ДРАЙВЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ПОСТОЯННОГО ТОКА, ИМЕЮЩЕЕ ВХОДНОЙ И ВЫХОДНОЙ ФИЛЬТРЫ, ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ НАГРУЗКИ, В ЧАСТНОСТИ, БЛОКА СВЕТОДИОДОВ
DC DRIVER DEVICE, HAVING INPUT AND OUTPUT FILTERS, TO ACTUATE LOAD, IN PARTICULAR, LIGHT-EMITTING DIODES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к драйверному устройству для приведения в действие нагрузки, в частности блока светодиодов (LED), содержащего один или более LED. Кроме того, настоящее изобретение относится к осветительному устройству.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области драйверов LED для автономных приложений, таких как замена существующих ламп на новые LED, требуются решения, которые позволили бы обеспечить высокую эффективность, высокую плотность мощности, продолжительный срок службы, высокий коэффициент мощности и низкую стоимость среди других важных особенностей. Хотя практически все существующие решения являются компромиссными по отношению к одному или другому требованию, важно отметить, что предложенные схемы возбуждения должным образом преобразовывают форму сетевого напряжения в форму, необходимую для LED, при соблюдении настоящих и будущих правил электроснабжения. Принципиально важным является обеспечение минимального видимого мерцания света (предпочтительно нулевого) наряду с поддержанием коэффициента мощности на заранее определенном уровне выше порогового.
Кроме того, чтобы достичь высокого коэффициента мощности и низкого гармонического искажения, в автономных преобразователях электроэнергию из электрической сети зачастую необходимо отбирать синхронно и пропорционально форме колебания напряжения питания. Схемы построения преобразователей мощности с независимым каскадом предварительной обработки традиционно применяются для того, чтобы наилучшим образом выполнить эту задачу без потери необходимой мощности, подаваемой на нагрузку.
Как правило, для получения высокого коэффициента мощности при сохранении постоянной выходной мощности на протяжении всего периода колебания сетевого напряжения (или периода питания, то есть периода колебания сетевого напряжения или периода колебания напряжения питания) применяются два последовательно соединенных силовых каскада. В этих схемах построения первый каскад придает определенную форму току сети, а второй каскад выполняет преобразование мощности для нагрузки.
Тем не менее, по причинам, связанным со сложностью и стоимостью, принято использовать упрощенные схемные решения для силовых цепей, обычно известные как однокаскадные, где любой один из двух каскадов, по существу, не является частью одного целого. В результате такого упрощения вышеупомянутые требования могут в значительной степени не выполняться и/или могут сильно ухудшаться характеристики преобразователя, в частности, с точки зрения размеров, надежности и срока службы. Последний обычно связан, главным образом, с необходимостью использования громоздкого низкочастотного накопительного конденсатора, соединенного параллельно нагрузке в случае, когда необходимо обеспечивать постоянную подачу выходной мощности.
Однокаскадные решения распространены в литературе. Один пример в качестве ссылки приведен в работе Роберта Эриксона и Михаэла Мадигана "Проектирование простого выпрямителя с высоким коэффициентом мощности на основании обратноходового преобразователя", Труды IEEE конференции и выставки прикладной силовой электроники, 1990, с.792-801 (Robert Erickson and Michael Madigan, "Design of a simple high-power-factor rectifier based on the flyback converter", IEEE Proceedings of the Applied Power Electronics Conferences and Expositions, 1990, pp. 792-801).
Промежуточным решением, находящимся посередине между двухкаскадным и однокаскадным подходами, является однокаскадный преобразователь с устройством предварительной обработки, выполненным как одно целое. Такие решения могут характеризоваться пониженным количеством компонентов и высокой плотностью мощности при соблюдении требований, предъявляемых к нагрузке и силовой сети. Другие варианты осуществления с одним силовым преобразовательным каскадом позволяют обеспечить высокие коэффициенты мощности (HPF) за счет объединения в единое целое повышающего преобразователя, работающего в прерывистом режиме проводимости. Эти преобразователи фактически объединяют вышеупомянутые два силовых преобразовательных каскада.
Преобразователь с HPF для компактных флуоресцентных ламп описан в работе Рикардо де Оливейра Бриоши и Хосе Луиза Ф. Виейра "Электронный балласт с высоким коэффициентом мощности с напряжением вставки постоянного тока", Труды IEEE по силовой электронике, т.13, № 6, 1998 г. ("High-Power-Factor Electronic Ballast with Constant DC-Link Voltage", by Ricardo de Oliveira Brioschi and Jose Luiz F. Vieira, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 13, no. 6, 1998). В данной работе полумост используется совместно с повышающим преобразователем и преобразователем с параллельным LC-резонансным контуром, который работает выше резонансной частоты для того, чтобы получить переключение при нулевом напряжении (ZVS). Для дальнейшего поддержания режима ZVS используется постоянное управление напряжением силовой цепи. Однако такой преобразователь с HPF обычно требует большого конденсатора силовой цепи и выходного выпрямителя и имеет только узкие диапазоны напряжений питания и нагрузок (возбуждения).
Другим примером интегральных силовых каскадов является работа Р. Венкатрамена, А.К.С. Бхата и Марка Эдмонда "Мягкое переключение однокаскадного преобразователя из переменного тока в постоянный с низким гармоническим искажением", труды IEEE по космическим и электронным системам, т.36, №4, октябрь, 2000 (R. Venkatraman, A.K.S. Bhat and Mark Edmunds, entitled "Soft-switching single-stage AC-to-DC converter with low harmonic distortion", IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, vol.36, no.4, October 2000). В этой работе представлен и проанализирован однокаскадный преобразователь переменного тока в постоянный с высокочастотным изолированным трансформатором и с переключением при нулевом напряжении (ZVS), который имеет высокий коэффициент мощности и низкие гармонические искажения для постоянной мощной нагрузки.
В заявке US 2006/0103363 раскрыт понижающий преобразователь напряжения постоянного тока (DC-DC) для приведения в действие нагрузки. Преобразователь принимает выпрямленное напряжение питания из внешнего источника питания и обеспечивает подачу напряжения и/или тока возбуждения для приведения в действие нагрузки. Преобразователь содержит полумостовой блок с первым и вторым переключающими элементами, соединенными последовательно между узлом высокого напряжения и узлом низкого напряжения и имеющими узел переключения между упомянутыми первым и вторым переключающими элементами. Преобразователь дополнительно содержит блок повышающе-понижающего входного фильтра, выполненного с первой индуктивностью и последовательно соединенным диодом, и блоком понижающего выходного фильтра, выполненного со второй индуктивностью. Кроме того, обеспечены входной развязывающий конденсатор и выходной развязывающий конденсатор. Управление преобразователем осуществляется с помощью блока управления, предназначенного для управления упомянутыми переключающими элементами.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить драйверное устройство для приведения в действие нагрузки, в частности блока LED, содержащего один или более LED, и, в частности, для обеспечения высокого коэффициента мощности, виртуальным образом постоянную нагрузку, маленький размер, высокую эффективность, продолжительный срок службы и низкую стоимость. Кроме того, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить соответствующее осветительное устройство.
Согласно аспекту настоящего изобретения выполнено драйверное устройство, содержащее:
- входные выводы питания для приема выпрямленного напряжения питания от внешнего источника питания,
- выходные выводы питания для обеспечения напряжения и/или тока возбуждения для приведения в действие нагрузки,
- полумостовой блок, содержащий первый и второй переключающие элементы, соединенные последовательно между узлом высокого напряжения и узлом низкого напряжения и имеющие узел (59) переключения между упомянутыми первым и вторым переключающими элементами,
- блок повышающе-понижающего входного фильтра, содержащий первую индуктивность и последовательный диод, соединенный между входным выводом питания и упомянутым полумостовым блоком,
- блок понижающего выходного фильтра, содержащий вторую индуктивность, соединенную между упомянутым полумостовым блоком и выходным выводом питания,
- блок накопления энергии, и
- блок управления для управления упомянутыми переключающими элементами.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения выполнено осветительное устройство, содержащее осветительную сборку, содержащую один или более осветительных блоков, в частности блок LED, содержащий один или более LED, и драйверное устройство для приведения в действие упомянутой осветительной сборки, как обеспечено согласно настоящему изобретению.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленное осветительное устройство имеет аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, как заявленное устройство и как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение базируется на идее интеграции и управления повышающе-понижающим преобразователем в синхронном повышающем преобразователе. К выходным выводам питания подсоединена нагрузка (например, блок LED ВН). Кроме того, к входным выводам питания предпочтительно подсоединен конденсатор сетевого фильтра. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает как постоянный ток возбуждения, так и коэффициент мощности, равный 0,9 или выше.
Проблемы, связанные с высокой стоимостью, сложностью и большим количеством компонентов, рассмотрены и решены в отношении двухкаскадных автономных драйверов для LED, которые соответствуют требованиям, предъявляемым как к питающей электрической сети, так и к нагрузке, поскольку предложенные драйверное устройство и способ характеризуются простотой и пониженным количеством компонентов, в которых предпочтительно используются традиционные компоненты.
В отношении однокаскадных автономных драйверов для LED решены следующие проблемы. Можно отказаться от использования низкочастотного конденсатора большой емкости и вместо него использовать изменение напряжения низкочастотного накопительного конденсатора меньшей емкости во время периода изменения напряжения питания или периода изменения напряжения в электрической сети (например, 20-80%), при этом сохраняя выходной ток на постоянном уровне. Это, в свою очередь, приводит к меньшим размерам, более длительному сроку службы и большей надежности, особенно при работе при высоких температурах. Кроме того, меньшее количество компонентов не должно снижать требований ни к электрической питающей сети, ни к нагрузке. Это достигается, по существу, за счет работы силового каскада с встроенной функцией предварительной обработки. Кроме того, повышенную эффективность преобразователя, обычно ограниченную большим количеством однокаскадных решений, в частности, для приложений, связанных с освещением с помощью модернизированных ламп, можно достичь, в частности, посредством работы ZVS (переключение при нулевом напряжении), как предложено в предпочтительном варианте осуществления. Наконец, даже при использовании большого низкочастотного накопительного конденсатора одиночные каскады могут полностью устранить ощущение мерцания. Предложенное решение позволяет обеспечить постоянный выходной, ток и, следовательно, можно полностью избежать ощущения мерцания.
Согласно настоящему изобретению существуют различные основные конфигурации синхронного понижающего преобразователя, выполненного как одно целое с повышающе-понижающем преобразователем, выполненного в качестве различных предпочтительных вариантов осуществления, которые удовлетворяют требованиям различных нагрузок и диапазонов входных напряжений. Каждым из них можно управлять во всем диапазоне нагрузок, практически до нулевого тока нагрузки посредством управления только коэффициентом заполнения или частотой переключений или с помощью работы в режиме генерирования пакета импульсов.
Напряжение питания может представлять собой выпрямленное периодическое напряжение питания, подаваемое с помощью источника питания. В случае электрической сети переменного тока напряжение подается в виде входного напряжения в источник питания (или на входные выводы питания), например, из источника сетевого напряжения, блок выпрямителя предпочтительно используется (как часть драйверного устройства или как внешний блок, связанный с входными выводами питания) для выпрямления подаваемого входного напряжения переменного тока, например сетевого напряжения, в (выпрямленное периодическое) напряжение питания. Такой блок выпрямителя может, например, содержать широко известный полумостовой или мостовой выпрямитель. Таким образом, напряжение питания имеет ту же самую полярность для любой полярности входного напряжения переменного тока.
Альтернативно, если, например, такое выпрямленное периодическое напряжение питания уже подано на входные выводы питания, например, из выпрямителя (представляющего собой упомянутый внешний источник питания), выполненного где-нибудь в другом месте, то дополнительные или только общие элементы (такие, например, как усилитель) не связаны с входными выводами питания для формирования напряжения питания.
Существуют различные варианты осуществления предложенного драйверного устройства, которые отличаются, главным образом, соединением различных элементов драйверного устройства.
В одном варианте осуществления входной вывод большой мощности соединен с выводом большой мощности полумостового блока и входной вывод малой мощности соединен с блоком повышающе-понижающего входного фильтра. Предпочтительно в этом варианте осуществления входной вывод упомянутого блока повышающе-понижающего входного фильтра соединен с входным выводом малой мощности, при этом выходные выводы упомянутого блока повышающе-понижающего входного фильтра соединены с промежуточным узлом полумостового блока и либо с блоком накопления энергии, либо с выходным выводом большой мощности.
В другом варианте осуществления входной вывод малой мощности соединен с узлом низкого напряжения полумостового блока и входной вывод большой мощности соединен с блоком повышающе-понижающего входного фильтра. Предпочтительно в этом варианте осуществления входной вывод упомянутого блока повышающе-понижающего входного фильтра соединен с блоком накопления энергии или с выходным выводом большой мощности, при этом выходные выводы упомянутого блока повышающе-понижающего входного фильтра соединены с промежуточным узлом полумостового блока и с входным выводом большой мощности.
Существуют различные варианты осуществления для соединения блока накопления энергии. Например, в одном варианте осуществления упомянутый блок накопления энергии соединен между входным выводом большой мощности и упомянутым узлом низкого напряжения упомянутого полумостового блока, хотя в другом варианте осуществления упомянутый блок накопления энергии соединен между входным выводом большой мощности и упомянутым узлом высокого напряжения упомянутого полумостового блока. В еще одном варианте осуществления упомянутый блок накопления энергии соединен между выходными выводами упомянутого блока понижающего выходного фильтра.
Различные варианты осуществления выполнены для использования в различных приложениях и при различных напряжениях и направлены на достижение определенных целей. Часто для выбора оптимального варианта осуществления необходимо пойти на компромисс.
Упомянутый блок накопления энергии содержит разрядный конденсатор, в частности один конденсатор.
Преимущественно входной развязывающий конденсатор, соединенный между входными выводами питания, и/или выходной развязывающий конденсатор, соединенный между выходными выводами питания, дополнительно предусмотрен для высокочастотной развязки. В частности, входной развязывающий конденсатор является преимущественным в том случае, если выпрямленный ток питания должен стать отрицательным, как это имеет место в некоторых вариантах осуществления.
Переключающие элементы образуют вместе полумост (который также называется блоком переключения) в одном варианте осуществления. Но обычно переключающие элементы можно реализовать различными путями, например, включающими в себя транзисторы (например, MOSFET (полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник)) или другие средства управляемого переключения.
Предпочтительно блок управления выполнен с возможностью поддержания выходного тока на постоянном уровне, поддержания напряжения на концах элемента накопления энергии ниже предопределенного порогового значения и/или формирования входного тока. Переключение при нулевом напряжении переключающих элементов выполнено посредством конструкции (компонентов) предложенного драйверного устройства. Задачи управления состоят в том, чтобы поддерживать выходной ток на постоянном уровне; по возможности согласно контрольному току (контрольной точке) поддерживать напряжение силовой цепи (то есть напряжение на концах элемента накопления энергии) ниже предварительно установленного предела и/или формировать входной ток.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из и разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.
На чертежах:
фиг.1 - схематичная блок-схема известного двухкаскадного драйверного устройства;
фиг.2а - схематичная блок-схема известного однокаскадного драйверного устройства с входным накопительным конденсатором;
фиг.2b - схематичная блок-схема известного однокаскадного драйверного устройства с выходным накопительным конденсатором;
фиг.3 - схематичные блок-схемы двух вариантов осуществления первой конфигурации драйверного устройства согласно настоящему изобретению;
фиг.4 - схематичные блок-схемы двух вариантов осуществления второй конфигурации драйверного устройства согласно настоящему изобретению;
фиг.5 - схематичные блок-схемы двух вариантов осуществления третьей конфигурации драйверного устройства согласно настоящему изобретению;
фиг.6 - временные диаграммы напряжений и токов во время одного периода колебания низкой частоты в варианте осуществления первой конфигурации предложенного драйверного устройства;
фиг.7 - временные диаграммы различных токов во время одного периода колебания высокой частоты в варианте осуществления первой конфигурации предложенного драйверного устройства;
фиг.8 - временные диаграммы напряжений и токов во время одного периода колебания низкой частоты в варианте осуществления второй конфигурации предложенного драйверного устройства;
фиг.9 - временные диаграммы различных токов во время одного периода колебания высокой частоты в варианте осуществления второй конфигурации предложенного драйверного устройства;
фиг.10 - временные диаграммы напряжений и токов во время одного периода колебания низкой частоты в варианте осуществления третьей конфигурации предложенного драйверного устройства;
фиг.11 - временные диаграммы различных токов во время одного периода колебания высокой частоты в варианте осуществления третьей конфигурации предложенного драйверного устройства;
фиг.12 - первый вариант осуществления блока управления предложенного драйверного устройства;
фиг.13 - сигнал переключения первого переключающего элемента полумостового блока; и
фиг.14 - второй вариант осуществления блока управления предложенного драйверного устройства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вариант осуществления известного двухкаскадного драйверного устройства 10 схематично показан на фиг.1. Упомянутое драйверное устройство 10 содержит блок 12 выпрямителя, блок 14 предварительного преобразования первого каскада, соединенный с выходом блока 12 выпрямителя, блок 16 преобразования второго каскада, соединенный с выходом блока 14 предварительного преобразования первого каскада, и зарядный конденсатор 18, соединенный с узлом 15 между упомянутым блоком 14 предварительного преобразования первого каскада и упомянутым блоком 16 преобразования второго каскада. Блок 12 выпрямителя предпочтительно содержит блок выпрямителя, такой как известный двухполупериодный выпрямительный мост или однополупериодный мостовой выпрямитель, для выпрямления входного напряжения V20 переменного тока, подаваемого, например, из внешнего сетевого источника 20 напряжения, в выпрямленное напряжение V12. В этом варианте осуществления нагрузка 22 представляет собой блок LED, содержащий два LED 23, соединенные с выходом блока 16 преобразования второго каскада, чей выходной сигнал, в частности его напряжение V 16 возбуждения и его ток I16 возбуждения, используется для приведения в действие нагрузки 22.
Блок 14 предварительного преобразования первого каскада предварительно преобразует выпрямленное напряжение V12 в промежуточное напряжение V14 постоянного тока, и блок 16 преобразования второго каскада преобразует упомянутое выпрямленное напряжение V12 в промежуточное напряжение V14 постоянного тока, и блок 16 преобразования второго каскада преобразует упомянутое промежуточное напряжение V14 постоянного тока в желательное напряжение V16 возбуждения постоянного тока. Зарядный конденсатор 18 предусмотрен для хранения заряда, то есть заряжается от промежуточного напряжения V постоянного тока, таким образом фильтруя низкочастотный сигнал выпрямленного напряжение V12 для обеспечения, по существу, постоянной выходной мощности блока 16 преобразования второго каскада, в частности постоянного тока I возбуждения, через нагрузку 22. Эти элементы 14, 16, 18, как правило, известны и широко используются в таких драйверных устройствах 10 и, таким образом, не будут более подробно описываться в данном документе.
Как правило, драйверное устройство 10 соответствует вышеупомянутым требованиям высокого коэффициента мощности и низкого мерцания за счет требования большего пространства и стоимости, которые могут быть значительно ограничены, в частности, в приложениях, связанных с модернизацией. Размер блока 14 предварительного преобразования первого каскада можно, главным образом, определить с помощью связанных с ним пассивных компонентов, в особенности, если он содержит импульсный источник питания (SMPS), например повышающий преобразователь, работающий на низкой или средней частоте переключения. Любая попытка увеличить частоту переключения с тем, чтобы уменьшить размер этих фильтрующих компонентов, может привести к быстрому увеличению потерь энергии в интенсивно переключаемом SMPS и, следовательно, к необходимости использования более крупных радиаторов.
Варианты осуществления известных однокаскадных драйверных устройств 30а, 30b схематично показаны на фиг.2а и фиг.2b. Упомянутое драйверное устройство 30 содержит блок 32 выпрямителя (который может быть идентичен блоку 12 выпрямителя драйверного устройства 10 второго каскада, показанного на фиг.1) и блок 34 преобразования (например, обратноходовый преобразователь для варианта осуществления, показанный на фиг.2b, или понижающий преобразователь для варианта осуществления, показанный на фиг.2а), соединенный с выходом блока 32 выпрямителя. Кроме того, в варианте осуществления, показанном на фиг.2а, выполнен зарядный конденсатор 36а (представляющий собой низкочастотный входной накопительный конденсатор) соединен с узлом 33 между упомянутым блоком 32 выпрямителя и упомянутым блоком 32 преобразования. В варианте осуществления, показанном на фиг.2b, зарядный конденсатор 36b (представляющий собой низкочастотный выходной накопительный конденсатор) соединен с узлом 35 между упомянутым блоком 34 преобразования и нагрузкой 22. Блок выпрямителя выпрямляет входное напряжение V20 переменного тока, поданное, например, из внешнего сетевого источника 20 напряжения (которое также называется источником питания) в выпрямленное напряжение V32. Выпрямленное напряжение V32 преобразуется в желательное напряжение V34 возбуждения постоянного тока для приведения в действие нагрузки 22.
Накопительные емкости 18 (фиг.1) и 36а, 36b (фиг.2а, 2b) предназначены, главным образом, для фильтрации низкочастотной составляющей выпрямленного напряжения V12 для того, чтобы обеспечить подачу постоянного тока в нагрузку. Поэтому такие конденсаторы являются большими, особенно при размещении параллельно нагрузке и когда такой нагрузкой является LED.
Драйверные устройства, которые показаны на фиг.1 и 2, описаны, например, в работе Robert Erickson and Michael Madigan, "Design of a simple high-power-factor rectifier based on the flyback converter", IEEE Proceedings of the Applied Power Electronics Conferences and Expositions, 1990, pp. 792-801.
Обычно большая часть этих однокаскадных драйверных устройств 30а, b, при наличии меньшего количества компонентов аппаратных средств по сравнению с двухкаскадными драйверными устройствами, как показано на фиг.1 в качестве примера, не позволяет одновременно с этим обеспечить высокий коэффициент мощности и видимое мерцание низкого уровня из-за ограничений по размеру зарядного конденсатора, который должен отфильтровывать низкочастотную составляющую входного напряжения переменного тока. В добавление к этому, однокаскадные драйверные устройства могут серьезно негативно повлиять на размер, срок службы и работу нагрузки (например, лампы) при максимальных температурах из-за применения больших накопительных конденсаторов, используемых для подавления видимого мерцания.
На фиг.3-5 изображено несколько вариантов осуществления трех различных базовых конфигураций драйверного устройства согласно настоящему изобретению. Каждая конфигурация (варианты осуществления конфигурации 1, показанные на фиг.3, варианты осуществления конфигурации 2, показанные на фиг.4, варианты осуществления, показанные на фиг.5) представлена двумя различными варианта осуществления предложенного драйверного устройства, включая понижающий преобразователь, выполненный как одно целое с повышающе-понижающим преобразователем. Варианты осуществления каждой конфигурации используются для подключения выпрямленного напряжения питания либо к первому (верхнему переключающему элементу), либо ко второму (нижнему переключающему элементу). Конфигурации отличаются по работе с точки зрения диапазона входных и выходных напряжений, которые они поддерживают, а также с точки зрения их воздействующего фактора, касающегося пикового напряжения и среднеквадратических значений токов.
Все три конфигурации показывают самостабилизирующий характер, который позволяет обеспечить контроль выходного тока на постоянном уровне при заданных пульсациях напряжения параллельно (низкочастотному) блоку накопления энергии (например, накопительному конденсатору). Повышающая индуктивность (то есть первая индуктивность Lm блока повышающе-понижающего входного фильтра) предназначена для режима прерывистой проводимости, для чего дополнительный диод (Dm) предпочтительно соединен последовательно с упомянутой повышающей индуктивностью. Кроме того, переключение при ZVS возможно как для переключающих элементов, так и для переходов последовательной цепочки переключающих элементов (то есть переключающих элементов 60, 61, образующих полумостовой блок), которое определяется понижающей индуктивностью (то есть второй индуктивностью Lo или Lc блока повышающе-понижающего входного фильтра). Более того, все конфигурации подходят для высоковольтных нагрузок, например высоковольтных цепочек LED. Варианты осуществления 1-го типа (то есть вариант осуществления, показанный на фиг.3а, 4а, 5а) и 2-го типа (то есть вариант осуществления, показанный на фиг.3b, 4b, 5b) в рамках каждой конфигурации являются, таким образом, в большой степени эквивалентными, поэтому главным образом, варианты осуществления 1-го типа будут в основном описаны ниже.
Временные диаграммы, показанные на фиг.6-11, относятся к трем конфигурациям, показанным на фиг.3, 4 и 5. Они иллюстрируют как формы установившихся низкочастотных колебаний (фиг.6, 8, 10), так и формы колебаний при высокочастотном переключении (фиг.7, 9, 11) первого, третьего и пятого вариантов осуществления, показанных на фиг.3а, 4а, 5а. Во всех случаях LED-нагрузка, включающая в себя последовательное соединение блоков LED, выбрана для питания с мощностью 10 Вт, что означает, что выходной ток должен быть постоянным. Выпрямленный входной сигнал постоянного тока относится к европейской электрической сети. Кроме того, возможен также и другой тип нагрузок и источников питания. Во всех вариантах осуществления, иллюстрированных в данном документе, полученный в результате коэффициент мощности (или PF) выше или равен 90%, тогда как общее гармоническое искажение (или THD) ниже чем 50%.
Следует отметить, что рабочий цикл относится к первому (верхнему) переключающему элементу 60, например рабочий цикл 100% означает, что первый (верхний) переключающий элемент 60 всегда включен (закрыт), тогда как второй (нижний) переключатель (ключ) 61 всегда выключен (открыт).
Первый вариант осуществления драйверного устройства 50а согласно настоящему изобретению схематично показан на фиг.3а. Он содержит входные выводы 51, 52 питания для приема выпрямленного напряжения питания vr из внешнего источника 20 питания (например, сетевого источника напряжения, обеспечивающего сетевое напряжение vm), которое предпочтительно выпрямляется с помощью выпрямителя 62. Драйверное устройство 50а дополнительно содержит выходные выводы 53, 54 питания для обеспечения напряжения vo возбуждения и/или тока io возбуждения для приведения в действие нагрузки 22.
Полумостовой блок 70 (который также называется переключающим блоком или полумостом), содержащий первый 60 и второй 61 переключающий элемент, соединен последовательно между высоковольтным узлом 57 и низковольтным узлом 58 и образует узел 59 переключения между упомянутым первым и вторым переключающими элементами 60, 61. Блок 71 повышающе-понижающего входного фильтра, содержащий первую индуктивность Lm и последовательный диод Dm, соединенный последовательно с первой индуктивностью Lm, соединен между входным выводом питания, в данном случае входным выводом 52 малой мощности и упомянутым полумостовым блоком 70. Блок 72 понижающего выходного фильтра, содержащий вторую индуктивность Lo, соединен между упомянутым полумостовым блоком 70 и выходным выводом питания, в данном случае, выходным выводом 54 малой мощности.
В этом варианте осуществления выходные выводы 55b, 55с блока 71 повышающе-понижающего входного фильтра соединены с промежуточным узлом 59 и блоком 73 накопления энергии (который представляет собой предпочтительно один накопительный конденсатор Cs), который, в свою, очередь соединен с низковольтным узлом 58 полумостового блока 70. Входные выводы 56а, 56b блока 72 понижающего выходного фильтра соединены с промежуточным узлом 59 и низковольтным узлом 58 полумостового блока 70. Выходные выводы 56с, 56d блока 72 понижающего выходного фильтра соединены с выходными выводами 53, 54 питания. Входной вывод 51 большой мощности соединен с высоковольтным узлом 57 полусмостового блока 70. Входной вывод 52 малой мощности, а также входной вывод 55а и выходной вывод 55с блока 71 повышающе-понижающего входного фильтра соединены опорным потенциалом предпочтительно земляным потенциалом.
Блок 64 управления (например, контроллер, процессор или компьютер, которые спроектированы или запрограммированы соответствующим образом) предназначен для управления упомянутыми переключающими элементами 60, 61.
В этом варианте осуществления для высокочастотной развязки дополнительно предусмотрены (вспомогательный) входной развязывающий конденсатор Cm, соединенный между входными выводами 51, 52 питания, и (вспомогательный) выходной вспомогательный конденсатор Со, соединенный между выходными выводами 53, 54 питания. Предпочтительно выходной развязывающий конденсатор Cm используется в случае, если выпрямленный ток питания должен становиться отрицательным, как это имеет место в некоторых вариантах осуществления (как, например, показано на фиг.7).
Второй вариант осуществления драйверного устройства 50b согласно настоящему изобретению схематично показан на фиг.3b. По сравнению с первым вариантом осуществления драйверного устройства 50а блок 70 накопления энергии связан между входным выводом 51 большой мощности и высоковольтным узлом 57 упомянутого полумостового блока 70. Кроме того, в этом варианте осуществления входной вывод 52 большой мощности связан с низковольтным узлом 58 полумостового блока 70 и входной вывод 51 большой мощности соединен с блоком 71 повышающе-понижающего входного фильтра. Кроме этого, входной вывод 55а упомянутого блока 71 повышающе-понижающего входного фильтра соединен с блоком 73 накопления энергии и выходные выводы 55b, 55с упомянутого блока 71 повышающе-понижающего входного фильтра соединены с промежуточным узлом 59 полумостового блока 70 и входным выводом 51 большой мощности. В этом варианте осуществления входной вывод 51 большой мощности, а также 55а и выходной вывод 55с блока 71 повышающе-понижающего входного фильтра соединены с опорным потенциалом, предпочтительно земляным потенциалом.
Согласно первому и второму вариантам осуществления драйверного устройства 50а, 50b низкочастотный накопительный конденсатор Cs соединен на выходе повышающе-понижающего преобразователя, образованного, по существу, с помощью первой индуктивностью Lm, диода Dm и двух переключающих элементов 60, 61, то есть между электродом истока нижнего переключателя 61 и землей. Нагрузка 22 соединена на выходе понижающего преобразователя, образованного, по существу, с помощью второй индуктивности Lo и двух переключающих элементов 60, 61, то есть параллельно конденсатору Co и последовательно индуктивности Lo, которая работает в двунаправленном режиме, таким образом обеспечивая полную работу ZVS в обоих переключателях.
На фиг.6 и 7 показаны временные диаграммы сигналов первого варианта осуществления драйверного устройства 50а, как показано на фиг.3а, во время одного периода колебания сетевого напряжения. Для примера формы сигналов, установившихся колебаний, показанных на фиг.6, и формы высокочастотных колебаний с углом сдвига фазы π/2 относительно периода колебания сетевого напряжения, показанного на фиг.7, применяются следующие значения: vm = 220 Вэфф, 50 Гц, частота переключения 1 МГц, Lm=Lο=300 мкГн, Po=10 Вт, vo=150 В, Cs=1 мкФ, PF=90%, THD=47%, максимальное рабочее напряжение на концах переключателей = 632В. Термин "av" относится к средней составляющей в течение периода переключения, d показывает рабочий цикл.
Работа ZVS показана в виде форм сигналов высокочастотного переключения, изображенных на фиг.7 для случая угла сдвига фаз π/2, соответствующего периода колебания сетевого напряжения. Конденсаторы Cm и Co фильтруют эти высокочастотные сигналы переключения для ограничения их на входе и выходе, соответственно. Максимальное рабочее напряжение на концах переключателей равно сумме выпрямленного напряжения vr питания и напряжения vc на накопительном конденсаторе.
Как показано на фиг.6, эта конфигурация характеризуется применением низкочастотных накопительных конденсаторов, рассчитанных на напряжение, которое, по меньшей мере, выше, чем выпрямленное максимальное напряжение питания. Такие конденсаторы могут иметь до 1 мкФ (то есть 100 нФ/Вт) и по-прежнему гарантировать постоянную выходную мощность и высокий коэффициент мощности. В силу преобразования с понижением напряжения, напряжение на нагрузке может быть существенно ниже, чем максимальное напряжение питания (например, 150 В в случае европейского электропитания от сети). Выпрямленный входной ток никогда не падает до нуля из-за того, что непрерывный ток протекает от входного источника напряжения vm непосредственно в нагрузку 22.
Третий вариант осуществления драйверного устройства 50с согласно настоящему изобретению схематично показан на фиг.4а. Этот вариант осуществления, по существу, идентичен варианту осуществления драйверного устройства 50а, но в данном случае в этом варианте осуществления положение нагрузки 22 (вместе с выходным развязывающим конденсатором Со) заменено на положение блока 73 накопления энергии. В частности, блок 73 накопления энергии соединен с выходными выводами 56с, 56d блока 72 понижающего выходного фильтра. Выходной вывод 53 большой мощности соединен с выходным выводом 55с блока 71 повышающе-понижающего входного фильтра и выходной вывод 54 малой мощности соединен с низковольтным узлом 58 полумостового блока 70 (в котором вторая индуктивность обозначена Lc вместо Lo в данном случае для того, чтобы показать, что вторая индуктивность Lc соединена последовательно с Cs в данном случае, хотя Lo соединена с Co в первом и втором вариантах осуществления).
Четвертый вариант осуществления драйверного устройства 50d согласно настоящему изобретению схематично показан на фиг.4b. Этот вариант осуществления, по существу, идентичен варианту осуществления драйверного устройства 50b, но также в этом варианте осуществления положение нагрузки 22 (вместе с выходным развязывающим конденсатором Co) заменено на положение блока 73 накопления энергии. Блок накопления энергии соединен с выходными выводами 56c, 56d блока 72 понижающего выходного фильтра. Выходной вывод 53 большой мощности соединен с выходным выводом 55с блока 71 повышающе-понижающего входного фильтра, и выходной вывод 54 малой мощности соединен с низковольтным узлом 58 полумостового блока 70.
Таким образом, согласно третьему и четвертому вариантам осуществления нагрузка 22 соединена на выходе повышающе-понижающего преобразователя (то есть параллельно Со и между электродом истока и нижним переключающим элементом 61 и землей). Низкочастотный накопительный конденсатор Cs соединен на выходе понижающего преобразователя (то есть последовательно индуктивности Lc), который работает в двунаправленном режиме, таким образом обеспечивая полную работу ZVS в обоих переключателях.
На фиг.8 и 9 показаны временные диаграммы сигналов третьего варианта осуществления для варианта осуществления драйверного устройства 50с, как показано на фиг.4а, во время одного периода колебания сетевого напряжения. Для примера форм устойчивых колебаний, показанных на фиг.8, и высокочастотных колебаний с углом сдвига фаз π/2 относительно периода колебания сетевого напряжения, показанного на фиг.9, применяются следующие значения: vm=220 Вэфф, 50 Гц, частота переключения 1 МГц, Lm=200 мкГн, Lc=400 мкГн, Po=10 Вт, vo=400 В, Cs=2 мкФ, PF=91%, THD=44%, максимальное рабочее напряжение на концах переключателей = 711В. Термин "av" относится к средней составляющей во время цикла переключения, d показывает рабочий цикл.
Работа ZVS показана в виде форм колебаний при высокочастотном переключении (фиг.9) для случая угла разности фаз π/2, соответствующего периоду колебания сетевого напряжения. Конденсаторы Cm и Co фильтруют эти высокочастотные сигналы переключения для устранения их на входе и выходе соответственно. Максимальное рабочее напряжение на концах переключателей равно сумме выпрямленного напряжения питания и напряжения нагрузки.
Как показано на фиг.8, конфигурация характеризуется использованием низкочастотных накопительных конденсаторов, рассчитанных на напряжения, значительно ниже, чем максимальное выпрямленное напряжение питания. Такой конденсатор может иметь очень низкую емкость, вплоть до 2 мкФ (то есть 200 нФ/Вт) и по-прежнему гарантировать постоянную выходную мощность и высокий коэффициент мощности. С другой стороны, напряжение на нагрузке должно быть выше, чем пиковое напряжение питания (например, 400 В в случае европейской электрической сети). Выпрямленный входной ток никогда не падает до нуля благодаря непрерывному току, протекающему со входа напряжения питания vm непосредственно в низкочастотный накопительный конденсатор Cs.
Пятый вариант осуществления драйверного устройства 50е согласно настоящему изобретению схематично показан на фиг.5а. Этот вариант осуществления, по существу, идентичен варианту осуществления драйверного устройства 50с, но в данном случае в этом варианте осуществления блок 72 понижающего выходного фильтра соединен с первым переключающим элементом 60, то есть входные выводы 56а, 56b блока 72 понижающего выходного фильтра соединены с высоковольтным узлом 57 и промежуточным узлом 59 полумостового блока 70. Второй инвертор Lc выполнен в этом варианте осуществления и соединен между вторым входным выводом 56b и вторым выходным выводом 56d блока 72 понижающего выходного фильтра. Следует также отметить, что мостовой выпрямитель 62' является двунаправленным в отличие от предыдущих вариантов осуществления, где мостовой выпрямитель 62 является, в общем однонаправленным.
Шестой вариант осуществления драйверного устройства 50f согласно настоящему изобретению схематично показан на фиг.5е. Этот вариант осуществления, по существу, идентичен варианту осуществления драйверного устройства 50d, но в этом варианте осуществления блок 72 понижающего выходного фильтра соединен со вторым переключающим элементом 61, то есть входные выводы 56а, 56b блока 72 понижающего выходного фильтра соединены с промежуточным узлом 59 и низковольтным узлом 58 полумостового блока 70. Также в этом варианте осуществления мостовой выпрямитель 62' является двунаправленным, как и в пятом варианте осуществления.
Таким образом, согласно пятому и шестому вариантам осуществления нагрузка соединена на выходе повышающе-понижающего преобразователя (то есть параллельно Co и между электродом истока нижнего переключающего элемента 61 и землей). Низкочастотный накопительный конденсатор Cs соединен на выходе понижающего преобразователя (то есть последовательно индуктивности Lc), который работает в двунаправленном режиме, таким образом обеспечивая полную работу ZVS в обоих переключателях.
На фиг.10 и 11 показаны временные диаграммы сигналов третьего варианта осуществления для варианта осуществления драйверного устройства 50е, как показано на фиг.5а, во время одного периода колебания сетевого напряжения. Для примера устойчивых форм колебаний, показанных на фиг.10, и форм высокочастотных колебаний с углом сдвига фаз π/2 относительно периода колебания сетевого напряжения, показанного на фиг.11, используются следующие значения: vm=220 Вэфф, 50 Гц, частота переключения 1 МГц, vm=220 Вэфф, 50 Гц, частота переключения 1 МГц, Lm=Lc=700 мкГн, Po=10 Вт, vo=450 В, Cs=2 мкФ, PF=90%, THD=47%, максимальное рабочее напряжение на концах переключателей = 711В. Термин "av" относится к средней составляющей в течение цикла переключения, d обозначает рабочий цикл.
Работа ZVS показана на формах сигналов высокочастотного переключения (фиг.11) для случая угла сдвига фаз π/2, соответствующего периоду колебания сетевого напряжения. Конденсаторы Cm и Co фильтруют эти высокочастотные сигналы переключения. Максимальное рабочее напряжение на концах переключателей равно сумме как выпрямленного напряжения питания, так и напряжения на нагрузке.
Как показано на фиг.10, эта конфигурация характеризуется использованием низкочастотных накопительных конденсаторов, рассчитанных на напряжения выше, чем выпрямленное пиковое напряжение. Такой конденсатор может иметь низкую емкость вплоть до 2 мкФ (то есть 200 нФ/Вт) и по-прежнему гарантировать постоянную выходную мощность и высокий коэффициент мощности. Напряжение на нагрузке должно быть выше, чем пиковое напряжение питания (например, 450 В в случае европейской электрической сети). Выпрямленный входной ток падает до нуля и становится отрицательным, что, таким образом, подразумевает использование двунаправленных выпрямительных мостов (см. фиг.5а, 5b) в случае выпрямления электрической сети.
Далее будет объяснен способ и устройство управления согласно настоящему изобретению. На фиг.12 показан другой вариант осуществления драйверного устройства 50g, включая первый вариант осуществления блока 64' управления (другие части драйверного устройства схематично показаны с помощью одного блока 50'). Ток iLED измеряется и сравнивается с (предварительно установленным или переменным) опорным током iLED_ ref по сравнению с элементом 64а. Ошибка err_i управления обрабатывается в блоке 64b контроллера (показан с помощью PI), в результате чего получается рабочий цикл d в качестве переменной обработки. Вместе с предварительно установленной частотой fs переключения затвора формируются в блоке 64с драйвера (затвора) сигналы возбуждения, представляющие собой сигналы S60, S61 управления для обоих переключающих элементов 60, 61.
На фиг.13 показана временная диаграмма для (затвора) переключающего элемента 60.
Рабочий цикл в основном связан с ошибкой управления, которая, как правило, возникает в понижающем преобразователе. Что касается вариантов осуществления драйверного устройства 50g, то положительная ошибка управления err_i (с маленьким током) приводит к увеличению d и наоборот.
Самостабилизирующийся характер достигается путем размещения блока повышающего входного фильтра по отношению к выводам блока понижающего выходного фильтра. Например, если в среднем со входа отбирается больше мощности, чем потребляется с выхода, напряжение силовой цепи будет увеличиваться, что в ответ заставит блок управления уменьшить d, что, в свою очередь, уменьшит входную мощность. Тем же самым образом могут работать другие варианты осуществления, где значение рабочего цикла переключается, то есть d должен заменяться на 1-d для вариантов осуществления драйверного устройства 50b, 50d, 50f по сравнению с вариантом осуществления драйверного устройства 50a, 50c, 50e. Другими рабочими характеристиками, такими как напряжением силовой цепи и сетевым током (PF), как правило, явным образом не управляют. Они возникают из-за выбора проектирования, режимов работы и допусков.
В другом варианте осуществления максимальным напряжением силовой цепи также управляют явным образом посредством управления, в частности путем манипуляции также частоты переключения. Хотя по-прежнему при манипуляции d с целью управления выходным током fs увеличивается в ответ на увеличение напряжения силовой цепи (в результате, например, высокого сетевого напряжения или высокого выходного напряжения). Альтернативно можно также отдельно управлять T_on и T_off, что, однако, приведет к аналогичной картине переключения.
Во избежание слишком высоких напряжений силовой цепи (то есть во избежание чрезмерного повышения напряжения) в случае, когда опорный сигнал iLED_ref является переменным и уменьшается гораздо ниже своего расчетного максимального значения (max. value), в другом варианте осуществления управление вводит режим генерирования пакета импульсов, то есть периодическое выключение преобразователя с частотой генерирования пакета импульсов ниже fs (например, 10-1000 раз). Кроме того или альтернативно, для частотной модуляции можно использовать fs для формирования входного тока для того, чтобы повысить PF или лучше соответствовать некоторым видам настенных штепсельных регуляторов освещения.
На фиг.14 показан еще один вариант осуществления драйверного устройства 50h, включая первый вариант осуществления блока 64” управления. По сравнению с вариантом осуществления, показанном на фиг.12, блок 64” управления дополнительно содержит второй блок 64d контроллера (показанный PI), имеющий своим результатом частоту fs и fs_brst переключения в качестве переменной управления, подаваемой в блок 64с возбудителя (затвора). Второй блок 64d контроллера принимает в качестве входного сигнала опорный ток iLED_ref, напряжение силовой цепи vc, входной ток ir, входное напряжение vm и максимальное напряжение на шине vc_max.
Согласно настоящему изобретению предложено драйверное устройство, согласно которому повышающе-понижающий преобразователь выполнен как одно целое с синхронным понижающим преобразователем. Два конца подсоединены к нагрузке, например к высоковольтной нагрузке LED (HV LED), и к блоку накопления энергии, например маленькому низкочастотному конденсатору, который обеспечивает как постоянный ток LED, так и коэффициенты мощности, равные 0,9 или выше. Уровень напряжения отдельного конденсатора позволяет минимизировать накопленную энергию. Ток повышающе-понижающего преобразователя обеспечивает переключение инвертора без потерь, что подразумевает высокую эффективность даже при миниатюрных индуктивностях.
Существует, по меньшей мере, три преимущественных конфигурации синхронного понижающего преобразователя, выполненного как одно целое с повышающе-понижающим преобразователем, который позволяет работать с различными диапазонами нагрузок и входных напряжений, включая универсальную электрическую сеть. Каждым из них можно управлять в сверхшироких диапазонах нагрузок посредством манипулирования только рабочим циклом, или частотой переключения или пакетом импульсов.
Варианты осуществления 50a, 50b драйверного устройства, главным образом, подходят для напряжений на нагрузке (цепочке LED) выше, чем пиковое напряжение питания, например для питания от электрической сети 120 В и напряжением на цепочках LED 250 В. Варианты осуществления 50c, 50d, главным образом, подходят для напряжений на нагрузке (на цепочке LED) гораздо ниже, чем пиковое напряжение питания, например, для электрической сети 120 В или 230 В и напряжений на цепочке LED 10-150 В. Эти варианты осуществления демонстрируют токи с низкими среднеквадратическими значениями (rms) в фильтре и инверторе. Варианты осуществления 50e, 50f, главным образом, подходят для приложений, таких как варианты осуществления 50c, 50d. Эти варианты осуществления демонстрируют пониженное максимальное рабочее напряжение на конденсаторе силовой цепи при незначительно повышенных среднеквадратических значениях токов фильтров и инверторов.
В некоторых вариантах осуществления выполнены один полумостовой ZVS-преобразователь и две индуктивности (то есть повышающе-понижающий и понижающий преобразователь). Узел переключения предпочтительно подсоединен к цепи выпрямленного сетевого напряжения через повышающе-понижающую индуктивность и диод, который усиливают режим прерывистой проводимости в повышающе-понижающем инверторе. Узел переключения дополнительно соединен с понижающей индуктивностью.
Выход понижающего преобразователя может представлять собой низкочастотную накопительную емкость или нагрузку (например, высоковольтную цепочку LED) в зависимости от конфигурации. Входной источник питания, например сетевой выпрямитель, можно соединить на входе или выходе повышающе-понижающего преобразователя в зависимости от выбранного формата. Током LED управляют либо только постоянно (например, в время рабочего цикла), либо управляют током LED и напряжением силовой цепи в двух контурах с манипуляцией также частоты. Предпочтительно выполнены два высокочастотных развязывающих конденсатора для входа и/или выхода преобразователя.
Настоящее изобретение применяется в драйверах потребителей и "просьюмеров" (потребителей профессионального уровня) в качестве драйверов LED свыше 2 Вт, например либо встроенных в осветительный прибор, либо внешних для высоковольтных LED. Другие приложения представляют собой несетевые изолированные профессиональные драйверы со сниженными требованиями к THD (например, 20%) и нагрузки из высоковольтных LED цепочек.
Хотя изобретение было подробно иллюстрировано со ссылкой на чертежи и изложено в предыдущем описании, такая иллюстрация и описание должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничительными, при этом изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления. Другие вариации описанных вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при осуществлении на практике заявленного изобретения, из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.
Использование в формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, и форма единственного числа не исключает формы множественного числа. Один элемент или иной блок может выполнять функции нескольких пунктов, изложенных в формуле изобретения. Простой факт того, что определенные меры упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, что комбинация этих мер не может быть использована с выгодой.
Любую ссылочную позицию в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающую объем формулы изобретения.