到高频DC整流器，并且阻止高频DC整流器产生的DC输出电压流回到该整流器。
15.如权利要求14所述的驱动器电路，其中该整流器是包含四个快速恢复二极管的高频桥式整流器。
16.如权利要求14所述的驱动器电路，还包括位于该整流器后面的两个快速恢复二极管。
17.如权利要求16所述的驱动器电路，其中该整流器是标准的桥式整流器。
18.如权利要求16所述的驱动器电路，其中该反馈电路包括电容器，且其中该电容器与该两个快速恢复二极管之一并联。
19.如权利要求16所述的驱动器电路，其中该隔直电容器的一端直接连接到两个快速恢复二极管中的一个快速恢复二极管，并且该隔直电容器的剩余一端连接到该谐振驱动器。
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