Схема импульсного преобразователя
PULSE CONVERTER CIRCUIT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области светодиодных источников света и, в частности, к области блоков питания для светодиодных источников света средней и высокой мощности. Настоящее изобретение разработано, прежде всего, но не исключительно, для схемы импульсного преобразователя, то есть, импульсного преобразователя, особенно подходящего для использования в качестве второго каскада преобразования энергии или выходного каскада блока питания для светодиодных источников света.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области блоков питания для светодиодных источников света средней и высокой мощности, например, с мощностью выше 50 Ватт, известно использование блоков питания с двух- или трехкаскадными топологиями, в которых изолирующий каскад, как правило, представляет собой обратноходовой импульсный преобразователь или резонансный LLC-преобразователь.
Двухкаскадные блоки питания представляют значительно больший интерес, поскольку являются высокопроизводительными и малозатратными, однако и они имеют некоторые недостатки. Двухкаскадные блоки питания, реализованные с использованием импульсного преобразователя с резонансной LLC-технологией, требуют наличия сложных контроллеров и обеспечивают ограниченную динамику выходного напряжения. Двухкаскадные блоки питания, реализованные с использованием обратноходового импульсного преобразователя, характеризуются более низкой производительностью, ограниченной надежностью из-за высокой напряженности электрического поля в компонентах, возникающей в результате высокого электростатического напряжения, вызванного паразитными параметрами компонентов, и высокой стоимостью интегральных схем управления, необходимых для устранения данных недостатков. Таким образом, выбор между использованием второго каскада с LLC-технологией и использованием второго каскада с обратноходовой технологией является компромиссом между динамикой выходного напряжения, производительностью и надежностью преобразователя.
Одно из решений, принятых на вооружение и известных из уровня техники, заключается во введении третьего каскада последующего регулирования. Однако, использование данного третьего каскада приводит к сильному снижению производительности блока питания и увеличению затрат и размеров.
В ходе многочисленных опытов, проведенных заявителем, была выявлена потребность в реализации схемы импульсного преобразователя, которая позволит исключить необходимость в описанном выше компромиссном выборе рабочих характеристик между обратноходовой технологией и LLC-технологией.
Одна из основных задач настоящего изобретения состоит в том, чтобы удовлетворить данную потребность.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы реализовать схему импульсного преобразователя, которая позволит устранить все недостатки схем преобразователей для светодиодных источников света известного типа.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить рабочие параметры блоков питания для светодиодных источников света средней и высокой мощности, которые используются, например, для подачи питания в осветительные устройства II класса.
Также, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы повысить надежность блока питания для светодиодных источников света известного типа.
Кроме того, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы уменьшить стоимость изготовления блока питания для светодиодных источников света.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения раскрыта схема импульсного преобразователя, содержащая по меньшей мере входной терминал для соединения с источником постоянного напряжения, интегральную схему управления, пару полевых транзисторов, соединенных с интегральной схемой управления, пару связанных индукторов, соединенных с парой полевых транзисторов, диод, соединенный с парой полевых транзисторов, пару конденсаторов, первый выходной терминал, и контур управления для управления током на выходе схемы посредством первого выходного терминала.
Данное техническое решение позволяет реализовать схему импульсного преобразователя постоянного напряжения в постоянный ток, которая может гарантировать высокую степень гальванической изоляции.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения схема содержит второй выходной терминал и измерительный резистор, соединенный последовательно со вторым выходным терминалом.
Данное техническое решение позволяет управлять током схемы путем измерения напряжения на головках измерительного резистора.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения интегральная схема управления представляет собой интегральную схему для гистерезисного токового управления.
Данное техническое решение позволяет получить значительное снижение производственных затрат и сложности блока питания, содержащего импульсный преобразователь, реализованный со схемой согласно настоящему изобретению.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, схема преобразователя содержит пару МОП-транзисторов (MOSFET), соединенных с интегральной схемой.
Данное техническое решение позволяет существенно повысить производительность схемы импульсного преобразователя, поскольку переключения МОП-транзисторов происходят при нулевом напряжении, и встроенные диоды каждого МОП-транзистора начинают проводить ток перед включением МОП-транзистора, что препятствует рассеиванию энергии из-за разрежения в стыках.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения контур управления содержит первый вход, соединенный с парой полевых транзисторов, второй вход, соединенный с измерительным резистором, и выход, соединенный с интегральной схемой управления.
Данное техническое решение позволяет управлять током на выходе схемы с использованием напряжения в качестве управляющей величины и, таким образом, осуществлять способы гистерезисного управления известного типа.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения контур управления содержит:
- фильтр верхних частот, соединенный с первым входным терминалом,
- фильтр нижних частот, соединенный с фильтром верхних частот,
- первый усилительный блок, соединенный с фильтром нижних частот, и
- суммирующий узел, соединенный с первым усилительным блоком.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения контур управления содержит:
- второй усилительный блок, соединенный со вторым входным терминалом,
- оптрон, соединенный со вторым усилительным блоком и суммирующим узлом.
Данное техническое решение позволяет получить форму кривой, идентичную форме кривой, которую получают при непосредственном измерении тока, протекающего через индуктивность намагничивания, и использовать ее в качестве входного сигнала управления интегральной схемы для гистерезисного токового управления.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предусмотрен каскад развязки сигнала, соединенный с оптроном и суммирующим узлом.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к блоку питания светодиодного источника света, содержащему схему импульсного преобразователя, раскрытую в настоящей заявке.
Данное техническое решение позволяет улучшить рабочие характеристики и снизить стоимость блоков питания для светодиодных источников света средней и высокой мощности.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к способу управления схемой импульсного преобразователя, содержащему этапы, на которых:
- измеряют напряжение на терминале контура управления, соединенном с узлом, общим для двух МОП-транзисторов,
- выделяют среднее значение из измеренного напряжения посредством фильтра верхних частот с постоянной времени, намного превышающей период переключения,
- фильтруют, посредством фильтра нижних частот, форму кривой на выходе фильтра верхних частот с постоянной времени, намного превышающей период переключения,
- усиливают, посредством первого усилительного блока, форму кривой на выходе фильтра нижних частот, и
- отправляют форму кривой на выходе первого усилительного блока в суммирующий узел.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения способ содержит этапы, на которых:
- измеряют ток на выходе схемы преобразователя путем измерения напряжения на головках измерительного резистора,
- усиливают и фильтруют измеренное напряжение посредством второго усилительного блока,
- передают форму кривой на выходе усилительного блока в суммирующий узел посредством оптрона.
Дополнительное преимущество настоящего изобретения обусловлено тем фактом, что эффекты избыточных напряжений, связанных с паразитными параметрами пары связанных индукторов, появляются на диоде. Таким образом, надежность схемы импульсного преобразователя согласно настоящему изобретению существенно повышается по сравнению со стандартными обратноходовыми топологиями, в которых паразитные эффекты появляются на МОП-транзисторе, который является наиболее важным компонентом с точки зрения перенапряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными при прочтении нижеследующего описания примеров его осуществления, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 схематично показана схема импульсного преобразователя согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 схематично показан контур управления схемы импульсного преобразователя с фиг. 1.
На фиг. 3 схематично показана схема блока питания светодиодного источника света.
На фиг. 4а - 4f схематично проиллюстрированы формы кривых в схеме согласно настоящему изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показан вариант осуществления изолированной схемы импульсного преобразователя согласно настоящему изобретению, которая обозначена в целом номером позиции 1 и далее для краткости будет именоваться как схема 1 преобразователя.
DCbus
Схема 1 преобразователя содержит по меньшей мере входной терминал IN1, в частности подходящий для соединения во время эксплуатации с источником электрического напряжения, в частности, источником V постоянного напряжения.
m
S
Схема 1 преобразователя содержит пару связанных индукторов 10, представленных в виде эквивалента двойной биполярной модели, содержащей идеальный трансформатор Т, индуктивность L намагничивания и паразитную индуктивность L.
H
L
Схема 1 преобразователя также содержит пару полевых транзисторов, предпочтительно пару МОП-транзисторов Q, Q, наиболее предпочтительно пару МОП-транзисторов с n каналов.
n
led
1
Схема 1 преобразователя дополнительно содержит диод D, пару конденсаторов C и C и первый выходной терминал OUT, в частности, подходящий для соединения во время эксплуатации с электроприемником, предпочтительно источником света, более предпочтительно светодиодным источником света.
H
L
ni
Первый полюс пары связанных индукторов 10 соединен с обоими МОП-транзисторами Q, Q, а второй полюс пары связанных индукторов 10 соединен с землей источника постоянного напряжения посредством конденсатора C, то есть конденсатора ненагруженного выхода.
led
Конденсатор C присоединен между третьим полюсом пары связанных индукторов 10, то есть массой вторичной цепи, и катодом диода D, который совпадает с первым выходным терминалом OUT1. Диод D, то есть, выходной диод, присоединен между первым выходным терминалом OUT1 и четвертым полюсом пары связанных индукторов.
DCbus
on
H
DCbus
n
m
off
H
L
n
m
S
led
Во время эксплуатации, когда входной терминал IN1 соединен с источником V постоянного напряжения, в течение этапа (T) включения включен только МОП-транзистор Q, чтобы обеспечить возможность передачи энергии от источника V постоянного напряжения к конденсатору ненагруженного выхода C и индуктивности Lнамагничивания. В течение этапа (T) выключения МОП-транзистор Q выключается, а МОП-транзистор Q включается и отправляет проводящий диод D на первый выходной терминал OUT1, чтобы обеспечить возможность передачи энергии из конденсатора ненагруженного выхода C и из индуктивности L намагничивания через идеальный трансформатор Т и паразитную индуктивность L к выходному конденсатору C и выходу.
DCbus
led
Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения схема 1 преобразователя содержит систему управления током, чтобы во время эксплуатации осуществлять как преобразование энергии, так и управление выходным током, с прохождением, таким образом, от постоянного напряжения V(t) на входе до управляемого постоянного тока I(t) на выходе.
led
В этом случае схема 1 преобразователя согласно настоящему изобретению дополнительно содержит интегральную схему (20) управления, соединенную с обоими полевыми МОП-транзисторами для управления током схемы 1 преобразователя, предпочтительно для гистерезисного токового управления схемы 1 преобразователя. Однако, самой по себе интегральной схемы 20 управления недостаточно для управления постоянным током I(t) на выходе схемы 1 преобразователя.
Lm
m
led
Для лучшего понимания настоящего изобретения в настоящий документ включены некоторые соображения, появившиеся у заявителя в ходе развернутых экспериментальных исследований. В случае, когда коэффициент преобразования идеального трансформатора Т равен единице, среднее значение тока I(t), который протекает через индуктивность Lнамагничивания, равняется среднему значению выходного тока I(t), выходящего из первого выходного терминала OUT1.
Lm
m
m
led
Тем не менее, следует рассмотреть треугольную форму кривой тока I(t), протекающего через индуктивность L намагничивания. Данный ток не может быть считан с помощью считывающих устройств известного типа, и, как уже было упомянуто, индуктивность L намагничивания не является реальным компонентом, а является частью модели пары связанных индукторов и, таким образом, недоступна. Для обеспечения управления током было даже предложено управление по среднему значению выходного тока I(t), который может быть считан посредством измерительного резистора.
S
Таким образом, система управления током схемы 1 преобразователя согласно настоящему изобретению содержит контур 100 управления, предпочтительно, обратный контур управления, и измерительный резистор R, соединенный со вторым выходным терминалом OUT2 схемы 1 преобразователя.
AC
H
L
DC
S
ac
AC
Согласно варианту осуществления с фиг. 2, контур 100 управления содержит первый входной терминал V, соединенный в общем узле, общем для двух МОП-транзисторов Q и Q, и второй входной терминал V, соединенный с резистором R. Контур 100 управления дополнительно содержит фильтр 22 верхних частот, соединенный с первым входным терминалом V контура 100 управления, фильтр (24) нижних частот, соединенный с фильтром 22 верхних частот, первый усилительный блок 26 с коэффициентом G усиления, соединенный с фильтром 24 нижних частот, и суммирующий узел 28, соединенный с первым усилительным блоком 26.
AC
DC
Контур 100 управления дополнительно содержит второй усилительный блок 30 с коэффициентом G усиления, соединенный со вторым входным терминалом V контура 100 управления, оптрон 32, соединенный со вторым усилительным блоком 30, каскад 34 развязки сигнала (буфер), соединенный с оптроном 32 и суммирующим узлом 28.
FB
И наконец, контур 100 управления содержит выходной терминал V, соединенный с интегральной схемой 20 управления.
DCbus
led
m
m
Согласно настоящему изобретению, для того, чтобы осуществить преобразование энергии, происходящее от значения V(t) постоянного напряжения, при значении I(t) управляемого постоянного тока в раскрытой выше схеме, необходим способ косвенного восстановления формы кривой, которая была бы получена при измерении тока IL(t), протекающего через индуктивность L намагничивания.
m
led
on
Как показано на фиг. 4а - 4f, ток IL(t) может быть разделен на две составляющие, на постоянную составляющую и частотную составляющую. Постоянная составляющая соответствует среднему значению тока I на выходе первого выходного терминала OUT1, а частотная составляющая представляет собой треугольную кривую, которая имеет нулевое среднее значение, и которая во время этапа включения (T) имеет положительную кривизну с коэффициентом
off
а во время этапа выключения (T) имеет отрицательную кривизну с коэффициентом
Таким образом, способ содержит этапы, на которых:
AC
AC
H
L
- измеряют напряжение V(t) на терминале V, соединенном с узлом, общим для двух МОП-транзисторов Q и Q (прямоугольная форма кривой),
AC
HP
on
off
- выделяют среднее значение из измеренного напряжения (V(t) посредством фильтра (22) верхних частот с постоянной (τ) времени, намного превышающей период (T+T) переключения,
HP
on
off
- фильтруют, посредством фильтра (24) нижних частот, форму кривой на выходе фильтра (22) верхних частот с постоянной (τ) времени, намного превышающей период (T+T) переключения, с получением треугольной формы кривой,
AC
- усиливают, посредством первого усилительного блока 26 с коэффициентом Gусиления, форму кривой на выходе фильтра (24) нижних частот, и
AC
- отправляют форму V'(t) кривой на выходе первого усилительного блока 26 в суммирующий узел 28.
AC
m
Форма V'(t) кривой будет иметь прогрессию в форме треугольника, в точности как частотная составляющая тока, протекающего через индуктивность Lнамагничивания, при этом кривизна во время этапов включения и выключения будет, соответственно, сначала положительной, а потом отрицательной со следующими коэффициентами:
и
Таким образом, способ содержит этапы, на которых:
DC
S
- измеряют ток на выходе схемы 1 преобразователя путем измерения напряжения V(t) на головках измерительного резистора R,
DC
DC
- усиливают и фильтруют измеренное напряжение (V(t) посредством второго усилительного блока 30 с коэффициентом G усиления,
DC
LED
S
DC
- передают форму кривой V'(t)=I×R×G на выходе усилительного блока 30 в суммирующий узел 28 посредством оптрона 32.
DC
AC
FB
AC
DC
m
led
FB
На выходе суммирующего узла 28, путем предварительно заданного измерения множителей G и G можно получить форму кривой V(t)=V'(t)+V'(t), идентичную форме кривой, которая была бы получена путем непосредственного измерения тока, протекающего через индуктивность L намагничивания, можно обеспечить гистерезисное управление средним значением выходной величины I(t) схемы 1 преобразователя согласно настоящему изобретению с использованием интегральной схемы 20 управления, а также можно использовать напряжение V(t) в качестве управляющей величины посредством способов гистерезисного управления известного типа.
DC
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, описанный выше способ может также содержать этап развязки результата усиления и фильтрации измеренного напряжения V(t) на выходе оптрона 32 посредством каскада 34 развязки сигнала перед его отправкой в суммирующий узел 28.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, схема импульсного преобразователя может использоваться в режиме непрерывной проводимости. Благодаря такому техническому решению среднеквадратические значения тока могут быть значительно уменьшены, что позволяет улучшить параметры электромагнитных помех (EMI).
Как указано во вводной части настоящего описания, схема 1 преобразователя согласно настоящему изобретению особенно подходит для использования в качестве второго каскада преобразования энергии, или выходного каскада блока питания для светодиодных источников света. Как показано, в частности, на фиг. 3, блок 40 питания для светодиодных источников света содержит первый каскад 50 фильтра электромагнитных помех, второй активный каскад 60 синхронизации и схему 1 преобразователя согласно настоящему изобретению. Блок 40 питания соединен со светодиодным источником 70 света.
choke
X
Более подробно, каскад 50 фильтра электромагнитных помех представляет собой пассивный фильтр, благодаря которому электронные устройства могут соответствовать стандартам электромагнитной совместимости, и который содержит фильтр π, состоящий из дроссельной катушки L общего типа и пары конденсаторов C класса X.
Активный каскад 60 синхронизации осуществляет преобразование энергии из синусоидального режима (АС) в прямой режим (DC), с сохранением при этом коэффициентов мощности (КМ) и общего гармонического искажения (THD) вблизи идеальных значений.
boost
boost
boost
boost
onboost
boost
Как правило, обеспечить управляемое выходное постоянное напряжение, равное примерно 400 В, может повышающий преобразователь. Активный каскад 60 синхронизации содержит полный диодный мост 62 для выпрямления напряжения (PNT) сети, первый конденсатор C для фильтрации высокочастотных составляющих, создаваемых в процессе преобразования, МОП-транзистор Q, который при управлении посредством интегральной схемы IC, позволяет аккумулировать энергию в индукторе L во время фазы (T) включения, то есть с закрытым МОП-транзистором Q.
offboost
boost
ELboost
boost
boost
Во время этапа (T) выключения, то есть с открытым МОП-транзистором Q, энергия передается на второй конденсатор C и на выход через диод D. Следует отметить, что интегральная схема IC может управлять этим процессом передачи энергии, так что она переходит из синусоидального режима в прямой режим с сохранением при этом фазового сдвига между током, поглощаемым из сети, и напряжением сети.
Светодиодный источник 70 света, являющийся электроприемником блока 40 питания, содержит один или более светодиодов 72 и требует постоянного тока низкой пульсации.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, значение управляемой величины на выходе, то есть, тока, может быть изменено за счет воздействия на соотношение времени переключений . Данное техническое решение позволяет существенно улучшить динамику напряжения на выходе.
Хотя настоящее изобретение разработано, прежде всего, но не исключительно, для схемы импульсного преобразователя, то есть, импульсного преобразователя, особенно подходящего для использования в качестве второго каскада преобразования энергии, или выходного каскада трансформатора для светодиодных источников света, специалист в данной области техники может легко использовать схему 1 преобразователя согласно настоящему изобретению в различных электронных устройствах, таких как блоки питания для различных электроприемников, например, электрических и/или электронных устройств, отличных от источников света и/или светодиодных источников света.
Все элементы могут быть заменены их техническими эквивалентами. Аналогично, использованные материалы, а также формы и размеры могут быть изменены в зависимости от требований, без выхода при этом за рамки объема защиты настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.