ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПИТАНИЯ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ
POWER CONVERTER TO EXCITE SOLID-STATE LIGHTING LOAD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение в целом относится к преобразованию питания для твердотельной осветительной нагрузки. Более подробно различные изобретательские способы и устройство, раскрытые здесь, касаются преобразователя питания, имеющего полумостовой инвертор, который функционирует как интегрированный выпрямитель электросети, повышающий инвертор и инвертор выходного каскада, и обеспечивают коррекцию коэффициента мощности относительно твердотельной осветительной нагрузки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цифровые технологии освещения, т.е. освещение на основе полупроводниковых источников света, таких как светоизлучающие диоды (LEDs), предлагают обоснованную альтернативу традиционным флуоресцентным лампам, газоразрядным лампам высокой интенсивности и лампам накаливания. Функциональные достоинства и преимущества светодиодов включают в себя высокое энергетическое преобразование и оптическую эффективность, долговечность, более низкие эксплуатационные расходы и многое другое. Недавние усовершенствования в светодиодной технологии обеспечили эффективные и надежные источники освещения полного спектра, которые позволяют множество эффектов освещения во многих применениях. Некоторые приспособления, воплощающие эти источники, обладают модулем освещения, включая в себя один или более светодиодов, которые в состоянии произвести различные цвета, например красный, зеленый и синий, а также процессор для того, чтобы независимо управлять выходом светодиодов, чтобы генерировать множество цветов и изменяющие цвет эффекты освещения, например, как обсуждено подробно в патентах США № 6,016,038 и 6,211,626.
Как правило, светодиодный модуль освещения или светодиодная нагрузка, которая включает в себя множество светодиодных источников света, таких как гирлянда светодиодов, подключенных последовательно, возбуждаются преобразователем питания, который принимает напряжение и ток от источника питания-электросети. Существует множество преобразователей питания, которые имеют интегрированную коррекцию коэффициента мощности («PFC»), особенно по отношению к пускорегулирующей аппаратуре флуоресцентного освещения. Обычно, преобразователи питания могут быть разделены на две группы. Первая группа включает в себя преобразователи питания, которые подают обратно часть инвертированного питания к выпрямленному источнику питания-электросети, чтобы сформировать входной ток электросети. Это выполняется на основе тока обратной связи и/или напряжения. Вторая группа включает в себя преобразователи питания, имеющие относительно простую интеграцию, в которых усилитель или понижающий инвертор объединен с инвертором выходного каскада. Выходной каскад может быть резонансного типа или понижающим преобразователем.
Относительно преобразователей питания во второй группе скважность выпрямленного входного напряжения модулируется только, чтобы управлять выходным током. Такие преобразователи питания обеспечивают перекрытие только узких диапазонов нагрузок. Кроме того, мягкое переключение инвертирующего усилителя может произойти только в части рабочего диапазона или не произойти совсем.
Таким образом, в данной области техники существует потребность в преобразователе питания, имеющем полумостовой инвертор, функционирующий как интегрированный выпрямитель электросети, повышающий инвертор и инвертор выходного каскада и обеспечивающий коррекцию коэффициента мощности относительно твердотельной осветительной нагрузки, и способе его работы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существующее раскрытие относится к изобретательским устройствам и способам для того, чтобы обеспечить преобразование питания для твердотельной осветительной нагрузки, такой как светодиодные модули освещения. Более подробно различные изобретательские способы и устройство, раскрытые здесь, касаются преобразователя питания, имеющего полумостовой инвертор, который функционирует как интегрированный выпрямитель электросети, усилительный инвертор и инвертор выходного каскада и обеспечивает коррекцию коэффициента мощности относительно твердотельной осветительной нагрузки.
Обычно, в одном аспекте, устройство преобразования питания обеспечено для преобразования питания от источника питания-электросети, чтобы питать твердотельную осветительную нагрузку. Устройство включает в себя преобразователь и схему управления. Преобразователь включает в себя полумостовой инвертор, который функционирует как повышающий инвертор и инвертор выходного каскада, причем полумостовой инвертор включает в себя многопозиционные переключатели. Схема управления сконфигурирована, чтобы управлять входным током электросети и выходным током устройства независимо, обеспечивая сигнал переключения для переключателей в полумостовом инверторе, причем сигнал переключения имеет скважность, частоту и скважность пропуска цикла.
В другом аспекте, преобразователь питания обеспечен преобразователем питания от источника питания-электросети, чтобы питать светодиодный модуль освещения, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, чтобы принимать выходной ток от преобразователя питания. Преобразователь питания включает в себя полумостовой инвертор, резонансный преобразователь и схему управления. Полумостовой инвертор включает в себя многопозиционные переключатели. Резонансный преобразователь подключен между полумостовым инвертором и первичной стороной трансформатора. Схема управления сконфигурирована для вывода сигнала управления полумостом для того, чтобы выборочно активировать переключатели в полумостовом инверторе для генерирования ввода импульсного сигнала напряжения в резонансный преобразователь, где сигнал управления полумостом является сигналом прямоугольной формы, имеющим скважность и скважность пропуска цикла.
В другом аспекте, преобразователь питания обеспечен для преобразования питания от источника питания-электросети, чтобы питать светодиодный модуль освещения. Устройство включает в себя полумостовой инвертор и схему управления. Полумостовой инвертор включает в себя многопозиционные переключатели и сконфигурирован, чтобы функционировать как интегрированный выпрямитель электросети и выходной каскад, где выходной каскад включает в себя резонансный конденсатор и трансформатор. Схема управления сконфигурирована, чтобы управлять входным током электросети и выходным током устройства независимо, обеспечивая сигнал переключения для переключателей в полумостовом инверторе, сигнал переключения, имеющий скважность, частоту и скважность пропуска цикла, соответствующую режиму пропуска цикла. Скважность пропуска цикла основана на сравнении множества разностных сигналов с соответствующими пороговыми сигналами, где первый разностный сигнал представляет собой разность между выходным током устройства и опорным выходным током, и второй разностный сигнал представляет собой разность между резонансным напряжением на конденсаторе и опорным напряжением на конденсаторе.
Термин «светодиод», как использующийся здесь в целях настоящего раскрытия, должен быть понят как включающий в себя любой электролюминесцентный диод или другой тип системы на основе инжекции/перехода носителей заряда, которая способна к генерации излучения в ответ на электрический сигнал. Таким образом, термин светодиод включает в себя, но не ограничен этим, различные основанные на полупроводниках структуры, которые излучают свет в ответ на ток, полимеры светового излучения, органические светоизлучающие диоды (OLEDs), электролюминесцентные полосы, и т.п. В частности термин светодиод относится к светодиодам всех типов (включая в себя полупроводниковые и органические светодиоды), которые могут быть сконфигурированы, чтобы генерировать излучение в одном или более из инфракрасного спектра, ультрафиолетового спектра и различных частей видимого участка спектра (обычно включая длины волны излучения приблизительно от 400 нанометров приблизительно до 700 нанометров). Некоторые примеры светодиодов включают в себя, но не ограничены этим, различные типы светодиодов инфракрасного излучения, светодиодов ультрафиолетового излучения, светодиодов красного свечения, светодиодов синего свечения, светодиодов зеленого свечения, светодиодов желтого свечения, светодиодов янтарного свечения, светодиодов оранжевого свечения и светодиодов белого свечения (обсуждаемых дополнительно ниже). Также должно быть оценено по достоинству, что светодиоды можно сконфигурировать и/или управлять ими, чтобы генерировать излучение, имеющее различные полосы пропускания (например, полные ширины на половине максимума или FWHM) для данного спектра (например, узкую полосу пропускания, широкую полосу пропускания), и множество доминирующих длин волны в данной общей цветовой классификации.
Например, одна реализация светодиода, сконфигурированного, чтобы генерировать по существу белый свет (например, светодиод белого свечения), может включать в себя, некоторое количество кристаллов, которые соответственно испускают различные спектры электролюминесценции, которые, в комбинации, смешиваются, чтобы сформировать по существу белый свет. В другой реализации светодиод белого света может быть связан с люминесцентным материалом, который преобразует электролюминесценцию, имеющую первый спектр, в другой второй спектр. В одном примере этой реализации электролюминесценция, имеющая относительно короткую длину волны и узкий спектр полосы пропускания, «накачивает» люминесцентный материал, который поочередно излучает излучение более длинной длины волны, имеющее несколько более широкий спектр.
Нужно также понимать, что термин светодиод не ограничивает физический и/или электрический тип модуля светодиода. Например, как обсуждалось выше, светодиод может относиться к одиночному светоизлучающему устройству, имеющему множество кристаллов, которые сконфигурированы, чтобы соответственно испускать различные спектры излучения (например, который может или может не быть индивидуально управляемым). Кроме того, светодиод может быть связан с люминофором, который рассматривают как неотъемлемую часть светодиода (например, некоторые типы светодиодов белого свечения). В целом термин светодиод может относиться к светодиодам в корпусе, светодиодам без корпуса, светодиодам для поверхностного монтажа, светодиодам для монтажа методом перевернутого кристалла, светодиодам в Т-корпусе, светодиодам в корпусе с радиальными выводами, светодиодам в рассеивающем большую мощность корпусе, светодиодам, включающим в себя некоторый тип корпусного и/или оптического элемента (например, рассеивающую линзу), и т.д.
Термин «источник света» должен пониматься относящимся к одному или более из множества источников излучения, включая в себя, но не ограниваясь этим, светодиодные источники (включая в себя один или более светодиодов, как определено выше), лампы накаливания (например, лампы накаливания, галогенные лампы), флуоресцентные источники, фосфоресцирующие источники, разрядные источники высокой интенсивности (например, натриевые, ртутные и металлогалоидные лампы), лазеры, другие типы электролюминесцентных источников, пиролюминесцентные источники (например, горелка), свечелюминесцентные источники (например, газокалильная сетка, угольные дуговые источники излучения), фотолюминесцентные источники (например, газоразрядные источники), катодно-люминесцентные источники, использующие электронное насыщение, гальванолюминесцентные источники, кристаллолюминесцентные источники, кинелюминесцентные источники, термолюминесцентные источники, триболюминесцентные источники, сололюминесцентные источники, радиолюминесцентные источники и люминесцентные полимеры.
Данный источник света может быть сконфигурирован, чтобы генерировать электромагнитное излучение в видимом участке спектра, вне видимого участка спектра или комбинации обоих. Следовательно, термины «свет» и «излучение» здесь взаимозаменяемы. Дополнительно, источник света может включать в себя в качестве интегрального компонента один или более фильтров (например, цветовые фильтры), линзы или другие оптические компоненты. Кроме того, нужно понимать, что источники света могут быть сконфигурированы для множества применений, включающих в себя, но не ограниченных этим, индикацию, отображение и/или освещение.
Термин «светильник» использован здесь по отношению к реализации или расположению одного или более модулей освещения в конкретном форм-факторе, сборке или корпусе. Термин «модуль освещения» использован здесь по отношению к устройству, включающему в себя один или более источников света одинаковых или различных типов. Данный модуль освещения может иметь любую из разнообразия монтажных компоновок для источника(ов) света, компоновок корпуса/оболочки и форм, и/или конфигураций электрического и механического подключения. Дополнительно, данный модуль освещения может быть необязательно связан с (например, включать в себя, быть подключенным к и/или заключенным в один корпус) с различными другими компонентами (например, схемой управления), касающимися работы источника(ов) света. «Светодиодный модуль освещения» относится к модулю освещения, который включает в себя один или более светодиодных источников света, как обсуждалось выше, один или в сочетании с другими не светодиодными источниками света. «Многоканальный» модуль освещения относится к светодиодному или не светодиодному модулю освещения, который включает в себя по меньшей мере два источника света, сконфигурированные, чтобы соответственно генерировать различные спектры излучения, в котором каждый различный исходный спектр может упоминаться как «канал» многоканального модуля освещения.
Термин «контроллер» использован здесь в основном, чтобы описать различные устройства, относящиеся к работе одного или более источников света. Контроллер может быть реализован многочисленными способами (например, таким как со специализированным аппаратным обеспечением), чтобы выполнить различные функции, обсуждаемые здесь. «Процессор» является одним примером контроллера, который использует один или более микропроцессоров, которые могут быть запрограммированы, используя программное обеспечение (например, микрокод), чтобы выполнить различные функции, обсуждаемые здесь. Контроллер может быть реализован используя или не используя процессор, и также может быть реализован как комбинация специализированного аппаратного обеспечения, чтобы выполнить некоторые функции, и процессора (например, один или более запрограммированных микропроцессоров и связанных схем), чтобы выполнить другие функции. Примеры компонентов контроллера, которые могут использоваться в различных вариантах осуществления настоящего раскрытия, включают в себя, но не ограничены этим, стандартные микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (ASICs) и программируемые логические интегральные схемы (FPGAs).
В различных реализациях процессор или контроллер могут быть связаны с одним или более накопителями данных (обобщено именуемые как «память», например, энергозависимая и энергонезависимая память компьютера, такая как ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, и ЭСППЗУ, гибкие диски, компакт-диски, оптические диски, магнитная лента, и т.д.). В некоторых реализациях накопители данных могут быть закодированы одной или более программами, которые, когда выполняются на одном или более процессорах и/или контроллерах, выполняют, по меньшей мере, некоторые функции, обсуждаемые здесь. Различные накопители данных могут быть вмонтированы в процессор или контроллер или могут быть переносными, так, что одна или более программ, хранящихся на них, могут быть загружены в процессор или контроллер, чтобы реализовать различные аспекты настоящего изобретения, обсуждаемого здесь. Термины «программа» или «компьютерная программа» использованы здесь в универсальном смысле, относящиеся к любому типу машинного кода (например, программному обеспечению или микрокоду), который может использоваться, чтобы программировать один или более процессоров или контроллеров.
Термин «сеть», используемый здесь, относится к любому соединению двух или больше устройств (включая контроллеры или процессоры), которое упрощает перенос информации (например, для управления устройством, хранения данных, обмена данными, и т.д.) между любыми двумя или более устройствами и/или среди множества устройств, соединенных с сетью. Как должно быть по достоинству оценено, различные реализации сетей, подходящих для того, чтобы соединить множество устройств, могут включать в себя любую из множества топологий сети и использовать любой из множества протоколов связи. Дополнительно, в различных сетях в соответствии с настоящим раскрытием, любое соединение между двумя устройствами может представлять собой выделенное соединение между этими двумя системами, или альтернативно невыделенное соединение. В дополнение к переносу информации, предназначенной для этих двух устройств, такое невыделенное соединение может перенести информацию, необязательно предназначенную для любого из этих двух устройств (например, открытое сетевое соединение). Кроме того, должно быть по достоинству оценено, что различные сетевые устройства, как обсуждается здесь, могут использовать один или более беспроводных, проводных/кабельных и/или волоконно-оптических линий связи, чтобы способствовать переносу информации по всей сети.
Должно быть оценено по достоинству, что все комбинации предшествующих понятий и дополнительных понятий, обсуждаемых более подробно ниже (если такие понятия не взаимно противоречивы), рассмотрены как являющиеся частью изобретательского объекта патентования, раскрытого здесь. В частности, все комбинации заявленного объекта патентования, появляющегося в конце этого раскрытия, рассматриваются как часть изобретательского объекта патентования, раскрытого здесь. Должно быть также принято во внимание, что терминология, использованная здесь явно, которая также может появиться в любом раскрытии, включенном посредством ссылки, должна соответствовать значению, наиболее согласующемуся с конкретными концепциями, раскрытыми здесь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В чертежах одинаковые ссылочные позиции обычно относятся к одним тем же частям на разных видах. Кроме того, чертежи необязательно выполнены в масштабе, вместо этого в основном акцент сделан на иллюстрировании принципов изобретения.
На фиг. 1 изображена блок-схема преобразователя питания, включающая в себя полумостовой инвертор и схему управления в соответствии с представительным вариантом осуществления.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема силовой цепи в преобразователе питания, включающая в себя полумостовой инвертор в соответствии с представительным вариантом осуществления.
На фиг. 3 изображена блок-схема схемы управления преобразователя питания в соответствии с представительным вариантом осуществления.
На фиг. 4 изображена принципиальная схема силовой цепи в преобразователе питания, включающая в себя полумостовой инвертор в соответствии с другим представительным вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В целом, заявители распознали и поняли, что было бы целесообразно обеспечить преобразователь питания для обеспечения питания твердотельной осветительной нагрузки, такой как модуль светодиодного освещения, который включает в себя полумостовой инвертор, который функционирует как интегрированный сетевой выпрямитель, повышающий инвертор и инвертор выходного каскада, и обеспечивает коррекцию коэффициента мощности в отношении твердотельной осветительной нагрузки.
На основании вышеизложенного различные варианты осуществления и реализации данного изобретения относятся к преобразователю питания, который включает в себя полумостовой инвертор, который функционирует как интегрированный (безмостовой) сетевой выпрямитель, повышающий инвертор и инвертор выходного каскада. Кроме того, полумостовым инвертором управляет схема управления, которая управляет и входным током электросети, и выходным током (например, к осветительной нагрузке, такой как модуль светодиодного освещения или светодиодная нагрузка) независимо, управляя сигналом переключения к полумостовому инвертору. Поэтому полумостовой инвертор в состоянии обеспечить коррекцию коэффициента мощности.
Схема управления включает в себя схему отслеживания переменной состояния, которая непосредственно генерирует сигнал переключения, используя два пороговых сигнала. Первый пороговый сигнал основывается на разности между выходным током преобразователя питания и опорным выходным током, а второй пороговый сигнал основывается на разности между напряжением на конденсаторе, измеренным на конденсаторе в резонансном преобразователе преобразователя питания, и опорным напряжением на конденсаторе. Опорное напряжение на конденсаторе определяется из измеренного входного напряжения электросети, измеренного напряжения на шине, и опорного сигнала скважности, полученного из разности между измеренным входным током электросети и опорным входным током электросети.
В частности, во внутреннем контуре управления схемы управления, выходной сигнал токовой погрешности, показывающий разность между выходным током преобразователя питания и опорным выходным током, управляет пороговой разностью (дифференциальное значение). Во внешнем контуре управления схемы управления входной сигнал токовой погрешности, показывающий разность между входным током электросети преобразователя питания и опорным входным током, управляет средней пороговой величиной (значение общего режима). Т.е. входной сигнал токовой погрешности используется, чтобы обеспечить опорное напряжение на конденсаторе для сравнения с измеренным средним напряжением на конденсаторе. Второй пороговый сигнал (т.е. средняя пороговая величина) определяется или относительно напряжения земли, или напряжения на шине, согласно знаку входного напряжения электросети соответствующего полупериода электросети, разрешая безмостовую работу. Например, второй пороговый сигнал может быть отнесен к земле при положительном входном напряжении электросети и к напряжению на шине при отрицательном входном напряжении электросети.
Внешний контур управления схемы управления также выполнен с возможностью переключения на режим пропуска цикла, чтобы сохранить напряжение на шине в заданных пределах, например, чтобы избежать «сверхповышения» для максимального диапазона выходных напряжений и токов. Например, режим пропуска цикла может быть вызван, чтобы компенсировать световые нагрузки (например, глубокое потускнение осветительной нагрузки), где потускнением может управлять внешний сигнал регулирования яркости освещения (например, 0-10 В). Т.е. внешний контур управления схемы управления вызывает периодические прерывания, сохраняя сигнал переключения в постоянном высоком или низком состоянии. Режим пропуска периодический, и таким образом имеет скважность пропуска цикла, которая эффективно наложена на скважность сигнала переключения. Схема управления может также поддерживать работу и совместимость с настенными регуляторами освещенности.
Соответственно, преобразователь питания в состоянии выполнить функции выпрямителя электросети, повышающего преобразователя, обеспечивающего коррекцию коэффициента мощности, и выходного каскада, т.е. преобразователя, который преобразует напряжение на шине в выходное напряжение светодиодной нагрузки. Выходной каскад может включать в себя последовательно-параллельный резонансный преобразователь, который может быть LCC преобразователем или LLC преобразователем с многоярусными выходами, например. Работа при коэффициенте мощности равном единице может быть достигнута для диапазона выходных напряжений и токов. Преобразователь питания преодолевает проблемы резонансных преобразователей с интегрированной коррекцией коэффициента мощности относительно ограничений работы при коэффициенте мощности равном единице с точки зрения диапазона входного и выходного напряжения, а также диапазона выходного тока, управляемости и устойчивости. Это, по сути, поддерживает отключение при нулевом напряжении и таким образом позволяет миниатюризацию через преобразование питания высокой частоты.
На фиг. 1 изображена блок-схема преобразователя питания, включающего в себя полумостовой инвертор и схему управления в соответствии с представительным вариантом осуществления.
Что касается фиг. 1, система 100 освещения включает в себя источник питания-электросеть 101, преобразователь 110 питания и твердотельный светильник 180. Источник питания-электросеть 101 может обеспечить различные невыпрямленные напряжения на входе линии переменного тока, такие как 100 В переменного тока, 120 В переменного тока, 230 В переменного тока и 277 В переменного тока в соответствии с различными реализациями. Твердотельная осветительная нагрузка 180 может быть основана, например, на модуле светодиодного освещения, включающем в себя гирлянду светодиодных источников 181, 182 света, соединенных последовательно.
Преобразователь 110 питания является интегрированным полумостовым преобразователем в соответствии с основным вариантом осуществления, включающим в себя силовую цепь 130 и связанную с ней схему 150 управления. Схема 150 управления выполнена с возможностью приема напряжения vm электросети от источника питания-электросети 101, а также различных напряжений и токовых сигналов M, измеренных в силовой цепи 130. Схема 150 управления генерирует сигнал S_HB управления полумостом для управления силовой цепью 130 на основе напряжения vm электросети и измеренных сигналов M. В различных вариантах осуществления силовая цепь 130 включает в себя полумостовой инвертор, который принимает сигнал S_HB управления полумостом, резонансный преобразователь и трансформатор, например. Силовая цепь 130, таким образом, обеспечивает выходную мощность твердотельной осветительной нагрузке 180, реагирующую на сигнал S_HB управления полумостом. На Фиг. 2 и 4 изображены иллюстративные конфигурации силовых цепей (например, силовая цепь 130), и на фиг. 3 изображена блок-схема иллюстративной конфигурации схемы управления (например, схема 150 управления) в соответствии с представительными вариантами осуществления.
Что касается фиг. 2, силовая цепь 230 преобразователя питания включает в себя схему 210 питания, полумостовой инвертор 220, резонансный преобразователь 240, трансформатор 250 и выходную схему 260 для обеспечения питания твердотельной осветительной нагрузке 280, изображенной представительным светодиодным источником 281 света. Полумостовой инвертор 220 подключен между схемой 210 питания и резонансным преобразователем 240. Полумостовой инвертор 220 включает в себя первый и второй переключатели 221 и 222, которые могут быть полевыми транзисторами, например, такими как полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-ТРАНЗИСТОРЫ), которые включают в себя функциональность первого и второго переключательных диодов 223 и 224 соответственно. Конечно, другие типы устройств переключения могут быть включены в настоящую заявку, не отступая от объема настоящей идеи. Первым переключателем 221 управляет сигнал S_HB управления полумостом, и вторым переключателем 222 управляет другой сигнал управления полумостом, который является фактически инверсией (дополнением) сигнала S_HB управления полумостом. Сигнал S_HB управления полумостом сгенерирован контроллером (не показан на фиг. 2), таким как схема 350 управления, рассматриваемая ниже в отношении фиг. 3
Схема 210 питания включает в себя повышающую индукционную катушку 211, подключенную последовательно между источником питания-электросетью 201 и узлом N1 между первыми и вторыми переключателями 221 и 222 полумостового инвертора 220. Схема 210 питания также включает в себя повышающие выпрямители 215 и 216, которые подключены параллельно с конденсатором 217 шины. Источник питания-электросеть 201 подключен между повышающей индукционной катушкой 211 и узлом N2, расположенной между повышающими выпрямителями 215 и 216. Источник питания-электросеть 201 обеспечивает напряжение vm электросети и входной ток im электросети через повышающую индукционную катушку 211. Источник питания-электросеть 201 может также включать в себя компоненты фильтра электросети (не показаны). Конденсатор 217 шины подключен в параллель с повышающими выпрямителями 215 и 216, и напряжение vb на шине является напряжением на конденсаторе 217 шины.
Посредством работы первого и второго переключателей 221 и 222 в ответ на сигнал S_HB управления полумостом, полумостовой инвертор 220 обеспечивает ввод выпрямленного импульсного сигнала vx напряжения в резонансный преобразователь 240 в узле N1 на основе напряжения vb на шине. Например, импульсный сигнал vx напряжения может быть сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), имеющим скважность и частоту следования импульсов, устанавливаемую работой первого и второго переключателей 221 и 222. Полумостовой инвертор 220, таким образом, функционирует как интегрированный выпрямитель электросети, усилитель или обратный повышающий инвертор и инвертор выходного каскада, в котором выходной каскад фактически включает в себя резонансный преобразователь 240, трансформатор 250 и выходную схему 260. Полумостовой инвертор 220 также разрешает коррекцию коэффициента мощности посредством действия первого и второго переключателей 221 и 222 в ответ на сигнал S_HB управления полумостом.
Резонансный преобразователь 240 подключен между узлом N1 полумостового инвертора 220 и первичной обмоткой трансформатора 250. В изображенном варианте осуществления резонансный преобразователь 240 является L(L)CC преобразователем, включающим в себя первый конденсатор 241, второй конденсатор 242 и индукционную катушку 243. Первый конденсатор 241 и индукционная катушка 243 подключены последовательно между узлом N1 и первичной обмоткой трансформатора 250. Второй конденсатор 242 подключен в параллель с первичной обмоткой трансформатора 250. Первый конденсатор 241 обеспечивает напряжение vC на конденсаторе, возникающее вследствие импульсного сигнала vx напряжения. Резонансный преобразователь 240 фактически преобразует выходной импульсного сигнал vx напряжения полумостовым инвертором 220 в синусоидальный сигнал напряжения, обеспеченный для трансформатора 250.
На вторичной обмотке трансформатора 250 выходная схема 260 включает в себя выпрямительные диоды 261 и 262 и дополнительно индукционные катушки 263 и 264. Выпрямительный диод 261 и индукционная катушка 263 подключены последовательно между узлом N3 (на вторичной обмотке трансформатора 240) и узлом N4. Выпрямительный диод 262 подключен между вторичной обмоткой и узлом N4. Индукционная катушка 264 и твердотельная осветительная нагрузка 280 подключены последовательно между узлом N4 и узлом N3. Твердотельная осветительная нагрузка 280 таким образом принимает выходной ток io из силовой цепи 230 через индукционную катушку 264.
На фиг. 3 изображена блок-схема схемы управления преобразователем питания, такая как схема 150 управления, показанная на фиг. 1, в соответствии с представительным вариантом осуществления.
Что касается фиг. 3, схема 350 управления генерирует сигнал S_HB управления полумостом для управления силовой цепью 330, такой как иллюстративная силовая цепь 230, показанная на фиг. 2, на основе входного напряжения vm электросети, принятого от источника питания-электросети 301 и сигналов обратной связи от силовой цепи 330. В частности, схема 350 управления принимает напряжение vb на шине, ток im электросети, напряжение vC на конденсаторе и выходной ток io от силовой цепи 330, которые соответствуют напряжению vb на шине, току im электросети, напряжению vC на конденсаторе и выходному току io, изображенному в силовой цепи 230 на фиг. 2, например, и поэтому описание этих сигналов обратной связи не будет повторено.
В изображенном варианте осуществления схема 350 управления включает в себя схему 320 генератора сигналов, также называемую схемой отслеживания переменной состояния, которая генерирует сигнал S_HB управления полумостом. Схема 320 генератора сигналов включает в себя сумматор 321, вычитающее устройство 322, первый и второй компараторы 323, 324, первый и второй одновибраторы 325, 326, пропуск цикла отпирает логический элемент 327 ИЛИ, сбрасывает логический элемент 328 ИЛИ и триггер 329.
Схема 320 генератора сигналов имеет три входа. Первый вход принимает первый пороговый сигнал через внутренний контур управления, показанный как интегрированный дифференциальный сигнал ΔvCsw ошибки. В частности, вычитающее устройство 341 вычитает выходной ток io, измеренный в силовой цепи 330, из заданного опорного выходного тока ioref и обеспечивает выходной сигнал Δio токовой погрешности. Опорный выходной ток ioref определяется сигналом регулирования яркости освещения, например. Выходной сигнал Δio токовой погрешности обрабатывается, например, посредством пропорционального интегратора 343, который выполнен с возможностью управлять сигналом Δio погрешности, чтобы стал нулем для обеспечения интегрированного дифференциального сигнала ΔvCsw погрешности.
Второй вход схемы 320 генератора сигналов принимает второй пороговый сигнал через внешний контур управления, показанный как интегрированный сигнал vCOsw погрешности, который основывается на разнице между средним напряжением vCO на конденсаторе и опорным напряжением vCOref на конденсаторе. Среднее напряжение vCO на конденсаторе получено фильтрацией напряжения vC на конденсаторе, измеренного в силовой цепи 330, используя фильтр низких частот 346, например. Опорное напряжение vCOref на конденсаторе определяется вторым умножителем 372 на основании, частично, разницы между входным током im электросети и опорным входным током imref электросети, который обеспечивает входной сигнал Δim токовой погрешности, как обсуждается ниже. Вычитающее устройство 342 вычитает среднее напряжение vCO на конденсаторе из опорного напряжения vCOref на конденсаторе и обеспечивает сигнал ΔvCO погрешности напряжения на конденсаторе. Сигнал ΔvCO погрешности напряжения на конденсаторе обрабатывается, например, посредством пропорционального интегратора 344, чтобы обеспечить интегрированный сигнал vCOsw погрешности. Третий вход схемы 320 генератора сигналов принимает напряжение vC на конденсаторе, измеренное в силовой цепи 330.
Сумматор 321 схемы 320 генератора сигналов складывает интегрированный дифференциальный сигнал ΔvCsw погрешности и интегрированный сигнал vCOsw погрешности, и вычитающее устройство 322 схемы 320 генератора сигналов вычитает интегрированный дифференциальный сигнал ΔvCsw погрешности из интегрированного сигнала vCOsw погрешности, чтобы обнаружить прохождение через нуль напряжения vm электросети. Таким образом, сумматор 321 и вычитающее устройство 322 обеспечивают квазистатические пороги vCoff и vCon соответственно. Первый компаратор 323 сравнивает напряжение vC на конденсаторе (положительный ввод) с vCoff (отрицательный ввод) и выводит результат offO сравнения в первый одновибратор 325, и второй компаратор 324 сравнивает напряжение vC на конденсаторе (отрицательный ввод) и vCon (положительный ввод) и выводит результат сравнения onO во второй одновибратор 326. Первый и второй одновибраторы 325 и 326 инициируются результатами offD и onO сравнения соответственно, таким образом, уменьшая шум во время обнаружения прохождения через нуль.
Логический элемент 327 ИЛИ принимает вывод offl первого одновибратора 325, и сигнал En отпирания пропуска цикла блока Toff 375 таймера, как обсуждается ниже, и обеспечивает вывод off2 во вход R сброса триггера 329 RS. Например, логический элемент 327 ИЛИ выводит единицу и триггер 329 RS сбрасывается, когда по меньшей мере один из выводов offl первого одновибратора 325 или сигнал En отпирания пропуска цикла блока Toff 375 таймера имеет высокий уровень. Тем временем логический элемент 328 ИЛИ принимает вывод onl второго одновибратора 326, и сигнал Rst Перезапуска одновибратора 376, как обсуждается ниже, и обеспечивает вывод on2 на вход S установки триггера 329 RS. Например, логический элемент 328 ИЛИ выводит единицу и триггер 329 RS устанавливается (или сбрасывается), когда по меньшей мере один из выводов onl второго одновибратора 326 или сигнал Перезапуска одновибратора 376 имеет высокий уровень.
Вывод триггера 329 RS является волной в виде меандра, период или скважность которого переменная, как определено выводами on2 и off2, сигналом En отпирания пропуска цикла, и сигналом Rst Перезапуска. Вывод триггера 329 RS обеспечен для логического элемента 379 исключающее ИЛИ вместе с сигналом, представляющим знак напряжения vm электросети, который является логическим элементом, сконфигурированным, чтобы выполнить операцию исключающее ИЛИ для обеспечения сигнала S_HB управления полумостом для управления силовой цепью 330. Логический элемент 379 исключающее ИЛИ таким образом обеспечивает переключение скважности, так, что выход триггера 329 RS инвертируется в положительное напряжение vm электросети для сигнала S_HB управления полумостом. Таким образом, прохождение через нуль напряжения vC на конденсаторе с порогами vCon и Coff устанавливает и сбрасывает триггер 329 RS через первый и второй одновибраторы 325, 326, логический элемент 327 ИЛИ и логический элемент 328 ИЛИ, приводя к генерации сигнала S_HB управления полумостом.
Как указано выше, схема 350 управления выполняет режим пропуска цикла, в котором она управляет переключением полумоста силовой цепи 330, чтобы быть периодически прерванной, пропуская один или более периодов переключения скважности. Режим пропуска цикла заставляет сигнал S_HB управления полумостом оставаться или в низком состоянии, или в высоком состоянии по сигналу En отпирания и сигналу Rst Перезапуска, в зависимости от знака половины цикла напряжения vm электросети. Сигнал En отпирания и сигнал Rst Перезапуска генерируются в ответ на внутренний опорный сигнал drefx скважности во внешнем контуре управления, определение которого основывается на напряжении vm электросети, токе im электросети и напряжении vb на шине.
В частности, напряжение vm электросети и напряжение vb на шине (или сигнал напряжения на шине, полученный из напряжения vb на шине, также обозначенный vb) обеспечиваются для первого умножителя 371. Например, первый умножитель 371 может принять напряжение vm электросети и сигнал погрешности, полученный из напряжения vb на шине и заданной уставки напряжения vbO на шине (не показана). В ответ первый умножитель 371 определяет динамический опорный сигнал тока imref электросети. Вычитающее устройство 373 вычитает ток im электросети из опорного сигнала тока imref электросети, выведенного первым умножителем 371, чтобы обеспечить входной сигнал Δim токовой погрешности. Входной сигнал токовой погрешности обрабатывается, например, посредством пропорционального интегратора 374, чтобы обеспечить внутренний опорный сигнал drefx скважности, рассмотренный выше.
Для управления силовой цепью 330 на или близком к единице коэффициенте мощности ток im электросети должен быть пропорционален напряжению vm электросети. Таким образом, опорный токовый сигнал imref электросети не постоянный, а скорее соответствует напряжению vm электросети, и является обратной связью, управляемой с помощью внутреннего опорного сигнала drefx скважности, как изменяемой переменной. Конечно, альтернативные средства для определения опорного токового сигнала imref электросети и оценки тока im электросети при коэффициенте мощности равном единице (или близким к единице) могут быть включены в настоящую заявку, не выходя за пределы объема настоящей идеи.
Кроме того, напряжение vm электросети и напряжение vb на шине (или сигнал напряжения на шине, полученный из напряжения vb на шине, также обозначается vb) также обеспечиваются второму умножителю 372, наряду с опорным сигналом drefO скважности обратной связи. В ответ второй умножитель 372 определяет опорное напряжение vCOref на конденсаторе, которое обеспечивается для вычитающего устройства 342. Как обсуждалось выше, вычитающее устройство 342 вычитает среднее напряжение vCO на конденсаторе из опорного напряжения vCOref на конденсаторе для обеспечения интегрированного сигнала vCOsw погрешности для второго входа схемы 320 генератора сигналов через пропорциональный интегратор 344.
Опорный сигнал drefO скважности обратной связи создается ограничительной схемой 377 на основе внутреннего опорного сигнала drefx скважности на выходе пропорционального интегратора 374. Ограничительная схема 377 выводит сигнал drefO скважности как равный внутреннему опорному сигналу drefx скважности, когда внутренний опорный сигнал drefx скважности находится в заданных пределах. Однако когда внутренний опорный сигнал drefx скважности превышает или далек от предела, сигнал drefO скважности зафиксируется на этом пределе. Соответственно, второй умножитель 372 определяет опорное напряжение vCOref на конденсаторе следующим образом:
vCOref=vb*dref0 (при отрицательных значениях напряжения vm электросети); и
vCOref=vb*(l-dref0) (при положительных значениях напряжения vm электросети).
Тем временем блок Toff 375 таймера принимает внутренний опорный сигнал drefx скважности, выведенный пропорциональным интегратором 374, и флаг x, выведенный схемой ограничителя 377, обсуждаемый ниже.
Обычно, в нормальных условиях, опорный сигнал drefO скважности обратной связи равняется внутреннему опорному сигналу drefx скважности. Нормальные условия реализуются, когда выходная мощность твердотельной осветительной нагрузки, например твердотельной осветительной нагрузки 280, находится в заданном диапазоне, включающем в себя предельную нагрузку. В этом диапазоне выходной мощности внутренний опорный сигнал drefx скважности потенциально будет в пределах определенной верхней (или нижней) уставки ограничения. При небольших нагрузках или без нагрузки, такой как во время режима регулирования яркости освещения твердотельной осветительной нагрузки 280, внутренний опорный сигнал drefx скважности зафиксируется схемой ограничителя 377 на значении уставки, чтобы препятствовать превышению верхнего (или нижнего) предела. В этом случае флаг x устанавливается в 1, позволяя блоку Toff 375 таймера сбросить триггер 329 RS схемы 320 генератора сигналов через отпирание сигнала En. Сбрасыванием триггера 329 RS переключение инвертора периодически отключается. Затем внутренний опорный сигнал drefx скважности управляет скважностью прерываний блока Toff 375 таймера, например, используя период выключения в качестве переменного значения с периодом включения в качестве фиксированного значения. Внутренний опорный сигнал drefx скважности формирует результирующую (эффективную) скважность: drefx=dref0*dToff, где dToff представляет собой скважность режима пропуска цикла. Конечно, скважность прерываний от 375 таймера может быть реализована альтернативными средствами, такими как фиксированная частота или фиксированный период выключения, не выходя за пределы объема настоящей идеи.
В изображенном варианте осуществления пропорциональный интегратор 344 принимает инверсию сигнала En отпирания от таймера Toff 375. Таким образом, во время периодов выключения (например, когда сброс триггера 329 RS поддерживается на высоком уровне сигналом En отпирания), пропорциональный интегратор 344, который принимает сигнал ΔvCO разности потенциалов на конденсаторе, отключается, чтобы избежать отклонения интегрированного сигнала vCOsw погрешности. Одновибратор 376 перезапускает переключение инвертора после каждого периода выключения, например, обеспечивая высокий сигнал для триггера 329 RS через перезапуск логического элемента 328.
Соответственно, переключение полумоста периодически прерывается и сигнал S_HB управления полумостом остается или в низком, или в высоком состоянии в соответствии с режимом пропуска, в зависимости от полупериода напряжения vm электросети. Временем прерывания (или временем пропуска цикла) управляют в ответ на внутренний опорный сигнал drefx скважности, например, когда внутренний опорный сигнал drefx скважности превышает верхнюю (или нижнюю) уставку ограничения, например, как результат настроек работы осветительной нагрузки. Как указано выше, режим пропуска периодический, и поэтому имеет режим пропуска скважности, который эффективно наложен на переключающуюся скважность.
В различных альтернативных вариантах осуществления могут использоваться другие реализации управления. Например, в режиме легкой нагрузки, время включения модулятора синхронизатора может управляться особым образом. Кроме того, если нет никакого определенного опорного выходного тока ioref (например, нет DALI, DMX, 0-10В), опорный выходной ток ioref может быть установлен в значение уставки или в соединении с настенными регуляторами освещенности, например, опорный выходной ток ioref может быть определен от более тусклого фазового угла (т.е. уровня потускнения), примененного затемнителем.
Как указано выше, схема 350 управления не ограничена типом силовой цепи 330, для которой она обеспечивает сигнал S_HB управления полумостом, пока напряжение vb на шине, входной ток im электросети, напряжение vC на конденсаторе и выходной ток io силовой цепи 330 могут быть измерены. Например, на фиг. 4 изображена принципиальная схема силовой цепи в преобразователе питания, включающем в себя полумостовой инвертор в соответствии с другим представительным вариантом осуществления.
Что касается фиг. 4, силовая цепь 430 преобразователя питания включает в себя схему 210 питания и полумостовой инвертор 220, которые являются, главным образом, такими же, как обсуждалось выше в отношении фиг. 2, и поэтому описания не будут повторены. Силовая цепь 430 дополнительно включает в себя резонансный преобразователь 440, трансформатор 450 и выходную схему 460 для обеспечения питания твердотельной осветительной нагрузке 480, изображенной представительным светодиодным источником 481 света.
Резонансный преобразователь 440 подключен между узлом N1 полумостового инвертора 220 и первичной обмоткой трансформатора 450. В изображенном варианте осуществления резонансный преобразователь 440 является LLC преобразователем, включающим в себя конденсатор 441 и индукционную катушку 443, которые подключены последовательно между узлом N1 и первичной обмоткой трансформатора 450. Конденсатор 441 обеспечивает напряжение vC на конденсаторе, следующее из импульсного сигнала vx напряжения. Резонансный преобразователь 440 эффективно преобразует выходной импульсный сигнал vx напряжения полумостовым инвертором 220 в синусоидальный сигнал напряжения, обеспеченный для трансформатора 450.
На вторичной обмотке трансформатора 450 выходная схема 460 включает в себя выпрямительные диоды 461 и 462, индукционную катушку 463, и конденсаторы 467 и 468. Выпрямительный диод 461 подключен между вторичной обмоткой трансформатора 440 и узлом N3. Индукционная катушка 463 и выпрямительный диод 462 подключены последовательно между узлом N3 и узлом N4, который соответствует входу твердотельной осветительной нагрузки 480. Конденсатор 467 подключен между узлом N3 и узлом N5, и конденсатор 468 подключен между узлом N4 и узлом N5. Твердотельная осветительная нагрузка 480 также подключена между узлом N4 и узлом N5 параллельно с конденсатором 468, и таким образом принимает выходной ток io из силовой цепи 430 через выпрямительный диод 462.
В то время как несколько изобретательских вариантов осуществления были описаны и проиллюстрированы здесь, обычные специалисты в данной области техники легко представят себе множество других средств и/или структур для того, чтобы выполнить функцию и/или получить результаты и/или одно или более преимуществ, описанных здесь, и каждое из таких изменений и/или модификаций рассматривается в рамках изобретательских вариантов осуществления, описанных здесь. В целом, специалисты в данной области техники оценят по достоинству, что все параметры, размерности, детали и конфигурации, описанные здесь, предназначаются быть иллюстративными и что фактические параметры, размерности, детали и/или конфигурации будут зависеть от определенной области применения или областей применения, для которых используются изобретательские идеи. Специалисты в данной области техники распознают или будут в состоянии выявить, используя не более чем стандартное экспериментирование, много эквивалентов конкретным изобретательским вариантам осуществления, описанным здесь. Поэтому необходимо понимать, что предшествующие варианты осуществления представлены только в качестве примера и что в рамках прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов изобретательские варианты осуществления могут быть осуществлены иным образом, чем определенно описано и заявлено. Изобретательские варианты осуществления настоящего раскрытия направлены на каждый отдельный признак, систему, пункт, деталь, набор и/или способ, описанный здесь. Кроме того, любая комбинация двух или более таких признаков, систем, пунктов, деталей, наборов и/или способов, если такие признаки, системы, пункты, детали, наборы и/или способы взаимно не противоречивы, включены в изобретательский объем настоящего раскрытия.
Все определения, которые определяются и используются здесь, необходимо понимать как определения словаря, определения в документах, включенных в объем изобретения путем ссылок, и/или обыкновенные значения определенных терминов.
Термины в единственном числе, используемые здесь в описании и формуле изобретения, если четко не обозначено обратное, должны пониматься означающими «по меньшей мере, один».
Также следует понимать, что, если четко не обозначено обратное, в любых способах, заявленных здесь, которые включают в себя несколько этапов или действий, порядок этапов или действий способа необязательно ограничен порядком, в котором этапы или действия способа изложены. Кроме того, ссылочные позиции и другие символы, появляющиеся в формуле изобретения в круглых скобках, представлены просто для удобства и не всегда должны быть истолкованы как ограничение формулы изобретения.