專利名稱:用于驅動放電燈的dc到ac電能轉換的方法和設備的制作方法
技術領域:
本發明總體上涉及一種用于將DC(直流)電能轉換為AC(交流)電能的方法和設備,更具體地涉及穩定地調節在斷燈(燈開路,包括斷路、燈管斷開)條件下的燈電壓以及精確地調節燈電流的簡單的控制方案。
背景技術:
用于PC監視器、電視、以及便攜式DVD中的液晶顯示(LCD)面板將放電燈用作背光器件。常用的放電燈包括冷陰極熒光燈(CCFL)和外置電極熒光燈(EEFL)。DC到AC開關逆變器常用于以極高的AC電壓向這些燈供電。通常,由功率開關將DC電壓斬波以產生振蕩電壓波形,然后使用變壓器和濾波器元件來產生具有足夠振幅的近似正弦波形。通常由頻率范圍從50到100千赫茲的AC信號驅動CCFL。
功率開關可以是雙極結型晶體管(BJT)或場效應晶體管(MOSFET)。而且,晶體管可以是分立器件,或者集成到與DC到AC轉換器的控制電路同一個封裝內。由于阻性元件趨于消耗電能并降低電路的總效率,所以典型的用于DC到AC轉換器的諧波濾波器采用使得電路功耗最小化的感性和容性元件。具有感性和容性元件的二階諧振濾波器被稱作“儲能”電路,這是因為該儲能電路以特定頻率存儲能量。也可以采用更高階的諧波濾波器。
CCFL的平均壽命取決于其工作環境的幾個方面。例如,以比其額定功率更高的功率驅動CCFL會縮減燈的使用壽命。此外,以具有高波峰因數(crest factor)的AC信號驅動CCFL會使燈過早發生故障。波峰因數是流經CCFL的峰值電流與平均電流之比。
另一方面,公知的是,以較高頻率的方形AC信號驅動CCFL可以使燈的使用壽命最大化。但是,由于方形AC信號會導致與設置在該驅動電路附近的其它電路產生嚴重的干擾,所以典型地利用其波形小于最佳波形的AC信號、例如正弦形的AC信號來驅動燈。
雙端(全橋式和推挽式)逆變器拓撲通用于驅動當今的放電燈,因為它們能在正負周期提供對稱的電壓和電流驅動。所得到的燈電流是正弦的并且具有低波峰因數。這些拓撲非常適于具有寬DC輸入電壓范圍的應用。單端逆變器常被考慮用在低功率和對成本敏感的應用中。中國專利申請號200510069000.8所提出的新的單端逆變器能以低波峰因數有效地驅動放電燈,并且與傳統的單端逆變器相比具有低得多的電壓應力,因此對于低功率和對成本敏感的應用很有吸引力。
為了獲得對燈電流和斷燈電壓的良好的調節,通常需要多個復雜的調節回路,來控制開關AC波形的開關頻率和占空比,其中,這些開關AC波形產生自上述的逆變器拓撲中的開關器件。本發明提出一種獨特和簡單的控制方案。以下的討論基于該新的單端拓撲。然而,同樣的控制方案可以應用到包括全橋、半橋和推挽等其他拓撲上。
發明內容
本發明提供一種將直流輸入電壓轉換為交流信號的方法,該方法包括在初級側中使輸入電壓可控地導通和關斷,以產生PWM(脈沖寬度已調制的)交流信號;在為負載供電的次級側的儲能電路中,將PWM交流信號變換為期望的電壓電平;以及通過反饋次級側的電壓、電流、或者電壓和電流,控制PWM交流信號的頻率和占空比,其中,該控制過程還包括將反饋值與至少一個參考值相比較;及產生用于調制PWM交流信號的頻率和占空比的控制信號。
根據上述方法,如果該控制信號高于閾值電壓,僅調制占空比或頻率。
根據上述方法,該閾值電壓包括第一閾值電壓和第二閾值電壓。
根據上述方法,如果該控制信號低于第一閾值電壓,僅改變占空比或頻率。
根據上述方法,僅當該控制信號高于第二閾值電壓時,才改變占空比或頻率中的另一個。
本發明還提供一種直流到交流的電能逆變器電路,用于為負載提供交流電能,該電路包括直流輸入電壓信號;開關網絡,包括至少一個開關器件,以將直流輸入電壓信號轉換為PWM交流波形;諧振儲能電路,用于對PWM交流波形進行濾波以驅動負載;以及反饋部分,其利用對負載電壓、負載電流或二者的測量結果來驅動開關網絡;其中,該反饋部分包括反饋放大器(FA),用于將至少一個負載測量結果與至少一個參考信號相比較以產生控制信號;PWM控制器,用于接收該控制信號,以產生至少一個占空比和頻率已被調制的方波信號;柵極驅動器,用于接收該方波信號,以驅動開關網絡中的開關器件;及一個結構,其中,由FA接收負載測量結果,并且若FA的輸出小于閾值電壓則FA發送信號至PWM控制器,而若FA的輸出大于該閾值電壓則FA發送另一個信號至振蕩器。
根據上述電路,開關網絡配置為包含兩個開關器件的單端拓撲,其中,一個開關器件為可控開關器件,另一個開關器件為不可控開關器件例如二極管或可控開關器件。
根據上述電路,諧振儲能電路包含變壓器,該變壓器具有兩個初級繞組,每個繞組的至少一端連接至所述兩個開關器件中的一個,且電容器連接在所述兩個初級繞組之間。
根據上述電路,開關網絡配置為半橋拓撲。
根據上述電路,開關網絡配置為推挽拓撲。
根據上述電路,開關網絡配置為全橋拓撲。
根據上述電路,如果FA的輸出低于該閾值電壓,僅改變占空比。
根據上述電路,如果FA的輸出高于該閾值電壓,僅改變開關頻率。
根據上述電路,如果感測到負載電流,僅改變開關頻率。
本發明還提供一種逆變器電路,用于為放電燈提供電能,包括直流輸入電壓信號;開關網絡,用于將直流輸入電壓信號轉換為PWM交流波形;諧振儲能電路,用于對PWM交流波形進行濾波以驅動放電燈;以及控制電路,用于接收放電燈的電流和電壓的反饋以驅動開關網絡,從而調制PWM交流波形的占空比和開關頻率,其中,該控制電路僅調制PWM交流波形的占空比或開關頻率。
根據上述電路,控制電路通過一個共用的控制電壓來調制PWM交流波形的占空比和開關頻率。
根據上述電路,該共用的控制電壓劃分為多個區域,所述多個區域中的至少一個僅控制占空比。
根據上述電路,所述多個區域包含至少一個僅控制開關頻率的區域。
根據上述電路,僅當占空比達到最大值時,開關頻率才改變。
根據上述電路,所述多個區域包含至少一個控制開關頻率的區域,該開關頻率僅在放電燈啟動前改變。
通過參考以下結合附圖的詳細說明,本發明的前述方面及許多附帶的優點會變得更容易體會并被更好地理解,在附圖中圖1為所提出的單端逆變器電路的方框圖;圖2A為本發明實施例的簡化示意圖;圖2B示出正常的燈工作條件下的某些波形;圖3示出正常的燈工作條件下該電路的反饋操作;圖4示出斷燈(包括啟動)條件下該電路的反饋操作;圖5是本發明另一實施例的簡化示意圖;圖6是使用全橋拓撲的又一實施例的簡化示意圖;圖7是使用推挽拓撲的再一實施例的簡化示意圖;圖8是使用半橋拓撲的另一實施例的簡化示意圖。
具體實施例方式
本發明的實施例涉及用于將DC電能轉換為AC電能的多個逆變器電路和方法,更具體地涉及用于驅動放電燈如冷陰極熒光燈(CCFL)的逆變器電路。在其它優點中,所提出的這些電路提供一個簡單的驅動逆變器電路產生的開關波形的占空比或開關頻率的控制方案。
下面將說明本發明的多種實施例。隨后的說明提供了對這些實施例的全面理解的具體細節。但是,本領域技術人員應當理解,無需一些所述細節也可以實施本發明。此外,可能不會示出或者詳細說明一些公知的結構或功能,以免不必要地使多種實施例的相關說明不清楚。
在下述說明中使用的術語即使是與本發明某些具體實施例的詳細說明結合使用的,也要以其最寬的合理方式解釋該術語。某些術語可能會在下面給予強調;但是,任何準備以某種受限的方式進行解釋的術語將會在具體實施方式
部分給予公開以及明確的定義。
這里所述的本發明實施例及其應用的說明是示例性的,不用以限制本發明的范圍。實施例的各種變化和改型都是可能的,且這里所公開的實施例的各種元件的實際替換物或等同物對于本領域技術人員是公知的。可以進行所公開的實施例的這些變化和改型,而不背離本發明的范圍和精神。
在圖1、圖2A及圖5至圖8中,連接在VIN和地之間的所示四到六個元件的組合可稱作初級子電路,儲能電路回路中的兩個電感器和一個或兩個電容器的組合可稱作次級子電路。
圖1為根據本發明實施例的單端DC到AC逆變器的方框圖。在此實施例中,L1、L2和L3形成3繞組變壓器。當主開關M1導通時,輸入源的能量和初級側電容器C1中存儲的能量被傳遞到次級側。通過主開關M1的電流是變壓器的磁化電流與折算到變壓器原邊的(以下簡稱反射的)諧振電感器L4中的電流之和。在此情形下,初級側二極管D1截止。
當主開關M1關斷時,反射的L4電流流過二極管D1以繼續其諧振。主開關M1的漏極電壓隨后增大至Vin+Vc,其中Vc是電容器C1兩端的電壓。通常,C1被設計為足夠大,以使Vc幾乎恒定并且等于Vin。因此,主開關上的最大電壓應力約為2Vin。通過二極管D1的電流是磁化電流與反射的諧振電感器(L4)電流之和。因為L4的電流改變極性,所以通過二極管D1的凈電流有時降至0。主開關M1的漏極電壓也可降至Vin并在此電平附近振蕩。該振蕩可由兩個初級繞組之間的漏電感和初級側上的寄生電容引起。
電感器L1、L2、L3和L4可被集成到一個變壓器中。可使用具有極好耦合系數的雙線結構(bifilar structure)來纏繞L1和L2。通過離開L1和L2繞組來纏繞L3,在次級繞組L3和初級繞組(L1和L2)之間的漏磁通會形成L4。也可通過在3個柱子磁芯結構中的不同的磁性柱子上纏繞初級繞組和次級繞組,控制漏磁通。
圖2A示出本發明實施例的簡化示意圖。反饋放大器輸出Vc用于兩個控制區域中Vc<Vth1,以及Vc>Vth2,其中Vth1和Vth2可以相等。但是,在實際應用中理想的是,選擇Vth2比Vth1至少大100mV,以克服噪聲問題。一個控制區域可用于占空比控制,另一個控制區域可用于頻率控制。例如,在圖2A中,Vc<Vth1區域用于占空比控制,而Vc>Vth2區域用于頻率控制。
通常通過調節燈電流來控制燈的亮度。此電流信號可由采樣電阻R1來檢測,然后被饋給至所提出的反饋放大器(FA)中。反饋放大器也可接收第二反饋信號,其可為燈電壓。在圖2A中,儲能電容器Cr被兩個串聯電容器Cr1和Cr2代替,并且從這兩個電容器的連接點取得反饋電壓。反饋放大器的輸出控制M1的占空比和開關頻率,其依次調制燈電流和/或燈電壓。
從圖2B的波形顯見,在占空比接近50%時,用于諧振儲能L4、C1和R1的電壓驅動波形圍繞0相當地對稱。因此,經過R1的燈電流基本接近于正弦。
如圖3所示,在正常的工作條件下,燈電流被采樣電阻感測,然后被全波整流。隨后,跨導放大器A1將此信號與參考信號相比較。典型地,由提供超前-滯后(1ead-lag)補償的電容器或電阻器和電容器的組合來補償A1的輸出。然后將放大器輸出Vc與由時鐘電路產生的固定斜坡電壓(Vramp)相比較。如果Vc超過Vramp,比較器A2將會復位RS鎖存器(Latch)U1以關斷功率開關M1。由時鐘信號CK1的上升沿啟動功率開關M1的導通,該時鐘信號CK1的頻率是振蕩時鐘信號CLK的一半。
附加的觸發器(flip-flop)U2用以確保最大為50%的占空比運行。如從此圖中所容易看到的,Vc的增大將導致更高的占空比,從而導致更高的燈電流和燈電壓。
如果燈電壓超過期望的電壓電平VREF1,放大器A3將產生灌電流(sinkcurrent)以對Vc端放電。平均的灌電流隨燈電壓而增大。這確保了在啟動或異常條件下的燈電壓調節。如果Vc超過Vramp的峰值并且繼續增大到Vth2以上,則表示諧振儲能不能產生足夠的功率轉換增益,從而產生期望的燈功率或燈電壓。開關頻率必須被調制以獲得期望的調節。在圖2A的實施例中,在此條件下頻率將隨Vc增大。因此,如果諧振儲能電路被設計為在較高的開關頻率上產生較高的功率轉換增益,則增大的頻率最終將滿足對于燈功率或燈電壓的調節需求。
在采用圖2A所示方案的實際設計中,希望將燈點亮以后的開關頻率設計為稍高于諧振電路的諧振頻率。燈點亮以后,閥值Vth2必須被強迫高于最大控制電壓Vc,這樣用來防止即使在占空比達到最大限制值時導致頻率升高。因此,Vth2在燈點亮前后被設為不同的值。在燈點亮以后,Vth2必須高于最大的控制電壓Vc,在燈點亮以前,Vth2被設置為占空比達到最大限制值時的電壓。
圖4示出在包括啟動的斷燈條件下該電路的反饋操作。在斷燈條件下,存在兩種可能性。A1將產生更高的Vc以增大占空比,從而增大燈電壓。如果在Vc超過Vth2之前,燈電壓到達由VREF1和反饋分壓電路增益指定的期望電壓,則A3在Vc端上產生下拉電流,從而防止Vc進一步增大。在此條件下,開關頻率將保持不變,并且占空比被調制以調節斷燈電壓。如果當Vc超過Vth2時燈電壓未到達期望的調節點,占空比已到達最大值50%。如果沒有燈電流,A4將產生電流以增大開關頻率。然后,由于在更高頻率處增大的轉換增益,燈電壓增大。最終,燈電壓將到達調節點,并且A1將產生下拉電流來調節Vc,從而調節頻率至一個穩態點。
在上述實施例中,反饋放大器輸出的控制電壓Vc在燈點亮后的正常工作條件下,控制電壓Vc小于閾值Vth2,可以根據檢測到的反饋信號,如燈電流等,按照圖3所示方法,通過反饋調節來調節占空比,從而調節燈電流的大小。在啟動或者斷燈條件下,當控制電壓Vc超過閥值Vth2時,又可以調節交流波形的開關頻率來獲得期望的燈電壓。因此,控制電壓Vc根據電路不同的工作情況,同時具有調節開關頻率、占空比的作用,也可以稱之為共用的控制信號。在上述實施例中,通過設置Vth2,將控制電壓Vc劃分為兩個區域,其中當控制電壓Vc小于Vth2時,只調節占空比;當Vc超過Vth2時,調節開關頻率,此時占空比已經達到最大限定值。顯然,通過設置多個閾值,可以將該控制信號Vc劃分為多個區域,實現更多的控制功能。
需要指出的是,圖3所示的實施例中采用燈電流的采樣作為反饋信號。本領域的技術人員從中不難實現燈電壓反饋、或者燈電壓信號疊加采樣的燈電流信號的方式進行反饋,實現不同的控制功能。在圖4所示的實施例中,占空比的最大值為50%,對本領域的技術人員而言,占空比最大值限制在其他數值不影響本發明的本質。
圖5示出一種設置,其中二極管D1被低導通電阻(RDSon)的MOSFET(M2)所替代。可以通過幾種方式實現M2的柵極控制。一種方式是僅當電流從源極流到漏極時導通M2。除了功率損耗降低外,所得的電路近似于以上所示的基本電路。另一種方式是以與主開關M1相同的導通時間來導通M2。與在推挽式逆變器中相似,將M1和M2的脈沖進行交錯。所得的電路將獲得與推挽式電路相同的對稱的電壓及電流驅動用于諧振儲能。此外,M1和M2開關的電壓應力將永遠不會超過2Vin,并且不需要緩沖器。
圖6是使用全橋拓撲的又一實施例的簡化示意圖。在圖6中,在變壓器的初級側上,第一和第二晶體管串聯連接在DC輸入電壓和電路接地端之間,第三和第四晶體管也串聯連接在DC輸入電壓和電路接地端之間。串聯的電感器和電容器連接在第一和第二晶體管的連接點與第三和第四晶體管的連接點之間。此實施例中的全部四個晶體管由柵極驅動器控制,并且電感器與儲能回路的至少一個繞組形成變壓器。
圖7是使用推挽拓撲的再一實施例的簡化示意圖。在圖7中,在變壓器的初級側上,第一電感器和第一晶體管串聯連接在DC輸入電壓和電路接地端之間,第二電感器和第二晶體管也串聯連接在DC輸入電壓和電路接地端之間。此實施例中的兩個晶體管由柵極驅動器控制,并且第一和第二電感器與儲能回路的至少一個繞組形成變壓器。
圖8是使用半橋拓撲的另一實施例的簡化示意圖。在圖8中,在變壓器的初級側上,第一和第二電容器串聯連接在DC輸入電壓和電路接地端之間,第一和第二晶體管也串聯連接在DC輸入電壓和電路接地端之間。電感器連接在第一和第二電容器的連接點與第一和第二晶體管的連接點之間。此實施例中的兩個晶體管由柵極驅動器控制,并且電感器與儲能回路的至少一個繞組形成變壓器。
結論除非上下文明確要求,否則整個說明書和權利要求書中的“包括”等類似詞語應當解釋為包含的含義,而不是排他或者窮舉的含義;也就是說,是“包含,但不局限于”的含義。如這里所使用的,術語“連接”、“耦合”或者其變型,意味著在兩個或者更多元件之間直接或者間接地連接;元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。
此外,本申請中所使用的詞語“這里”、“上述”、“下面”以及含有類似含義的詞語應當涉及本申請的全部內容,而不是本申請的特定部分。在上下文允許時,上述具體實施方式
中使用單數或者復數的詞語也可以分別包括復數或者單數。關于兩個或者更多選項列表的詞語“或者”覆蓋了該詞語的所有下述解釋列表中的任意選項,列表中的所有選項,以及列表中選項的任意組合。
本發明實施例的上述詳細說明并不是窮舉的或者用于將本發明限制在上述明確的形式上。在上述以示意性目的說明本發明的特定實施例和實例的同時,本領域技術人員將認識到可以在本發明的范圍內進行各種等效修改。
本發明這里所提供的啟示并不是必須應用到上述系統中,還可以應用到其它系統中。可將上述各種實施例的元件和作用相結合以提供更多的實施例。
可以根據上述詳細說明對本發明進行修改。在上述說明描述了本發明的特定實施例并且描述了預期最佳模式的同時,無論在上文中出現了如何詳細的說明,也可以許多方式實施本發明。上述補償系統的細節在其執行細節中可以進行相當多的變化,然而其仍然包含在這里所公開的本發明中。
如上述一樣應當注意,在說明本發明的某些特征或者方案時所使用的特殊術語不應當用于表示在這里重新定義該術語以限制與該術語相關的本發明的某些特定特點、特征或者方案。總之,不應當將在隨附的權利要求書中使用的術語解釋為將本發明限定在說明書中公開的特定實施例,除非上述詳細說明部分明確地限定了這些術語。因此,本發明的實際范圍不僅包括所公開的實施例,還包括在權利要求書之下實施或者執行本發明的所有等效方案。
在下面以某些特定權利要求的形式描述本發明的某些方案的同時,發明人仔細考慮了本發明各種方案的許多權利要求形式。因此,發明人保留在提交申請后增加附加權利要求的權利,從而以這些附加權利要求的形式追述本發明的其它方案。
權利要求
1.一種將直流輸入電壓轉換為交流信號的方法,該方法包括在初級側中使輸入電壓可控地導通和關斷,以產生PWM(脈沖寬度已調制的)交流信號;在為負載供電的次級側的儲能電路中,將PWM交流信號變換為期望的電壓電平;以及通過反饋次級側的電壓、電流、或者電壓和電流,控制PWM交流信號的頻率和占空比,其中,該控制過程還包括將反饋值與至少一個參考值相比較;及產生用于調制PWM交流信號的頻率和占空比的控制信號。
2.如權利要求1所述的方法,其中如果該控制信號高于閾值電壓,僅調制占空比或頻率。
3.如權利要求2所述的方法,其中該閾值電壓包括第一閾值電壓和第二閾值電壓。
4.如權利要求3所述的方法,其中如果該控制信號低于第一閾值電壓,僅改變占空比或頻率。
5.如權利要求4所述的方法,其中僅當該控制信號高于第二閾值電壓時,才改變占空比或頻率中的另一個。
6.一種直流到交流的電能逆變器電路,用于為負載提供交流電能,該電路包括直流輸入電壓信號;開關網絡,包括至少一個開關器件,以將直流輸入電壓信號轉換為PWM交流波形;諧振儲能電路,用于對PWM交流波形進行濾波以驅動負載;以及反饋部分,其利用對負載電壓、負載電流或二者的測量結果來驅動開關網絡;其中,該反饋部分包括反饋放大器(FA),用于將至少一個負載測量結果與至少一個參考信號相比較以產生控制信號;PWM控制器,用于接收該控制信號,以產生至少一個占空比和頻率已被調制的方波信號;柵極驅動器,用于接收該方波信號,以驅動開關網絡中的開關器件;及一個結構,其中,由FA接收負載測量結果,并且若FA的輸出小于閾值電壓則FA發送信號至PWM控制器,而若FA的輸出大于該閾值電壓則FA發送另一個信號至振蕩器。
7.如權利要求6所述的電路,其中開關網絡配置為包含兩個開關器件的單端拓撲,其中,一個開關器件為可控開關,另一個開關器件為不可控開關器件或可控開關器件。
8.如權利要求7所述的電路,其中諧振儲能電路包含變壓器,該變壓器具有兩個初級繞組,每個繞組的至少一端連接至所述兩個開關器件中的一個,且電容器連接在所述兩個初級繞組之間。
9.如權利要求6所述的電路,其中開關網絡配置為半橋拓撲。
10.如權利要求6所述的電路,其中開關網絡配置為推挽拓撲。
11.如權利要求6所述的電路,其中開關網絡配置為全橋拓撲。
12.如權利要求6所述的電路,其中如果FA的輸出低于該閾值電壓,僅改變占空比。
13.如權利要求6所述的電路,其中如果FA的輸出高于該閾值電壓,僅改變開關頻率。
14.如權利要求13所述的電路,其中如果感測到負載電流,僅改變開關頻率。
15.一種逆變器電路,用于為放電燈提供電能,包括直流輸入電壓信號;開關網絡,用于將直流輸入電壓信號轉換為PWM交流波形;諧振儲能電路,用于對PWM交流波形進行濾波以驅動放電燈;以及控制電路,用于接收放電燈的電流和電壓的反饋以驅動開關網絡,從而調制PWM交流波形的占空比和開關頻率,其中,該控制電路僅調制PWM交流波形的占空比或開關頻率。
16.如權利要求15所述的電路,其中控制電路通過一個共用的控制電壓來調制PWM交流波形的占空比和開關頻率。
17.如權利要求16所述的電路,其中該共用的控制電壓劃分為多個區域,所述多個區域中的至少一個僅控制占空比。
18.如權利要求17所述的電路,其中所述多個區域包含至少一個僅控制開關頻率的區域。
19.如權利要求18所述的電路,其中僅當占空比達到最大值時,開關頻率才改變。
20.如權利要求17所述的電路,其中所述多個區域包含至少一個控制開關頻率的區域,該開關頻率僅在放電燈啟動前改變。
全文摘要
本發明公開了將DC電能轉換為驅動放電燈例如冷陰極熒光燈(CCFL)的AC電能的多個方法和電路。其中,一種將直流輸入電壓轉換為交流信號的方法包括在初級側中使輸入電壓可控地導通和關斷,以產生PWM(脈沖寬度已調制的)交流信號;在為負載供電的次級側的儲能電路中,將PWM交流信號變換為期望的電壓電平;以及通過反饋次級側的電壓、電流、或者電壓和電流,控制PWM交流信號的頻率和占空比,其中,該控制過程還包括將反饋值與至少一個參考值相比較;及產生用于調制PWM交流信號的頻率和占空比的控制信號。在其它優點中包括通過簡單的控制方案來調節燈電流和斷燈電壓。
文檔編號H02M7/537GK1808875SQ20061000593
公開日2006年7月26日 申請日期2006年1月19日 優先權日2005年1月19日
發明者陳偉 申請人:美國芯源系統股份有限公司