CN107211496B

CN107211496B - 发光装置转换器和平衡谐振电路输出端的电流流动的方法

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Publication number: CN107211496B
Application number: CN201680006311.6A
Authority: CN
Inventors: P·马尔特; F·洛克曼
Original assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2020-02-28
Anticipated expiration: 2036-04-13
Also published as: CN107211496A; EP3284319A1; US10064249B2; US20180027621A1; EP3284319B1; WO2016164949A1

Abstract

发光装置转换器和平衡谐振电路输出端的电流流动的方法。本发明涉及一种具有LLC谐振电路的发光装置转换器，从所述LLC谐振电路的次级侧起，发光装置如LED段能被供电；LLC谐振电路包括具有由控制电路控制的串联连接的两个开关的半桥电路，还包括从两个开关的中间点起被供电的谐振电路，以及从谐振电路的输出端起被馈送AC电压的变压器，在变压器的次级侧设有各用于所述AC电压的两个极性中的每一个的电流路径；设有检测电路，所述检测电路检测表示两个电流路径中的电流和/或其比例的信号，并且所述控制电路根据所述检测电路所检测的信号来调节所述半桥电路的两个开关的时钟。

Description

发光装置转换器和平衡谐振电路输出端的电流流动的方法

技术领域

本发明涉及用于操作至少一个发光装置、优选为至少一个LED或LED段的发光装置转换器。本发明还涉及用于操作发光装置转换器的方法。本发明还涉及具有LLC电路的发光装置转换器，在LLC电路中从交流电压给(串联)谐振电路供电，所述谐振电路又用于给另一个转换器级供电以便直接给发光装置供电。被供给发光装置的供电电压随后一般必须被转换成DC电压。这原则上可以例如通过全桥整流器进行。但是，在能量优点方面能通过变压器实现整流。

背景技术

“发光装置转换器”是一种电路，其可被提供输入电压并可以连接至发光装置，例如一个或多个LED，以便因此被限定性电操作。

从现有技术中例如知道了文献WO2014/060899A2，在其图1中描述了一种发光装置转换器，它可以作为根据本发明的出发点。类似的发光装置转换器也在图1中被示出。控制电路SE控制具有串联连接的两个开关S1、S2的逆变半桥HB。如图1所示，半桥电路HB由输入电压供电，输入电压例如示出为总线电压V_bus。代替通常是DC电压即直流电压的总线电压，经过整流的交流电压也可以用于半桥供电。

从半桥HB或者说两个开关S1、S2的中间点起，现在给特别是由电容器C1、电感L1和另一电感L2a的串联电路构成的谐振电路供电。现在，从电感L2a起给变压器T1馈送交流电压即AC电压。变压器T1具有电磁电感、线圈或绕组L2a、L2b、L2c。电感L2b和L2c在此设置在变压器T1的次级侧。电感L2b和L2c作为单独电感被示出，因为在变压器T1的次级侧设有中间抽头M1。

接着，从电感L2b和L2c起，分别给电流路径SP1或SP2供电。电流路径SP1、SP2因此分别将电感L2b、L2c的一侧与连接点CP相连，其中，每个电流路径具有用于整流的二极管。

第一电流路径SP1在此具有二极管D1，而第二电流路径SP2具有第二二极管D2。感生电流I_SP1通过第一电流路径SP1来传输，感生电流I_SP2通过电流路径SP2来传输。另一方面，发光装置转换器的输出端口E1与连接点CP相连且可与例如负载LED(如发光装置且特别是至少一个LED)相接。

在连接点CP和输出端口E1之间，还连有平滑电容器C2的电位较高侧，在此，第二电容器C2的电位较低侧可以处于变压器的次级侧接地电位。

控制电路SE通过控制信号HS(高侧信号)控制半桥HB的电位较高开关S1，而它以信号LS(低侧信号)控制所述半桥的电位较低开关S2。在此，控制电路SE交替切换优选设计为晶体管(例如FET、MOSFET)的开关S1、S2以便在半桥HB的中间点提供用于变压器T1的交流电压。

在图1中，变压器T1的初级绕组L2a在其电位较低侧与初级侧接地相连，如同半桥开关S2的电位较低侧。经过初级侧电感L2a的电流或电压通过变压器T被传输至次级侧，由此在第一电流路径SP1中感生电流I_SP1并在第二电流路径SP2中感生电流I_SP2。

在次级侧电感L2b和L2c之间的中间抽头此时用于在连接点CP处提供电流或电压，其基本关于零点对称。

通过二极管D1和D2，在连接点CP处提供直流电流或直流电压以操作负载LED。次级侧接地可以与初级侧接地相连，或者与之隔绝设置。

总之，位于输出端口E1的电压或加载的电流I_SP1或I_SP2此时与加在变压器T1的初级侧电感上的电压或电压波形相关。它们可以通过改变开关S1、S2的时钟或开关频率或半桥电路HB的占空比、即特别是改变开关S1、S2的接通持续时间来调节。

鉴于图1所示的电路，现在有以下问题，在变压器T1的次级侧上的电感L2b、L2c(其特别表示单个次级侧电感的两半)并非恰好对称的并且不具有相同的电参数或对称参数。这导致了在变压器T1的次级侧后面的元件特别是二极管D1、D2的非对称负荷。甚至可能出现只有电流路径SP1、SP2中的一个电流路径且进而二极管D1/D2负荷。

发明内容

现在，本发明提供一种解决方案，其允许即便在变压器T1的次级侧上有不一样的或非对称的电感L2b、L2c时也获得次级侧输出电流即连接点CP或输出端口E1处的电流的准确对称形式。

在第一方面，提供一种发光装置转换器，其具有LLC谐振电路，其中从LLC谐振电路的次级侧起，发光装置例如LED段可被供电，其中所述LLC谐振电路具有：半桥电路，其具有由控制电路控制的串联连接的两个开关；从两个开关的中间点起被供电的谐振电路；从所述谐振电路的输出端起被馈送AC电压的变压器，在变压器的次级侧设有各自用于AC电压的两个极性中的每个极性的电流路径。设有检测电路，其检测表示两个电流路径中的电流和/或其比例的信号，并且所述控制电路根据由所述检测电路检测的信号来调节所述半桥电路的两个开关的时钟。

所述检测电路可以具有至少一个检测支路，其检测表示流过至少一个信号路径的电流的信号。

所述至少一个检测支路可以分析整流后的混合信号。

所述至少一个检测支路可以具有采集保持电路。

检测电路可以针对每个电流路径具有检测支路。

所述至少一个检测支路可以具有开关，所述开关与所述半桥电路的两个开关之一被同步钟控。

在至少一个检测支路上可以检测电压和/或电压值，其与流过电流路径中的一个的电流成比例。

所述控制电路可以根据被供给控制电路的信号来改变半桥电路的占空比，特别是缩短或延长所述半桥电路的两个开关中的至少一个的接通持续时间。

所述变压器的次级侧可以具有与所述变压器的初级侧绕组耦合的带有中间抽头的绕组，从所述绕组给所述电流路径供电。

每个电流路径可以具有检测电感，其与检测电路的至少一个第三检测电感电磁耦合。所述检测电路的至少一个检测支路可以设置在整流器和滤波电路之间。

所述控制电路可以通过一直改变所述时钟来改变半桥电路的两个电路的控制，直到被供给控制电路的信号对应于设定值和/或被供给控制电路的信号特别是基本相同的，例如具有相同的信号值。

所述控制电路可以通过一直改变所述时钟来改变半桥电路的两个开关的控制，直到达到用于被供给控制电路的信号的设定值，所述信号特别表示两个电压值的比例。

所述检测电路可以具有两个检测支路，它们的开关分别与所述半桥电路的两个开关中的相应一个同步钟控。

检测电路可以给所述控制电路供应两个信号，每个信号表明表示流过电流路径的电流的电参数，和/或使两个信号成比例并将关于所述比例的信息传输至控制单元。

另一方面，提供一种用于平衡在LLC谐振电路的输出端处的电流流动的方法，从LLC谐振电路的次级侧起，发光装置例如LED段可以被供电，在所述LLC谐振电路中，其中控制电路控制半桥电路的串联连接的两个开关，并且其中所述半桥电路从两个开关的中间点起给谐振电路供电，从所述谐振电路的输出端起给变压器馈送AC电压，在所述变压器的次级侧设有分别用于AC电压的两个极性中的每个极性的电流路径。检测电路检测表示两个电流路径中的电流和/或其比例的信号，并且所述控制电路根据由所述检测电路检测的信号来调节所述半桥电路的两个开关的时钟。

附图说明

现在，也参照附图来描述本发明。其中：

图1示出根据现有技术的电路结构；

图2示意性示出根据本发明的电路结构；

图3举例示出根据本发明的电路结构；

图4举例示出检测值。

具体实施方式

图2示意性示出根据本发明的电路。从电源V(特别是直流电压或经整流的交流电压，如经整流的电网电压)起，向半桥电路HB供电，半桥电路HB向谐振电路RK提供交流电压。

如针对图1所描述的，半桥在此优选地具有至少两个串联连接的开关S1、S2，这些开关由控制单元SE控制。在这种情况下，能通过控制信号HS控制电位较高的开关，并且能通过控制信号LS控制电位较低的开关。

变压器T1的初级侧绕组连接至谐振电路RK。从具有近似将次级侧电感分为两个电感的中间抽头的变压器T的次级侧绕组起，至少一个电流路径被供电。现在检测电路ES集成在所述电流路径中，检测电路检测至少一个信号，所述信号表示所述至少一个电流路径中的电流、优选为两个电流路径中的电流或其比例。表示所述信号或比例的信息随后被供给控制电路SE，控制电路SE据此通过改变控制信号HS和/或LS来改变逆变器HB的开关的时钟或占空比。

在图2中示出了信号V1、V2，它们由检测电路ES被供给控制电路SE。此时是指，当只传输表示电流值比例的信号或者只传输一个信号给控制单元SE时，只需将所述信号从检测电路ES供给控制电路SE。从变压器T起，负载LED可以被供电。

现在，参见图3a和图3b来描述根据本发明的电路的细节。

在图3A中基本示出了对应于图1的电路。相应地，图1的相同的附图标记也标示图3a中的电路的基本相同的零部件。

电源V在图3a中又作为电压V_BUS被示出。在此的主要区别是，在第一电流路径SP1中在二极管D1和连接点CP之间连有第一检测电感L3a。另外，在第二电流路径SP2中在二极管D2和连接点CP之间设有第二检测电感L3b。第三检测电感L3c与第一和第二检测电感L3a、L3b电磁耦合，第三检测电感优选地在与谐振电路RK或LLC谐振电路或变压器T1相关的初级侧。

第一检测电感L3a和第二检测电感L3b与第三检测电感L3c一起构成转换器W1且特别是另一变压器。因此，在第三检测绕组L3c处，当电流I_SP1流过第一电流路径SP1时，检测与流过第一检测绕组L3a的电流相关的电流，而当电流I_SP2流过第二电流路径SP2时，检测与流过第二电流路径SP2的电流I_SP2相关的电流。因而，对于初级侧AC电压的每个极性在次级侧提供用于感生电流的电流路径。

在第三检测绕组L3c处检测的电流随后被供给整流器GR，其接着输出整流后的电流I_sense。根据本发明，现在电流信号I_sense在流过电流路径SP1、SP2或流过二极管D1、D2的电流部分的非对称性方面被分析。

如图3b所示，电流信号I_sense从整流器起被供给由滤波电阻RF、滤波电容CF和感测电阻R_SENS构成的已知的滤波电路FS并且在求平均值方面被分析，从而最终在变压器T1的次级侧流动的电流的平均值I_{sense_avg}可以被用作对LED电流控制来说有代表性的信号。平均值信号I_{sense_avg}于是用于电流调整，在此，它被用作实际信号且作为调节参数被用于逆变器HB的开关S1、S2的时钟。相应地，平均值信号I_{sense_avg}作为信号(3)被供给控制电路SE。

现在，根据本发明而规定，在求平均值之前将组合电流信号I_sense分解为代表流过电流路径SP1和SP2的电流或在二极管D1或D2上出现的电流的值。为此，设有第一检测支路EZ1，它由包括电位较高侧与整流器GR以及滤波电阻RF相连的第三开关S3、第一电阻RH1以及第一电容CH1的串联电路构成。在此，在第一电阻RH1和第一电容CH1之间检测电压信号V1，其表示第一电容CH1上的电压降。

由包括第四开关S4、第二电阻RH和第二电容CH2的串联电路构成的第二检测支路EZ2也连接在整流器GR和滤波电路之间。在此，第四开关S4的电位较高端与整流器GR以及滤波电阻R_F相连，而其电位较低侧与第二电阻RH2的一侧相连。在第二电阻RH2的另一侧连有第二电容CH2，第二电容又位于接地电位。此时，在第二电阻RH2和第二电容CH2之间检测测量信号V2，其表示第二电容CH2上的电压降。

在第三开关S3启用时有电流I2在第一检测支路EZ1中流动，在第四开关S4启用时有电流I2在第二检测支路EZ2中流动。

现在重要的是，第三开关S3和第四开关S4与半桥HB的开关S1、S2同步控制。例如，第三开关S3与半桥的电位较高开关S1同步控制，而第四开关S4与半桥HB的电位较低开关S2同步控制。相应地，第三开关S3从控制电路SE起以控制信号HS来控制，而第四开关S4以控制信号LS来控制，或者反过来。

根据本发明的基本构想是，流过二极管D1或D2的电流可被单独分析。在这里进行电流信号I_sense的随后划分，因为两个电流I_SP2和I_SP1的组合已经被规定用于求平均。

另选地，也可以关于第一检测电感L3a和第二检测电感L3b设置单独耦合的第三或第四检测电感用于分析。于是，也可以将相应的电压信号或电流信号传输给控制电路SE。另外可以规定，检测电路ES从检测信号V1和V2中确定比例并将其作为单个信号传输给控制电路SE。为此，可以在检测电路ES中设置相应电路来形成比例值。

在认识到由检测电路ES提供给控制电路SE且表示流过二极管D1或D2的电流的至少一个信号的情况下，现在不是以机械方式而是以控制技术方式来排除变压器T1的次级侧电感L2b、L2c的非对称性，做法是在反馈控制过程中针对所述非对称性利用传输的值来改变半桥开关S1、S2的时钟且特别改变半桥HB的占空比。

在如图3b所示的实施例中，作为相应电压信号的表示流过二极管D1或D2的电流的检测信号V1和V2通过控制电路SE(特别是IC、ASIC、微控制器)被分析，控制电路随后相应控制半桥HB的开关S1、S2。另外可以规定，检测电路ES具有自身的微控制器、ASIC或IC，其给另一个控制单元提供反馈信号，随后所述控制单元改变逆变开关S1、S2的控制。

谐振电路或者说LLC谐振电路与带有中间点抽头的变压器T1被用于获得略微较高的效率。即，本发明所解决的问题针对的是流过次级绕组L2b、L2c的电流根据工作点可能是不同的。特别是，本发明防止变压器T1的整个输出电流只流过电流路径SP1、SP2中的一个，即次级侧电感L2b、L2c中的一个，这也是变压器T1的显著电负载以及热负载。虽然半桥HB一般以50％的占空比工作，即半桥的开关S1、S2在可能考虑死区时间的情况下基本是同等部分起效，但根据本发明的解决方案补偿可能有的非对称性，即，半桥HB的占空比被修正并且特别是半桥开关S1、S2的接通持续时间和/或断开持续时间被改变。

图4a-4c示意性示出在非对称情况下在由控制信号LS、HS基本相同地控制半桥开关S1、S2时如何能在电流路径SP1、SP2中出现不同的电流。

虽然当如图4a和图4b所示所述开关S1和第三开关S3通过借助信号HS的控制被启用时所述检测电路ES在第一检测支路EZ1上确定检测信号V1，但当如图4a和图4c所示所述开关S2和第四开关S4通过借助信号LS的控制被启用时所述第二检测支路EZ2确定检测信号V2。

相应地，如图4d所示地从检测信号V1、V2中得到偏差ΔV，所述偏差反映非对称性。相应地，借助控制信号LS、HS改变来改变半桥开关S1、S2的控制能造成在电流路径SP1、SP2中的电流ISP1、ISP2的变化。特别是，参数ΔV可以被用作用于非对称性的实际参数，其随后可用于负责半桥开关S1、S2的控制的控制电路SE。

即，变压器T1的次级电感L2b、L2c的电流通过检测电感L3a-L3c来检测。如图3b所示，所述交流信号借助整流器GR、特别是桥整流器被整流。通过检测支路EZ1、EZ2的开关的时钟，于是获得如图4b和图4c所示的信号V1、V2。在此，电感L3a-L3c内的电流变化与通过控制信号LS、HS来控制的半桥开关S1、S2的切换同步。

在此要注意，第一电阻RH1和第一电容CH1是采样保持电路。同样的情况也适用于第二电阻RH2和第二电容CH2。因此，通过第三或第四开关S3、S4所检测的测量信号分别被供给采样保持级。由此，检测信号V1即电压V1出现在检测点(1)处，而检测信号V2或者说电压信号出现在检测点(2)处，其中，点(1)处的信号与流过第一检测电感L3a的电流成比例，而检测信号V2与流过第二检测电感L3b的电流成比例。

检测信号然后例如能利用微控制器的模拟-数字转换器来分析，其随后改变整流器HB的占空比，直到点(1)处的检测信号V1对应于点(2)处的检测信号V2。

Claims

1.一种具有LLC谐振电路的发光装置转换器，从所述LLC谐振电路的次级侧起能给发光装置供电，其中所述LLC谐振电路具有：

- 半桥电路（HB），所述半桥电路（HB）具有由控制电路（SE）控制的串联连接的两个开关（S1, S2），

- 从所述两个开关（S1, S2）的中间点（M1）起被供电的谐振电路（RK），和

- 从所述谐振电路（RK）的输出端起被馈送AC电压的变压器（T1），在所述变压器（T1）的次级侧设有各自用于所述AC电压的两个极性中的每一个的至连接点（CP）的电流路径（SP1,SP2），其中，每个电流路径（SP1, SP2）具有检测电感（L3a, L3b），两个检测电感（L3a, L3b）的一端分别连接至所述连接点（CP），

其特征在于，

设有检测电路（ES），所述检测电路（ES）检测表示两个电流路径（SP1, SP2）中的电流（I_SP1, I_SP2）和/或其比例的信号（V1, V2），并且

所述控制电路（SE）根据所述检测电路（ES）所检测到的信号（V1, V2）来调节所述半桥电路（HB）的所述两个开关（S1, S2）的时钟。

2.根据权利要求1所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述发光装置是LED段。

3.根据权利要求1所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述检测电路（ES）具有至少一个检测支路（EZ1），所述至少一个检测支路（EZ1）检测表示流过至少一个电流路径（SP1）的电流的信号。

4.根据权利要求3所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述至少一个检测支路（EZ1）分析经过整流的信号（I_sense）；和/或

所述至少一个检测支路（EZ1）具有采样保持电路（S3, RH1, CH1）。

5.根据权利要求3或4所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述检测电路（ES）针对每个电流路径（SP1, SP2）具有检测支路（EZ1, EZ2）。

6.根据权利要求3或4所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述至少一个检测支路（EZ1）具有开关，所述至少一个检测支路（EZ1）具有的开关与所述半桥电路（HB）的两个开关（S1, S2）中的一个被同步钟控；和/或

所述至少一个检测支路（EZ1）检测电压值，所述电压值与流过被检测的电流路径（SP1）的电流成比例。

7.根据权利要求1所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述控制电路（SE）根据被供给所述控制电路（SE）的信号（V1, V2）改变所述半桥电路（HB）的占空比，并缩短或延长所述半桥电路（HB）的所述两个开关（S1, S2）中的至少一个的接通持续时间；和/或

所述控制电路（SE）通过一直改变所述时钟来改变所述半桥电路（HB）的所述两个开关（S1, S2）的控制，直到被供给所述控制电路（SE）的信号（V1, V2）对应于设定值和/或被供给所述控制电路的信号（V1, V2）具有相同的信号值；和/或

所述控制电路（SE）通过一直改变所述时钟来改变所述半桥电路（HB）的所述两个开关（S1, S2）的控制，直到达到针对被供给所述控制电路（SE）的表示两个电压值的比例的信号的设定值。

8.根据权利要求1所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述两个检测电感（L3a, L3b）与所述检测电路（ES）的至少一个第三检测电感（L3c）电磁耦合。

9.根据权利要求3所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述检测电路（ES）的所述至少一个检测支路（EZ1）设置在整流器（GR）和滤波电路（FS）之间。

10.根据权利要求1所述的发光装置转换器，其特征在于，

所述检测电路（ES）具有两个检测支路（EZ1, EZ2），所述两个检测支路（EZ1, EZ2）的两个开关（S3, S4）与所述半桥电路（HB）的所述两个开关（S1, S2）中的相应一个被同步钟控；和/或

所述检测电路（ES）给所述控制电路（SE）供应两个信号（V1, V2），每个信号指明表示流过各自电流路径（SP1, SP2）的电流（I_SP1, I_SP2）的电参数，和/或确定所述两个信号（V1,V2）之间的比例并且向控制电路（SE）传输关于比例的信息。

11.一种用于平衡在LLC谐振电路的输出端处的电流流动的方法，从所述LLC谐振电路的次级侧起能给发光装置供电，在所述LLC谐振电路中，其中控制电路（SE）控制半桥电路（HB）的串联连接的两个开关（S1, S2），并且其中所述半桥电路（HB）从所述两个开关（S1,S2）的中间点（M1）起给谐振电路（RK）供电，并从所述谐振电路（RK）的输出端起给变压器（T1）馈送AC电压，在所述变压器（T1）的次级侧设有各自用于所述AC电压的两个极性中的每一个极性的至连接点（CP）的电流路径（SP1, SP2），其中，每个电流路径（SP1, SP2）具有检测电感（L3a, L3b），两个检测电感（L3a, L3b）的一端分别连接至所述连接点（CP），

其特征在于，

检测电路（ES）检测表示两个电流路径（SP1, SP2）中的电流（I_SP1, I_SP2）和/或其比例的信号（V1, V2），并且所述控制电路（SE）根据所述检测电路（ES）所检测的信号（V1, V2）来调节所述半桥电路（HB）的所述两个开关（S1, S2）的时钟。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述发光装置是LED段。