用于驅(qū)動具體為led單元的負載的具有l(wèi)c濾波器的單開關驅(qū)動器裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于驅(qū)動負載(22)特別是包括一個或多個LED(23)的LED單元的驅(qū)動器裝置(50a-50f)和相應的方法。所提出的驅(qū)動器裝置包括用于從外部功率源接收經(jīng)整流的電源電壓的功率輸入端子(51，52)，用于提供用于驅(qū)動負載(22)的驅(qū)動電壓和/或電流的功率輸出端子(53，54)，被耦合到功率輸入端子(52)的單級功率轉(zhuǎn)換單元(66a，66b，66c)，該單級功率轉(zhuǎn)換單元包括被耦合到開關節(jié)點(55)的單個開關元件(60)和能量存儲元件(Ch)，其中所述功率輸出端子(53，54)用所述單級功率轉(zhuǎn)換單元的輸出表示，被耦合到所述開關節(jié)點(55)的濾波器單元(68)，所述濾波器單元包括濾波器電感器(Lc)和濾波器電容器(Cs)，以及用于控制所述開關元件(60)的控制單元(58)。
【專利說明】用于驅(qū)動具體為LED單元的負載的具有LC濾波器的單開關驅(qū)動器裝直
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于驅(qū)動負載的驅(qū)動器裝置，所述負載具體為包括一個或多個LED的LED單元。此外，本發(fā)明涉及燈裝置。
【背景技術】
[0002]在用于諸如改型燈之類的離線式應用的LED驅(qū)動器的領域中，需要應對高效率、高功率密度、長壽命、高功率因子和低成本等其它相關特征的解決方案。雖然實踐中所有的現(xiàn)有解決方案折衷考慮一個或其它要求，但關鍵的是所提出的驅(qū)動器電路在保持與現(xiàn)有及將來的電力干線規(guī)范相符合的同時適當?shù)貙⒏删€功率的形式調(diào)整成LED所需要的形式。至關重要的是在功率因子被保持在特定界限以上的同時確保最大的可感覺到的燈閃爍優(yōu)選為零。
[0003]此外，在離線式轉(zhuǎn)換器中，來自電力干線的能量通常需要與所提供的電壓波形成正比地同步被提取，以實現(xiàn)高功率因子和低諧波失真。具有獨立的預處理器級的功率轉(zhuǎn)換架構傳統(tǒng)上被用于最佳地實現(xiàn)這個任務，并且不以破壞要被傳遞給負載的能量的適當形式為代價。
[0004]通常，兩個串聯(lián)連接的功率級被用來使輸出功率在整個干線周期(電源周期，即干線電壓或電源電壓的周期)上保持恒定的同時得到高功率因子。在那些架構中，第一級對干線的電流進行整形(shape)并且第二級執(zhí)行功率轉(zhuǎn)換至負載。
[0005]然而，出于與復雜性和成本相關的原因，傳統(tǒng)上已知為單級的簡化送電解決方案被采用，其中所述兩個級中的任一個可實質(zhì)上不被包括。作為這種簡化的結果，之前所提到的要求可能被大幅折衷并且/或者轉(zhuǎn)換器性能大幅度降低，尤其是在尺寸、可靠性和壽命方面。后者通常主要歸結于當要確保恒定的輸出功率傳送時需要使用與負載并聯(lián)的大體積的低頻存儲電容器。
[0006]單級解決方案在文獻中是很常見的。一個參考示例在Robert Erickson和MichaelMadigan 的“Design of a simple high-power-factor rectifier based on the flybackconverter，，，IEEE Proceedings of the Applied Power Electronics Conferences andExpositions, 1990, pp.792-801 中被給出。
[0007]介于兩級和單級方法半途間的中間解決方案是具有集成的預處理器的單級轉(zhuǎn)換器。這樣的解決方案可以在保持符合負載和電力干線要求的同時具有減少的組件量和高功率密度。具有單個功率轉(zhuǎn)換級的其它實施例通過集成運行在不連續(xù)傳導模式下的升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)高功率因子(HPF)。這些轉(zhuǎn)換器實際上是將以上所提到的兩個功率轉(zhuǎn)換級進行組
入
口 ο
[0008]用于小型焚光燈的HPF轉(zhuǎn)換器在Ricardo de Oliveira Brioschi和JoseLuiz F.Vieira 的“High-Power-Factor Electronic Ballast with Constant DC-LinkVoltage，，，IEEE Transactions on Power Electronics，vol.13，n0.6,1998 中被描述。這里，半橋被升壓轉(zhuǎn)換器和LC并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器所共享，所述LC并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器工作在諧振頻率以上以得到零電壓開關(ZVS)。為了進一步支持ZVS，總線電壓被控制為恒定的。然而，這樣的HPF轉(zhuǎn)換器通常需要大的總線電容器和輸出整流器并且只具有很窄的電源電壓和負載(驅(qū)動)電壓范圍。
[0009]集成功率級的另一不例是R.Venkatraman, A.K.S.Bhat和Mark Edmunds的研究工作，題目為 “Soft-switching single-stage AC-to-DC converter with low harmonicdistortion，，，IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, vol.36, n0.4,0ctober2000o在該研究工作中，提出了具有高功率因子和低諧波失真的被隔離的高頻變壓器、零電壓開關(ZVS)、單級AC-DC轉(zhuǎn)換器，并且針對恒定的功率負載進行了分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種用于驅(qū)動負載的驅(qū)動器裝置，所述負載具體為包括一個或者多個LED的LED單元，特別是提供高功率因子、實質(zhì)上恒定的負載、小尺寸、高效率、長壽命和低成本。此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種相應的燈裝置。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種驅(qū)動器裝置，該驅(qū)動器裝置包括:
[0012]-用于從外部功率源接收經(jīng)整流的電源電壓的功率輸入端子，
[0013]-用于提供用于驅(qū)動負載的驅(qū)動電壓和/或電流的功率輸出端子，
[0014]-被耦合到功率輸入端子的單級功率轉(zhuǎn)換單元，該單級功率轉(zhuǎn)換單元包括被耦合到開關節(jié)點的單個開關元件和能量存儲元件，其中所述功率輸出端子用所述單級功率轉(zhuǎn)換單元的輸出表示，
[0015]-被耦合到所述開關節(jié)點的濾波器單元，所述濾波器單元包括濾波器電感器和濾波器電容器，以及
[0016]-用于控制所述開關元件的控制單元。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種燈裝置被提供，該燈裝置包括有包括一個或多個燈單元的燈組件，具體而言為包括一個或多個LED的LED單元，以及用于驅(qū)動根據(jù)本發(fā)明所提供的燈組件的驅(qū)動器裝置。
[0018]本發(fā)明的實施例在從屬權利要求中被限定。應當理解所要求保護的燈裝置具有與所要求保護的裝置和從屬權利要求中所限定的裝置相類似和/或相同的優(yōu)選實施例。
[0019]本發(fā)明基于以下思想:提供具有集成預處理器的單級功率轉(zhuǎn)換器(即，功率轉(zhuǎn)換單元)，其特點為高功率因子同時向負載傳送恒定的輸出功率。只有少數(shù)組件是必需的，其中避免了使用半橋式/全橋式單元和大的電解電容器。這通過適當?shù)乜刂萍捎杏脼V波器單元的元件表示的低通濾波器的功率轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。一般來說，只需要一個開關來執(zhí)行轉(zhuǎn)換功能。所提出的驅(qū)動器裝置具體針對利用被耦合到功率輸出端子的高電壓LED串的離線式LED驅(qū)動器。
[0020]與用于LED的兩級離線式驅(qū)動器相比，保持符合電源干線和負載的要求所需要的高成本、復雜性和大組件量的問題被處理且被解決，因為所提出的驅(qū)動器裝置和方法具有簡單和較少的組件量的特點，其中優(yōu)選地使用傳統(tǒng)組件。
[0021]與用于LED的單級離線式驅(qū)動器相比，以下問題被解決。通過在仍然保持輸出電流恒定的同時在電源周期或干線周期期間允許更小的低頻存儲電容器電壓變化(例如20...80%),大的低頻電容器可以被省去。這進而導致更小的尺寸、更長的壽命和更加可靠，尤其是在高溫操作時。此外，需要更少的組件量，同時也不必折衷干線電源的要求和負載的要求。這本質(zhì)上通過具有集成的預處理功能的功率級的操作來實現(xiàn)。此外，即使使用了大的低頻存儲電容器，單個級也可能不能完全消除可覺察到的閃爍。所提出的解決方案實現(xiàn)了恒定的輸出電流并且因而可覺察到的閃爍可以被最小化。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，功率轉(zhuǎn)換單元的各種基本配置被提供作為應對各種負載和輸入電壓范圍的不同實施例。所有這些實施例可以通過只操縱占空比或者開關頻率或者通過突發(fā)模式操作在整個負載范圍上被控制為低至基本為零的負載電流。
[0023]電源電壓可以是由功率源提供的經(jīng)整流的周期性電源電壓。在(例如來自干線電壓電源的)AC干線電壓被提供作為功率源(或者功率輸入端子)的輸入電壓的情況下，使用整流器單元(作為驅(qū)動器裝置的一部分或者作為被耦合到功率輸入端子的外部單元)將所提供的AC輸入電壓(例如干線電壓)整流成(經(jīng)整流的周期性)電源電壓。這樣的整流器單元可以例如包括一般所公知的半波或全波整流器。因而，電源電壓具有針對AC輸入電壓的任一極性的相同極性。
[0024]替代地，如果例如這樣的經(jīng)整流的周期性電源電壓已提供在功率輸入端子處，例如來自于被設置在其它地方的整流器(代表所述外部功率源)，則不再有其它元件或者只有常見的元件(例如放大器)被耦合到功率輸入端子用于對所提供的電源電壓進行整形。
[0025]所提出的驅(qū)動器裝置有各種實施例，這些實施例主要通過驅(qū)動器裝置的各個元件的耦合來區(qū)分。
[0026]在一個實施例中，所述濾波器電感器和所述濾波器電容器被串聯(lián)耦合，其中所述濾波器單元的高電壓端子被耦合到所述開關節(jié)點。
[0027]在一個實施例中，所述濾波器單元的低電壓端子被耦合到參考電勢，特別是被耦合到功率輸出端子的功率輸入端子和/或地電勢。在另一實施例中，所述濾波器單元的低電壓端子被耦合到來被連接到功率輸入端子的功率輸出端子。來自轉(zhuǎn)換器的裝置中的電壓和電流應力可以是不同的。最佳的選擇可以取決于每種情況下可用的組件的類型。
[0028]單級功率轉(zhuǎn)換單元可以包括Cuk類型、SEPIC類型或Zeta型轉(zhuǎn)換器。對基本的Cuk、SEPIC、Zeta 拓撲的基礎性描述由 Chi K.Tse 在“Zero-order switching networksand their applications to power factor correction in switching converters，，，IEEETransactions on Circuits and Systems 1-Fundamental theory and applications,vol.44, n0.8, Augustl997 中提供。
[0029]在實施例中，所述單級功率轉(zhuǎn)換單元包括Cuk型轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括被耦合在第一功率輸入端子與開關節(jié)點之間的第一電感器，被耦合在所述開關節(jié)點與中間節(jié)點之間的所述能量存儲元件(特別是中間電容器)，被耦合在所述中間節(jié)點與第一功率輸出端子之間的第二電感器，以及被耦合在所述中間節(jié)點與第二功率輸出端子之間的二極管。該實施例提供了低輸入/輸出波動和使用參考地電勢的開關的優(yōu)點。
[0030]在另一實施例中，所述單級功率轉(zhuǎn)換單元包括SEPIC型轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括被耦合在第一功率輸入端子與開關節(jié)點之間的第一電感器，被耦合在所述開關節(jié)點與中間節(jié)點之間的所述能量存儲元件(具體為中間電容器)，被耦合在所述中間節(jié)點與第一功率輸出端子之間的二極管，以及被耦合在所述中間節(jié)點與第二功率輸出端子之間的第二電感器。該實施例提供了低輸入波動和參考地電勢的開關/輸出的優(yōu)點。
[0031]優(yōu)選地，在這些實施例中，所述開關元件被耦合在所述開關節(jié)點與第二功率輸入端子之間。
[0032]在另一實施例中，所述單級功率轉(zhuǎn)換單元包括Zeta型轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括被耦合在第一功率輸入端子與開關節(jié)點之間的所述開關元件，被耦合在開關節(jié)點與第二功率輸入端子之間的第一電感器，被串聯(lián)耦合到所述第一電感器的第一二極管，被耦合在所述開關節(jié)點與中間節(jié)點之間的所述能量存儲元件(具體為中間電容器)，被耦合在所述中間節(jié)點與第一功率輸出端子之間的第二電感器，以及被耦合在所述中間節(jié)點與第二功率輸出端子之間的第二二極管。該實施例提供了低輸出波動和參考地電勢的輸出的優(yōu)點。
[0033]各種實施例被提供用于不同的應用和不同的電壓中，并且被用于實現(xiàn)特定的目的。通常，在選擇最佳的實施例時要進行折衷考慮。
[0034]有利地，被稱合在功率輸入端子之間的輸入去稱電容器和/或被稱合在功率輸出端子之間的輸出去耦電容器被另外提供以用于高頻去耦。
[0035]一般來說，開關元件可以按各種不同的方式被實現(xiàn)，例如包括晶體管(例如M0SFET)或者其它受控的開關裝置。
[0036]控制單元被適配用于使輸出電流保持恒定，以將能量存儲元件上的電壓保持低于預定閾值和/或?qū)斎腚娏鬟M行整形。開關元件的零電壓開關被布置用于所提出的驅(qū)動器裝置的設計(組件)?？刂频娜蝿帐鞘馆敵鲭娏鞅３趾愣ǎ豢梢愿鶕?jù)參考電流(設置點)使總線電壓(即能量存儲元件上的電壓)保持在預設的界限以下和/或?qū)斎腚娏鬟M行整形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]參考下文中所描述的實施例，本發(fā)明的這些及其它方面將變得清楚并且得以闡明。在下面的附圖中，
[0038]圖1示出了已知的兩級驅(qū)動器裝置的示意性框圖，
[0039]圖2a示出了具有輸入存儲電容器的已知的單級驅(qū)動器裝置的示意性框圖，
[0040]圖2b示出了具有輸出存儲電容器的已知的單級驅(qū)動器裝置的示意性框圖，
[0041]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器裝置的第一配置的兩個實施例的示意性框圖，
[0042]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器裝置的第二配置的兩個實施例的示意性框圖，
[0043]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器裝置的第三配置的兩個實施例的示意性框圖，
[0044]圖6示出了在所提出的驅(qū)動器裝置的第一配置的實施例中的一個低頻周期期間的電壓和電流的示圖，
[0045]圖7示出了在所提出的驅(qū)動器裝置的第一配置的實施例中的一個高頻周期期間的各個電流的示圖，
[0046]圖8示出了在所提出的驅(qū)動器裝置的第二配置的實施例中的一個低頻周期期間的電壓和電流的示圖，
[0047]圖9示出了在所提出的驅(qū)動器裝置的第三配置的實施例中的一個低頻周期期間的電壓和電流的示圖，
[0048]圖10示出了在所提出的驅(qū)動器裝置的第三配置的實施例中的一個高頻周期期間的各個電流的示圖，
[0049]圖11示出了所提出的驅(qū)動器裝置的控制單元的第一實施例，
[0050]圖12示出了所述驅(qū)動器裝置的單開關元件的開關信號，以及
[0051]圖13示出了所提出的驅(qū)動器裝置的控制單元的第二實施例。
【具體實施方式】
[0052]已知的兩級驅(qū)動器裝置10的實施例在圖1中被示意性地示出。所述驅(qū)動器裝置10包括整流器單元12、被耦合到整流器單元12的輸出的第一級預處理單元14、被耦合到第一級預處理單元14的輸出的第二級轉(zhuǎn)換單元16和被耦合到所述第一級預處理單元14與所述第二級轉(zhuǎn)換單元16之間的節(jié)點15的電荷電容器18。整流器單元12優(yōu)選地包括用于將例如從外部干線電壓電源20提供的AC輸入電壓V20整流成經(jīng)整流的電壓V12的整流器單元，例如已知的全波或半波整流器。在本實施例中，作為包括兩個LED23的LED單元，負載22被耦合到第二級轉(zhuǎn)換單元16的輸出，所述第二轉(zhuǎn)換單元的輸出信號(具體為其驅(qū)動電壓V16和其驅(qū)動電流116)被用于驅(qū)動負載22。
[0053]第一級預處理單元14將經(jīng)整流的電壓V12預處理成中間DC電壓V14，并且第二級轉(zhuǎn)換單元16將所述中間DC電壓V14轉(zhuǎn)換成期望的DC驅(qū)動電壓V16。電荷電容器18被提供以存儲電荷，即由中間DC電壓V14充電，從而對經(jīng)整流的電壓V12的低頻信號進行濾波以確保第二級轉(zhuǎn)換單元16有基本恒定的輸出信號，特別是通過負載22的恒定的驅(qū)動電流116。這些元件14，16，18是普遍公知的并且被廣泛用于這樣的驅(qū)動器裝置10中并且因而在這里將不進行更詳細的描述。
[0054]一般來說，驅(qū)動器裝置10符合之前提到的高功率因子和低閃爍的要求，而代價是更大的空間需求和成本，這可能是非常受限制的，尤其是在改型應用中。第一級預處理單元14的尺寸可能主要由相關聯(lián)的無源部件決定，尤其是在該預處理單元包括工作在較低或適中的開關頻率下的開關模式功率源(SMPS)(例如升壓轉(zhuǎn)換器)的情況下。提高開關頻率以減小這些濾波器組件的尺寸的任何嘗試可能造成硬開關的SMPS中能量損耗的快速增加并且因而需要使用更大的散熱器。
[0055]已知的單級驅(qū)動器裝置30a，30b的實施例在圖2a和圖2b被示意性示出。所述驅(qū)動器裝置30包括整流器單元32 (該整流器單元可以與圖1中所示的兩級驅(qū)動器裝置10的整流器單元12相同)以及被耦合到整流器單元32的輸出的轉(zhuǎn)換單元34(例如用于圖2b中所示的實施例的反激式轉(zhuǎn)換器或者用于圖2a中所示的實施例的降壓轉(zhuǎn)換器)。此外，在圖2a中所示的實施例中，被耦合到所述整流器單元32與所述轉(zhuǎn)換單元34之間的節(jié)點33的電荷電容器36a (代表低頻輸入存儲電容器)被提供。在圖2b中所的實施例中，電荷電容器36a (代表低頻輸入存儲電容器)被耦合到所述轉(zhuǎn)換單元34與所述負載22之間的節(jié)點35。整流器單元將例如從外部干線電壓電源(也被稱為功率源)20提供的AC輸入電壓V20整流成經(jīng)整流的電壓V32。經(jīng)整流的電壓V32被轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動負載22的期望的DC驅(qū)動電壓V34。
[0056]存儲電容器18(圖1中)和36a，36b (圖2a，2b中)主要被提供以濾出經(jīng)整流的電壓V12的低頻成分以實現(xiàn)流入負載的電流恒定。因此，這樣的電容器很大，尤其是當與負載并聯(lián)放置時和當這樣的負載為LED時。[0057]如圖1和圖2中所不的驅(qū)動器裝置例如在Robert Erickson和Michael Madigan的“Design of a simple high-power-factor rectifier based on the flybackconverter，，，IEEE Proceedings of the Applied Power Electronics Conferences andExpositions, 1990, pp.792-801 中所描述的。
[0058]雖然與圖1中所示例性地示出的兩級驅(qū)動器裝置相比具有較少數(shù)目的硬件組件這一特點，但是那些單級驅(qū)動器裝置30a，b中的大部分裝置由于必須濾除AC輸入電壓的低頻組分的電荷電容器的尺寸的限制而一般不能同時提供高功率因子和低可感知的閃爍。此夕卜，單級驅(qū)動器裝置可能由于使用被用于減輕可感知的閃爍的大存儲電容器而在負載(例如燈)的尺寸、壽命和最大溫度操作方面嚴重妥協(xié)。
[0059]圖3至圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器裝置的三種不同的基本配置的若干實施例。每個配置(圖3中所示的配置I的實施例、圖4中所示的配置2的實施例、圖5中所示的配置3的實施例)用包括單級功率轉(zhuǎn)換單元和濾波器單元的所提出的驅(qū)動器裝置的兩個不同的實施例來表示。對于每個所提出的配置，用于將濾波器電容器(也被稱為低頻存儲電容器)Cs連接到地或者負載的兩個不同的實施例將被解釋。
[0060]全部三個配置都顯示了自穩(wěn)定行為，允許在(低頻)存儲電容器Cs上具有預定的電壓波動的情況下將輸出電流控制為恒定的。功率轉(zhuǎn)換單元的升壓電感器Lm被設計用于不連續(xù)傳導模式，為了這個目的，在實施例中，附加的二極管(Dm)被串聯(lián)耦合到所述升壓電感器。此外，所有的配置適合于高電壓負載，例如高電壓LED串，但是低電壓也是可能的。由于負載可能變化，電容器電壓可以被控制為通過改變開關頻率而被保持恒定。開關頻率隨著輸出電流的降低而升高。
[0061]因而，每種配置內(nèi)的類型I的實施例(即圖3a，4a，5a中所示的實施例)和類型2的實施例(即圖3b，4b，5b中所示的實施例)很大程度上是相同的，但是就電容器和開關的性能和電壓應力而言是可以被區(qū)分的。由于它們的相似性，下面將主要描述類型2的實施例。
[0062]圖6至圖10中所示的示圖參考圖3、圖4和圖5中所示的三個配置。它們示出了圖3a, 4a, 5a中所不出的第一、第三和第五實施例的低頻穩(wěn)態(tài)波形(圖6,8,9)和高頻開關波形(圖7，10)。實施例50b和50d的開關波形是相同的，因此實施例50d的開關波形不再單獨示出。在所有實例中，包括LED單元的串聯(lián)連接的LED負載被選擇為工作在10W的恒定功率下，意味著輸出電流必須恒定。經(jīng)整流的AC輸入信號指歐洲干線。其它型負載和功率源也是可以的。在這里的所有被示出的實施例中，所得到的功率因子(或者PF)高于或等于90 %，而總的諧波失真(或THD)低于40 %。
[0063]應當注意占空比指開關操作，例如100%的占空比意味著開關元件60—直是啟用(閉合)狀態(tài)。開關節(jié)點電壓用VX表示。
[0064]根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器裝置50a的第一實施例在圖3a中被示意性地示出。該驅(qū)動器裝置包括用于從經(jīng)整流器62整流的外部功率源20 (例如提供干線電壓vm的干線電壓電源)接收經(jīng)整流的電源電壓vr的功率輸入端子51，52。驅(qū)動器裝置50a還包括功率輸出端子53，54，用于提供用于驅(qū)動負載22的驅(qū)動電壓V0和/或電流io。在該上下文中，應當注意在該實施例中(以及在圖4a，5a中所示的下面所解釋的實施例中)，電流io為流經(jīng)負載22的電流，而對于其它實施例不是這樣的。[0065]此外，驅(qū)動器裝置50a包括單級功率轉(zhuǎn)換單元66a，該單級功率轉(zhuǎn)換單元利用其輸入端子70a，70b被耦合到功率輸入端子51，52并且利用其輸出端子70c，70d被耦合到功率輸出端子53，54。所述功率轉(zhuǎn)換單元66a包括被耦合到開關節(jié)點55的單個開關元件60和能量存儲元件Ch (具體為單個電容器)。
[0066]此外，驅(qū)動器裝置30a包括濾波器單元68，該濾波器單元包括濾波器電感器Lc和濾波器電容器Cs。所述濾波器單元68的高電壓端子56 (被連接到濾波器電感器Lc)被耦合到所述開關節(jié)點55，而所述濾波器單元68的低電壓端子57 (被連接到濾波器電容器Cs)被耦合到地。
[0067]控制單元64 (例如被適當?shù)卦O計或編程的控制器、處理器或計算機)被提供用于控制所述開關元件60。
[0068]為了進行高頻去耦，被耦合在功率輸入端子51，52之間的(可選的)輸入去耦電容器Cm(參見Fig.5 ;在圖3和圖4中未被示出)和被耦合在功率輸出端子53，54之間的(可選的)輸出去耦電容器Co在實施例中被另外提供。低功率輸入端子52和高功率輸出端子53都被耦合到地。
[0069]Cuk型功率轉(zhuǎn)換單元66a包括被耦合在高功率輸入端子51和開關節(jié)點55之間的第一電感器Lm。能量存儲兀件Ch (具體為中間電容器)被稱合在所述開關節(jié)點55與中間節(jié)點58之間。第二電感器Lo被耦合在所述中間節(jié)點58與第一功率輸出端子54之間。最后，二極管Do被耦合在所述中間節(jié)點58與低功率輸出端子54之間。開關元件60被耦合在所述開關節(jié)點55與低功率輸入端子52之間。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器裝置50b的第二實施例在圖3b中被示意性地示出。與驅(qū)動器裝置50a的第一實施例相比，所述濾波器單元68的低電壓端子57被耦合到低功率輸出端子54并且不被耦合到地。其它元件和耦合則與驅(qū)動器裝置50a的第一實施例一樣。
[0071]因而，在驅(qū)動器裝置50a，50b的第一和第二實施例中，電路將Cuk型功率轉(zhuǎn)換器與包括高頻濾波器電感器Lc和低頻(干線頻率)存儲電容器Cs的串聯(lián)連接的低通濾波器相組合，該電路被連接在開關節(jié)點55與負載之間(在第二實施例的情況下)或者開關節(jié)點55與地之間(在第一實施例的情況下)。電容器和開關的性能差異和應力電壓在兩個實施例之間可以是相關的。
[0072]此外，在第二實施例的情況下，輸出電感器電流io運送輸出負載電流和存儲電容器電流兩者。開關元件60上的最大應力電壓為電容器Ch上的電壓，該電壓等于Vo/d，其中d代表占空比。存儲電容器電壓vc —般高于干線整流器電壓vr和輸出負載電壓vo。
[0073]如圖6中所示，平均輸入電流ir(av)在經(jīng)整流的干線電壓vr的零交叉點處等于
O。占空比d正比于輸出負載電壓V0并且反比于存儲電容器電壓vc。圖7示出了在干線周期電壓的零交叉點之后3ms時的高開關頻率波形。圖7揭示了輸入電流ir的不連續(xù)傳導操作模式。由于二極管電流id在開關60斷開期間始終存在，所以確保了在輸出端處的連續(xù)傳導模式。然而，這不是必需的并且可以允許在輸出端處為不連續(xù)傳導模式。
[0074]在該示例中，存儲電容器在確保恒定的輸出功率和高功率因子的同時可以低至
Iμ F(即100nF/W)。借助于降壓轉(zhuǎn)換，負載電壓vo可以明顯低于電源的峰值電壓(例如在US干線電源的情況下為70V)。Cuk轉(zhuǎn)換器的低通濾波器提供良好的高頻濾波以保持在負載22處的電流波動低。[0075]對于圖6中所示的穩(wěn)態(tài)波形和圖7中所示的來自干線周期的相位角為0.18 的高頻波形(這兩種波形都針對驅(qū)動器裝置50b的第二實施例被示出)，應用以下值:vm =120Veff,60Hz, 200kHz 的開關頻率，Lm = 400 u H, Lc = Lo = 2mH, Po = 10W, vo = 70V, Cs=luF,PF = 95%,THD = 23%，開關上的最大應力電壓=337V。術語“av”指開關周期上的平均組分。d指示占空比。
[0076]根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器裝置50c，50d的第三和第四實施例在圖4a和4b中被示意性地示出。這些實施例與驅(qū)動器裝置50a,50b的實施例基本相同,但是這里在這些實施例中，Cuk型功率轉(zhuǎn)換單元65a被SEPIC型功率轉(zhuǎn)換單元65b代替。此外，功率輸出端子53，54和負載22的極性被反轉(zhuǎn)。
[0077]SEPIC型功率轉(zhuǎn)換單元65b包括被耦合在高功率輸入端子51與開關節(jié)點55之間的第一電感器Lm。能量存儲元件Ch(具體為中間電容器)被耦合在所述開關節(jié)點55與中間節(jié)點58之間。二極管Do被耦合在所述中間節(jié)點58與高功率輸出端子53之間。最后，第二電感器Lo被耦合在所述中間節(jié)點58與低功率輸出端子54之間。開關元件60被耦合在所述開關節(jié)點55與低功率輸入端子52之間。
[0078]因而，在驅(qū)動器裝置50c，50d的第三和第四實施例中，電路將SEPIC型功率轉(zhuǎn)換器與包括高頻濾波器電感器Lc和低頻(干線頻率)存儲電容器Cs的串聯(lián)連接的低通濾波器相組合，該電路被連接在開關節(jié)點55與負載之間(在第四實施例的情況下)或者開關節(jié)點55與地之間(在第三實施例的情況下)。電容器和開關的性能的差異和應力電壓在兩個實施例之間可以是相關的。此外，在第四實施例的情況下，平均來說，輸出電感器電流io運送輸出負載電流id減去存儲電容器電流ih。開關60上的最大應力電壓等于電容器Ch上的電壓vh加上輸出電壓Vo。存儲電容器電壓vh —般高于輸出電壓vo并且可以基本振蕩超過其峰值電壓的30%。
[0079]如圖8中所示,平均輸入電流ir(av)在經(jīng)整流的干線電壓vr的零交叉點處等于
O。占空比d正比于輸出負載電壓vo并且反比于存儲電容器電壓vh加上輸出負載電壓vo的兩倍。高開關頻率波形與圖7中所示的第二實施例的那些波形相同。
[0080]在給定的示例中，存儲電容器Ch在確保恒定的輸出功率和高功率因子的同時可以低至4yF。借助于降壓轉(zhuǎn)換，負載電壓vo可以明顯低于電源的峰值電壓(例如在US干線電源的情況下為30V)。
[0081]對于圖8中所示的穩(wěn)態(tài)波形的示例(針對驅(qū)動器裝置50d的第四實施例示出)，應用以下值:vm = 120Veff, 60Hz, 200kHz 的開關頻率，Lm = 300 u H, Lc = Lo = 2mH, Po =IOW, vo = 30V, Cs = 4uF, PF = 92%, THD = 35%，開關上的最大應力電壓=228V。
[0082]根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器裝置50e,50f的第五和第六實施例在圖5a和5b中被不意性地示出。這些實施例與驅(qū)動器裝置50c, 50d的實施例基本相同,但是這里在這些實施例中，SEPIC型功率轉(zhuǎn)換單元65b被Zeta型功率轉(zhuǎn)換單元65c代替。此外，電容器Cs和Ch的極性被反轉(zhuǎn)。
[0083]Zeta型功率轉(zhuǎn)換單元65c包括被耦合在高功率輸入端子51與開關節(jié)點55之間的開關兀件60。第一電感器Lm被稱合在開關節(jié)點55與低功率輸入端子52之間。第一二極管Dm被串聯(lián)耦合到所述第一電感器Lm。能量存儲元件Ch (具體為中間電容器)被耦合在所述開關節(jié)點55與中間節(jié)點58之間。第二電感器Lo被耦合在所述中間節(jié)點58與高功率輸出端子53之間。最后，第二二極管Do被耦合在所述中間節(jié)點58與低功率輸出端子54之間。
[0084]因而，在驅(qū)動器裝置50e，50f的第五和第六實施例中，電路將Zeta型功率轉(zhuǎn)換器與包括高頻濾波器電感器Lc和低頻(干線頻率)存儲電容器Cs的串聯(lián)連接的低通濾波器相組合，該電路被連接在開關節(jié)點55與負載之間(在第六實施例的情況下)或者開關節(jié)點55與地之間(在第五實施例的情況下)。電容器和開關的性能差異和應力電壓在兩個實施例之間可以是相關的。此外，在第六實施例的情況下，輸出電感器電流io運送輸出負載電流id和存儲電容器電流ih兩者。開關元件60上的最大應力電壓等于電容器Ch上的電壓vh加上經(jīng)整流的干線電壓vr。存儲電容器電壓vh —般高于干線整流器電壓vr和輸出負載電壓VO。
[0085]如圖9中所示，在該配置中(與其它配置不同)，平均輸入電流ir(av)在經(jīng)整流的干線電壓vr的零交叉點處不等于零。占空比d正比于輸出負載電壓to并且反比于經(jīng)整流的干線電壓vr減去存儲電容器電壓vh。
[0086]圖10示出了在干線周期電壓的零交叉點之后3ms時的高開關頻率波形。圖10顯示了升壓電感器Lm的不連續(xù)傳導操作模式。由于二極管電流id在開關60斷開期間始終存在，所以確保了在輸出端處的連續(xù)傳導模式。然而，這不是必需的并且可以允許在輸出端處為不連續(xù)傳導模式。
[0087]在該示例中，存儲電容器在確保恒定的輸出功率和高功率因子的同時可以低至2 μ F(即200nF/W)。借助于降壓轉(zhuǎn)換，負載電壓vo可以明顯低于電源的峰值電壓(例如在US干線電源的情況下為100V)。Zeta級的低通濾波器提供良好的高頻濾波以保持在LED負載處的電流波動低。高頻率去耦電容器Cm被優(yōu)選地用在輸入處，因為經(jīng)整流的輸入電流ir在某些操作條件下可能會是負值。
[0088]對于圖9中所示的穩(wěn)態(tài)波形和圖10中所示的來自干線周期的相位角為0.18 的高頻波形(這兩種波形都針對驅(qū)動器裝置50f的第六實施例被示出)，應用以下值:vm =120Veff,60Hz, 200kHz 的開關頻率，Lm = 400 μ H, Lc = Lo = 4mH, Po = 10W, Vo = 100V,Cs = 2 μ F, PF = 94%, THD = 36%，開關上的最大應力電壓=398V。
[0089]接下來，根據(jù)本發(fā)明的控制方法和裝置將被解釋。圖11示出了包括控制單元64’的第一實施例的驅(qū)動器裝置50g的另一實施例(該驅(qū)動器裝置的其它部分用單個模塊50’示意性地指示)。LED電流iLED被測量并且在比較元件64a中與(預設的或者可變的)參考電流iLED_ref進行比較?？刂普`差err_i在控制器模塊64b中被處理(由PI指示)，得到占空比d作為操縱變量。與預設的開關頻率fs —起，代表用于開關元件60的控制信號S60的柵極驅(qū)動信號在(柵極)驅(qū)動器模塊64c中形成。
[0090]圖12示出了用于開關元件60的(柵極的)時序圖。
[0091]如通常在降壓轉(zhuǎn)換器中所實現(xiàn)的那樣，占空比基本上與控制誤差相關。就驅(qū)動器裝置50g的實施例而言，正的控制誤差err_i (針對小電流)使得d增大，反之亦然。
[0092]自穩(wěn)定行為確保了在不超過Cs上的電壓應力限制的情況下有適當?shù)墓β势胶?。這通過所提出的電路布置以及所采用的控制機制來實現(xiàn)。如果例如平均來說與從輸出處獲取的功率相比，更多的功率從輸入處被提取，則總線電壓vc將升高，作為響應將導致所述控制降低d，進而將減小輸入功率。按照相同的方式，其它實施例可以被操作，其中占空比的意義被替換，即與驅(qū)動器裝置50a，50c, 50e的實施例相比，對于驅(qū)動器裝置50b，50d, 50f的實施例而言，d將被1-d替換。像總線電壓和干線電流(PF)之類的其它操作特征一般不被明顯地控制。它們?nèi)Q于設計和操作選擇和容限。
[0093]在另一實施例中，最大總線電壓也通過所述控制被明確地控制，具體而言也是通過操縱開關頻率。在仍然操縱d以控制輸出電流的同時，fs響應于升高的總線電壓而增大(例如作為高干線電壓或高輸出電壓的結果)。替代地，也可以單獨控制T_on和T_off，但是這將導致類似的開關模式。
[0094]為了避免在參考信號iLED_ref是可變的并且被降低至遠低于其額定最大值的情況下有過高的總線電壓(即為了避免過度升壓)，在另一實施例中，所述控制進入突發(fā)模式，即以低于fs的突發(fā)頻率(例如10到1000倍)周期性地關斷轉(zhuǎn)換器。此外，或者作為用于總線電壓控制的頻率調(diào)制的替代，fs可以被用于對輸入電流進行整形，以提高PF或者更好地適應特定型墻壁插頭調(diào)光器。
[0095]包括控制單元64”的第二實施例的驅(qū)動器裝置50h的另一實施例在圖13中被示出。與圖11中所示的實施例相比，控制單元64”還包括第二控制器模塊64d(由PI指示)，導致開關頻率fs和fs_brst作為被提供給(柵極)驅(qū)動器模塊64c的操縱變量。第二控制器模塊64d接收參考電流iLED_ref、總線電壓vc、輸入電流ir、輸入電壓vm和最大總線電壓vc_max作為輸入。
[0096]根據(jù)本發(fā)明，提出一種驅(qū)動器裝置，其包括具有集成預處理器的單級功率轉(zhuǎn)換器拓撲結構，其特點為具有高功率因子同時向負載傳送恒定的輸出功率。只有少數(shù)組件是必需的，其中避免了使用半開關橋/全開關橋和大的電解電容器。這通過適當?shù)乜刂萍捎械凸β蕿V波器的功率轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。一般來說，只需要一個開關(例如MOSFET晶體管)來執(zhí)行轉(zhuǎn)換功能。所得到的驅(qū)動器裝置優(yōu)選地可用于利用高電壓LED串的離線式LED驅(qū)動器。
[0097]根據(jù)本發(fā)明的實施例，一個升壓電感器工作在不連續(xù)傳導模式下。為了實現(xiàn)這一點，二極管優(yōu)選地被串聯(lián)耦合(輸入整流器橋的二極管或者專用的一個二極管)。兩個電感器被優(yōu)選地用于濾出高開關頻率電流組分。優(yōu)選地，一個高頻去耦電容器被耦合在輸出處，并且在一些情況下，在輸入(即整流器橋的輸出)處還設置有第二個高頻去耦電容器。
[0098]開關節(jié)點還被連接到第三電感器，特別是高頻電感器，該第三電感器被串聯(lián)連接到小的低頻存儲電容器，從而形成濾波器。開關節(jié)點還被連接到高頻電容器，該高頻電容器被用作中間存儲元件以在開關周期內(nèi)將能量傳遞到輸出端。整流器電源可以被連接到升壓電感器或者開關。
[0099]低頻存儲電容器的一個端子可以被連接到地或者負載。此外，只有負載(例如LED)電流被控制為恒定的(例如通過占空比)，或者LED電流和總線電壓也通過操縱所述頻率而被控制在兩個環(huán)路內(nèi)。
[0100]本發(fā)明被應用于消費者和“產(chǎn)消者”(prosumer)(專業(yè)消費者)驅(qū)動器，例如被集成在燈具中或者針對HV LED處于外部的高于2W的LED驅(qū)動器。其它應用有具有寬松的THD要求(例如20% )和HV LED串負載的非干線隔離的專業(yè)驅(qū)動器。
[0101]雖然在附圖和之前的描述中已經(jīng)詳細圖示和描述了本發(fā)明，但是這些圖示和描述要被認為是圖示性或示例性的而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實施例。對所公開的實施例的其它改變可以被本領域技術人員根據(jù)對附圖、本公開和所附權利要求的研究而在實踐所要求保護的發(fā)明的過程中理解和實現(xiàn)。
[0102]在權利要求中，單詞“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一個”不排除復數(shù)。單一元件或者其它單元可以實現(xiàn)權利要求中所引述的若干項的功能。僅僅特定措施在彼此不同的從屬權利要求中被引述這一事實不代表這些措施的組合不能被用于實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點。
[0103]權利要求中的任何標號都不應當被詮釋為限制本發(fā)明的范圍。
【權利要求】
1.一種用于驅(qū)動負載(22)特別是包括一個或多個LED(23)的LED單元的驅(qū)動器裝置(50a-50f)，所述驅(qū)動器裝置包括: -功率輸入端子(51，52)，用于從外部功率源接收經(jīng)整流的電源電壓， -功率輸出端子(53，54)，用于提供用于驅(qū)動負載(22)的驅(qū)動電壓和/或電流， -被耦合到所述功率輸入端子(51，52)的單級功率轉(zhuǎn)換單元^6a，66b，66c)，該單級功率轉(zhuǎn)換單元包括被耦合到開關節(jié)點(55)的單個開關元件(60)和能量存儲元件(Ch)，其中所述功率輸出端子(53，54)用所述級功率轉(zhuǎn)換單元的輸出表示， -被耦合到所述開關節(jié)點(55)的濾波器單元(68)，所述濾波器單元包括濾波器電感器(Lc)和濾波器電容器(Cs)，以及 -用于控制所述開關元件(60)的控制單元(58)。
2.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50a-50f)， 其中所述濾波器電感器(Lc)和所述濾波器電容器(Cs)被串聯(lián)耦合，其中所述濾波器單元的高電壓端子(56)被耦合到所述開關節(jié)點(55)。
3.根據(jù)權利要求2所述的驅(qū)動器裝置(50a，50c,50e)， 其中所述濾波器單元(68)的低電壓端子(57)被耦合到參考電勢，特別是被耦合到功率輸出端子(53，54 )的功率輸入端子(52)和/或地電勢。
4.根據(jù)權利要求2所述的驅(qū)動器裝置(50b，50d,50f)， 其中所述濾波器單元(68)的低電壓端子(57)被耦合到未被連接到功率輸入端子(51，52)的功率輸出端子(53，54)。
5.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50a-50f)， 其中所述單級功率轉(zhuǎn)換單元包括Cuk型轉(zhuǎn)換器(66a)、SEPIC型轉(zhuǎn)換器(66b)或者Zeta型轉(zhuǎn)換器(66c)。
6.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50a，50b)， 其中所述單級功率轉(zhuǎn)換單元(66a)包括Cuk型轉(zhuǎn)換器，該Cuk型轉(zhuǎn)換器包括 -被稱合在第一功率輸入端子(51)和所述開關節(jié)點(55)之間的第一電感器(Lm), -被耦合在所述開關節(jié)點(55)和中間節(jié)點(58)之間的所述能量存儲元件(Ch)， -被耦合在所述中間節(jié)點(58)和第一功率輸出端子(54)之間的第二電感器(Lo)，以及 -被耦合在所述中間節(jié)點(58)和第二功率輸出端子(54)之間的二極管(Do)。
7.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50c，50d)， 其中所述單級功率轉(zhuǎn)換單元(66b)包括SEPIC型轉(zhuǎn)換器，該SEPIC型轉(zhuǎn)換器包括-被稱合在第一功率輸入端子(51)和所述開關節(jié)點(55)之間的第一電感器(Lm),-被耦合在所述開關節(jié)點(55)和中間節(jié)點(58)之間的所述能量存儲元件(Ch)，特別是中間電容器 -被耦合在所述中間節(jié)點(58)和第一功率輸出端子(53)之間的二極管(Do)，以及 -被耦合在所述中間節(jié)點(58)和第二功率輸出端子(54)之間的第二電感器(Lo)。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的驅(qū)動器裝置(50a-50d)， 其中所述開關元件(60)被耦合在所述開關節(jié)點(55)和第二功率輸入端子(52)之間。
9.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50e-50f)，其中所述單級功率轉(zhuǎn)換單元(66c)包括Zeta型轉(zhuǎn)換器，該Zeta型轉(zhuǎn)換器包括 -被耦合在第一功率輸入端子(51)與所述開關節(jié)點(55)之間的所述開關元件(60)， -被稱合在所述開關節(jié)點(55)與第二功率輸入端子(52)之間的第一電感器(Lm), -被串聯(lián)耦合到所述第一電感器(Lm)的第一二極管(Dm)， -被耦合在所述開關節(jié)點(55)與中間節(jié)點(58)之間的所述能量存儲元件(Ch)，特別是中間電容器， -被耦合在所述中間節(jié)點(58)與第一功率輸出端子(53)之間的第二電感器(Lo)，以及 -被耦合在所述中間節(jié)點(58)與第二功率輸出端子(54)之間的第二二極管(Do)。
10.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50e，50f)， 還包括被稱合在所述功率輸入端子(51,52)之間的輸入去稱電容器(Cm)。
11.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50a-50f)， 還包括被I禹合在所述功率輸出端子(53,54)之間的輸出去I禹電容器(Co)。
12.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50a-50f)， 其中第二功率輸入端子(52)和第二功率輸出端子(53，54)被連接到參考電勢。
13.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50a-50f)， 還包括用于將AC電源電壓整流成所述經(jīng)整流的周期性電源電壓的整流單元(62)。
14.根據(jù)權利要求1所述的驅(qū)動器裝置(50a-50f)， 其中所述控制單元(64)被適配用于使所述輸出電流保持恒定，以保持跨所述能量存儲元件的電壓低于預定閾值以及/或者對所述輸入電流進行整形。
15.一種燈裝置，包括: -燈組件，其包括一個或多個燈單元，特別是包括一個或多個LED的LED單元(22),以及 -根據(jù)權利要求1到14中任一項所述的驅(qū)動器裝置(50a-50f)，用于驅(qū)動所述燈組件。
【文檔編號】H05B33/08GK103609198SQ201280029663
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月11日 優(yōu)先權日:2011年6月17日
【發(fā)明者】T·洛佩茲, R·埃爾費里奇 申請人:皇家飛利浦有限公司