CN115885462A - 用于控制开关谐振转换器的频率调制 - Google Patents

用于控制开关谐振转换器的频率调制 Download PDF

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CN115885462A CN202180051842.8A CN202180051842A CN115885462A CN 115885462 A CN115885462 A CN 115885462A CN 202180051842 A CN202180051842 A CN 202180051842A CN 115885462 A CN115885462 A CN 115885462A
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Abstract

提供了一种用于供应LED负载(18)的LED转换器。该LED转换器包括开关谐振转换器(1)，该开关谐振转换器具有由开关谐振转换器(1)的控制单元控制的至少一个开关(11,12)。控制单元被配置为控制至少一个开关(11,12)的开关操作，使得开关谐振转换器(1)向LED负载(18)的输出端子供应可调节的恒定电流(17)。控制单元被进一步配置为通过每次以至少两个不同且可调整的开关频率(44,45)中的一个开关频率交替地控制至少一个开关(11,12)持续相应时间段(54,55)并且通过调节时间段(54,55)的相对持续时间，来生成可调节的恒定电流(17)。由此，提高了用于供应LED负载(18)的LED转换器的输出电流的分辨率，这对于调光应用是特别相关的。

Description

用于控制开关谐振转换器的频率调制
技术领域
本发明涉及用于供应LED负载的LED转换器，并且具体地涉及包括开关谐振转换器(诸如例如LLC或LCC转换器)的LED转换器。
背景技术
开关谐振转换器诸如例如LLC或LCC转换器在本领域中是公知的。在具有谐振拓扑的此类LED转换器中，可以通过改变开关频率来调节输出电流。当低输出电流是反馈控制的时，高于LED转换器的峰值谐振频率的特别高的开关频率出现。因此，当使用数字控制时，对此类LED转换器的LED负载进行调光可能遭受输出电流的差分辨率。例如，即使当考虑到高达f＝2MHz(1/f＝500ns)的开关频率时，对于单个调光步骤，f＝40MHz(1/f＝25ns)的控制器时钟频率可能需要通过Δf＝1/(500ns)-1/(500ns+25ns)≈100kHz来改变开关频率。换句话说，输出电流可以仅根据低且有限数量的步骤来改变。
EP 2484180B1教导了一种具有谐振DC/DC转换器的可调光LED驱动器，该DC/DC转换器可以两个不同且固定的频率进行PWM操作。
发明内容
因此，本发明的目的是提高用于供应LED负载的开关谐振转换器的输出电流的分辨率。
本发明由所附独立权利要求限定。优选实施方案在从属权利要求以及下面的说明书和附图中阐述。
根据第一方面，提供了一种用于供应LED负载的LED转换器。该LED转换器包括开关谐振转换器，该开关谐振转换器具有由开关谐振转换器的控制单元控制的至少一个开关。控制单元被配置为控制至少一个开关的开关操作，使得开关谐振转换器向LED负载的输出端子供应可调节的恒定电流。控制单元被进一步配置为通过每次以至少两个不同开关频率中的一个开关频率交替地控制至少一个开关持续相应时间段并且通过调节时间段的相对持续时间，来生成可调节的恒定电流。至少两个不同开关频率是可调整的。
LED转换器可以包括另外的控制单元，诸如例如微控制器，该另外的控制单元优选地通过双向通道与控制单元进行通信。
另外的控制单元可以连接到LED转换器的通信接口101，诸如例如DALI接口，该通信接口通过无线或有线通道诸如例如DALI总线进行外部通信。
另外的控制单元可以以表示输出电流或LED电流的信号供应。
另外的控制单元可以向控制单元发送信号，该信号指示控制单元操作一个或多个开关所使用的离散频率的占空比。
要由控制单元使用的频率可以由另外的控制单元指示/修改。另选地，在没有来自另外的控制单元的指令的情况下，要使用的频率和/或其修改能够由控制单元确定。
至少两个不同开关频率可以是恒定的。
至少两个不同开关频率可以分别超过转换器的峰值谐振频率。
至少两个不同开关频率可以包括两个不同开关频率。
该两个不同开关频率中的较低开关频率可以与第一负载电流相关联。
两个不同开关频率中的较高开关频率可以与低于第一负载电流的第二负载电流相关联。
至少一个开关的开关操作可以是连续的。
根据第二方面，提供了一种照明系统。该照明系统包括根据第一方面的实施方案的LED转换器以及被配置为由所述LED转换器的输出电流供应的LED负载。
根据第三方面，提供了一种操作用于供应LED负载的LED转换器的方法。该LED转换器包括开关谐振转换器，该开关谐振转换器具有由开关谐振转换器的控制单元控制的至少一个开关。该方法包括：控制至少一个开关的开关操作，使得开关谐振转换器向LED负载的输出端子供应可调节的恒定电流；以及通过每次以至少两个不同开关频率中的一个开关频率交替地控制至少一个开关持续相应时间段并且通过调节时间段的相对持续时间，来生成可调节的恒定电流。当操作LED转换器时，调整至少两个不同开关频率。
该方法可以由根据第一方面的实施方案的LED转换器执行。
根据第四方面，提供了一种用于LED转换器的控制单元。该控制单元被设计用于实现根据第三方面的实施方案的方法。
附图说明
对于熟练的读者而言，当结合附图中的图片时，根据以下对本发明实施方案的详细描述，本发明的其他方面、优点和目的将变得显而易见。
图1示出了根据第一方面的实施方案的用于供应LED负载的LED转换器以及根据第二方面的实施方案的照明系统；
图2和图3分别示出了用于根据图1的LED转换器的示例性谐振回路电路；
图4示出了向包括根据图3的LLC谐振回路电路的根据图1的LED转换器的输出端子供应的电流的频率相关性；
图5示出了每次以至少两个不同开关频率中的一个开关频率交替地控制至少一个开关的开关操作持续相应时间段；
图6示出了由于图5所示的开关频率的交替控制而生成向LED负载的输出端子供应的电流；
图7示出了根据第三方面的实施方案的方法。该方法用于操作用于供应LED负载的LED转换器。
具体实施方式
现在将相对于各种实施方案描述本发明。除非另有说明，否则这些实施方案的特征可以彼此组合。
图1示出了根据第一方面的实施方案的用于供应LED负载18的LED转换器1以及根据第二方面的实施方案的照明系统。
如本文所用，术语“LED转换器”是指用于供应作为功率接收器的LED负载18的转换器。
如本文所用，术语“开关转换器”是指通过在开关转换器的电子开关元件的低耗散、全开和全关状态之间周期性地交替以控制将电力从电源经由开关转换器的包括电感和/或电容元件的无功功率存储电路传输到功率接收器而有效地转换电功率、特别是电压和/或电流特性的电子电源。
LED转换器包括开关谐振转换器1，该开关谐振转换器具有至少一个开关11、12，优选地两个开关11、12，该至少一个开关作为半桥串联布置在开关谐振转换器1的初级侧上(优选地通过流电隔离屏障隔离)，并且由DC电压10供应。
如本文所用，术语“开关谐振转换器”是指包括无功功率存储电路的开关转换器，该无功功率存储电路包括电感元件以及电容元件，被称为“谐振回路”电路。该谐振回路电路可以被设计为以给定峰值谐振频率谐振，即产生峰值响应。下面结合图2和图3呈现示例性谐振回路电路13A、13B。
开关谐振转换器1包括控制单元19，诸如例如被提供有反馈信号并且发出用于初级侧开关11、12的控制信号的ASIC。在图1的示例中，提供给LED负载18的输出端子20的电流17的指示被指示为反馈信号。需注意，表示向LED供应的电流的反馈信号17可以从谐振转换器的隔离级的初级侧或次级侧得到。
控制单元19被配置为控制至少一个开关11、12的开关操作，使得开关谐振转换器1向LED负载18的输出端子20供应可调节且反馈控制的恒定电流17。
图1的开关谐振转换器1具有借助于变压器14作为流电隔离级的经由电感/磁耦合连接的初级(源)侧和次级(接收器)侧。在初级侧，开关谐振转换器1包括作为电源的DC电压源10。例如，DC电压可以是400V。DC电压可以例如由以经整流的AC市电电压供应的PFC级生成。
在次级侧，开关谐振转换器1被配置为向输出端子20供应可调节的(反馈控制的)恒定电流17，LED负载18可以作为功率接收器连接到该输出端子。
例如，图1的开关谐振转换器1的开关11、12可以是氮化镓(GaN)、场效应晶体管。
开关11、12控制并调节从初级侧经由谐振回路电路13、13A、13B和变压器14到次级侧的电力传输。
图1的开关谐振转换器1还包括四个二极管以及电容器16，这些二极管在次级侧实现全桥整流器电路15以用于对从初级侧传输到次级侧的电力进行整流，该电容器用于使整流器电路15的输出平整化，以在开关谐振转换器1的输出端子处供应平均电流17。另选地，开关谐振转换器1可以实现仅包括两个二极管的全波整流器电路15和具有中心抽头次级侧的变压器14。
控制单元19被配置为通过每次以至少两个不同(间隔开的)开关频率44、45中的一个开关频率交替地控制至少一个开关11、12持续相应时间段54、55并且通过调节时间段54、55的相对持续时间，来生成可调节的恒定电流17。因此，不同开关频率的使用的占空比被调整以便调节平均频率并因此调节所得到的次级侧电流的时间平均值。
优选地，因此不是必须地，至少两个频率的使用频率是恒定的，并且针对第一频率，仅它们的占空比从0调整到100％，并且针对第二频率，对应地从100％调整到0％。
然而，例如根据调光水平，可以调整一个或多个、甚至全部离散频率。
如本文所用，术语“可调节的恒定电流”是指具有可调节的平均值的电流。
如可在图1中所示，可以提供另外的控制单元100，诸如例如微控制器100，该另外的控制单元优选地在双向通道103、104、17'中与控制单元19进行通信。
另外的控制单元100可以连接到通信接口101，诸如例如DALI接口，该通信接口通过无线或有线通道诸如例如DALI总线102进行外部通信。因此，另外的控制单元100可以以外部调光控制值供应。
另外的控制单元100以表示输出电流或LED电流的信号供应。控制单元19可以向另外的控制单元100发送表示输出电流或LED电流的信号17”。另选地，此类信号17'也可以直接向另外的控制单元100供应。
另外的控制单元可以向控制单元发送信号103，该信号指示控制单元19操作一个或多个开关11所使用的离散频率的占空比。
根据本发明，一个或多个离散频率的值可以是调整的。例如，这些值中的一个或多个值可以取决于当前调光水平。此外，每当频率的一个频率的使用的占空比达到预设最小值时，可以所得到的LED电流将改变的方式使频率中的至少一个频率(在优选地高于谐振频率的频率范围中)偏移。继而，将修改离散频率的使用的PWM调制，使得没有离散频率以低于预设最小值的占空比被使用。
要由控制单元19使用的频率可以由另外的控制单元通过信号104指示/修改。另选地，在没有来自另外的控制单元100的指令的情况下，要使用的频率和/或其修改能够由控制单元19确定。
因此，所使用的多个离散频率中的至少一个离散频率的值可以在转换器的正在进行的操作期间被修改，可选地与占空比的调节一起。因此，这两个参数是用于转换器的LED电流或输出电流的反馈控制的控制值。
下面结合图4至图6呈现开关谐振转换器1的操作的进一步细节。
图2和图3分别示出了用于根据图1的LED转换器1的示例性谐振回路电路13A、13B。
图2所示的串联电感21(LRES)、串联电容22(CRES,S)和并联电容23(CRES,P)实现用于已知LCC谐振拓扑的谐振回路电路13A的示例。
图3所示的串联电容31(CRES)、串联电感32(LRES,S)和并联电感33(LRES,P)实现用于已知LLC谐振拓扑的谐振回路电路13B的示例。
本领域的技术人员将会知道，也可形成类似转换器结构。例如，图2的LCC谐振回路电路的并联电容23可另选地布置在变压器14和整流器电路15之间的次级侧上。作为另一示例，谐振回路电路中的电容和电感的串联布置也可颠倒。
图4示出了向包括根据图3的LLC谐振回路电路的根据图1的LED转换器的输出端子供应的(输出)电流17的频率相关性。
图4的曲线示出了随至少一个开关11、12的开关频率43变化的输出/负载电流17。
该输出/负载电流17在由根据图3的谐振回路电路13B的设计给出的峰值谐振频率处达到峰值，并且随着频率偏差从峰值谐振频率降低。
如已经结合图1所提及的，开关谐振转换器1的至少一个开关11、12每次以至少两个不同开关频率44、45中的一个开关频率交替地控制。至少两个不同开关频率44、45可以分别超过转换器1的峰值谐振频率。
作为示例，图4示出了高于峰值谐振频率的两个不同开关频率44、45。换句话说，图4示出了至少两个不同开关频率44、45可以包括两个不同开关频率44、45。
两个不同开关频率44、45与对应的输出/负载电流17相关联。更具体地，两个不同开关频率44、45中的较低开关频率44可以与第一负载电流42相关联。同样地，两个不同开关频率44、45中的较高开关频率45可以与低于第一负载电流42的第二负载电流41相关联。
例如，两个不同开关频率44、45中的较低开关频率44可以是0.5MHz并且与1A的第一输出/负载电流相关联，并且两个不同开关频率44、45中的较高开关频率45可以是2MHz并且与0.1A的第二输出/负载电流相关联。在两个不同开关频率44、45之间交替产生0.1A和1A之间的平均输出/负载电流。
至少两个不同开关频率44、45可以是恒定的或可调整的。另选地，至少两个不同开关频率44、45可以是恒定的。
图5示出了每次以至少两个不同开关频率44、45中的一个开关频率交替地控制至少一个开关11、12的开关操作持续相应时间段54、55。
图5的曲线示出了至少一个开关11、12的至少一个开关11、12的开关频率43与时间50。
如已经结合图1所提及的，开关频率43每次以两个不同开关频率44、45中的一个开关频率交替地控制持续相应时间段54、55。
在图5的示例中，在时刻51、52之间延伸的时间段54中施加两个不同开关频率44、45中的较低开关频率44，并且在时刻52、53之间延伸的时间段55中施加两个不同开关频率44、45中的较高开关频率45。然后，时间段54、55的序列根据包括时间段54、55的时间段56重新开始。
在非常短的时间段54或55的情况下，时间段56的持续时间或其被称为调制频率fmod的倒数值可以被固定为大约500Hz至100kHz的值。
作为示例，fmod可固定为20kHz，对应于50μs的调制时间段56的持续时间。考虑到更早提及的f＝0.5和2MHz的不同开关频率44、45，调制时间段56分别等于N＝25和100个开关周期。换句话说，固定调制频率fmod可以确保开关频率的分辨率比调制频率fmod的分辨率高得多。此外，可以限定后续时间段54、55之间的最大斜率Δf/Δt。
这避免了在非常短的时间段54、55的情况下的闪烁问题。
根据图5，至少一个开关11、12的开关操作可以是连续的。这意味着控制至少一个开关11、12的开关操作的开关频率43始终超过0。
图6示出了由于图5所示的开关频率43的交替控制而生成向LED负载18的输出端子供应的电流17；
图6的曲线示出了在被电容器16平整化之前的LED转换器的电流17a与时间50。
根据图4，每个开关频率43与对应的输出/负载电流17相关联。因此，图6的时刻51、52、53对应于图5所示的时刻，并且在图5的时间段54、55中施加两个不同开关频率44、45形成在图6的相同时间段54、55中的对应电流17a。
如已经结合图1所提及的，可以通过调节时间段54、55的相对持续时间来调节输出/负载电流17的平均值。
因此，将较高的第一电流17a的时间段54的持续时间延伸到损害低于第一电流17a的第二电流17a的时间段55的持续时间增加了较高的第一电流17a对平均输出/负载电流17的贡献，并且降低了较低的第二电流17a对平均输出/负载电流的贡献。
反之亦然，将低于第一电流17a的第二电流17a的时间段55的持续时间延伸到损害第一电流17a的时间段54的持续时间增加了较低的第二电流17a对平均输出/负载电流17的贡献，并且降低了较高的第一电流17a对平均输出/负载电流的贡献。
与突发操作相反，开关谐振转换器1以不同频率连续操作。通过以非常高的开关频率控制转换器而不是停止转换器的操作来实现低电流。
不同频率可以前馈方式设置，而不是由反馈控制算法产生。
图7示出了根据第三方面的实施方案的方法70。该方法70用于操作用于供应LED负载18的LED转换器1。
该LED转换器包括开关谐振转换器1，该开关谐振转换器具有由开关谐振转换器1的控制单元控制的至少一个开关11、12。
方法70包括控制71至少一个开关11、12的开关操作，使得开关谐振转换器1向LED负载18的输出端子供应可调节的恒定电流17。
方法70还包括通过每次以至少两个不同开关频率44、45中的一个开关频率交替地控制至少一个开关11、12持续相应时间段54、55并且通过调节时间段54、55的相对持续时间，来生成72可调节的恒定电流17。
控制单元被设计用于实现根据第三方面的实施方案的方法70。因此，该方法70可以由根据第一方面的实施方案的LED转换器执行。

Claims (12)

1.一种用于供应LED负载(18)的LED转换器，所述LED转换器包括：
开关谐振转换器(1)，所述开关谐振转换器具有：
至少一个开关(11,12)，所述至少一个开关由
所述开关谐振转换器(1)的控制单元控制，
所述控制单元被配置为控制所述至少一个开关(11,12)的开关操作，使得所述开关谐振转换器(1)向所述LED负载(18)的输出端子供应可调节的恒定电流(17)，所述控制单元被进一步配置为通过每次以至少两个不同开关频率(44,45)中的一个开关频率交替地控制所述至少一个开关(11,12)持续相应时间段(54,55)并且通过调节所述时间段(54,55)的相对持续时间，来生成所述可调节的恒定电流(17)，其中，所述至少两个不同开关频率(44,45)是可调整的。
2.根据权利要求1所述的LED转换器，
所述LED转换器包括另外的控制单元(100)，诸如例如微控制器，所述另外的控制单元优选地通过双向通道(103,104,17')与所述控制单元(19)进行通信。
3.根据权利要求2所述的LED转换器，
其中，所述另外的控制单元(100)连接到所述LED转换器的通信接口(101)，诸如例如DALI接口，所述通信接口通过无线或有线通道诸如例如DALI总线(102)进行外部通信。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的LED转换器，
其中，所述另外的控制单元(100)以表示所述输出电流或LED电流的信号供应。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的LED转换器，
其中，所述另外的控制单元(100)向所述控制单元(1)发送信号(103)，所述信号指示所述控制单元(19)操作所述一个或多个开关(11)所使用的离散频率的占空比。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的LED转换器，
其中，要由所述控制单元(19)使用的所述频率由所述另外的控制单元(100)指示/修改，或者
其中，在没有来自所述另外的控制单元(100)的指令的情况下，所述要使用的频率和/或其修改能够由所述控制单元(19)确定。
7.根据前述权利要求中任一项所述的LED转换器，
其中，所述至少两个不同开关频率(44,45)分别超过所述转换器(1)的峰值谐振频率。
8.根据前述权利要求中任一项所述的LED转换器，
其中，所述至少两个不同开关频率(44,45)包括两个不同开关频率(44,45)。
9.一种照明系统，所述照明系统包括：
根据前述权利要求中任一项所述的LED转换器，和
LED负载(18)，所述LED负载被配置为由所述LED转换器的输出电流供应。
10.一种操作用于供应LED负载(18)的LED转换器的方法(70)，
所述LED转换器包括开关谐振转换器(1)，所述开关谐振转换器具有：
至少一个开关(11,12)，所述至少一个开关由
所述开关谐振转换器(1)的控制单元控制，
所述方法(70)包括：
控制(71)所述至少一个开关(11,12)的开关操作，使得所述开关谐振转换器(1)向所述LED负载(18)的输出端子供应可调节的恒定电流(17)，
通过每次以至少两个不同开关频率(44,45)中的一个开关频率交替地控制所述至少一个开关(11,12)持续相应时间段(54,55)并且通过调节所述时间段(54,55)的相对持续时间，来生成(72)所述可调节的恒定电流(17)，
在所述LED转换器的所述操作期间，调整所述至少两个不同开关频率(44,45)。
11.根据权利要求10所述的方法(70)，
其中，所述方法(70)由根据权利要求1至8中任一项所述的LED转换器执行。
12.一种用于LED转换器的控制单元，
其中，所述控制单元被设计用于实现根据权利要求10或权利要求11所述的方法(70)。
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