CN1241318A - 带全波整流装置的多谐直流－直流变流器 - Google Patents

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Abstract

一种多谐振直流—直流变流器,配备有一个开关元件(S1),一个变压器(T)和连接到变压器的次级线圈(S)的整流装置,整流装置制成二极管电桥(D1,D2,D3,D4),从而使开关元件两端电压的最大幅值较小。这种开关元件特别适宜给LED网路供电。

Description

带全波整流装置的多谐直流-直流变流器
本发明涉及一种配备有直流-直流变流器以向负载供电的电路系统，该电路系统包括：
输入端，供与直流电压源连接；
一个电路部分，包括电感装置和第一电容装置，且与输入端连接；
一个开关元件，与第一电容装置并联连接；
一个控制电路，连接到开关元件上，使开关元件以高频方式导通和不导通；
一个变压器，包括一个初级线圈和一个次级线圈，该初级线圈处在电路部分中；
一个输出电路，连接到次级线圈上，且配备有：
输出端，供与负载连接；
整流装置，连接在次级线圈与输出端之间；
第二电容装置，连接在次级线圈与输出端之间。
本发明还涉及一种照明设备。
从1988年“第19届电气与电子工程师协会(IEEE)工业电子学专家年会”科研报告集第1卷第9至第17页上可以了解到本说明开端所述的那一种电路系统的情况。
所述现有技术的电路系统有一个多谐振直流-直流变流器。开关元件两端的电压基本上等于零时促使直流-直流变流器的开关元件导通，从而使开关元件工作过程中消耗的电量较小。多谐振的操作情况也是使整流装置工作过程中消耗的电量较小。然而，现有技术的这种电路系统有这样的主要缺点，即开关器件提供的电能是在每一个高频周期内的相对较短的时段内传送给输出端子的，因而电路系统的许多元件必须在此相对短的时间内承受相对较高的功率级，因而必须具有相应的尺寸。另一个后果是，开关元件两端的电压在各高频周期内达到的较高值，从而开关元件的尺寸也必须足以适应这种情况。
本发明的目的是提供一种工作期间的耗电量较小、能用只需要满足较低要求的一些元件构成的电路系统。
为达到此目的，本发明在本说明书开端所述的电路系统具有这样的特点：整流装置采用全波整流装置。
按照本发明，电能是在电路系统的每一个高频周期内的两个时段内传送给输出端的。由于电能如此传送是在较长的时间进行的，因而电路系统各元件的尺寸只需按较低的瞬时功率级选取即可。此外，还可以看出，开关元件两端的电压在各高频周期内的最大值也较小，因而开关元件无需按高电压选取尺寸。此外，若给电路系统提供60Hz频率经整流的正弦电源电压，则电路系统在电源电压过零之后必须以每秒120次的频度恢复工作。我们发现，本发明的电路系统每次在电源电压过零之后恢复到稳定工作情况的过程较快。若本发明的电源系统用作例如包括由多个半导体光源组成的网路的照明设备的电源电路，则本发明电路系统的这后一种性能非常重要。
整流装置可以包括例如二极管电桥或倍压器。
本发明电路系统的一些实施例中的所述电路部分，凡具有电感装置、变压器的初级线圈和第一电容装置组成的串联电路的都取得良好的效果。
此外还发现，可以将变压器构制得使电感装置不是由一个或多个分立元件形成，而是由变压器的漏电感形成。由于这种电路系统的磁性组件不多于1个，因而结构较简单。
此外还发现在本发明电路系统的一些实施例中，凡变压器的次级线圈与第二电容装置并联连接，且次级线圈各端连接到二极管电桥的相应输入端的，也都取得良好的效果。
各输出端最好用第三电容装置连接起来，用这些第三电容装置作为缓冲电容。
我们发现，若开关元件不导通的持续时段是固定的，则可以较简单的方式构制本发明电路系统的控制电路。
此外还发现，在许多应用场合总希望给这种电路系统配备一个电路部分，该电路部分连接到各输出端和控制电路，用于控制电路系统所提供的电流。
本发明的电路系统特别适用作具有半导体光源网路的照明设备中的电源电路。提供给这类半导体光源网路的电压是幅值较小的直流电压。这类直流电压经常是由幅值相当大的低频交流电源电压产生的。我们发现，本发明的电路系统能有效地从低频交流电压产生幅值相当稳定的直流电压。此外还可以用本发明的电路系统达到极高的功率因数而仅有小量的干优。这类照明装置，特别是其半导体光源的发光效率高，因而特别适用作光信号装置，例如交通灯。照明设备在这种应用场合容易受到变化幅度极大的温度的影响。鉴于半导体光源的光输出受温度的影响极大，因而有益的是，给电路系统配备根据半导体光源网路的温度的调节装置用以调节开关元件在各高频周期内的导通的持续时段。根据温度调节开关元件在各高频周期内的导通的持续时段可以使照明装置的光通量受温度影响的程度较小。
现在参看附图更详细地说明本发明照明设备的实施例。附图中：
图1是本发明照明设备一个实施例的电路图；
图2示出了图1所示的电路系统中若干电压和电流作为时间函数而变化的波形。
图1中，K1和K2是供与提供低频交流电压的供电电压源相连接的端子。K1和K2连接二极管电桥DB的相应输入端。二极管电桥DB的输出端分别接输入端K3和输入端K4。在本实施例中，K3和K4构成供与直流电压源相连接的输入端。K3和K4由作为缓冲电容的电容器C4互连起来。输入端子K3和K4还由线圈L、变压器T的初级线圈P和电容器C1组成的串联电路互连起来。此串联电路在本实施例中形成将输入端K3和K4互连起来的电路部分。本实施例中的线圈L形成电感装置，电容器C1形成第一电容装置。电容器C1与开关元件S1并联，开关元件S1的控制极连接控制电路SC的输出端，供促使开关元件S1以高频方式导通和截止。控制电路SC的输入端连接放大器A的输出端。放大器A的第一输入端连接端子K7，端子K7上在电路系统工作期间有基准电压Vref出现，该基准电压由图1中未示出的装置产生。放大器A的第二输入端连接电阻器R1和NTC(负温度系数)R2的公共连接点。电阻器R1和NTC R2组成的串联电路的第一端连接端子K8。串联电路的第二端接地。D5是个二极管，构成开关元件S1的一部分。变压器T的次级线圈S与电容器C2并联，电容器C2在本实施例中形成第二电容装置。次级线圈S的各端连接在本实施例中构成整流装置的由二极管D1，D2，D3和D4组成的二极管电桥的相应的输入端。二极管电桥的输出端K5和K6由在本实施例中构成第三电容装置且起缓冲电容的作用的电容器C3互连起来。二极管电桥的输出端同时也是电路系统的输出端。半导体光源网路连接这些输出端。半导体光源由多个发光二极管LED构成，光源网路在图1中以四个LED：LED1至LED4示意示出。电阻器RSENSE连接在端子K6和端子K8之间。端子K6接地。端子K8构成网路与电阻器RSENSE的公共端子。
图1所示实施例的工作过程如下。
端子K1和K2接提供低频交流电压的供电电压电源时，此低频交流电压经二极管电桥DB整流，于是电容器C4两端就出现直流电压。控制电路SC使开关元件S1以高频方式交替地导通和截止。其结果，在线圈L、初级线圈P和电容器C1组成的串联电路中有高频电流流过，同时在次级线圈S各端之间得出高频交流电压。在与高频交流电压有关的每一个高频周期中可以区分出电路系统六种不同的连续工作状态。在第一工作状态中，开关元件S1导通，电流通过初级线圈从输入端K3流到输入端K4。电容器C2两端的高频交流电压的瞬时幅值大到使二极管电桥的二极管D1和D3导通，电容器C3构成的缓冲电容进入充电状态。电容器C3因二极管D1和D3导通而与电容器C2并联连接。由于电容器C3的电容值通常选取较大的值，因而电容器C2和C3连同线圈L一起实际上不会产生谐振作用，因而这个直流-直流变流器在此第一工作状态下表现为非谐振正向变流器。电容器C4的电容值相对较小，使得电容器C4两端电压的瞬时幅值基本上等于低频交流电压的瞬时幅值。流过初级线圈P的电流会随着电容器C4两端电压和初级线圈P两端电压的瞬时值而增加或减小。控制电路使开关元件S1截止时，第一工作状态结束，第二工作状态开始。接着，流过初级线圈P的电流在第二工作状态下给电容器C1充电。由于在此第二工作状态下的线圈L与电容器C1发生谐振，因而电容器C1两端的电压上升到高于电容器C4两端电压的瞬时值。二极管D1和D3继续导通直到流经初级线圈的瞬时电流幅值下降到零为止。接着，流经初级线圈的电流反向，电容器C1放电。电容器C2也放电，从而使二极管D1和D3不再导通，进入截止状态。二极管D1和D3停止导通时，第二工作状态结束，第三工作状态开始。在第三工作情况下，电容器C3不再与电容器C2并联连接。但电容器C2的电容值选取得比电容器C1大得多，因而使电容器C1在第三工作状态下与线圈L谐振。电容器C2两端的电压在初级线圈P两端的电压改变符号的那一瞬间为零。接着，电容器C2充电到其极性和自身两端在第一和第二工作状态下的电压相反的电压。电容器C2两端电压的幅值大到二极管D2和D4导通、电容器C3进入充电状态时，第三工作状态结束，第四工作状态开始。在此第四工作状态下，存储在电容器C1中的能量转移到电容器C3。电容器C1两端的电压下降到使二极管D5导通时，第四工作状态结束，第五工作状态开始。在此第五工作状态下没有谐振现象。控制电路SC使开关元件S1导通，同时二极管D5处在导通状态，从而在促使开关元件导通的过程中不产生开关损耗。流经初级线圈的电流改变方向时，电容器C2两端电压的幅值减小，从而使二极管D2和D4截止。二极管D2和D4停止导通的那一瞬间，第五工作状态结束，第六工作状态开始。在第六工作状态下，流经初级线圈P和开关元件S1的电流上升，于是电容器C1进入充电状态。电容器C2也充电。电容器C2两端电压的瞬时幅值大到二极管D1和D2导通时，第六工作状态结束，第一工作状态又开始。电容器C3的电容值选取得大到电容器C3两端的电压在高频周期内几乎不变的程度。LED网路在电路系统工作时即由电容器C3两端的这个直流电压供电。
由于能量是在第一和第二及第四和第五工作状态期间内转移到变流器的输出端，因而对例如电容器C3选取尺寸的要求就无需象只在一个时段内也即在各高频周期较小部分期间内进行这种能量的转移的变流器的情况下那么严格。对二极管D1-D4构成的二极管电桥应该指出的是，若二极管电桥处于截止状态，则二极管D1和二极管D4组成的串联电路和二极管D2和二极管D3组成的串联电路，其各两端的最高电压充其量等于输出端子之间的电压，因而各二极管的最高反向电压较低。流经各二极管的最大电流也较小。这样就可以用耐用而较为价廉的二极管制取二极管电桥。开关元件S1两端电压的最大幅值较小，因而开关元件在最高电压方面所需要满足的要求也不那么严格。
在工作的过程中，端子K8处的电压形成一个表示网路所耗电流量的信号。借助这个信号，网路现时所消耗的电流通过放大器A和控制电路SC控制在基本上恒定的电流值。
LED网路的温度升高时，NTC R2的温度也上升，于是NTC R2两端的电压下降，从而使放大器A第二输入端的电压也因NTC R2的阻值随温度的上升而减小而下降了。放大器输出端的电压由于放大器A第一输入端的电压仍然等于Vref而升高。控制电路SC对此所起的反应是延长开关元件S1在各高频周期的导通时间来提高电压。这样做的结果是增加了对LED网路的供电量。由于LED的光输出随温度的上升而减少，因而此供电量的增加使LED网路所提供的光通量在较宽的温度范围内只在较小范围内变化。
在图2a和图2b中，时间都以微秒计在横坐标轴上标出。曲线1表示以毫安计流经初级线圈的电流放大1000倍的曲线。曲线2表示以毫安计流经次级线圈S的电流缩小到1/6的曲线。曲线3是LED网路所吸收的以毫安计的直流电流。曲线4是电容器C1两端(因而也是开关元件S1两端)以伏计的电压。曲线9是控制电路SC产生的以毫伏计的控制信号缩小到1/100的曲线。垂直虚线表示一连串工作状态之间的过渡段。电路系统处在六种一连串工作状态期间的时段，段在图2(b)的水平轴线上以1至6的编号标出。图2的所有曲线都是在165伏低频供电电压的瞬时幅值(这大致相当于120伏低频供电电压情况下低频供电电压的最大幅值)下测出的。显然开关元件两端的最高电压大致不会超过600伏。我们发现，若整流装置不制成二极管桥而采用一个二极管，则开关元件两端的最高电压为150至200伏。
在图1所示照明设备的实际实施例中，LED网路由18个红色LED组成，在大约14伏输出电压的情况下总的功率消耗约为15瓦。电容器C1，C2，C3和C4的电容值分别为2.2nF、267nF、470μF法和330nF。线圈L的电感值为1.6毫亨。变压器T初级线圈P的匝数为次级线圈S匝数的4倍。提供给电路系统的电源电压为60赫120伏均方根值的低频正弦电压。控制电路SC使开关元件导通和截止所使用的频率约为67千赫。此电路系统测出的功率因数为0.95。照明设备发出的光通量在-40℃至+65℃温度范围内的变化范围较小。

Claims (11)

1.一种给负载供电的电路系统，配备有一个直流-直流变流器，所述电路系统包括：
输入端，供与直流电压源连接；
一个电路部分，包括电感装置和第一电容装置，且与输入端连接起来；
一个开关元件，与第一电容装置并联连接；
一个控制电路，连接到开关元件上，使开关元件以高频方式导通和不导通；
一个变压器，包括一个初级线圈和一个次级线圈，该初级线圈处在电路部分中；
一个输出电路，连接到次级线圈上且配备有：
输出端，供与负载连接；
整流装置，耦合在次级线圈与输出端之间；
第二电容装置，连接在次级线圈与输出端之间；
其特征在于，所述整流装置为全波整流装置。
2.如权利要求1所述的电路系统，其特征在于，整流装置包括一个二极管电桥。
3.如权利要求1所述的电路系统，其特征在于，整流装置包括一个倍压器。
4.如权利要求1，2或3所述的电路系统，其特征在于，所述电路部分由一个电感装置、变压器初级线圈和第一电容装置组成的串联电路组成。
5.如以上任一或任几个权利要求所述的电路系统，其特征在于，电感装置由变电器的漏电感构成。
6.如以上任一或任几个权利要求所述的电路系统，其特征在于，变压器的次级线圈与第二电容装置并联，且次级线圈的相应端连接到二极管电桥的相应输入端上。
7.如以上任一或任几个权利要求所述的电路系统，其特征在于，各输出端子用第三电容装置互连起来。
8.如以上任一或任几个权利要求所述的电路系统，其特征在于，开关元件不导通的持续时段固定不变。
9.如以上任一或任几个权利要求所述的电路系统，其特征在于，电路系统配备有一个电路部分，连接到输出端和控制电路上，供控制由电路系统所提供的电流。
10.一种包括如以上任一或任几个权利要求所述的电路系统的照明设备，它有一个半导体光源网路耦合到所述电路系统的输出端。
11.如权利要求8所述的照明设备，其特征在于，电路系统配备有根据半导体光源网路的温度来调节开关元件在各高频周期内导通的持续时段的装置。
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