CN1808875A - 用于驱动放电灯的dc到ac电能转换的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了将DC电能转换为驱动放电灯例如冷阴极荧光灯(CCFL)的AC电能的多个方法和电路。其中，一种将直流输入电压转换为交流信号的方法包括：在初级侧中使输入电压可控地导通和关断，以产生PWM(脉冲宽度已调制的)交流信号；在为负载供电的次级侧的储能电路中，将PWM交流信号变换为期望的电压电平；以及通过反馈次级侧的电压、电流、或者电压和电流，控制PWM交流信号的频率和占空比，其中，该控制过程还包括：将反馈值与至少一个参考值相比较；及产生用于调制PWM交流信号的频率和占空比的控制信号。在其它优点中包括通过简单的控制方案来调节灯电流和断灯电压。

Description

用于驱动放电灯的DC到AC电能转换的方法和设备
相关申请的交叉参考
本申请要求2005年1月19日申请的美国临时专利申请No.60/645,567的权益。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于将DC(直流)电能转换为AC(交流)电能的方法和设备，更具体地涉及稳定地调节在断灯(灯开路，包括断路、灯管断开)条件下的灯电压以及精确地调节灯电流的简单的控制方案。
背景技术
用于PC监视器、电视、以及便携式DVD中的液晶显示(LCD)面板将放电灯用作背光器件。常用的放电灯包括冷阴极荧光灯(CCFL)和外置电极荧光灯(EEFL)。DC到AC开关逆变器常用于以极高的AC电压向这些灯供电。通常，由功率开关将DC电压斩波以产生振荡电压波形，然后使用变压器和滤波器元件来产生具有足够振幅的近似正弦波形。通常由频率范围从50到100千赫兹的AC信号驱动CCFL。
功率开关可以是双极结型晶体管(BJT)或场效应晶体管(MOSFET)。而且，晶体管可以是分立器件，或者集成到与DC到AC转换器的控制电路同一个封装内。由于阻性元件趋于消耗电能并降低电路的总效率，所以典型的用于DC到AC转换器的谐波滤波器采用使得电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阶谐振滤波器被称作“储能”电路，这是因为该储能电路以特定频率存储能量。也可以采用更高阶的谐波滤波器。
CCFL的平均寿命取决于其工作环境的几个方面。例如，以比其额定功率更高的功率驱动CCFL会缩减灯的使用寿命。此外，以具有高波峰因数(crest factor)的AC信号驱动CCFL会使灯过早发生故障。波峰因数是流经CCFL的峰值电流与平均电流之比。
另一方面，公知的是，以较高频率的方形AC信号驱动CCFL可以使灯的使用寿命最大化。但是，由于方形AC信号会导致与设置在该驱动电路附近的其它电路产生严重的干扰，所以典型地利用其波形小于最佳波形的AC信号、例如正弦形的AC信号来驱动灯。
双端(全桥式和推挽式)逆变器拓扑通用于驱动当今的放电灯，因为它们能在正负周期提供对称的电压和电流驱动。所得到的灯电流是正弦的并且具有低波峰因数。这些拓扑非常适于具有宽DC输入电压范围的应用。单端逆变器常被考虑用在低功率和对成本敏感的应用中。中国专利申请号200510069000.8所提出的新的单端逆变器能以低波峰因数有效地驱动放电灯，并且与传统的单端逆变器相比具有低得多的电压应力，因此对于低功率和对成本敏感的应用很有吸引力。
为了获得对灯电流和断灯电压的良好的调节，通常需要多个复杂的调节回路，来控制开关AC波形的开关频率和占空比，其中，这些开关AC波形产生自上述的逆变器拓扑中的开关器件。本发明提出一种独特和简单的控制方案。以下的讨论基于该新的单端拓扑。然而，同样的控制方案可以应用到包括全桥、半桥和推挽等其他拓扑上。
发明内容
本发明提供一种将直流输入电压转换为交流信号的方法，该方法包括：在初级侧中使输入电压可控地导通和关断，以产生PWM(脉冲宽度已调制的)交流信号；在为负载供电的次级侧的储能电路中，将PWM交流信号变换为期望的电压电平；以及通过反馈次级侧的电压、电流、或者电压和电流，控制PWM交流信号的频率和占空比，其中，该控制过程还包括：将反馈值与至少一个参考值相比较；及产生用于调制PWM交流信号的频率和占空比的控制信号。
根据上述方法，如果该控制信号高于阈值电压，仅调制占空比或频率。
根据上述方法，该阈值电压包括第一阈值电压和第二阈值电压。
根据上述方法，如果该控制信号低于第一阈值电压，仅改变占空比或频率。
根据上述方法，仅当该控制信号高于第二阈值电压时，才改变占空比或频率中的另一个。
本发明还提供一种直流到交流的电能逆变器电路，用于为负载提供交流电能，该电路包括：直流输入电压信号；开关网络，包括至少一个开关器件，以将直流输入电压信号转换为PWM交流波形；谐振储能电路，用于对PWM交流波形进行滤波以驱动负载；以及反馈部分，其利用对负载电压、负载电流或二者的测量结果来驱动开关网络；其中，该反馈部分包括：反馈放大器(FA)，用于将至少一个负载测量结果与至少一个参考信号相比较以产生控制信号；PWM控制器，用于接收该控制信号，以产生至少一个占空比和频率已被调制的方波信号；栅极驱动器，用于接收该方波信号，以驱动开关网络中的开关器件；及一个结构，其中，由FA接收负载测量结果，并且若FA的输出小于阈值电压则FA发送信号至PWM控制器，而若FA的输出大于该阈值电压则FA发送另一个信号至振荡器。
根据上述电路，开关网络配置为包含两个开关器件的单端拓扑，其中，一个开关器件为可控开关器件，另一个开关器件为不可控开关器件例如二极管或可控开关器件。
根据上述电路，谐振储能电路包含变压器，该变压器具有两个初级绕组，每个绕组的至少一端连接至所述两个开关器件中的一个，且电容器连接在所述两个初级绕组之间。
根据上述电路，开关网络配置为半桥拓扑。
根据上述电路，开关网络配置为推挽拓扑。
根据上述电路，开关网络配置为全桥拓扑。
根据上述电路，如果FA的输出低于该阈值电压，仅改变占空比。
根据上述电路，如果FA的输出高于该阈值电压，仅改变开关频率。
根据上述电路，如果感测到负载电流，仅改变开关频率。
本发明还提供一种逆变器电路，用于为放电灯提供电能，包括：直流输入电压信号；开关网络，用于将直流输入电压信号转换为PWM交流波形；谐振储能电路，用于对PWM交流波形进行滤波以驱动放电灯；以及控制电路，用于接收放电灯的电流和电压的反馈以驱动开关网络，从而调制PWM交流波形的占空比和开关频率，其中，该控制电路仅调制PWM交流波形的占空比或开关频率。
根据上述电路，控制电路通过一个共用的控制电压来调制PWM交流波形的占空比和开关频率。
根据上述电路，该共用的控制电压划分为多个区域，所述多个区域中的至少一个仅控制占空比。
根据上述电路，所述多个区域包含至少一个仅控制开关频率的区域。
根据上述电路，仅当占空比达到最大值时，开关频率才改变。
根据上述电路，所述多个区域包含至少一个控制开关频率的区域，该开关频率仅在放电灯启动前改变。
附图说明
通过参考以下结合附图的详细说明，本发明的前述方面及许多附带的优点会变得更容易体会并被更好地理解，在附图中：
图1为所提出的单端逆变器电路的方框图；
图2A为本发明实施例的简化示意图；
图2B示出正常的灯工作条件下的某些波形；
图3示出正常的灯工作条件下该电路的反馈操作；
图4示出断灯(包括启动)条件下该电路的反馈操作；
图5是本发明另一实施例的简化示意图；
图6是使用全桥拓扑的又一实施例的简化示意图；
图7是使用推挽拓扑的再一实施例的简化示意图；
图8是使用半桥拓扑的另一实施例的简化示意图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于将DC电能转换为AC电能的多个逆变器电路和方法，更具体地涉及用于驱动放电灯如冷阴极荧光灯(CCFL)的逆变器电路。在其它优点中，所提出的这些电路提供一个简单的驱动逆变器电路产生的开关波形的占空比或开关频率的控制方案。
下面将说明本发明的多种实施例。随后的说明提供了对这些实施例的全面理解的具体细节。但是，本领域技术人员应当理解，无需一些所述细节也可以实施本发明。此外，可能不会示出或者详细说明一些公知的结构或功能，以免不必要地使多种实施例的相关说明不清楚。
在下述说明中使用的术语即使是与本发明某些具体实施例的详细说明结合使用的，也要以其最宽的合理方式解释该术语。某些术语可能会在下面给予强调；但是，任何准备以某种受限的方式进行解释的术语将会在具体实施方式部分给予公开以及明确的定义。
这里所述的本发明实施例及其应用的说明是示例性的，不用以限制本发明的范围。实施例的各种变化和改型都是可能的，且这里所公开的实施例的各种元件的实际替换物或等同物对于本领域技术人员是公知的。可以进行所公开的实施例的这些变化和改型，而不背离本发明的范围和精神。
在图1、图2A及图5至图8中，连接在VIN和地之间的所示四到六个元件的组合可称作初级子电路，储能电路回路中的两个电感器和一个或两个电容器的组合可称作次级子电路。
图1为根据本发明实施例的单端DC到AC逆变器的方框图。在此实施例中，L1、L2和L3形成3绕组变压器。当主开关M1导通时，输入源的能量和初级侧电容器C1中存储的能量被传递到次级侧。通过主开关M1的电流是变压器的磁化电流与折算到变压器原边的(以下简称反射的)谐振电感器L4中的电流之和。在此情形下，初级侧二极管D1截止。
当主开关M1关断时，反射的L4电流流过二极管D1以继续其谐振。主开关M1的漏极电压随后增大至Vin+Vc，其中Vc是电容器C1两端的电压。通常，C1被设计为足够大，以使Vc几乎恒定并且等于Vin。因此，主开关上的最大电压应力约为2Vin。通过二极管D1的电流是磁化电流与反射的谐振电感器(L4)电流之和。因为L4的电流改变极性，所以通过二极管D1的净电流有时降至0。主开关M1的漏极电压也可降至Vin并在此电平附近振荡。该振荡可由两个初级绕组之间的漏电感和初级侧上的寄生电容引起。
电感器L1、L2、L3和L4可被集成到一个变压器中。可使用具有极好耦合系数的双线结构(bifilar structure)来缠绕L1和L2。通过离开L1和L2绕组来缠绕L3，在次级绕组L3和初级绕组(L1和L2)之间的漏磁通会形成L4。也可通过在3个柱子磁芯结构中的不同的磁性柱子上缠绕初级绕组和次级绕组，控制漏磁通。
图2A示出本发明实施例的简化示意图。反馈放大器输出Vc用于两个控制区域中：Vc＜Vth1，以及Vc＞Vth2，其中Vth1和Vth2可以相等。但是，在实际应用中理想的是，选择Vth2比Vth1至少大100mV，以克服噪声问题。一个控制区域可用于占空比控制，另一个控制区域可用于频率控制。例如，在图2A中，Vc＜Vth1区域用于占空比控制，而Vc＞Vth2区域用于频率控制。
通常通过调节灯电流来控制灯的亮度。此电流信号可由采样电阻R1来检测，然后被馈给至所提出的反馈放大器(FA)中。反馈放大器也可接收第二反馈信号，其可为灯电压。在图2A中，储能电容器Cr被两个串联电容器Cr1和Cr2代替，并且从这两个电容器的连接点取得反馈电压。反馈放大器的输出控制M1的占空比和开关频率，其依次调制灯电流和/或灯电压。
从图2B的波形显见，在占空比接近50％时，用于谐振储能L4、C1和R1的电压驱动波形围绕0相当地对称。因此，经过R1的灯电流基本接近于正弦。
如图3所示，在正常的工作条件下，灯电流被采样电阻感测，然后被全波整流。随后，跨导放大器A1将此信号与参考信号相比较。典型地，由提供超前-滞后(1ead-lag)补偿的电容器或电阻器和电容器的组合来补偿A1的输出。然后将放大器输出Vc与由时钟电路产生的固定斜坡电压(Vramp)相比较。如果Vc超过Vramp，比较器A2将会复位RS锁存器(Latch)U1以关断功率开关M1。由时钟信号CK1的上升沿启动功率开关M1的导通，该时钟信号CK1的频率是振荡时钟信号CLK的一半。
附加的触发器(flip-flop)U2用以确保最大为50％的占空比运行。如从此图中所容易看到的，Vc的增大将导致更高的占空比，从而导致更高的灯电流和灯电压。
如果灯电压超过期望的电压电平VREF1，放大器A3将产生灌电流(sinkcurrent)以对Vc端放电。平均的灌电流随灯电压而增大。这确保了在启动或异常条件下的灯电压调节。如果Vc超过Vramp的峰值并且继续增大到Vth2以上，则表示谐振储能不能产生足够的功率转换增益，从而产生期望的灯功率或灯电压。开关频率必须被调制以获得期望的调节。在图2A的实施例中，在此条件下频率将随Vc增大。因此，如果谐振储能电路被设计为在较高的开关频率上产生较高的功率转换增益，则增大的频率最终将满足对于灯功率或灯电压的调节需求。
在采用图2A所示方案的实际设计中，希望将灯点亮以后的开关频率设计为稍高于谐振电路的谐振频率。灯点亮以后，阀值Vth2必须被强迫高于最大控制电压Vc，这样用来防止即使在占空比达到最大限制值时导致频率升高。因此，Vth2在灯点亮前后被设为不同的值。在灯点亮以后，Vth2必须高于最大的控制电压Vc，在灯点亮以前，Vth2被设置为占空比达到最大限制值时的电压。
图4示出在包括启动的断灯条件下该电路的反馈操作。在断灯条件下，存在两种可能性。A1将产生更高的Vc以增大占空比，从而增大灯电压。如果在Vc超过Vth2之前，灯电压到达由VREF1和反馈分压电路增益指定的期望电压，则A3在Vc端上产生下拉电流，从而防止Vc进一步增大。在此条件下，开关频率将保持不变，并且占空比被调制以调节断灯电压。如果当Vc超过Vth2时灯电压未到达期望的调节点，占空比已到达最大值50％。如果没有灯电流，A4将产生电流以增大开关频率。然后，由于在更高频率处增大的转换增益，灯电压增大。最终，灯电压将到达调节点，并且A1将产生下拉电流来调节Vc，从而调节频率至一个稳态点。
在上述实施例中，反馈放大器输出的控制电压Vc在灯点亮后的正常工作条件下，控制电压Vc小于阈值Vth2，可以根据检测到的反馈信号，如灯电流等，按照图3所示方法，通过反馈调节来调节占空比，从而调节灯电流的大小。在启动或者断灯条件下，当控制电压Vc超过阀值Vth2时，又可以调节交流波形的开关频率来获得期望的灯电压。因此，控制电压Vc根据电路不同的工作情况，同时具有调节开关频率、占空比的作用，也可以称之为共用的控制信号。在上述实施例中，通过设置Vth2，将控制电压Vc划分为两个区域，其中当控制电压Vc小于Vth2时，只调节占空比；当Vc超过Vth2时，调节开关频率，此时占空比已经达到最大限定值。显然，通过设置多个阈值，可以将该控制信号Vc划分为多个区域，实现更多的控制功能。
需要指出的是，图3所示的实施例中采用灯电流的采样作为反馈信号。本领域的技术人员从中不难实现灯电压反馈、或者灯电压信号叠加采样的灯电流信号的方式进行反馈，实现不同的控制功能。在图4所示的实施例中，占空比的最大值为50％，对本领域的技术人员而言，占空比最大值限制在其他数值不影响本发明的本质。
图5示出一种设置，其中二极管D1被低导通电阻(RDSon)的MOSFET(M2)所替代。可以通过几种方式实现M2的栅极控制。一种方式是仅当电流从源极流到漏极时导通M2。除了功率损耗降低外，所得的电路近似于以上所示的基本电路。另一种方式是以与主开关M1相同的导通时间来导通M2。与在推挽式逆变器中相似，将M1和M2的脉冲进行交错。所得的电路将获得与推挽式电路相同的对称的电压及电流驱动用于谐振储能。此外，M1和M2开关的电压应力将永远不会超过2Vin，并且不需要缓冲器。
图6是使用全桥拓扑的又一实施例的简化示意图。在图6中，在变压器的初级侧上，第一和第二晶体管串联连接在DC输入电压和电路接地端之间，第三和第四晶体管也串联连接在DC输入电压和电路接地端之间。串联的电感器和电容器连接在第一和第二晶体管的连接点与第三和第四晶体管的连接点之间。此实施例中的全部四个晶体管由栅极驱动器控制，并且电感器与储能回路的至少一个绕组形成变压器。
图7是使用推挽拓扑的再一实施例的简化示意图。在图7中，在变压器的初级侧上，第一电感器和第一晶体管串联连接在DC输入电压和电路接地端之间，第二电感器和第二晶体管也串联连接在DC输入电压和电路接地端之间。此实施例中的两个晶体管由栅极驱动器控制，并且第一和第二电感器与储能回路的至少一个绕组形成变压器。
图8是使用半桥拓扑的另一实施例的简化示意图。在图8中，在变压器的初级侧上，第一和第二电容器串联连接在DC输入电压和电路接地端之间，第一和第二晶体管也串联连接在DC输入电压和电路接地端之间。电感器连接在第一和第二电容器的连接点与第一和第二晶体管的连接点之间。此实施例中的两个晶体管由栅极驱动器控制，并且电感器与储能回路的至少一个绕组形成变压器。
结论
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”等类似词语应当解释为包含的含义，而不是排他或者穷举的含义；也就是说，是“包含，但不局限于”的含义。如这里所使用的，术语“连接”、“耦合”或者其变型，意味着在两个或者更多元件之间直接或者间接地连接；元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。
此外，本申请中所使用的词语“这里”、“上述”、“下面”以及含有类似含义的词语应当涉及本申请的全部内容，而不是本申请的特定部分。在上下文允许时，上述具体实施方式中使用单数或者复数的词语也可以分别包括复数或者单数。关于两个或者更多选项列表的词语“或者”覆盖了该词语的所有下述解释：列表中的任意选项，列表中的所有选项，以及列表中选项的任意组合。
本发明实施例的上述详细说明并不是穷举的或者用于将本发明限制在上述明确的形式上。在上述以示意性目的说明本发明的特定实施例和实例的同时，本领域技术人员将认识到可以在本发明的范围内进行各种等效修改。
本发明这里所提供的启示并不是必须应用到上述系统中，还可以应用到其它系统中。可将上述各种实施例的元件和作用相结合以提供更多的实施例。
可以根据上述详细说明对本发明进行修改。在上述说明描述了本发明的特定实施例并且描述了预期最佳模式的同时，无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述补偿系统的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。
如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
在下面以某些特定权利要求的形式描述本发明的某些方案的同时，发明人仔细考虑了本发明各种方案的许多权利要求形式。因此，发明人保留在提交申请后增加附加权利要求的权利，从而以这些附加权利要求的形式追述本发明的其它方案。

Claims (20)

1、一种将直流输入电压转换为交流信号的方法，该方法包括：
在初级侧中使输入电压可控地导通和关断，以产生PWM(脉冲宽度已调制的)交流信号；
在为负载供电的次级侧的储能电路中，将PWM交流信号变换为期望的电压电平；以及
通过反馈次级侧的电压、电流、或者电压和电流，控制PWM交流信号的频率和占空比，其中，该控制过程还包括：
将反馈值与至少一个参考值相比较；及
产生用于调制PWM交流信号的频率和占空比的控制信号。
2、如权利要求1所述的方法，其中如果该控制信号高于阈值电压，仅调制占空比或频率。
3、如权利要求2所述的方法，其中该阈值电压包括第一阈值电压和第二阈值电压。
4、如权利要求3所述的方法，其中如果该控制信号低于第一阈值电压，仅改变占空比或频率。
5、如权利要求4所述的方法，其中仅当该控制信号高于第二阈值电压时，才改变占空比或频率中的另一个。
6、一种直流到交流的电能逆变器电路，用于为负载提供交流电能，该电路包括：
直流输入电压信号；
开关网络，包括至少一个开关器件，以将直流输入电压信号转换为PWM交流波形；
谐振储能电路，用于对PWM交流波形进行滤波以驱动负载；以及
反馈部分，其利用对负载电压、负载电流或二者的测量结果来驱动开关网络；其中，该反馈部分包括：
反馈放大器(FA)，用于将至少一个负载测量结果与至少一个参考信号相比较以产生控制信号；
PWM控制器，用于接收该控制信号，以产生至少一个占空比和频率已被调制的方波信号；
栅极驱动器，用于接收该方波信号，以驱动开关网络中的开关器件；及
一个结构，其中，由FA接收负载测量结果，并且若FA的输出小于阈值电压则FA发送信号至PWM控制器，而若FA的输出大于该阈值电压则FA发送另一个信号至振荡器。
7、如权利要求6所述的电路，其中开关网络配置为包含两个开关器件的单端拓扑，其中，一个开关器件为可控开关，另一个开关器件为不可控开关器件或可控开关器件。
8、如权利要求7所述的电路，其中谐振储能电路包含变压器，该变压器具有两个初级绕组，每个绕组的至少一端连接至所述两个开关器件中的一个，且电容器连接在所述两个初级绕组之间。
9、如权利要求6所述的电路，其中开关网络配置为半桥拓扑。
10、如权利要求6所述的电路，其中开关网络配置为推挽拓扑。
11、如权利要求6所述的电路，其中开关网络配置为全桥拓扑。
12、如权利要求6所述的电路，其中如果FA的输出低于该阈值电压，仅改变占空比。
13、如权利要求6所述的电路，其中如果FA的输出高于该阈值电压，仅改变开关频率。
14、如权利要求13所述的电路，其中如果感测到负载电流，仅改变开关频率。
15、一种逆变器电路，用于为放电灯提供电能，包括：
直流输入电压信号；
开关网络，用于将直流输入电压信号转换为PWM交流波形；
谐振储能电路，用于对PWM交流波形进行滤波以驱动放电灯；以及
控制电路，用于接收放电灯的电流和电压的反馈以驱动开关网络，从而调制PWM交流波形的占空比和开关频率，其中，该控制电路仅调制PWM交流波形的占空比或开关频率。
16、如权利要求15所述的电路，其中控制电路通过一个共用的控制电压来调制PWM交流波形的占空比和开关频率。
17、如权利要求16所述的电路，其中该共用的控制电压划分为多个区域，所述多个区域中的至少一个仅控制占空比。
18、如权利要求17所述的电路，其中所述多个区域包含至少一个仅控制开关频率的区域。
19、如权利要求18所述的电路，其中仅当占空比达到最大值时，开关频率才改变。
20、如权利要求17所述的电路，其中所述多个区域包含至少一个控制开关频率的区域，该开关频率仅在放电灯启动前改变。
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