諧振變換器的控制方法及控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種控制諧振電能變換器運行的方法和依此方法運行的控制器。一種控制諧振電源變換器的電源輸出的方法，所述諧振電源變換器包括供電電壓第一開關(guān)和第二開關(guān)(S1、S2)、諧振電路；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)串接于一對供電電壓線之間；所述諧振電路連接到第一開關(guān)與第二開關(guān)之間的節(jié)點及輸出端；該輸出端可連接至輸出電子負載；所述諧振電路包括電感與電容；所述方法包括：閉合第一開關(guān)(S1)，以開始第一導(dǎo)通時間間隔；設(shè)置第一電平(902)；設(shè)置第一時間區(qū)間；以及在所述電容上的電壓(901)與所述第一電平(902)交叉時，以及自第一開關(guān)閉合開始的時間超過第一時間區(qū)間(904)時，打開第一開關(guān)(S1)以結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔。
【專利說明】諧振變換器的控制方法及控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制諧振電能變換器運行的方法和依此方法運行的控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體放電照明正變得越來越普及。由于氣體放電照明相比于傳統(tǒng)的白熾燈照明而言在電能消耗上具有優(yōu)勢，其發(fā)展的前景較好。然而，相比于白熾燈照明而言，氣體放電照明需要不同種類的供電電源。圖1所示的是一種基本的熒光燈驅(qū)動器100的框圖。交流輸入端101與整流器102相連，整流器102向存儲電容器103提供整流信號。在每個半周期內(nèi)交流輸入的峰值電壓附近，電能被儲存在存儲電容器103中。鎮(zhèn)流器電路104利用開關(guān)信號驅(qū)動半橋開關(guān)電路105，半橋開關(guān)電路105驅(qū)動諧振電路106，諧振電路106連接到燈具 107。
[0003]緊湊型熒光燈(CFL)可以作為現(xiàn)有的白熾燈的直接置換，其所面臨的挑戰(zhàn)是所有為驅(qū)動燈泡所需的元件以及熒光燈本身(例如圖1中102-107的元件)需要被集成在不大于現(xiàn)有白熾燈泡的尺寸中。
[0004]由于電源條件的不同，熒光燈通常不可調(diào)節(jié)，這相比于傳統(tǒng)的白熾燈照明而言是一種不利因素。從而，存在著可調(diào)解決方案的需求。此外，隨著使用的增加，對于熒光燈的功率因數(shù)的要求也逐漸提升。熒光燈的功率因數(shù)通常不是純電阻負載性的，其傾向于表現(xiàn)為無功功率因數(shù)。
[0005]現(xiàn)有的熒光燈驅(qū)動器的解決方案使用頻率來控制送至燈具107的電能，其利用了電能在諧振變換器電路中轉(zhuǎn)移時隨頻率的變化。由于熒光燈具有非均勻阻抗特性的特點，頻率控制存在穩(wěn)定性方面的問題，特別是在調(diào)節(jié)至低電平時。由于這種特性派生于確定頻率控制回路的環(huán)路增益的阻抗，其會使得電能輸出的控制出現(xiàn)問題，在Deng等人的"Negative Incremental Impedance and Stability of Fluorescent Lamps", AppliedPower Electronics Conference and Expositionl997 (APEC，97), 1997 年 2 月 23 日-27日，第1050-1056頁，vol.2中討論了這個問題，其中說明了由于CFL的燈具特性(源于其穩(wěn)態(tài)電壓-電流曲線的負斜率)而導(dǎo)致電壓源的工作引起的變換器輸出的不穩(wěn)定。利用一系列阻抗或燈具電流對頻率控制輸入的反饋，可以獲得穩(wěn)定性。但在實際應(yīng)用中，對于各類不同的燈具而言，在其整個可調(diào)區(qū)間內(nèi)定義此類反饋的合理條件是非常困難的。另外一種控制方法利用了時間區(qū)間電壓的半周期內(nèi)一個半橋中的開關(guān)元件的導(dǎo)通時間與同一個半周期內(nèi)一個二極管的導(dǎo)通時間之差。
[0006]在點火時，燈具電阻的變化會引起諧振變換器開關(guān)的體二極管在熄滅時變?yōu)檎蚱?，從而該諧振回路將工作在一種所謂的電容模式下。從而需要采取措施以迅速改變施加到燈具的輸出，使得驅(qū)動電路不進入所述電容模式，以使開關(guān)元件免受破壞。在常規(guī)的控制氣體放電燈具的電源的方法中，常通過將頻率瞬間推高的頻率控制方法來避免電容模式的出現(xiàn)。盡管由于推高頻率會導(dǎo)致輸出電能下降進而引起燈具熄滅，但這種方法有助于減弱上述問題。通過將變換器的工作頻率保持在所述電容模式區(qū)域的“安全”一側(cè)，可以使諧振電源在保持最大電能的情況下避免進入電容模式。這可以通過在電流變?yōu)镺之前將一個導(dǎo)通的開關(guān)關(guān)斷，從而保留足夠的電能以獲得對相反開關(guān)的軟開關(guān)動作。該相反開關(guān)也可避免在電流方向不對時閉合。這一操作使得前一導(dǎo)通開關(guān)的體二極管的充電過程避免不受控地開啟，彼種不受控開啟可以破壞該開關(guān)。
[0007]對于氣體放電燈具而言，功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)是另外一個需要解決的問題，尤其是對于25W以上的CFL應(yīng)用(根據(jù)歐洲電源制造商協(xié)會發(fā)布的諧波電流發(fā)射指引，EN61000-3-2，2010年11月8日)。對于CFL裝置而言，需要使用其他的電路來改善其功率因數(shù)。優(yōu)選地，使用單級解決方案，以減小成本和裝置的整體尺寸。此類解決方案的一個好處是其利用了數(shù)量較小的元器件，部分情況下具有較高的效率。不好的地方是，工作頻率用于調(diào)節(jié)送至燈具的電能，其在功率因數(shù)校正階段和諧振階段的效應(yīng)不同，從而控制起來比較困難。圖2a和圖2b所示的分別是在有變壓器和無變壓器的情況下利用諧振變換器驅(qū)動氣體放電燈具211的電路示例。圖2a所示的是一種利用無橋升壓的電路結(jié)構(gòu)，如利用供電電壓Vs直接為燈具211供電；而圖2b所示的是一種具有1: η變壓器212的電路結(jié)構(gòu)，其將供電電壓Vs變壓為一個不同的電壓水平。這種電路結(jié)構(gòu)通過相同的開關(guān)S1、S2將半橋驅(qū)動器與功率因數(shù)校正功能相結(jié)合起來。向氣體放電燈具211所提供的電能可以通過對稱設(shè)置的、開關(guān)機制設(shè)為50%占空比的第一開關(guān)SI和第二開關(guān)S2進行控制，從而改變其開關(guān)頻率。
[0008]圖3、4和圖5中示意了其他相似的用于驅(qū)動氣體放電燈具的單級PFC結(jié)構(gòu)。圖3所示的是一種單級PFC電子鎮(zhèn)流器。圖4所示的是一種單級交錯并聯(lián)PFC電子鎮(zhèn)流器。圖5所示的是一種單級臨界導(dǎo)通模式PFC電子鎮(zhèn)流器。上述以及此類其他的電路及其工作原理在Fengfeng Tao 的〃Advanced High-Frequency Electronic Ballasting Techniques forGas Discharge Lamps〃，Virginia Polytechnic Institute and State University, 2001進行了描述，該文章通過弓I用結(jié)合在本文中。
[0009]當(dāng)調(diào)節(jié)氣體放電燈具及維持開關(guān)機制為50%的占空比時，可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定的因素，尤其是在調(diào)節(jié)到低電平時。盡管驅(qū)動信號的直流分量可能為0，對于氣體放電燈具的非對稱控制可能引致氣態(tài)媒質(zhì)(如在常用的熒光燈中的汞)離子的聚集區(qū)向某一電極的緩慢移動，從而削低燈具的壽命。因此，在現(xiàn)有的解決方案中，50%的占空比較為優(yōu)選。對于這些問題，美國專利6445140和美國專利6385068中提出了 一些解決措施，在這些利用了非對稱開關(guān)機制的情況下，在連續(xù)時間區(qū)間內(nèi)將這些非對稱進行了扭轉(zhuǎn)，從而阻止了離子聚集區(qū)向某一電極移動。這些解決方案的問題在于:實施不同的開關(guān)機制需要耗費較多的資源。
[0010]如圖2至圖5所示的單級升壓結(jié)構(gòu)的弱點在于在進行電源的調(diào)節(jié)時，只有工作頻率是可調(diào)節(jié)的，從而得到的功率因數(shù)校正和諧振表現(xiàn)也各有不同。在調(diào)節(jié)至較低水平時，總線電壓可能會顯著上升。另外一個不利之處在于，在對稱占空比的情況下，電源電壓可能將會達到供電的市電電壓峰值的2倍之多，從而限制了這類升壓電路在低市電電壓環(huán)境下的應(yīng)用。
[0011]對于單級PFC諧振變換器的非對稱控制可用于抑制總線電壓，并擴展調(diào)節(jié)范圍，例如在Tao (如上所述)所描述的例子中，圖6a和圖6b取自該文。圖6a是一種單級PFC諧振變換器的示意圖，圖6b是該諧振變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)的電壓與電流信號圖。開關(guān)周期的循環(huán)是有變的，從而開關(guān)SI的導(dǎo)通時間長于開關(guān)S2的導(dǎo)通時間，以改變流經(jīng)燈具的輸出電流。該電路工作的進一步詳細信息記載在Tao —文的3.4.3部分。
[0012]非對稱控制可用于在不改變工作頻率的情況下改變諧振變換器的輸出電能，這是由于其在一個較低的工作周期內(nèi)的基波含量較低。進而，這導(dǎo)致輸出電流的幅度較小，從而電能較低。然而，非對稱控制可能導(dǎo)致在較低的調(diào)節(jié)水平時軟開關(guān)行為的損失，進而產(chǎn)生其他額外的損耗和電磁干擾問題。在Tao —文中也有關(guān)于此部分的描述。
[0013]除了氣體放電燈具之外，單級PFC諧振轉(zhuǎn)換器還可被用于提供直流輸出電壓，例如在電源適配器的應(yīng)用上。在這類應(yīng)用中，可以使用一種LLC結(jié)構(gòu)。通過將諧振回路進行置換，可以將上述的單級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為AC-DC變換器。以下在圖7a-7c中描述。圖7a表示的是圖2a中電路的諧振回路和燈具；圖7b、圖7c表示的相比于圖2a可選的諧振變換器電路，其利用了一個N: I的變壓器，并在該變壓器的輸出端包括整流二極管和一個平滑電容器，用于提供整流的直流輸出。在這種電路中，可以在兩種方式中任選一種方式包括諧振電容Cs，即如圖7c所示的與輸入端的電感Ls、Lm串聯(lián)或者如圖7b所示的以兩個Cs/2電容分置于總線電壓與地之間。其他可能的變換也可使用，例如將諧振電容置于主電流通道中的不同位置，如與半橋節(jié)點串聯(lián)。此類LLC類型的變換器的工作原理在W02005/112238、W02009/004582 和 W02009/098640 中亦有描述。
[0014]本發(fā)明的目的是解決上述的一個或多個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種控制諧振電源變換器的電源輸出的方法，所述諧振電源變換器包括供電電壓第一開關(guān)和第二開關(guān)(S1、S2)、諧振電路；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)串接于一對供電電壓線之間；所述諧振電路連接到第一開關(guān)與第二開關(guān)之間的節(jié)點及輸出端；該輸出端可連接至輸出電子負載；所述諧振電路包括電感與電容；所述方法包括:
[0016]閉合第一開關(guān)，以開始第一導(dǎo)通時間間隔；
[0017]設(shè)置第一電平；
[0018]設(shè)置第一時間區(qū)間；以及
[0019]在所述電容上的電壓與所述第一電平交叉、且自第一開關(guān)閉合開始的時間超過第一時間區(qū)間時，打開第一開關(guān)以結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔。亦即，該第一開關(guān)在電容上的電壓與所述第一電平交叉時所定義的時刻打開，但僅在自第一開關(guān)閉合開始的時間超過第一時間區(qū)間時。
[0020]本發(fā)明的好處在于將第一電平與第一時間區(qū)間這兩個指標結(jié)合起來，只有在兩個指標都滿足時才結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔，從而在變換器工作期間提供了一種對于其所變換的電源之外的控制其可以改善對于輸出電能的控制，特別是在低電壓情況下。盡管本發(fā)明還可以用于除氣體放電燈具之外的其他需要提供直流輸出用以驅(qū)動電抗性負載的應(yīng)用，本發(fā)明在調(diào)節(jié)氣體放電燈具時特別有優(yōu)勢。
[0021]所述第一時間區(qū)間可以長于所述諧振電路的諧振時間。亦即，該第一時間區(qū)間可以是大于ι/f的，其中f是諧振電路和工作諧振頻率，其通常由諧振電路的LC組合來定義，該諧振電路包括電感與電容，但變壓器中不包括任何磁化電感。所述電路從而可以在所述電容上的電壓與所述第一電平第一次交叉點后結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔，并將導(dǎo)通時間間隔延伸直至后續(xù)該電壓與第一電平交叉的點。由此帶來的結(jié)果是，在第一導(dǎo)通時間間隔內(nèi)所轉(zhuǎn)換的電能減小。
[0022]在優(yōu)選的實施方式中，所述諧振電源變換器包括單級PFC諧振結(jié)構(gòu)。其好處在于，可以在PFC階段和諧振階段的變換電能之間產(chǎn)生匹配，特別是在低電能輸出水平時。從而，該諧振電源變換器可以在一個較寬的電能范圍內(nèi)工作，且總線電壓保持在可接受的水平上，并不至于失掉其軟開關(guān)的功能。
[0023]當(dāng)所述諧振電源變換器形成氣體放電燈具的驅(qū)動電路時，利用所述電容電壓的控制可以使該變換器在深度調(diào)節(jié)燈具時保持穩(wěn)定。該燈具在后續(xù)的半周期中也可以對稱驅(qū)動，以阻止不需要的燈具離子遷移。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種諧振電源變換器，包括第一開關(guān)和第二開關(guān)、諧振電路；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)串接于一對供電電壓線之間；所述諧振電路連接到第一開關(guān)與第二開關(guān)之間的節(jié)點及輸出端；該輸出端可連接至輸出電子負載；所述諧振電路包括電感與電容；所述諧振電源變換器進一步包括開關(guān)控制器，用于在連續(xù)的開關(guān)周期內(nèi)控制所述第一開關(guān)與第二開關(guān)，所述控制第一開關(guān)與第二開關(guān)是通過:
[0025]閉合第一開關(guān)，以開始第一導(dǎo)通時間間隔；
[0026]設(shè)置第一電平；
[0027]設(shè)置第一時間區(qū)間；以及
[0028]在所述電容上的電壓與所述第一電平交叉時，以及自第一開關(guān)閉合開始的時間超過第一時間區(qū)間時，打開第一開關(guān)以結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔。
[0029]如同本發(fā)明的第一方面所述，所述第一時間區(qū)間可以長于所述諧振電路的諧振時間。該諧振電源變換器可以是單級PFC結(jié)構(gòu)的。所述諧振電源變換器可以形成氣體放電燈具的驅(qū)動電路的一部分。該開關(guān)控制器還用于:
[0030]閉合第二開關(guān)，以在第一開關(guān)打開后開始第二導(dǎo)通時間間隔；
[0031]設(shè)置第二電平；
[0032]設(shè)置第二時間區(qū)間；以及
[0033]在所述電容上的電壓與所述第二電平交叉時，以及自第二開關(guān)閉合開始的時間超過第二時間區(qū)間時，打開第二開關(guān)以結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔。
[0034]本發(fā)明的實施方式可以在包括圖2-7的結(jié)構(gòu)的諧振電源變換器中使用，其中利用開關(guān)控制器來提供操控第一開關(guān)和第二開關(guān)所需的信號，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)是根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓水平和時間水平來操控的，所述預(yù)設(shè)的電壓水平和時間水平由所需的輸出電能確定，并響應(yīng)于取自感應(yīng)電容兩端的信號而工作，該感應(yīng)電容例如圖2a和圖2b中的電容器Cs。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]以下將結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實施方式進行進一步描述。
[0036]圖1是一種氣體放電燈具驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0037]圖2a和圖2b是氣體放電燈具驅(qū)動電路的電路圖；
[0038]圖3至圖6是各種單級PFC諧振變換器氣體放電燈具驅(qū)動電路的可選實施方式的電路圖；[0039]圖7a是圖2a中的電路圖中的諧振回路和燈具部分的電路圖；
[0040]圖7b是第一種可選的諧振變換器的電路圖；
[0041]圖7c是第二種可選的諧振變換器的電路圖；
[0042]圖8是在一個半周期內(nèi)輸出電流與輸入干線電壓的波形對比示意圖；
[0043]圖9是一種實施方式的氣體放電燈具鎮(zhèn)流器在50%占空比及第一電能水平下的電壓及電流波形圖；
[0044]圖10是一種實施方式的氣體放電燈具鎮(zhèn)流器在50%開關(guān)占空比及第二電能水平下的電壓及電流波形圖；
[0045]圖11是一種實施方式的具有第一最小等候時間的氣體放電燈具鎮(zhèn)流器在開關(guān)時間間隔開始及結(jié)束之間的電壓及電流波形圖；
[0046]圖12是一種實施方式的具有第二等候時間的氣體放電燈具鎮(zhèn)流器在開關(guān)時間間隔開始及結(jié)束之間的電壓及電流波形圖；
[0047]圖13是LLC變換器在非對稱開關(guān)周期內(nèi)的電流和電壓波形圖；
[0048]圖14和圖15是電源變換器在對稱模式下工作時在導(dǎo)通時間間隔內(nèi)的電流與電壓波形圖；
[0049]圖16和圖17是電源變換器在導(dǎo)通時間間隔內(nèi)包括電能轉(zhuǎn)儲間隔時工作的電流與電壓波形圖；從及
[0050]圖18是電源變換器在每個時間區(qū)間內(nèi)都包括多個電能變換周期時工作的電流與電壓波形圖。
【具體實施方式】
[0051]根據(jù)本發(fā)明的實施方式，變換器工作于一種模式，在該模式下，變換器自干線電源中送出一個近乎正弦的電流，從而具有較高的功率因數(shù)，同時將輸出電能控制在較寬的范圍內(nèi)。這是通過利用兩個互相獨立的變量來控制輸入電能而實現(xiàn)的。第一個變量定義每個開關(guān)周期中的變換電能；而第二個變量定義重復(fù)時間。從而，變換功率是由每周期電能除以重復(fù)時間來決定的。
[0052]對于依照50%的占空比工作的諧振變換器而言，在給定的輸入和輸出電壓下，頻率與電能的關(guān)系敏感于頻率的微小變化。在LLC變換器近乎工作于連續(xù)電流模式(CCS)時(亦稱為負載獨立點)，理論上在穩(wěn)態(tài)下只有一個工作頻率，這種情況尤為明顯，在穩(wěn)態(tài)下該變換器可以輸出全范圍的電能。
[0053]對于功率因數(shù)校正(PFC)而言，如果是在給定的輸出電壓、給定的工作頻率下根據(jù)非連續(xù)電流模式工作，則輸出電流是三角波形，其峰值與瞬時干線電壓成比例，且與一導(dǎo)通時間成比例，在該導(dǎo)通時間內(nèi)，PFC電流建立。以上如圖8所示，其中，為方便描述，PFC電流的時間范圍被放大了。
[0054]由于諧振變換器的頻率和電能之間的陡峭關(guān)系，當(dāng)工作于50%占空比的模式時，諧振變化器幾乎全部定義了該導(dǎo)通時間。利用該導(dǎo)通時間進行PFC以及假定一個重復(fù)時間，可直接得到PFC在干線電壓周期的半周期內(nèi)所傳送特定的電能。該電能從而直接定義諧振變換器的電能。這樣，第一變量(每周期的變換電能)的水平就被定義出來了。對于如圖2和圖3所示的那些PFC升壓類型的變換器來說，PFC每周期所變換的電能也與干線電壓Vmains(t)的平方成比例。因為在一個干線周期內(nèi)，PFC比諧振變換器的變換電能的變化要大，所以在干線電壓周期內(nèi)，利用每周期的平均轉(zhuǎn)換電能可以更精確地定義轉(zhuǎn)出電能。
[0055]第二個變量的時間區(qū)間可以用于進一步地調(diào)整電能水平。當(dāng)PFC和諧振變換器的轉(zhuǎn)變電能水平都保持不變時，如果增加重復(fù)時間，兩個變換電能都將保持匹配。這將會使得對于不同的負載而言干線電壓Vbus都保持不變，從而相比于其他解決方案而言更有優(yōu)勢。
[0056]當(dāng)應(yīng)用在氣體放電燈具鎮(zhèn)流器時，圖9和圖10展示了對于燈具鎮(zhèn)流器而言如何設(shè)定該第一個變量(對應(yīng)于每周期的轉(zhuǎn)換電能)，在此情況下在諧振電容上施加一個電壓用于控制開關(guān)的時間。圖9中的上圖顯示的是在諧振電容上的電壓V(VCr)901。在本實施方式中，每周期的轉(zhuǎn)換電能通過V(vcr)在每個開關(guān)導(dǎo)通時間間隔的開始和結(jié)束之間的電壓差deltaV來確定。變量V(vcrhnext) 902和變量V(vcrlnext) 903被用來確定該電壓差。一旦deltaV大于某一設(shè)定點，如當(dāng)V(vcr)與V(vcrhnext)或V(vcrlnext)交叉時,相應(yīng)的導(dǎo)通周期的導(dǎo)通開關(guān)關(guān)閉，從而下一個半周期開始。在圖9的例子中，deltaV設(shè)為IOV ;而在圖10的例子中，deltaV設(shè)為20V(請注意兩幅圖中的比例不相同)。通過感測與燈具串聯(lián)的電容器上的電壓的直流分量，以及在該直流分量與預(yù)定值(對于50%占空比的工作而言等于Vbus/2)不相等時改變每個相反半周期的deltaV，可以得到50%的開關(guān)占空比。
[0057]圖9與圖10所示的曲線同時示出了 ￥&10904和￥&1)905的波形，其分別對應(yīng)于上開關(guān)與下開關(guān)的開關(guān)時間間隔。在本實施方式中，最小等待時間設(shè)為小于V(vcr)與
V(vcrhnext) 902或V (vcrlnext) 903交叉的條件滿足所需的時間。由此得到的基礎(chǔ)電流由電壓波形V(iprim)906來表示，而燈具電流907為正弦波形。在半橋節(jié)點上第一開關(guān)與第二開關(guān)之間的電壓V(vhb)908是具有等于半周期的期間的方波。
[0058]將第二個變量以所述最小等待時間的形式進行擴展，并將其與由第一 deltaV變量定義的第一指標結(jié)合使用`時，所得到的電壓和電流波形圖如圖11和圖12所示。
[0059]如圖11所示，V(vcr)901中該上開關(guān)應(yīng)被關(guān)斷的水平是由信號V(vcrhnext)902決定的。圖11中V (vcr) 901與V (vcrhnext)交叉的時刻是在t = 459ms (點1101處)及t = 471ms (點1102處)。在圖11所示的情況下，最小等候時間間隔大于V (vcr) 901第一次與V (vcrhnext) 902交叉所需的時間。利用兩個兩個指標，在t = 459ms的第一點1101時開關(guān)將不允許關(guān)斷，但在如t = 471ms的第二點1102時，V (vcr) 901在上升時再一次與
V(vcrhnext) 902交叉,則允許判斷。
[0060]由于測得deltaV的電容器與諧振回路串聯(lián)，且輸入到諧振回路的電能是由上開關(guān)的導(dǎo)通時間間隔內(nèi)的電壓差deltaV決定的，所以每周期的轉(zhuǎn)換電能仍保持恒定。在每個半周期內(nèi)輸入到具有電容C的諧振回路的電能W是由下式確定的:
[0061]W = C*deltaV*Vbus
[0062]由于在t = 459ms的點1101和t = 471ms的點1102處，deltaV是相同的，每周期的電能也相同。
[0063]由于從電壓供應(yīng)線路到諧振回路的電能轉(zhuǎn)換基于此而確定，因此輸入到諧振回路的電能只能被送到負載或在諧振回路內(nèi)部耗散。
[0064]圖12所示的是與圖11具有相同的每周期電能設(shè)定的電壓與電流波形圖，但圖12具有更長的最小等候時間，因此可以得到低一些的變換電能水平。
[0065]根據(jù)回路的固有諧振和每周期的恒定電能設(shè)定要求，每個導(dǎo)通時間間隔的開始和結(jié)束時間區(qū)間只能離散地調(diào)整，并不是所有的時候都能夠以所需的重復(fù)時間輸出所需的電能。從而，可以通過允許系統(tǒng)在特定占空比之下兩個相近的電能水平之間切換，以輸出所需的電能。例如，如果所需的電能水平是在兩個相鄰的有效時間內(nèi)得出的電能水平之間，諧振變換器可以在連續(xù)的開關(guān)周期中在第一較短時間區(qū)間和第二較長時間區(qū)間之間切換。在其他情況下，若所需的電能水平距一個較高的電能水平比距離另一個相鄰的較低電能水平更近，則諧振變換器可以較多的周期內(nèi)工作于該較高的電能水平，而在較小的周期內(nèi)工作于該較低的電能水平，從而整體的平均電能水平更接近該較高的電能水平。
[0066]在需要直流輸出電壓的情況下，優(yōu)選地使用LLC結(jié)構(gòu)。在例如W02005/112238、W02009/004582或W02009/098640中，有關(guān)于LLC變換器的工作模式的描述，其通過引用結(jié)合在本文中。此類LLC變換器也可以利用前述每周期的變換電能和重復(fù)時間來進行控制。在部分模式下，在一個開關(guān)周期內(nèi)，所述開關(guān)中的一個可以被多次開或合。這將會對變換器的PFC產(chǎn)生影響，但利用前述兩個變量來控制LLC變換器的原理仍將適用。如圖13所述的模式是不對稱的，因為基礎(chǔ)電流202在很小的時間間隔內(nèi)從最小低升高至最大值，但從最大值下降到最小值卻需要較長的時間間隔。從而，輸出電流204也是不對稱的，并且只在次級二極管中的一個導(dǎo)通時才會流過。
[0067]圖14表示的是W02009/004582中的一種對稱模式工作，其中，基礎(chǔ)電流Iprim在上開關(guān)導(dǎo)通的時間間隔(在間隔1401內(nèi)Vhb為聞)內(nèi)的變化與在下開關(guān)導(dǎo)通的時間間隔(在間隔1402內(nèi)Vhb為低)的頭一部分內(nèi)的變化相對稱。信號Vcap定義為Vhb-Vcr，即在所述開關(guān)之間的節(jié)點上的電壓與諧振電容上的電壓之差，其等于變壓器的原邊繞組的電壓，即如圖7c的示例中在電感Ls和Lm上的電壓。盡管兩個開關(guān)的導(dǎo)通時間不相同，但相等的時間間隔1401和1402表明了其工作于對稱模式。在下一開關(guān)周期前，基礎(chǔ)電流Iprim還包括整數(shù)個諧振區(qū)間。每周期的轉(zhuǎn)變電能W如前述的照明鎮(zhèn)流器應(yīng)用中一樣，由下式定義:
[0068]W = C*deltaV*Vbus
[0069]基中，deltaV是在諧振電容上的電壓在導(dǎo)通時間間隔開始和結(jié)束時的差。
[0070]對于所述工作模式而言，每周期的變換電能和重復(fù)時間都可以單獨設(shè)定，從而其工作模式也可以與以上所述的用于燈具驅(qū)動鎮(zhèn)流器的應(yīng)用的相似。
[0071]如圖15所示，在W02009/098640還描述了一種對圖14所示的工作模式所進行的擴展。其中，在一個振鈴周期內(nèi)包括了覆蓋間隔32、34、36、20的時間間隔，其間兩個開關(guān)均關(guān)斷。該額外的模式提供了將諧振回路中多余電能存儲在諧振電容器中的可能性，從而諧振回路中充分地?zé)o電流。該模式的好處在于，通過改變間隔36且與圖14相比因振鈴磁化電流而不存在耗散，可以連續(xù)地改變周期時間。在間隔36(和20)之后，電能被存儲回磁電感(間隔22)中，而在間隔36之間的原始狀態(tài)被恢復(fù)。該子間隔將會引入一個開關(guān)的額外的開和關(guān)(在本實施方式中為低開關(guān))。
[0072]單級諧振變換器的PFC部分可用于處理上述問題，因為在間隔24中半橋節(jié)點為高電平從而PFC的初級行程出現(xiàn)(假設(shè)干線電壓是在正的半周期中)，將電量由干線存儲到PFC電感，在間隔26-34之間電能由PFC電感存儲到諧振部分的Vbus電容上。在間隔36 (和20)中，兩個開關(guān)都關(guān)斷，但在半橋節(jié)點中出現(xiàn)多余電壓。從而，需要Vbus-Vmains保持小于該多余電壓，以防止在間隔36(和20)由于PFC電感帶來的不需要的電流而影響到正常的工作。此種情況可以通過定義諧振變換器的工作條件而設(shè)定。
[0073]在間隔22中，再次開啟低開關(guān)，但不會使得PFC電感中出現(xiàn)電流。實際地，在該間隔22和其他當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷的時候的第二脈沖不會產(chǎn)生額外的影響。
[0074]對于無橋PFC變換器，如第2a中所示的例示而言，時間取決于干線電壓的標識。從而有必要保持在維持PFC不進入CCM工作所需要的條件下，進一步優(yōu)選地，該條件下還維持在兩個干線半周期之間的對稱工作。該無橋PFC可以通過非對稱占空比的方式進行控制，開關(guān)的時間在相反的干線半周期內(nèi)被反轉(zhuǎn)。
[0075]關(guān)于圖15所示的W02009/098640中描述的工作模式的擴展是利用一種所謂的電能轉(zhuǎn)儲間隔。該電能轉(zhuǎn)儲間隔優(yōu)選地位于間隔26 (對于CCM電能轉(zhuǎn)儲)或間隔28 (對于DCM電能轉(zhuǎn)儲)中的某一個位置，在該電能轉(zhuǎn)儲間隔中，低開關(guān)在一個短間隔內(nèi)被關(guān)斷。這會使得電能被儲存在磁化電感中，大大快于儲存在諧振電容中。利用這種方式時，間隔28、30、32、34則是可選的。
[0076]圖16示出的實施方式是“DCM電能轉(zhuǎn)儲”模式，在該模式下該低開關(guān)(GL)在次級電流結(jié)束后的電能轉(zhuǎn)儲間隔(t = 14μ s)的起始時關(guān)斷。圖16示出的實施方式是“DCM電能轉(zhuǎn)儲”模式，在該模式下該低開關(guān)(GL)在次級電流結(jié)束后的電能轉(zhuǎn)儲間隔(t = 14μ s)的起始時關(guān)斷。
[0077]對于圖16和圖17，與單級PFC的結(jié)合可以在PFC的次級行程中將半橋電壓變?yōu)榈仉娖交騐bus (取決于干線電壓的標識)。由于Vhb不能上升，這可能會與電能轉(zhuǎn)儲間隔相沖突。此時，可以選擇利用DCM電能轉(zhuǎn)儲，并在開始該電能轉(zhuǎn)儲間隔之前包含一個磁化電流的全振鈴周期(見圖14)。
[0078]進一步可選地，可在一個時間區(qū)間內(nèi)包含多個電能轉(zhuǎn)換周期。圖18中示出了這種例子(見信號VN(GH)、VN(GL)和VN(VHB))。這種選擇可與圖13至17中的幾種工作模式
結(jié)合使用。
[0079]上述多個電能變換周期允許PFC在一個或多個電能轉(zhuǎn)換周期內(nèi)根據(jù)PFC的輸入電壓與輸出電壓的比而工作于CCM。
[0080]本發(fā)明的實施方式可以用于需要功率因數(shù)校正的燈具鎮(zhèn)流器應(yīng)用中。上述實施方式還可應(yīng)用于帶功率因數(shù)校正的開關(guān)模式供電電源中，例如用作電子設(shè)備的適配器。
[0081]根據(jù)本發(fā)明的以上實施方式還可以得到其他可能的實施方式，其均應(yīng)包括在以下的權(quán)利要求中。
【權(quán)利要求】
1.一種控制諧振電能變換器的電能輸出的方法，所述諧振電能變換器包括第一開關(guān)和第二開關(guān)(S1、S2)、諧振電路；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)串接于一對供電電壓線之間；所述諧振電路連接到第一開關(guān)與第二開關(guān)之間的節(jié)點及輸出端；該輸出端可連接至輸出電子負載；所述諧振電路包括電感與電容；其特征在于，所述方法包括: 閉合第一開關(guān)(SI)，以開始第一導(dǎo)通時間間隔； 設(shè)置第一電平(902)； 設(shè)置第一時間區(qū)間；以及 在所述電容上的電壓(901)與所述第一電平(902)交叉、且自第一開關(guān)閉合開始的時間超過第一時間區(qū)間(904)時，打開第一開關(guān)(SI)以結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述第一時間區(qū)間長于所述諧振電路的諧振時間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述諧振電能變換器包括單級功率因數(shù)校正拓撲結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述諧振電能變換器形成氣體放電燈具的驅(qū)動電路。
5.如先前任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括:在打開第一開關(guān)(SI)以結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔之后: 閉合第二開關(guān)(S2)，以開始第二導(dǎo)通時間間隔；` 設(shè)置第二電平； 設(shè)置第二時間區(qū)間(905);以及 在所述電容上的電壓(901)與所述第二電平(903)交叉、且自第二開關(guān)閉合開始的時間超過第二時間區(qū)間(905)時，打開第二開關(guān)(S2)以結(jié)束第二導(dǎo)通時間間隔。
6.一種諧振電能變換器，包括第一開關(guān)和第二開關(guān)(S1、S2)、諧振電路；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)串接于一對供電電壓線之間；所述諧振電路連接到第一開關(guān)與第二開關(guān)之間的節(jié)點及輸出端；該輸出端可連接至輸出電子負載；所述諧振電路包括電感與電容；其特征在于，所述諧振電能變換器進一步包括開關(guān)控制器，用于在連續(xù)的開關(guān)周期內(nèi)控制所述第一開關(guān)與第二開關(guān)，所述控制第一開關(guān)與第二開關(guān)是通過: 閉合第一開關(guān)(Si)，以開始第一導(dǎo)通時間間隔； 設(shè)置第一電平(902)； 設(shè)置第一時間區(qū)間(904);以及 在所述電容上的電壓(901)與所述第一電平(902)交叉、且自第一開關(guān)閉合開始的時間超過第一時間區(qū)間(904)時，打開第一開關(guān)(SI)以結(jié)束第一導(dǎo)通時間間隔。
7.如權(quán)利要求6所述的諧振電能變換器，其特征在于:所述第一時間區(qū)間長于所述諧振電路的諧振時間。
8.如權(quán)利要求6或7所述的諧振電能變換器，其特征在于:所述諧振電能變換器包括單級功率因數(shù)校正拓撲結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項所述的諧振電能變換器，其特征在于，所述開關(guān)控制器用于: 閉合第二開關(guān)(S2)，以在第一開關(guān)打開后開始第二導(dǎo)通時間間隔；設(shè)置第二電平(903)； 設(shè)置第二時間區(qū)間(905);以及 在所述電容上的電壓(901)與所述第二電平(903)交叉、且自第二開關(guān)閉合開始的時間超過第二時間區(qū)間(905)時，打開第二開關(guān)(S2)以結(jié)束第二導(dǎo)通時間間隔。
10.一種用于氣體放電燈具的驅(qū)動電路，其特征在于，所述電路包括如權(quán)利要求6至9中任意一項所述的諧振電 能變換器。
【文檔編號】H05B41/282GK103875314SQ201280031653
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月15日
【發(fā)明者】亞歷山大·帕維里克, 儒爾根·斯塔爾, 詹斯·戈特爾, 托馬斯·杜爾巴姆, 弗朗斯·潘謝爾, 漢斯·哈貝爾施塔特 申請人:Nxp股份有限公司