專(zhuān)利名稱(chēng)：電容隔離型多路恒流輸出諧振式直流/直流變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電容隔離的多路輸出直流/直流諧振式變流器，多路輸出之 間實(shí)現(xiàn)電流均衡輸出。特別是指基于諧振電路的諧振電容同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電流均衡以及輸入 輸出的隔離，
背景技術(shù)：
目前，隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED照明是一種綠色環(huán)保的照明解決方案，與傳統(tǒng)照 明方案相比具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是單個(gè)高亮度LED光源的功率常常由于受到封裝、發(fā) 熱等限制，一般功率都維持在1W-3W。在需要高功率、高亮度照明場(chǎng)合，如路燈、廣場(chǎng)照明等， 通常需要將許多LED組合起來(lái)使用。LED的亮度與其流過(guò)的電流直接相關(guān)一般來(lái)說(shuō)，流過(guò) LED的電流越大，其亮度將越大。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)LED的亮度均衡，通常將多個(gè)LED串聯(lián)使用。 然而，當(dāng)串聯(lián)的LED個(gè)數(shù)超過(guò)一定數(shù)量，會(huì)導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)器輸出電壓很高，導(dǎo)致輸出濾波電 容耐壓、電路絕緣設(shè)計(jì)困難。因此，當(dāng)需要大功率照明時(shí)，一般將多串LED進(jìn)行并聯(lián)，而實(shí)現(xiàn) 每串LED之間的電流均衡對(duì)LED的使用壽命以及光亮度的均衡變得十分重要。因此需要一 種能夠提供多路輸出的電源用于驅(qū)動(dòng)多串LED，實(shí)現(xiàn)其電流控制以及每串之間的電流均衡。傳統(tǒng)的線(xiàn)性電流源方法利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，如三極管的飽和工作區(qū)或者金屬氧化物 場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)放大區(qū)實(shí)現(xiàn)電流的均和，但系統(tǒng)損耗大，效率低下，不適合較大功率的 應(yīng)用。圖1所示是一個(gè)常用的LED驅(qū)動(dòng)電源示意圖，交流輸入通過(guò)一個(gè)高功率因素整流輸 出一個(gè)較為穩(wěn)定的直流母線(xiàn)(如380或400V)，通過(guò)一個(gè)帶隔離的DC/DC變流器產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn) 定的直流輸出驅(qū)動(dòng)多串LED，利用線(xiàn)性電流源與每串LED串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電流的均衡。電流源的 結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1的右半部分，其通過(guò)可控開(kāi)關(guān)Ml、電阻R以及運(yùn)算放大器UO實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的后級(jí)開(kāi)關(guān)電源調(diào)整方法，就是通過(guò)每個(gè)輸出一個(gè)單獨(dú)的DC/DC變流器，分 別控制每串LED的輸出電流，實(shí)現(xiàn)電流控制和相互的電流均衡，如圖2所示。圖2中的DC/ DC變流器為由開(kāi)關(guān)管M2、電感L、電容C和二極管D構(gòu)成的典型降壓變換器(BUCK電路)。 從交流輸入到最終輸出，經(jīng)過(guò)PFC以及2級(jí)DC/DC變換，總共3級(jí)變換，需要多個(gè)控制器、開(kāi) 關(guān)等，因此系統(tǒng)變換級(jí)數(shù)過(guò)多，系統(tǒng)成本高等缺點(diǎn)。為降低成本，也有一些基于電感或者電容等無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出電流均衡的方 法，通常都有電流均衡進(jìn)度較差、需要額外的無(wú)源器件、系統(tǒng)循環(huán)能量大等缺點(diǎn)。同時(shí)，由于燈具接地或者考慮人體觸摸可能，基于安全考慮以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求， 通常驅(qū)動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的電氣隔離，以滿(mǎn)足安規(guī)的要求(如UL60950-1以及IEC 相關(guān)安規(guī)要求)，尤其是輸入與電網(wǎng)側(cè)有電氣通路的情況下，包括電網(wǎng)頻率下的漏電流電流 要求以及直流隔離要求。通常，需要變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的電氣隔離，滿(mǎn)足安規(guī)要求。 如圖1以及圖2中，PFC環(huán)節(jié)是非隔離的，與電網(wǎng)側(cè)有直接電氣連接，緊接著PFC的DC/DC變 流器需要實(shí)現(xiàn)隔離。另外，由于輸入輸出電壓的差別，也需要變壓器來(lái)滿(mǎn)足輸入輸出電壓的 匹配，如DC/DC的輸入電壓為400V，輸出20V，通常的變流器拓?fù)湓鲆嬗邢?如0. 5)，因此需 要一個(gè)匝比為10的變壓器得到需要的輸出電壓。但變壓器通常體積較大，不利于小型化、
4薄型化(low profile)等問(wèn)題，高頻化下效率較低等問(wèn)題。因此，如何實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、更小、更薄的多路恒流輸出的電源變流器，依然存 在很多的技術(shù)挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服多路恒流輸出的高成本、效率低、體積大等問(wèn) 題，提出一種基于串聯(lián)諧振變流器的電路，在不增加電路額外器件的基礎(chǔ)上，利用諧振電路 自身的諧振電容實(shí)現(xiàn)多路恒流輸出、安規(guī)隔離(無(wú)變壓器方法實(shí)現(xiàn)安全隔離)以及高精度 電流均衡，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、驅(qū)動(dòng)器的薄型化等，特別適用于多串LED驅(qū)動(dòng)。為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種電容隔離型多路恒流輸出諧振式直流/直流變流器，包括直流輸入；原 邊拓?fù)?，包含多個(gè)開(kāi)關(guān)，與所述直流輸入耦合，具有2個(gè)輸出端，將所述直流輸入在輸出端 口轉(zhuǎn)換成一交流信號(hào)；諧振網(wǎng)絡(luò)，接收所述交流信號(hào)，并將之輸出到副邊整流器；副邊整流 器，具有2個(gè)輸入端，與所述諧振網(wǎng)絡(luò)相耦合；并具有2個(gè)輸出端，以驅(qū)動(dòng)2路負(fù)載；所述諧 振網(wǎng)絡(luò)包括2個(gè)諧振支路，每個(gè)諧振支路均由1個(gè)諧振電容和1個(gè)諧振電感串聯(lián)而成，每個(gè) 諧振支路連接于所述原邊拓?fù)涞囊粋€(gè)輸出端以及副邊整流器的一個(gè)輸入端之間。作為一種改進(jìn)，所述諧振網(wǎng)絡(luò)中還包括1個(gè)共模電感。進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種電容隔離型多路恒流輸出諧振式直流/直流變流 器，包括直流輸入；原邊拓?fù)?，包含多個(gè)開(kāi)關(guān)，與所述直流輸入耦合，具有2個(gè)輸出端，將所 述直流輸入在輸出端口轉(zhuǎn)換成一交流信號(hào)；η個(gè)相互并聯(lián)的諧振網(wǎng)絡(luò)，接收所述交流信號(hào)， 并將之輸出到各自對(duì)應(yīng)的輸出模塊；η個(gè)輸出模塊，各自包括一個(gè)副邊整流器；所述副邊整 流器具有2個(gè)輸入端，與所述η個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)分別相耦合，并具有2個(gè)輸出端以驅(qū)動(dòng)2路負(fù) 載；每個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)均包括2個(gè)諧振支路，每個(gè)諧振支路均由1個(gè)諧振電容和1個(gè)諧振電感串 聯(lián)而成，每個(gè)諧振支路連接于所述原邊拓?fù)涞囊粋€(gè)輸出端以及副邊整流器的一個(gè)輸入端之 間。作為一種改進(jìn)，所述η個(gè)輸出模塊中，相鄰的兩組輸出模塊的相鄰諧振電感之間 兩兩耦合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出之間的電流均衡。更進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種電容隔離型多路恒流輸出諧振式直流/直流變 流器，包括一個(gè)原邊拓?fù)?，包含多個(gè)開(kāi)關(guān)，與一直流輸入耦合，具有2個(gè)輸出端，將所述直 流輸入在輸出端口轉(zhuǎn)換成一交流信號(hào)；至少2個(gè)輸出模塊，每個(gè)輸出模塊各自包括一個(gè)平 衡電容、一個(gè)副邊整流器以及至少一個(gè)共模電感的繞組；所述副邊整流器具有2個(gè)輸入端， 與所述平衡電容及所述共模繞組串聯(lián)后，連接到一諧振網(wǎng)絡(luò)；副邊整流器還具有2個(gè)輸出 端以驅(qū)動(dòng)2路負(fù)載；一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，包括2個(gè)諧振電容以及至少1個(gè)諧振電感，接收所述交 流信號(hào)，并將之輸出到各個(gè)輸出模塊；相鄰的兩組輸出模塊中，所述共模電感的繞組相互耦 合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出之間的電流均衡。作為一種改進(jìn)，所述原邊拓?fù)錇閷?duì)稱(chēng)半橋拓?fù)洹⑷珮蛲負(fù)浠蛘叻菍?duì)稱(chēng)半橋拓?fù)?。作為一種改進(jìn)，所述諧振電容為安規(guī)電容，實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離。作為一種改進(jìn)，所述副邊整流器為雙輸出全橋結(jié)構(gòu)或雙輸出倍壓結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中，所述原邊拓?fù)渲卸鄠€(gè)開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)頻率小于一設(shè)定值時(shí)，開(kāi)關(guān)的占空比
5為50%。在開(kāi)關(guān)頻率高于一設(shè)定值時(shí)，工作于間歇工作模式。本發(fā)明中，所述直流輸入電壓可基于反饋信號(hào)調(diào)節(jié)。本發(fā)明中，所述原邊拓?fù)漭敵鰹橐徽伎毡?0%的交流信號(hào)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明省去了傳統(tǒng)的隔離變壓器，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低成本，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而高效的 多路恒流源輸出，特別適合用于多串LED的驅(qū)動(dòng)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)采用線(xiàn)性電流源方法實(shí)現(xiàn)LED串均流；圖2是現(xiàn)有技術(shù)采用后級(jí)開(kāi)關(guān)電源調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)LED串均流；圖3是傳統(tǒng)半橋型串聯(lián)諧振DC/DC變流器電路圖；圖4是圖3所示傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變流器輸出電壓增益曲線(xiàn)；圖5是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的演變示意圖；圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例電路100的仿真波形圖；圖7是本發(fā)明的另一具體實(shí)施例；圖8是本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例示意框圖；圖9是本發(fā)明帶共模電感的一個(gè)實(shí)施例；圖10是本發(fā)明應(yīng)用于多路輸出的一個(gè)具體實(shí)施例；圖11是本發(fā)明應(yīng)用于多路輸出的另一具體實(shí)施例；圖12是本發(fā)明所示實(shí)施例的一種控制策略；圖13是本發(fā)明所示實(shí)施例的另一種控制策略。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明旨在提出一種低成本、高性能的隔離型多路恒流輸出諧振變流器(也可稱(chēng) 為電源)，特別適合驅(qū)動(dòng)多串LED負(fù)載，在不增加額外器件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)相互之間的電流 均衡，并實(shí)現(xiàn)無(wú)變壓器的電氣隔離，使得變流器以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的描述。通過(guò)對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的描述，可以更 加易于理解本發(fā)明的特征和細(xì)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)電源小型化，高頻化工作是提高其功率密度的一個(gè)重要方法，在高頻工作 下為維持較高的變換效率，軟開(kāi)關(guān)變流器拓?fù)溆绕涫侵C振型變流器拓?fù)溆歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)。以圖3所示一個(gè)傳統(tǒng)的半橋型串聯(lián)諧振DC/DC變流器為例，其原邊拓?fù)?包含多 個(gè)開(kāi)關(guān)，也可稱(chēng)為原邊變換器或者原邊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))是半橋，副邊是全橋整流，原副邊采用變 壓器隔離，實(shí)現(xiàn)一個(gè)直流輸出，其輸入簡(jiǎn)化為一直流(可以是圖1或者圖2所示PFC的直流 輸出)。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，其原邊也可以是全橋結(jié)構(gòu)；副邊整流也可以是倍壓結(jié)構(gòu)或者 全波結(jié)構(gòu)。圖4是其輸出電壓增益曲線(xiàn)(輸出電壓增益與頻率的關(guān)系)。圖5所示為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的具體演化過(guò)程，用于說(shuō)明本發(fā)明基于傳統(tǒng) 的串聯(lián)諧振變流器拓?fù)淙绾卫闷渲C振電容實(shí)現(xiàn)隔離以及實(shí)現(xiàn)2路電流均衡輸出?；诒绢I(lǐng)域的常識(shí)，由于串聯(lián)諧振電路中，諧振電感Lr可以是外部的獨(dú)立電感， 也可以是變壓器的漏感或者兩者的結(jié)合，因此變壓器的漏感可以被充分利用，變壓器可以簡(jiǎn)單等效為理想變壓器(僅有電壓變比的作用)。在輸出電壓不大于輸入電壓的情況下(變 壓器匝比η > 1)，基于圖4所示串聯(lián)諧振電路輸出電壓增益曲線(xiàn)，增加開(kāi)關(guān)頻率，可以降低 其增益，變壓器的電壓變比可以通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣，在不考慮電氣隔離的情 況下，電路可等效為圖5(B)所示電路。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)將諧振電容Cr拆分為2個(gè)(Crl以 及Cr2，電容量是原先Cr的2倍)，同時(shí)，將諧振電感Lr拆分為2個(gè)相等的諧振電感Lrl與 Lr2(其電感量為L(zhǎng)r的一半)，實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，如圖5中(C)所示。在Crl與Cr2串聯(lián)后 的容值與原先的Cr 一致，Lrl與Lr2串聯(lián)后的電感量與原先Lr 一致，因此電路的工作安全 一致。由于電容自身具有直流隔離作用，為實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足安規(guī)要求(電網(wǎng)輸入到輸出的隔離)， 通過(guò)諧振電容Crl以及Cr2容量的選擇，可以滿(mǎn)足安規(guī)的電網(wǎng)頻率下的漏電流要求，因此， 圖5中(C)所示無(wú)變壓器的串聯(lián)諧振電路具備了直流隔離以及輸入電網(wǎng)側(cè)與輸出隔離的功 能，Crl與Cr2不但具有諧振電容原先的功能，同時(shí)也具備輸入輸出側(cè)安規(guī)隔離的功能。圖 5(C)中虛線(xiàn)所示為電路的隔離點(diǎn)，就是以諧振電容為隔離分界線(xiàn)，虛線(xiàn)左邊相當(dāng)于原邊側(cè) (輸入側(cè))，右邊相當(dāng)于副邊側(cè)(輸出側(cè))。在后續(xù)說(shuō)明書(shū)中，均同理，不再重復(fù)敘述。最后，通過(guò)將輸出側(cè)的全橋整流器Drl以及Dr2的連接點(diǎn)斷開(kāi)，形成2個(gè)輸出，同 時(shí)將輸出電容Co拆分為Col以及Co2分別用于2個(gè)輸出的濾波，如圖5(D)中所示(電路 100)，這就是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)無(wú)變壓器隔離以及2路電流均衡輸出。電路100原邊為半橋結(jié)構(gòu)，副邊整流器也是一種全橋結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
如下電 路100的第一諧振電感Lrl的第一端直接耦接至原邊拓?fù)涞妮敵龆?，即第一晶體管Ql和第 二晶體管Q2的串聯(lián)耦接點(diǎn)，其第二端耦接至第一諧振電容Crl的第一端。第一諧振電容Crl 的第二端耦接至全橋結(jié)構(gòu)的第一二極管Drl陽(yáng)極和第四二極管Dr4陰極的耦接點(diǎn)，第一二 極管Drl的陰極作為一路輸出端。第二諧振電感Lr2的第一端接至電源輸入的負(fù)極與下管 Q2的S極的耦接點(diǎn)，其第二端接至第二諧振電容Cr2的第一端。第二諧振電容Cr2的第二 端耦接至第二二極管Dr2陽(yáng)極和第三二極管Dr3陰極的耦接點(diǎn)，第二二極管Dr2的陰極作 為另一路輸出端。概括而言講，圖5D所示副邊整流器(或者輸出整流器)，為一雙輸出全橋整流結(jié)構(gòu) (以下也簡(jiǎn)稱(chēng)全橋結(jié)構(gòu)或雙輸出全橋結(jié)構(gòu))，包括第一二極管、第二二極管、第三二極管、第 四二極管、第一輸出電容和第二輸出電容；其中所述第一二極管的陰極和所述第四二極管 的陽(yáng)極耦接在一起，作為所述副邊整流器的第一輸入端；所述第二二極管的陰極和所述第 三二極管的陽(yáng)極耦接在一起，作為所述副邊整流器的第二輸入端；所述第一二極管的陰極 作為所述副邊整流器的第一輸出端；所述第二二極管的陰極作為所述副邊整流器的第二輸 出端；所述第一輸出電容耦接在所述副邊整流器的第一輸出端和副邊參考地之間；所述第 二輸出電容耦接在所述副邊整流器的第二輸出端和副邊參考地之間。電路100在原邊開(kāi)關(guān)管Ql開(kāi)通的半周期，電流經(jīng)由諧振網(wǎng)絡(luò)的第一諧振電感Lrl 和第一諧振電容Crl，第一二極管Drl、第二輸出電容Co2、第二 LED串LED2、第三二極管 Dr3、第二諧振電容Cr2和第二諧振電感Lr2形成電流回路；在原邊開(kāi)關(guān)管Q2開(kāi)通的半周 期，電流經(jīng)由諧振網(wǎng)絡(luò)的第二諧振電感Lr2、第二諧振電容Cr2、第二二極管Dr2、第一輸出 電容Co 1、第一 LED串LED 1、第四二極管Dr4、第一諧振電容Cr 1和第一諧振電感Lr 1形成電 流回路。在上述兩個(gè)過(guò)程中，流過(guò)諧振電容Crl、Cr2的電流方向相反。因此，可以將諧振電 容CRl和Cr2作為實(shí)現(xiàn)電流均衡的平衡電容。根據(jù)電荷平衡規(guī)律，在上述兩開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，諧振電容Crl和Cr2上電荷變化量為零。因此，若原邊開(kāi)關(guān)管Ql和Q2的導(dǎo)通時(shí)間 設(shè)置為相匹配，則電路100可以實(shí)現(xiàn)第一 LED串LEDl和第二 LED串LED2的電流均衡。諧 振電容Crl和Cr2串聯(lián)在諧振網(wǎng)絡(luò)中，如圖5 (D)所示，同時(shí)能夠起到輸入輸出之間的隔離 作用。為滿(mǎn)足安規(guī)隔離的耐壓及絕緣間距的要求，諧振電容Crl和Cr2應(yīng)選擇安規(guī)電容，在 特殊絕緣與耐壓的要求下，諧振電容Crl和Cr2可采用安規(guī)電容，如Yl電容或者Y2電容。電路100的工作波形如圖6所示，圖6㈧顯示在兩路輸出電壓均等情況下的波 形，圖6 (B)顯示兩路輸出電壓不相等的情況下的波形。基于電容電荷平衡的原理，不管2路 輸出電壓是否相等，電路均能夠保證兩路輸出電流均衡，差別在于當(dāng)兩路輸出電壓相等時(shí)， 諧振電容Crl和Cr2上的直流電壓分量之和是輸入電壓的一半，而當(dāng)兩路輸出電壓不相等 時(shí)，諧振電容Crl和Cr2上的直流電壓分量之和是輸入電壓與兩路輸出電壓差值之和的一 半。在圖5D所示的實(shí)施例中，其諧振電感Lr可以在諧振電容的左邊(原邊側(cè))，也可 以將諧振電感在諧振電容的右邊(副邊側(cè))。這不影響電路的工作和本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。圖7所示電路200是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例，其原邊仍采用半橋拓?fù)?，其副邊整?器(輸出整流器)為一雙輸出倍壓整流結(jié)構(gòu)(以下也簡(jiǎn)稱(chēng)倍壓結(jié)構(gòu)或雙輸出倍壓結(jié)構(gòu))，包 括第一二極管、第二二極管、第一輸出電容和第二輸出電容，其中所述第一輸出電容和所述 第二輸出電容串聯(lián)耦接在一起，其串聯(lián)耦接點(diǎn)作為所述副邊整流器的第一輸入端；所述第 一二極管的陽(yáng)極和所述第二二極管的陰極耦接在一起，其共同耦接點(diǎn)作為所述副邊整流器 的第二輸入端；所述第一輸出電容的另一端和所述第一二極管的陰極耦接在一起，其共同 耦接點(diǎn)作為所述副邊整流器的第一輸出端；所述第二輸出電容的另一端和所述第二二極管 的陽(yáng)極耦接在一起，其共同耦接點(diǎn)作為所述副邊整流器的第二輸出端。圖7中，兩個(gè)二極管 Drl以及Dr2串聯(lián)的中點(diǎn)以及兩個(gè)輸出電容(Col以及Co2)相串聯(lián)的中點(diǎn)構(gòu)成副邊整流器 (輸出整流器)的兩個(gè)輸入端。兩個(gè)串聯(lián)的諧振電容CRl，Cr2仍然具有均流以及輸入輸出 側(cè)隔離的作用。同樣，其諧振電感Lr可以在諧振電容的左邊(原邊側(cè))，也可以將諧振電感 在諧振電容的右邊(副邊側(cè))。這不影響電路的工作和本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。具體實(shí)施過(guò)程與電 路100類(lèi)似，不再贅述。圖5 (D)以及圖7所示實(shí)施例中，原邊拓?fù)渚园霕驗(yàn)槔?，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，其 原邊拓?fù)淇梢允侨珮?、?duì)稱(chēng)半橋或者非對(duì)稱(chēng)半橋拓?fù)?，副邊整流器可以是雙輸出全橋結(jié)構(gòu) (或者稱(chēng)為橋式結(jié)構(gòu))或者雙輸出倍壓結(jié)構(gòu)，如圖8所示，是本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)概括示意 圖，包括3個(gè)部分，原邊拓?fù)?包含多個(gè)開(kāi)關(guān)，也可稱(chēng)為原邊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))，具有2個(gè)輸出端A 和B，2個(gè)輸入端口 al和bl接受輸入直流信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將輸入的直流信號(hào)在輸出端 口 A和B上轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤涣餍盘?hào)，其輸出的高頻交流信號(hào)輸入到諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)輸 出端連接到副邊整流器的2個(gè)輸入端(a2以及b2)，形成2路電流均衡輸出，驅(qū)動(dòng)2路負(fù)載。 諧振網(wǎng)絡(luò)是個(gè)4端口網(wǎng)絡(luò)，包括2個(gè)諧振電感以及2個(gè)諧振電容，分別串聯(lián)后形成2條諧振 支路(LC諧振支路)，分別連接在一個(gè)原邊拓?fù)涞妮敵龆伺c一個(gè)副邊整流器的輸入端之間， 即圖中的A與a2、B與b2之間，用于隔離、電流均衡以及能量傳送?？梢詫?duì)圖8所示的不同 的原邊拓?fù)洹⒏边呎髌鬟M(jìn)行不同組合，產(chǎn)生不同的實(shí)施例，此處不再窮舉。在圖4、圖7以及圖8所示的副邊整流結(jié)構(gòu)中整流開(kāi)關(guān)用二極管表示。但本領(lǐng)域 技術(shù)人員可以知道，為提高效率，二極管整流器可以被同步整流器(MOSFET)取代，同步整
8流MOSFET的漏極與源極分別連接于相應(yīng)的整流二極管的陰極與陽(yáng)極。關(guān)于同步整流管的 驅(qū)動(dòng)，相關(guān)內(nèi)容超過(guò)本發(fā)明所針對(duì)的主題。為敘述簡(jiǎn)明，有關(guān)同步整流的控制及其驅(qū)動(dòng)不再 詳述，均以二極管整流為例進(jìn)行敘述。當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于輸入接地或者輸出接地場(chǎng)合，或者輸入輸出側(cè)隔離的漏電流 要求特別嚴(yán)格的情況下，可以在圖8所示的諧振網(wǎng)絡(luò)中串入共模電感，如圖9所示。共模電 感CM的存在，使得對(duì)地共模阻抗很大，對(duì)傳遞能量的差模電流阻抗很小，從而有效抑制對(duì) 地共模電流或者漏電流，但對(duì)正常電路工作沒(méi)有影響。在上述實(shí)施例中，作為示意，諧振電感或者共模電感均在原邊側(cè)(輸入側(cè))，本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)該知道，這些元件與諧振電容屬于串聯(lián)關(guān)系，其與諧振電容的相對(duì)位置的變 化(無(wú)論在原邊側(cè)或者副邊側(cè))不影響其工作及本發(fā)明實(shí)質(zhì)。圖5D、圖7以及圖8所示實(shí)施例可以方便地拓展到多路輸出的場(chǎng)合。如圖10所 示，副邊整流器仍然以雙輸出全橋結(jié)構(gòu)為例。利用諧振電感之間的相互耦合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出 之間的電流均衡。對(duì)m(m為自然數(shù))多個(gè)輸出模塊，可以實(shí)現(xiàn)2m個(gè)輸出。每個(gè)輸出模塊， 包括一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)以及一個(gè)副邊整流器(輸出整流器)，兩者串聯(lián)藕接，如圖10所示，隨后 形成2個(gè)輸出，驅(qū)動(dòng)2路負(fù)載。每個(gè)輸出模塊并聯(lián)于原邊拓?fù)涞?個(gè)輸出端。各個(gè)模塊之 間，通過(guò)諧振電感的耦合實(shí)現(xiàn)均流，如第一個(gè)模塊的Lr2與第2個(gè)模塊的一個(gè)諧振電感Lr3 耦合，即Lr(2i)與Lr(2i+1)相互耦合，實(shí)現(xiàn)各個(gè)輸出模塊之間的電流均衡。每個(gè)模塊內(nèi)的 均衡均通過(guò)2個(gè)串聯(lián)的諧振均衡電容實(shí)現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)與圖7所示實(shí)施例完全一致。多個(gè)模塊 之間的均衡則通過(guò)諧振電感的耦合實(shí)現(xiàn)，這樣耦合電感也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功能的復(fù)用，即是串 聯(lián)諧振電路的諧振電感，同時(shí)也是多個(gè)輸出模塊之間的均衡電感。圖11所示是本發(fā)明在多路輸出的另一具體實(shí)施例，包含多個(gè)輸出模塊，利用電容 實(shí)現(xiàn)隔離，利用耦合電感實(shí)現(xiàn)輸出模塊間的隔離。相對(duì)圖10所示的實(shí)施例，其可以大大減 少隔離電容的數(shù)量，有助于降低漏電流，更好地滿(mǎn)足安規(guī)要求。在此實(shí)施例中，副邊整流器 仍然以雙輸出全橋結(jié)構(gòu)為例。將諧振電感可以在諧振電容的右側(cè)(如圖11)，也可以在其 左側(cè)，可以是1個(gè)，也可以是2個(gè)分部在上下兩條支路中，如圖8中所示。每個(gè)副邊整流器 (輸出整流器)的2個(gè)輸入端，與一個(gè)平衡電容Cbi (i指代第i個(gè)模塊)、至少一個(gè)共模電 感繞組相串聯(lián)后，形成新的2個(gè)輸入端，并聯(lián)于諧振網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)輸出端口。副邊整流器(輸 出整流器)、平衡電容Cb以及所串聯(lián)的共模電感繞組，組成一個(gè)輸出模塊。以圖11中輸出 模塊1為例，原先副邊整流器(輸出整流器)的2個(gè)輸入端a2和b2，經(jīng)過(guò)平衡電容Cbl以 及共模電感CMl形成2個(gè)新的輸入端a2’以及b2’。并聯(lián)在諧振網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)輸出端口。諧 振網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)輸入端口與以前的實(shí)施例一致，連接在原邊拓?fù)涞妮敵龆丝?A、B上。每個(gè)輸 出模塊與相鄰的輸出模塊通過(guò)共模電感相互耦合，如輸出模塊1與輸出模塊2耦合；輸出模 塊2需要與輸出模塊1以及模塊3耦合?？梢詫?shí)現(xiàn)多個(gè)輸出模塊之間的電流均衡。每個(gè)輸 出模塊中串入一個(gè)平衡電容Cbi (i為自然數(shù))，由于容值較大，與諧振電容串聯(lián)，不影響電 路的諧振，可用于均衡每個(gè)輸出模塊中的2個(gè)輸出電流。這樣就實(shí)現(xiàn)了所有輸出之間的電 流均衡。當(dāng)輸出電壓與輸入電壓相差較大時(shí)，由于沒(méi)有變壓器的變比作用，需要將頻率提 高到電路諧振頻率的好幾倍才能滿(mǎn)足輸出電壓的要求。過(guò)高的頻率會(huì)造成嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)損耗 和EMI問(wèn)題，為進(jìn)一步提高其效率、限制開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，如圖8所示的實(shí)施例中，可以采用圖
912所示的控制方法。即在頻率達(dá)到上限以前，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率(調(diào)頻工作)來(lái)調(diào)節(jié)輸出； 達(dá)到上限后，通過(guò)間歇工作模式調(diào)節(jié)輸出，此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)固定在頻率上限。圖12中所示反饋信號(hào)可以是基于系統(tǒng)要求的任何需要控制的電信號(hào)，如輸出電 流、輸出電壓等。通過(guò)反饋信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較及反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)(如PI或者PID等)產(chǎn)生 一個(gè)控制信號(hào)。基于控制信號(hào)來(lái)控制原邊拓?fù)渲械母鏖_(kāi)關(guān)，使得反饋信號(hào)與基準(zhǔn)保持一致。 在圖12所示實(shí)施例中，控制信號(hào)越小，開(kāi)關(guān)頻率越高，原邊拓?fù)涞亩鄠€(gè)開(kāi)關(guān)呈現(xiàn)50%的互 補(bǔ)開(kāi)關(guān)，在原邊拓?fù)涞妮敵龆薃B上產(chǎn)生一個(gè)占空比約為50%左右的方波(實(shí)際電路中，由 于開(kāi)關(guān)非理想，需要死區(qū)時(shí)間等，可略有偏差，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，這是公知常識(shí))。 當(dāng)達(dá)到下限BSTl式，頻率達(dá)到上限，電路進(jìn)入間隙工作模式(BURST工作模式)。如控制信 號(hào)繼續(xù)降低到下限BST2時(shí)，BURST控制信號(hào)輸出低，開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)被關(guān)閉，輸入不再向輸出傳 送能量。隨著輸入能量的降低，控制信號(hào)繼續(xù)升高，當(dāng)其碰到上限BSTl時(shí)，BURST控制信號(hào) 為高，開(kāi)關(guān)再次工作，輸入向輸出傳送能量，在AB上間歇輸出占空比50%左右的方波，此時(shí) 開(kāi)關(guān)頻率被限定在Flimit附近。應(yīng)當(dāng)指出，圖12所示實(shí)施例僅為說(shuō)明控制的思想，并不是唯一或者窮舉。本領(lǐng)域 技術(shù)人員應(yīng)該清楚，可以有其他的不同的實(shí)施方式達(dá)到同樣的效果，如改變控制電壓的極 性等(控制信號(hào)越高開(kāi)關(guān)頻率越高)，但這些均不違背本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。圖13所示為本發(fā)明為解決輸入輸出電壓差別較大情況下的另一實(shí)施例及其控制 方法。與圖8相比，增加了一個(gè)輸入的前級(jí)DC/DC變流器300?；诜答仯ㄟ^(guò)前級(jí)變流器 的輸出電壓(即調(diào)節(jié)原邊拓?fù)涞妮斎腚妷?，原邊拓?fù)渲懈鏖_(kāi)關(guān)工作在50 %占空比，頻率可 以在一個(gè)較優(yōu)化的范圍內(nèi)變換或者固定一個(gè)確定值。前級(jí)變流器300 —般是非隔離的DC/ DC變流器，如BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、SEPIC或者ZETA等本領(lǐng)域熟知的非隔離型電路，這 里不再詳細(xì)描述。圖12的實(shí)施例中，輸出電壓可以小于、也可以大于輸入電壓，取決于DC/ DC變流器300的輸出電壓。需要注意的是，前級(jí)DC/DC變流器300的輸入電壓可以具有較 大的文博，如正弦半波信號(hào)。總而言之，無(wú)論上文說(shuō)明如何詳細(xì)，還有可以有許多方式實(shí)施本發(fā)明，說(shuō)明書(shū)中所 述的只是本發(fā)明的具體實(shí)施例。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明實(shí)施例的上述詳細(xì)說(shuō)明并不是窮舉的或者用于將本發(fā)明限制在上述明確 的形式上。在上述以示意性目的說(shuō)明本發(fā)明的特定實(shí)施例和實(shí)例的同時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員 將認(rèn)識(shí)到可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行各種等同修改。本發(fā)明這里所提供的啟示并不是必須應(yīng)用到上述系統(tǒng)中，還可以應(yīng)用到其它系統(tǒng) 中。可將上述各種實(shí)施例的元件和作用相結(jié)合以提供更多的實(shí)施例。可以根據(jù)上述詳細(xì)說(shuō)明對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改，在上述說(shuō)明描述了本發(fā)明的特定實(shí)施 例并且描述了預(yù)期最佳模式的同時(shí)，無(wú)論在上文中出現(xiàn)了如何詳細(xì)的說(shuō)明，也可以許多方 式實(shí)施本發(fā)明。上述電路結(jié)構(gòu)及其控制方式的細(xì)節(jié)在其執(zhí)行細(xì)節(jié)中可以進(jìn)行相當(dāng)多的變 化，然而其仍然包含在這里所公開(kāi)的本發(fā)明中。如上述一樣應(yīng)當(dāng)注意，在說(shuō)明本發(fā)明的某些特征或者方案時(shí)所使用的特殊術(shù)語(yǔ)不 應(yīng)當(dāng)用于表示在這里重新定義該術(shù)語(yǔ)以限制與該術(shù)語(yǔ)相關(guān)的本發(fā)明的某些特定特點(diǎn)、特征 或者方案。總之，不應(yīng)當(dāng)將在隨附的權(quán)利要求書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)解釋為將本發(fā)明限定在說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的特定實(shí)施例，除非上述詳細(xì)說(shuō)明部分明確地限定了這些術(shù)語(yǔ)。因此，本發(fā)明的實(shí) 際范圍不僅包括所公開(kāi)的實(shí)施例，還包括在權(quán)利要求書(shū)之下實(shí)施或者執(zhí)行本發(fā)明的所有等 效方案。 在下面以某些特定權(quán)利要求的形式描述本發(fā)明的某些方案的同時(shí)，發(fā)明人仔細(xì)考 慮了本發(fā)明各種方案的許多權(quán)利要求形式。因此，發(fā)明人保留在提交申請(qǐng)后增加附加權(quán)利 要求的權(quán)利，從而以這些附加權(quán)利要求的形式追述本發(fā)明的其它方案。
權(quán)利要求
電容隔離型多路恒流輸出諧振式直流/直流變流器，包括直流輸入；原邊拓?fù)?，包含多個(gè)開(kāi)關(guān)，與所述直流輸入耦合，具有2個(gè)輸出端，將所述直流輸入在輸出端口轉(zhuǎn)換成一交流信號(hào)；諧振網(wǎng)絡(luò)，接收所述交流信號(hào)，并將之輸出到副邊整流器；副邊整流器，具有2個(gè)輸入端，與所述諧振網(wǎng)絡(luò)相耦合；并具有2個(gè)輸出端，以驅(qū)動(dòng)2路負(fù)載；所述諧振網(wǎng)絡(luò)包括2個(gè)諧振支路，每個(gè)諧振支路均由1個(gè)諧振電容和1個(gè)諧振電感串聯(lián)而成，每個(gè)諧振支路連接于所述原邊拓?fù)涞囊粋€(gè)輸出端以及副邊整流器的一個(gè)輸入端之間。
2.如權(quán)利要求1所示的變流器，其特征在于，所述諧振網(wǎng)絡(luò)中還包括1個(gè)共模電感。
3.電容隔離型多路恒流輸出諧振式直流/直流變流器，包括 直流輸入；原邊拓?fù)?，包含多個(gè)開(kāi)關(guān)，與所述直流輸入耦合，具有2個(gè)輸出端，將所述直流輸入在 輸出端口轉(zhuǎn)換成一交流信號(hào)；η個(gè)相互并聯(lián)的諧振網(wǎng)絡(luò)，接收所述交流信號(hào)，并將之輸出到各自對(duì)應(yīng)的輸出模塊； η個(gè)輸出模塊，各自包括一個(gè)副邊整流器；所述副邊整流器具有2個(gè)輸入端，與所述η 個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)分別相耦合，并具有2個(gè)輸出端以驅(qū)動(dòng)2路負(fù)載；每個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)均包括2個(gè)諧振支路，每個(gè)諧振支路均由1個(gè)諧振電容和1個(gè)諧振電感 串聯(lián)而成，每個(gè)諧振支路連接于所述原邊拓?fù)涞囊粋€(gè)輸出端以及副邊整流器的一個(gè)輸入端 之間。
4.如權(quán)利要求3所示的變流器，其特征在于，所述η個(gè)輸出模塊中，相鄰的兩組輸出模 塊的相鄰諧振電感之間兩兩耦合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出之間的電流均衡。
5.電容隔離型多路恒流輸出諧振式直流/直流變流器，包括一個(gè)原邊拓?fù)?，包含多個(gè)開(kāi)關(guān)，與一直流輸入耦合，具有2個(gè)輸出端，將所述直流輸入 在輸出端口轉(zhuǎn)換成一交流信號(hào)；至少2個(gè)輸出模塊，每個(gè)輸出模塊各自包括一個(gè)平衡電容、一個(gè)副邊整流器以及至少 一個(gè)共模電感的繞組；所述副邊整流器具有2個(gè)輸入端，與所述平衡電容及所述共模繞組 串聯(lián)后，連接到一諧振網(wǎng)絡(luò)；副邊整流器還具有2個(gè)輸出端以驅(qū)動(dòng)2路負(fù)載；一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，包括2個(gè)諧振電容以及至少1個(gè)諧振電感，接收所述交流信號(hào)，并將之 輸出到各個(gè)輸出模塊；相鄰的兩組輸出模塊中，所述共模電感的繞組相互耦合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出之間的電流均
6.如權(quán)利要求1至5各項(xiàng)中任意一種變流器，其特征在于，所述原邊拓?fù)錇閷?duì)稱(chēng)半橋拓 撲、全橋拓?fù)浠蛘叻菍?duì)稱(chēng)半橋拓?fù)洹?br> 7.如權(quán)利要求1至5各項(xiàng)中任意一種變流器，其特征在于，所述諧振電容為安規(guī)電容， 實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離。
8.如權(quán)利要求1至5各項(xiàng)中任意一種變流器，其特征在于，所述副邊整流器為雙輸出全 橋結(jié)構(gòu)或雙輸出倍壓結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1至5各項(xiàng)中任意一種變流器，其特征在于，所述原邊拓?fù)漭敵鰹橐徽伎?比50%的交流信號(hào)；原邊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中多個(gè)開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)頻率小于一設(shè)定值時(shí)，開(kāi)關(guān)的占空比 為50% ；在開(kāi)關(guān)頻率高于一設(shè)定值時(shí)，工作于間歇工作模式。
10.如權(quán)利要求1至5各項(xiàng)中任意一種變流器，其特征在于，所述直流輸入電壓基于反 饋信號(hào)調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多路輸出之間實(shí)現(xiàn)電流均衡輸出變流器，旨在提供一種電容隔離型多路恒流輸出諧振式直流/直流變流器。該變流器包括直流輸入；包含多個(gè)開(kāi)關(guān)的原邊拓?fù)洌桓边呎髌?；包?個(gè)諧振支路的諧振網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)諧振支路均由1個(gè)諧振電容和1個(gè)諧振電感串聯(lián)而成，每個(gè)諧振支路連接于所述原邊拓?fù)涞囊粋€(gè)輸出端以及副邊整流器的一個(gè)輸入端之間。本發(fā)明省去了傳統(tǒng)的隔離變壓器，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低成本，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而高效的多路恒流源輸出，特別適合用于多串LED的驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02M3/338GK101951159SQ20101028792
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者張軍明, 汪劍峰, 錢(qián)照明 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)