CN107210681A

CN107210681A - 用于功率供应装置的功率转换和功率因数校正电路

Info

Publication number: CN107210681A
Application number: CN201480084570.1A
Authority: CN
Inventors: C.D.谢德格尔; H.魏; 姚刚
Original assignee: GE Lighting Solutions LLC
Current assignee: Current Lighting Solutions LLC
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: WO2016095194A1; CN107210681B

Abstract

一种方法和一种功率转换器和功率因数校正电路（100）包含用于功率供应装置的至少一种切换模式（90，92）、将从输入接收的输入功率转换成输出功率的AC/DC转换器（50）和DC/DC转换器（60）。DC/DC转换器（60）包含与输入电耦合的转换器开关（124）。功率转换和功率因数校正电路（100）也包含接收由用户选择的感测信号（Vsense），将感测信号（Vsense）转换成与输出功率成比例的控制信号（Vcontrol），比较控制信号（Vcontrol）和阈值信号，以及控制切换模式（90，92）的电路。

Description

用于功率供应装置的功率转换和功率因数校正电路

I. 技术领域

本技术领域一般涉及具有功率供应装置的系统（例如，具有发光二极管（LED）照明驱动器或功率供应的室内照明系统）。具体而言，本发明涉及控制高功率因数（PF）和总谐波失真（THD）LED照明驱动器或功率供应。

II.背景技术

热管理在室内照明系统中起到重要的作用。因此，借助于室内照明系统中的LED，调光已变得普遍。

PF是实际输出功率和从功率源汲取的功率的比率。通常预期为“1”的PF。一种用于在低功率应用中实现PFC的当前方法是过渡模式（TM）控制。

一些集成电路（IC）可包含用于诸如具有宽输入电压的固定负载的特定类型负载的良好PF比率和低THD。在其它IC中，在负载更改到宽范围时，PF和THD变得更差。例如，从完全功率到完全功率负载的低百分比（例如，3%）。

此外，PF和THD在深度调光模式期间也变得更差，特别是对于高线路输入。升压电路通常在调光电路中使用，并且受到控制以在TM采用峰值电流控制操作以便节省成本。功率供应在高线路输入处工作并且处在深度调光模式中时，流过升压电路的电流可能是最小的，在高线路输入中的电容也可存储大量的能量。因此，在调光操作期间，存储的能量可未被完全释放，造成差的THD和PF。

III. 发明内容

本公开的各种实施例配置成提供控制ZCD电压以便在深度调光范围切换模式操作，例如以便实现在PF中的增益和低THD的方法和功率转换电路。

在一个示范实施例中，提供了用于功率供应装置的功率转换和功率因数校正电路。功率转换和功率因数校正电路包含AC/DC转换器和DC/DC转换器，其连接在一起并且配置成将接收的输入功率转换成输出功率，DC/DC转换器包括与输入电耦合的转换开关。还包含的是配置用于接收如由用户选择的感测信号，并且将感测信号转换成与输出功率成比例的控制信号，并且比较控制信号和阈值信号，以及控制切换模式的电路。

在一个示范实施例中，提供了一种方法。方法包含选择感测信号，并且将感测信号转换成与照明驱动器的输出功率成比例的控制信号。方法还包含比较控制信号和阈值装置的阈值信号，并且控制切换模式。

前面所述广义上概述了各种实施例的一些方面和特征，这些实施例应被视为只是说明本公开的各种潜在应用。通过以不同方式应用公开的信息，或者通过组合公开的实施例的各种方面，能够获得其它有益结果。相应地，除由权利要求定义的范围外，通过参考结合附图进行的示范实施例的详细描述，可获得其它方面和更全面的理解。

IV. 附图说明

图1是图示用于能够在本发明的一个或更多实施例内实现的室内照明系统的功率供应装置（例如，照明驱动器）的功率转换和功率因数校正电路的框图。

图2是能够在本发明的一个或更多实施例内实现的图1中示出的示范功率转换和功率因数校正电路的电路示意图。

图3是能够在本发明的一个或更多实施例内实现的图2中示出的功率转换和功率因数校正电路的模式切换电路的电路示意图。

图4是图示实现本发明的实施例的示范方法的流程图。

图5A和5B是根据本发明的实施例的用于切换控制模式的切换点的说明。

图形只用于图示优选实施例，并且不要视为限制本公开的目的。给定图形的下面使能(enabling)描述，本公开的新颖方面对于本领域技术人员应变得显然。此详细描述使用数字和字母标示来参考图形中的特征。图形和描述中相似或类似的标示用来参考本发明的实施例的相似或类似部分。

V. 具体实施方式

如所要求的，本文中公开详细实施例。必须理解的是，公开的实施例只是各种形式和备选形式的示范。如在本文中所使用的，单词“示范”可扩展地用来参考用作说明、标本、模型或图案的实施例。图形不一定是按比例的，并且一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。在其它实例中，未详细描述本领域技术人员已知的众所周知的组件、系统、材料或方法，以免混淆本公开。因此，不要将本文中公开的特定结构和功能细节理解为限制，而只是作为用于权利要求的基础和作为用于教导本领域技术人员的代表性基础。

本发明的示范实施例提供用于通过实时选择要用来感测要供应到照明系统的照明元件的输出功率的感测电压，确定在电压点的电压是否大于阈值电压，基于第一控制模式（例如，固定导通时间模式（Ton））来控制在电压点的电压来控制在室内照明系统内照明驱动器的电压的方法。控制在电压大于阈值电压时发生。在电压小于阈值电压时，通过执行切换操作，基于第二控制模式（例如，固定关断时间模式（Toff））而在电压点控制电压。

如图1中所示，功率转换和功率因数校正电路100执行功率因数校正（PFC），并且控制在LED照明系统中的输出功率。功率转换和功率因数校正电路不限于在LED照明系统的任何特定操作中执行PFC和控制功率，并且能够适用于其的几个操作。

功率转换和功率因数校正电路100包含滤波器20和交流到直流（AC/DC）转换器50、具有直流到直流（DC/DC）转换器60的升压转换器及输出功率采样电路70。功率转换和功率因数校正电路100在例如LED照明系统的例如调光操作的各种操作的执行期间提供感测电压。功率转换和功率因数校正电路100也切换升压转换器的工作模式。

到LED照明系统的输入功率是交流（AC）功率，并且被输入到滤波器20中用于过滤。滤波器20可以是用于过滤输入到LED照明驱动器的输入功率的电磁干扰（EMI）类型滤波器。滤波器20包含用于过滤不合需要的EMI噪声的多个扼流圈、电容器和电感器。

在过滤时，AC功率随后被输入到AC/DC转换器50中。在调光期间，电压被改变以降低流过AC/DC转换器50的电流。来自AC/DC转换器50的DC电压被传送到DC/DC转换器60，并且随后被输出到照明系统的LED。

根据实施例，从例如DC/DC转换器60的选择点选择感测电压V_sense，并且将其转换成控制电压V_control，以及输入到输出功率采样电路70（由箭头82指示）。

感测电压V_sense可以是来自微控制器或在由智能信号控制的其它装置的信号。

功率转换和功率因数校正电路100线性感测LED驱动器的驱动器功率，以便将升压转换器（即，AC/DC转换器50）的操作从第一控制模式90（例如，固定导通时间（Ton））切换到在低功率（调暗）应用的第二控制模式92（例如，固定关断时间（Toff））。因此，升压PFC工作模式被更改以实现在控制电压低于阈值电压时升压转换器的更长接通时间，此过程根据需要导致更低的电流失真和高PF。作为示例，在线性反映输出功率的控制电压低于阈值电压时，AC/DC转换器50可从固定Ton控制被更改到固定Toff控制。

本发明不限于适用于LED照明系统的调光操作的功率转换和功率因数校正电路100。此外，本发明的实施例能够实现模式的任何组合，例如，固定Toff到固定Ton和固定Ton到固定Toff。实施例也能够实现边界传导模式（BCM）到持续传导模式（CCM），且反之亦然。

此外，现在将参照功率转换和功率校正电路100，在图2中讨论本发明的一个或更多实施例。作为示例，功率转换和功率校正电路100是双模式电路，然而，本发明不限于此。

图2是在图1中示出的示范功率转换和功率因数校正电路100的电路示意图。功率转换和功率因数校正电路100包含升压转换器（即，DC/DC转换器电路60）。DC/DC转换器电路60能够是降压转换器、丘克（cuk）转换器和适合于本文中陈述的目的的其它类型的转换器的形式。

电路100也包含桥式整流器电路110，其包含用于输送整流电压V_rect到电路100中的多个二极管。DC/DC转换器60将整流电压V_rect转换成在用于到负载的输出的输出端子OUT处的输出功率。DC/DC转换器60也包含变压器115，其包括一次绕组116和二次绕组118。

另外，DC/DC转换器60具有是一次绕组116的第一电感器120、二极管122、转换开关124及多个输出电容器126和128。转换开关124耦合到输出端子OUT。转换开关124能够包含金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）或其它适合的开关电路。

电路100也包含用于对在电路100的输入处的输入正弦电流整形，以便与输入正弦电压同相，并且调节在输出端子OUT处的输出功率的功率因数校正（PFC）控制电路150。

根据实施例，PFC控制电路150包含模式切换电路130和开关控制器140。下面将参照图3，讨论有关模式切换电路130的细节。

如图2中所描绘，开关控制器140包含集成电路（IC），并且在其多个输入引脚处接收来自DC/DC转换器60的多个电信号。开关控制器140也提供开关信号到转换开关124。输入引脚包含例如INV引脚1、COMP引脚2、MULT引脚3、CS引脚4、ZCD引脚5、接地GND引脚6、栅极驱动（GD）引脚7及VCC引脚8。开关控制器140不限于特定类型的开关控制器，并且因此包含适合于本文中陈述的目的的任何开关控制器。

在电路100的操作期间，输入正弦电压跨桥式整流器电路110（即，AC/DC转换器50）应用，由电容器160过滤，并且跨电压分压器162应用。控制器供应电压Vcc被应用到开关控制器140在Vcc引脚8处，并且用来为开关控制器140供电。

转换开关124耦合在第一电感器120之间，并且在转换开关124被闭合时，第一电感器120经由电阻器125a、125b、125c和125d连接到接地，形成用于第一电感器120的充电和放电的受控功率开关路径。转换开关124的栅极由开关控制器140的输出GD引脚7控制。栅极控制是在包含例如ZCD引脚5、COMP引脚2、INV引脚1及MULT引脚3的开关控制器140的多个输入引脚处的输入信号的函数。

ZCD引脚5经由模式切换电路130耦合到第二电感器121，用于执行零电流检测和模式切换操作。开关控制器140在GD引脚7处生成接通转换开关104的启动信号。INV引脚1和COMP引脚2耦合到在两个电阻器166与168之间的中间节点。反馈电容器170被提供用于频率补偿。开关控制器140比较在输出端子OUT处的感测信号和内部参考电压。比较通过转换开关124的开启和关闭来保持在输出端子OUT处的输出电压恒定。跨电阻器125a、125b、125c和125d的电压被应用到CS引脚4，以确定在转换开关124被关闭时的时间。此外，MULT引脚3耦合在电压分压器162的电阻器之间，以接收来自整流功率线的功率信号（即，V_rect的一部分）。功率信号用来设置转换开关104的峰值电流。此外，电容器172与MULT引脚3耦合用于过滤目的。

如图2中所示，模式切换电路130与开关控制器140耦合，并且与开关控制器140协作工作以保持用于宽输入范围和宽输出范围的高PF和低THD。模式切换电路130与第二电感器121和开关控制器140的ZCD引脚5耦合。模式切换电路130接收来自第二电感器121的线性反映输出功率的感测电压（V_sense）。模式切换电路130还接收选择的感测电压V_sense，并且将感测电压V_sense转换成控制电压V_control，以及执行控制电压V_control和阈值电压的比较以确定用于在两种切换模式之间切换的切换点。下面将参照图3，讨论有关模式切换电路130的附加细节。

图3是能够在本发明的一个或更多实施例内实现的图2中示出的功率转换和功率因数校正电路100的模式切换电路130的电路示意图。模式切换电路130包括模式判定单元180和外部单元200。

根据一个或更多实施例，模式判定单元180包含耦合到具有多个电阻器186和188的电压分压器184的整流器二极管182、确定阈值信号的阈值装置（例如，齐纳二级管190）、耦合在电压分压器184与阈值装置190之间用于过滤的多个电容器191和192。模式判定单元180也包含开关193和耦合在阈值装置190的阳极与开关193的栅极之间的电容器194和电阻器195。

模式判定单元180配置成接收来自ZCD电路系统的第二电感器121的感测电压V_sense。感测电压V_sense在感测跨第二电感器121的电压更改。此电压在输出功率减小时减小，因为更少的电流流过第一电感器120的一次绕组116。因此，电压通过在输出功率减小时减小来线性反映功率，提供何时功率供应装置（例如，照明驱动器）在调光的指示。基于感测电压，从图1中描绘的输出采样电路70确定控制电压V_control，如由用户所确定的。感测电压V_sense经由整流器二极管182被整流，并且转换成控制电压V_control。控制电压V_control随感测电压V_sense而更改。也就是说，控制电压V_control线性反映感测电压V_sense。因此，感测电压V_sensing和控制电压V_control均与输出功率成比例。由于输出电压被保持恒定，因此，输出功率与输出电流或流过变压器115的第一电感器120或第二电感器121的电流成比例。因此，在一个或更多实施例中，功率传感器或电流传感器可与第一或第二电感器120和121耦合，以直接感测输出功率和输出感测电压V_sense。

模式判定单元180随后供应控制电压V_control到在电压分压器184的电阻器186与188之间的阈值装置190。阈值信号在阈值装置190处生成，并且是可选择的。控制电压V_control因此可调谐到任何选择的阈值信号。根据一个实施例，可基于阈值装置190的反向击穿电压，确定阈值信号。电阻器186和188配置成限制流过阈值装置190的电流，以保护阈值装置190并且提供与控制电压V_control成比例的电压到阈值装置190。

在控制电压V_control大于阈值信号时，跨阈值装置190的电压保持恒定值（例如，6V）。随后将流过阈值装置190的电流传送到开关193，并且跨开关193供应电压，并且接通开关。随后，将功率供应到与模式判定单元180耦合的外部电路200。

根据一个或更多实施例，外部电路200包含具有与ZCD引脚5耦合的阴极和与开关193的漏极耦合的阳极的二极管202。二极管202的阳极也在中间节点处与电阻器204耦合。在开关193被接通时，在二极管202的阳极处的电压电平为零。因此，外部电路200被阻塞，没有来自转换开头104（在图2中描绘）的栅极的电信号流到ZCD引脚5（也在图2中描绘）中，并且升压转换器在控制模式1（固定导通时间（Ton）控制模式）中操作。

外部电路200还包含在中间节点处与二极管202的阴极耦合的电阻器204。外部电路200也包含多个电容器206和207、电阻器210和与开关控制器140的GD引脚7耦合的二极管212。

备选地，当在阈值装置处确定控制电压V_control小于阈值信号时，阻塞阈值装置190，并且关闭开关193。电阻器195和开关193或阈值装置190、电阻器188及开关193形成用于在开关193中耗散功率的电路路径。在转换开关124的栅极处的驱动电压作为ZCD信号被供应到ZCD引脚5。开关控制器140配置成生成到转换开关124的第二开关信号，并且切换到控制模式2（固定关断时间（Toff）控制模式）。也就是说，在开关193打开（即，关闭）时，外部电路200因此能够直接电供应ZCD引脚5。外部电路200基于开关控制器的固定关断时间模式（Toff）（控制模式2）。由于电路200通过二极管202电供应ZCD引脚5，因此，PFC控制电路被变更成为Toff。

由于感测电压V_sense反映输出功率的调光，因此，杰出的实施例实现根据需要选择特定感测电压V_sense。因此，输出功率能够由在减小的控制电压V_control感测，以由此控制模式的切换点从控制模式1到控制模式2，且反之亦然。

图4是图示实现本发明的实施例的示范方法400的流程图。方法400在操作410开始，其中感测电压被选择并且转换成与输出功率成比例的控制电压。从操作410中，过程继续到操作420。在操作420中，做出有关在模式判定单元180中的控制电压是大于还是小于在阈值装置处的阈值电压的确定。在操作430中，连同基于确定的结果的控制模式的切换一起执行开关193的导通和关断状态。

在图5A中，如由线条A所示，用于标准照明驱动器的PF数据描绘在输出功率为大约20.34瓦（W）时在0.6的PF水平。用于PF改进的照明驱动器的PF数据由线条B描绘，并且示出在输出功率处于大约20.34W时在0.85的PF水平。

另外，PF改进的照明驱动器的PF水平由线条C描绘，并且示出改进的PF和在切换模式点后在PF方面的持续改进。线条C示出在最低调光范围用来改进PF和THD的增加的固定导通时间（Ton）控制模式。

如图5B中所示，THD标绘图在大约20.34 W示出，并且在线条A1的标准照明驱动器具有大约40%的THD水平。THD标绘图也示出在线条B1的PF改进的照明驱动器，具有在大约30%的THD水平，并且PFC采用ZCD电压感测，成功启动（initiated）到固定导通时间（Ton）控制模式。大约22%的THD改进由线条C1描绘。

此书面描述使用包含最佳模式的示例公开了本发明，并且也使本领域技术人员能够实践本发明，包含制作和使用任何装置或系统并执行任何结合的方法。本发明的可取得的专利范围由权利要求定义，并且可包含本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构孕检，则预计它们处于权利要求的范围之内。

部件列表

图1

100 – 功率转换和功率因数校正电路

20 - 滤波器

50 – AC/DC转换器

60 - DC/DC转换器

70 - 采样电路

82 - 箭头

90 - 控制模式1

92 - 控制模式2

图2

100 - 功率转换和功率因数校正电路

50 - AC/DC转换器

110 - 桥式整流器电路

115 - 变压器

116 - 一次绕组

118 - 二次绕组

120 - 第一电感器

121 - 第二电感器

122 - 二极管

124 - 转换开关

125a, b, c,d - 电阻器

126 - 输出电容器

128 - 输出电容器

130 - 模式切换电路

140 - 开关控制器

150 - PFC控制电路

160 - 电容器

162 - 电压分压器

166 - 电阻器

168 - 电阻器

170 - 反馈电容器

172 - 电容器

图3

130 - 模式切换电路

182 - 整流器二极管

184 - 电压分压器

186 - 电阻器

188 - 电阻器

190 - 阈值装置

191 - 电容器

192 - 电容器

193 - 开关

194 - 电容器

195 - 电阻器

200 - 外部电路

202 - 二极管

204 - 电阻器

206 - 电容器

207 - 电容器

210 - 电阻器

212 - 二极管

图4

400 - 示范方法

410,420,430 - 步骤

Claims

1.一种包含用于功率供应装置的至少一种切换模式的功率转换和功率因数校正电路，包括：

AC/DC转换器和DC/DC转换器，连接在一起并且配置成将输入功率转换成输出功率，并且所述DC/DC转换器包括与输入电耦合的转换器开关；

电路，配置成：

接收由用户选择的感测信号，

将所述感测信号转换成与所述输出功率成比例的控制信号，

比较所述控制信号和阈值信号，以及

控制所述切换模式。

2.如权利要求1所述的功率转换和功率因数校正电路，其中所述功率供应装置包括照明驱动器。

3.如权利要求1所述的功率转换和功率因数校正电路，其中在所述控制信号大于所述阈值信号时，模式开关操作切换到第一控制模式，并且在所述控制信号小于所述阈值信号时，模式开关操作切换到第二控制模式。

4.如权利要求3所述的功率转换和功率因数校正电路，其中所述第一控制模式是固定导通时间控制模式，并且所述第二控制模式是固定关断时间控制模式。

5.如权利要求1所述的功率转换和功率因数校正电路，其中从外部控制装置选择所述感测信号。

6.如权利要求1所述的功率转换和功率因数校正电路，其中所述电路包括：

模式切换电路，配置成：

接收所述感测信号，并且将所述感测信号转换成按比例反映所述输出功率的所述控制信号；以及

比较所述控制信号和所述阈值信号以输出ZCD信号。

7.如权利要求6所述的功率转换和功率因数校正电路，还包括：

开关控制器，与所述模式切换电路耦合并且配置成基于接收的所述ZCD信号，驱动转换开关。

8.如权利要求6所述的功率转换和功率因数校正电路，其中所述模式切换电路包括：

模式判定单元，包括开关和与所述开关的栅极耦合的阈值装置，并且所述阈值装置配置成比较所述控制信号和所述阈值信号，并且确定要生成的所述ZCD信号和所述开关的导通或关断状态。

9.如权利要求8所述的功率转换和功率因数校正电路，其中在所述控制信号大于所述阈值信号时，所述开关转到导通状态，并且所述DC/DC转换器在所述第一控制模式中操作，并且在所述控制信号小于所述阈值信号时，所述开关转到关断状态，并且所述DC/DC转换器在所述第二控制模式中操作。

10.如权利要求8所述的功率转换和功率因数校正电路，其中所述阈值装置包括齐纳二极管，并且所述齐纳二极管的反向击穿电压是所述阈值信号。

11.如权利要求7所述的功率转换和功率因数校正电路，其中所述模式切换电路还包括与所述模式判定单元进行通信，并且配置成在所述控制信号小于所述阈值信号时生成所述ZCD信号的外部电路。

12.一种包含用于功率供应装置的至少一种切换模式的功率因数校正电路，包括：

模式切换电路，配置成：

接收由用户选择的感测信号，

将所述感测信号转换成与输出功率成比例的控制信号，

比较所述控制信号和阈值信号，以及

控制所述至少一种切换模式。

13.如权利要求12所述的功率因数校正电路，其中所述功率供应装置包括照明驱动器。

14.如权利要求12所述的功率因数校正电路，其中所述模式切换电路包括：

阈值装置，配置成接收所述控制信号，并且通过比较所述控制信号和所述阈值装置的阈值信号来控制ZCD信号。

15.如权利要求14所述的功率因数校正电路，其中所述模式切换电路还包括：

模式判定单元，包括开关和与所述开关的栅极耦合的所述阈值装置，并且所述阈值装置配置成比较所述控制信号和所述阈值信号，并且确定要生成的所述ZCD信号和所述开关的导通或关断状态。

16.如权利要求15所述的功率因数校正电路，其中在所述控制信号大于所述阈值信号时，所述开关转到导通状态，并且所述DC/DC转换器在所述第一控制模式中操作，并且在所述控制信号小于所述阈值信号时，所述开关转到关断状态，并且所述DC/DC转换器在所述第二控制模式中操作。

17.如权利要求15所述的功率因数校正电路，其中所述阈值装置包括齐纳二极管，并且所述齐纳二极管的反向击穿电压是所述阈值信号。

18.如权利要求15所述的功率因数校正电路，其中所述模式切换电路还包括与所述模式判定单元进行通信，并且配置成在所述控制信号小于所述阈值信号时生成所述ZCD信号的外部电路。

19.一种方法，包括：

选择感测信号；

将所述感测信号转换成与输出功率成比例的控制信号；

比较所述控制信号和阈值装置的阈值信号，以及

控制切换模式。

20.如权利要求19所述的方法，还包括：

基于在所述控制信号和所述阈值信号之间的比较，在导通与关断状态之间切换开关，

其中在所述控制信号大于所述阈值信号时，所述开关转到导通状态，并且所述切换模式包含切换成第一控制模式，以及

在所述控制信号小于所述阈值信号时，所述开关转到关断状态，并且所述切换模式包含切换成第二控制模式。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：

在所述控制信号小于所述阈值信号时，由外部电路生成ZCD信号。