專利名稱：帶全波整流裝置的多諧直流－直流變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種配備有直流-直流變流器以向負(fù)載供電的電路系統(tǒng)，該電路系統(tǒng)包括輸入端，供與直流電壓源連接；一個(gè)電路部分，包括電感裝置和第一電容裝置，且與輸入端連接；一個(gè)開關(guān)元件，與第一電容裝置并聯(lián)連接；一個(gè)控制電路，連接到開關(guān)元件上，使開關(guān)元件以高頻方式導(dǎo)通和不導(dǎo)通；一個(gè)變壓器，包括一個(gè)初級(jí)線圈和一個(gè)次級(jí)線圈，該初級(jí)線圈處在電路部分中；一個(gè)輸出電路，連接到次級(jí)線圈上，且配備有輸出端，供與負(fù)載連接；整流裝置，連接在次級(jí)線圈與輸出端之間；第二電容裝置，連接在次級(jí)線圈與輸出端之間。
本發(fā)明還涉及一種照明設(shè)備。
從1988年“第19屆電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)工業(yè)電子學(xué)專家年會(huì)”科研報(bào)告集第1卷第9至第17頁(yè)上可以了解到本說明開端所述的那一種電路系統(tǒng)的情況。
所述現(xiàn)有技術(shù)的電路系統(tǒng)有一個(gè)多諧振直流-直流變流器。開關(guān)元件兩端的電壓基本上等于零時(shí)促使直流-直流變流器的開關(guān)元件導(dǎo)通，從而使開關(guān)元件工作過程中消耗的電量較小。多諧振的操作情況也是使整流裝置工作過程中消耗的電量較小。然而，現(xiàn)有技術(shù)的這種電路系統(tǒng)有這樣的主要缺點(diǎn)，即開關(guān)器件提供的電能是在每一個(gè)高頻周期內(nèi)的相對(duì)較短的時(shí)段內(nèi)傳送給輸出端子的，因而電路系統(tǒng)的許多元件必須在此相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)承受相對(duì)較高的功率級(jí)，因而必須具有相應(yīng)的尺寸。另一個(gè)后果是，開關(guān)元件兩端的電壓在各高頻周期內(nèi)達(dá)到的較高值，從而開關(guān)元件的尺寸也必須足以適應(yīng)這種情況。
本發(fā)明的目的是提供一種工作期間的耗電量較小、能用只需要滿足較低要求的一些元件構(gòu)成的電路系統(tǒng)。
為達(dá)到此目的，本發(fā)明在本說明書開端所述的電路系統(tǒng)具有這樣的特點(diǎn)整流裝置采用全波整流裝置。
按照本發(fā)明，電能是在電路系統(tǒng)的每一個(gè)高頻周期內(nèi)的兩個(gè)時(shí)段內(nèi)傳送給輸出端的。由于電能如此傳送是在較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行的，因而電路系統(tǒng)各元件的尺寸只需按較低的瞬時(shí)功率級(jí)選取即可。此外，還可以看出，開關(guān)元件兩端的電壓在各高頻周期內(nèi)的最大值也較小，因而開關(guān)元件無需按高電壓選取尺寸。此外，若給電路系統(tǒng)提供60Hz頻率經(jīng)整流的正弦電源電壓，則電路系統(tǒng)在電源電壓過零之后必須以每秒120次的頻度恢復(fù)工作。我們發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的電路系統(tǒng)每次在電源電壓過零之后恢復(fù)到穩(wěn)定工作情況的過程較快。若本發(fā)明的電源系統(tǒng)用作例如包括由多個(gè)半導(dǎo)體光源組成的網(wǎng)路的照明設(shè)備的電源電路，則本發(fā)明電路系統(tǒng)的這后一種性能非常重要。
整流裝置可以包括例如二極管電橋或倍壓器。
本發(fā)明電路系統(tǒng)的一些實(shí)施例中的所述電路部分，凡具有電感裝置、變壓器的初級(jí)線圈和第一電容裝置組成的串聯(lián)電路的都取得良好的效果。
此外還發(fā)現(xiàn)，可以將變壓器構(gòu)制得使電感裝置不是由一個(gè)或多個(gè)分立元件形成，而是由變壓器的漏電感形成。由于這種電路系統(tǒng)的磁性組件不多于1個(gè)，因而結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。
此外還發(fā)現(xiàn)在本發(fā)明電路系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，凡變壓器的次級(jí)線圈與第二電容裝置并聯(lián)連接，且次級(jí)線圈各端連接到二極管電橋的相應(yīng)輸入端的，也都取得良好的效果。
各輸出端最好用第三電容裝置連接起來，用這些第三電容裝置作為緩沖電容。
我們發(fā)現(xiàn)，若開關(guān)元件不導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)段是固定的，則可以較簡(jiǎn)單的方式構(gòu)制本發(fā)明電路系統(tǒng)的控制電路。
此外還發(fā)現(xiàn)，在許多應(yīng)用場(chǎng)合總希望給這種電路系統(tǒng)配備一個(gè)電路部分，該電路部分連接到各輸出端和控制電路，用于控制電路系統(tǒng)所提供的電流。
本發(fā)明的電路系統(tǒng)特別適用作具有半導(dǎo)體光源網(wǎng)路的照明設(shè)備中的電源電路。提供給這類半導(dǎo)體光源網(wǎng)路的電壓是幅值較小的直流電壓。這類直流電壓經(jīng)常是由幅值相當(dāng)大的低頻交流電源電壓產(chǎn)生的。我們發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的電路系統(tǒng)能有效地從低頻交流電壓產(chǎn)生幅值相當(dāng)穩(wěn)定的直流電壓。此外還可以用本發(fā)明的電路系統(tǒng)達(dá)到極高的功率因數(shù)而僅有小量的干優(yōu)。這類照明裝置，特別是其半導(dǎo)體光源的發(fā)光效率高，因而特別適用作光信號(hào)裝置，例如交通燈。照明設(shè)備在這種應(yīng)用場(chǎng)合容易受到變化幅度極大的溫度的影響。鑒于半導(dǎo)體光源的光輸出受溫度的影響極大，因而有益的是，給電路系統(tǒng)配備根據(jù)半導(dǎo)體光源網(wǎng)路的溫度的調(diào)節(jié)裝置用以調(diào)節(jié)開關(guān)元件在各高頻周期內(nèi)的導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)段。根據(jù)溫度調(diào)節(jié)開關(guān)元件在各高頻周期內(nèi)的導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)段可以使照明裝置的光通量受溫度影響的程度較小。
現(xiàn)在參看附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明照明設(shè)備的實(shí)施例。附圖中

圖1是本發(fā)明照明設(shè)備一個(gè)實(shí)施例的電路圖；圖2示出了圖1所示的電路系統(tǒng)中若干電壓和電流作為時(shí)間函數(shù)而變化的波形。
圖1中，K1和K2是供與提供低頻交流電壓的供電電壓源相連接的端子。K1和K2連接二極管電橋DB的相應(yīng)輸入端。二極管電橋DB的輸出端分別接輸入端K3和輸入端K4。在本實(shí)施例中，K3和K4構(gòu)成供與直流電壓源相連接的輸入端。K3和K4由作為緩沖電容的電容器C4互連起來。輸入端子K3和K4還由線圈L、變壓器T的初級(jí)線圈P和電容器C1組成的串聯(lián)電路互連起來。此串聯(lián)電路在本實(shí)施例中形成將輸入端K3和K4互連起來的電路部分。本實(shí)施例中的線圈L形成電感裝置，電容器C1形成第一電容裝置。電容器C1與開關(guān)元件S1并聯(lián)，開關(guān)元件S1的控制極連接控制電路SC的輸出端，供促使開關(guān)元件S1以高頻方式導(dǎo)通和截止?？刂齐娐稴C的輸入端連接放大器A的輸出端。放大器A的第一輸入端連接端子K7，端子K7上在電路系統(tǒng)工作期間有基準(zhǔn)電壓Vref出現(xiàn)，該基準(zhǔn)電壓由圖1中未示出的裝置產(chǎn)生。放大器A的第二輸入端連接電阻器R1和NTC(負(fù)溫度系數(shù))R2的公共連接點(diǎn)。電阻器R1和NTC R2組成的串聯(lián)電路的第一端連接端子K8。串聯(lián)電路的第二端接地。D5是個(gè)二極管，構(gòu)成開關(guān)元件S1的一部分。變壓器T的次級(jí)線圈S與電容器C2并聯(lián)，電容器C2在本實(shí)施例中形成第二電容裝置。次級(jí)線圈S的各端連接在本實(shí)施例中構(gòu)成整流裝置的由二極管D1，D2，D3和D4組成的二極管電橋的相應(yīng)的輸入端。二極管電橋的輸出端K5和K6由在本實(shí)施例中構(gòu)成第三電容裝置且起緩沖電容的作用的電容器C3互連起來。二極管電橋的輸出端同時(shí)也是電路系統(tǒng)的輸出端。半導(dǎo)體光源網(wǎng)路連接這些輸出端。半導(dǎo)體光源由多個(gè)發(fā)光二極管LED構(gòu)成，光源網(wǎng)路在圖1中以四個(gè)LEDLED1至LED4示意示出。電阻器RSENSE連接在端子K6和端子K8之間。端子K6接地。端子K8構(gòu)成網(wǎng)路與電阻器RSENSE的公共端子。
圖1所示實(shí)施例的工作過程如下。
端子K1和K2接提供低頻交流電壓的供電電壓電源時(shí)，此低頻交流電壓經(jīng)二極管電橋DB整流，于是電容器C4兩端就出現(xiàn)直流電壓?？刂齐娐稴C使開關(guān)元件S1以高頻方式交替地導(dǎo)通和截止。其結(jié)果，在線圈L、初級(jí)線圈P和電容器C1組成的串聯(lián)電路中有高頻電流流過，同時(shí)在次級(jí)線圈S各端之間得出高頻交流電壓。在與高頻交流電壓有關(guān)的每一個(gè)高頻周期中可以區(qū)分出電路系統(tǒng)六種不同的連續(xù)工作狀態(tài)。在第一工作狀態(tài)中，開關(guān)元件S1導(dǎo)通，電流通過初級(jí)線圈從輸入端K3流到輸入端K4。電容器C2兩端的高頻交流電壓的瞬時(shí)幅值大到使二極管電橋的二極管D1和D3導(dǎo)通，電容器C3構(gòu)成的緩沖電容進(jìn)入充電狀態(tài)。電容器C3因二極管D1和D3導(dǎo)通而與電容器C2并聯(lián)連接。由于電容器C3的電容值通常選取較大的值，因而電容器C2和C3連同線圈L一起實(shí)際上不會(huì)產(chǎn)生諧振作用，因而這個(gè)直流-直流變流器在此第一工作狀態(tài)下表現(xiàn)為非諧振正向變流器。電容器C4的電容值相對(duì)較小，使得電容器C4兩端電壓的瞬時(shí)幅值基本上等于低頻交流電壓的瞬時(shí)幅值。流過初級(jí)線圈P的電流會(huì)隨著電容器C4兩端電壓和初級(jí)線圈P兩端電壓的瞬時(shí)值而增加或減小?？刂齐娐肥归_關(guān)元件S1截止時(shí)，第一工作狀態(tài)結(jié)束，第二工作狀態(tài)開始。接著，流過初級(jí)線圈P的電流在第二工作狀態(tài)下給電容器C1充電。由于在此第二工作狀態(tài)下的線圈L與電容器C1發(fā)生諧振，因而電容器C1兩端的電壓上升到高于電容器C4兩端電壓的瞬時(shí)值。二極管D1和D3繼續(xù)導(dǎo)通直到流經(jīng)初級(jí)線圈的瞬時(shí)電流幅值下降到零為止。接著，流經(jīng)初級(jí)線圈的電流反向，電容器C1放電。電容器C2也放電，從而使二極管D1和D3不再導(dǎo)通，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。二極管D1和D3停止導(dǎo)通時(shí)，第二工作狀態(tài)結(jié)束，第三工作狀態(tài)開始。在第三工作情況下，電容器C3不再與電容器C2并聯(lián)連接。但電容器C2的電容值選取得比電容器C1大得多，因而使電容器C1在第三工作狀態(tài)下與線圈L諧振。電容器C2兩端的電壓在初級(jí)線圈P兩端的電壓改變符號(hào)的那一瞬間為零。接著，電容器C2充電到其極性和自身兩端在第一和第二工作狀態(tài)下的電壓相反的電壓。電容器C2兩端電壓的幅值大到二極管D2和D4導(dǎo)通、電容器C3進(jìn)入充電狀態(tài)時(shí)，第三工作狀態(tài)結(jié)束，第四工作狀態(tài)開始。在此第四工作狀態(tài)下，存儲(chǔ)在電容器C1中的能量轉(zhuǎn)移到電容器C3。電容器C1兩端的電壓下降到使二極管D5導(dǎo)通時(shí)，第四工作狀態(tài)結(jié)束，第五工作狀態(tài)開始。在此第五工作狀態(tài)下沒有諧振現(xiàn)象?？刂齐娐稴C使開關(guān)元件S1導(dǎo)通，同時(shí)二極管D5處在導(dǎo)通狀態(tài)，從而在促使開關(guān)元件導(dǎo)通的過程中不產(chǎn)生開關(guān)損耗。流經(jīng)初級(jí)線圈的電流改變方向時(shí)，電容器C2兩端電壓的幅值減小，從而使二極管D2和D4截止。二極管D2和D4停止導(dǎo)通的那一瞬間，第五工作狀態(tài)結(jié)束，第六工作狀態(tài)開始。在第六工作狀態(tài)下，流經(jīng)初級(jí)線圈P和開關(guān)元件S1的電流上升，于是電容器C1進(jìn)入充電狀態(tài)。電容器C2也充電。電容器C2兩端電壓的瞬時(shí)幅值大到二極管D1和D2導(dǎo)通時(shí)，第六工作狀態(tài)結(jié)束，第一工作狀態(tài)又開始。電容器C3的電容值選取得大到電容器C3兩端的電壓在高頻周期內(nèi)幾乎不變的程度。LED網(wǎng)路在電路系統(tǒng)工作時(shí)即由電容器C3兩端的這個(gè)直流電壓供電。
由于能量是在第一和第二及第四和第五工作狀態(tài)期間內(nèi)轉(zhuǎn)移到變流器的輸出端，因而對(duì)例如電容器C3選取尺寸的要求就無需象只在一個(gè)時(shí)段內(nèi)也即在各高頻周期較小部分期間內(nèi)進(jìn)行這種能量的轉(zhuǎn)移的變流器的情況下那么嚴(yán)格。對(duì)二極管D1-D4構(gòu)成的二極管電橋應(yīng)該指出的是，若二極管電橋處于截止?fàn)顟B(tài)，則二極管D1和二極管D4組成的串聯(lián)電路和二極管D2和二極管D3組成的串聯(lián)電路，其各兩端的最高電壓充其量等于輸出端子之間的電壓，因而各二極管的最高反向電壓較低。流經(jīng)各二極管的最大電流也較小。這樣就可以用耐用而較為價(jià)廉的二極管制取二極管電橋。開關(guān)元件S1兩端電壓的最大幅值較小，因而開關(guān)元件在最高電壓方面所需要滿足的要求也不那么嚴(yán)格。
在工作的過程中，端子K8處的電壓形成一個(gè)表示網(wǎng)路所耗電流量的信號(hào)。借助這個(gè)信號(hào)，網(wǎng)路現(xiàn)時(shí)所消耗的電流通過放大器A和控制電路SC控制在基本上恒定的電流值。
LED網(wǎng)路的溫度升高時(shí)，NTC R2的溫度也上升，于是NTC R2兩端的電壓下降，從而使放大器A第二輸入端的電壓也因NTC R2的阻值隨溫度的上升而減小而下降了。放大器輸出端的電壓由于放大器A第一輸入端的電壓仍然等于Vref而升高?？刂齐娐稴C對(duì)此所起的反應(yīng)是延長(zhǎng)開關(guān)元件S1在各高頻周期的導(dǎo)通時(shí)間來提高電壓。這樣做的結(jié)果是增加了對(duì)LED網(wǎng)路的供電量。由于LED的光輸出隨溫度的上升而減少，因而此供電量的增加使LED網(wǎng)路所提供的光通量在較寬的溫度范圍內(nèi)只在較小范圍內(nèi)變化。
在圖2a和圖2b中，時(shí)間都以微秒計(jì)在橫坐標(biāo)軸上標(biāo)出。曲線1表示以毫安計(jì)流經(jīng)初級(jí)線圈的電流放大1000倍的曲線。曲線2表示以毫安計(jì)流經(jīng)次級(jí)線圈S的電流縮小到1/6的曲線。曲線3是LED網(wǎng)路所吸收的以毫安計(jì)的直流電流。曲線4是電容器C1兩端(因而也是開關(guān)元件S1兩端)以伏計(jì)的電壓。曲線9是控制電路SC產(chǎn)生的以毫伏計(jì)的控制信號(hào)縮小到1/100的曲線。垂直虛線表示一連串工作狀態(tài)之間的過渡段。電路系統(tǒng)處在六種一連串工作狀態(tài)期間的時(shí)段，段在圖2(b)的水平軸線上以1至6的編號(hào)標(biāo)出。圖2的所有曲線都是在165伏低頻供電電壓的瞬時(shí)幅值(這大致相當(dāng)于120伏低頻供電電壓情況下低頻供電電壓的最大幅值)下測(cè)出的。顯然開關(guān)元件兩端的最高電壓大致不會(huì)超過600伏。我們發(fā)現(xiàn)，若整流裝置不制成二極管橋而采用一個(gè)二極管，則開關(guān)元件兩端的最高電壓為150至200伏。
在圖1所示照明設(shè)備的實(shí)際實(shí)施例中，LED網(wǎng)路由18個(gè)紅色LED組成，在大約14伏輸出電壓的情況下總的功率消耗約為15瓦。電容器C1，C2，C3和C4的電容值分別為2.2nF、267nF、470μF法和330nF。線圈L的電感值為1.6毫亨。變壓器T初級(jí)線圈P的匝數(shù)為次級(jí)線圈S匝數(shù)的4倍。提供給電路系統(tǒng)的電源電壓為60赫120伏均方根值的低頻正弦電壓。控制電路SC使開關(guān)元件導(dǎo)通和截止所使用的頻率約為67千赫。此電路系統(tǒng)測(cè)出的功率因數(shù)為0.95。照明設(shè)備發(fā)出的光通量在-40℃至+65℃溫度范圍內(nèi)的變化范圍較小。
權(quán)利要求
1.一種給負(fù)載供電的電路系統(tǒng)，配備有一個(gè)直流-直流變流器，所述電路系統(tǒng)包括輸入端，供與直流電壓源連接；一個(gè)電路部分，包括電感裝置和第一電容裝置，且與輸入端連接起來；一個(gè)開關(guān)元件，與第一電容裝置并聯(lián)連接；一個(gè)控制電路，連接到開關(guān)元件上，使開關(guān)元件以高頻方式導(dǎo)通和不導(dǎo)通；一個(gè)變壓器，包括一個(gè)初級(jí)線圈和一個(gè)次級(jí)線圈，該初級(jí)線圈處在電路部分中；一個(gè)輸出電路，連接到次級(jí)線圈上且配備有輸出端，供與負(fù)載連接；整流裝置，耦合在次級(jí)線圈與輸出端之間；第二電容裝置，連接在次級(jí)線圈與輸出端之間；其特征在于，所述整流裝置為全波整流裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其特征在于，整流裝置包括一個(gè)二極管電橋。
3.如權(quán)利要求1所述的電路系統(tǒng)，其特征在于，整流裝置包括一個(gè)倍壓器。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的電路系統(tǒng)，其特征在于，所述電路部分由一個(gè)電感裝置、變壓器初級(jí)線圈和第一電容裝置組成的串聯(lián)電路組成。
5.如以上任一或任幾個(gè)權(quán)利要求所述的電路系統(tǒng)，其特征在于，電感裝置由變電器的漏電感構(gòu)成。
6.如以上任一或任幾個(gè)權(quán)利要求所述的電路系統(tǒng)，其特征在于，變壓器的次級(jí)線圈與第二電容裝置并聯(lián)，且次級(jí)線圈的相應(yīng)端連接到二極管電橋的相應(yīng)輸入端上。
7.如以上任一或任幾個(gè)權(quán)利要求所述的電路系統(tǒng)，其特征在于，各輸出端子用第三電容裝置互連起來。
8.如以上任一或任幾個(gè)權(quán)利要求所述的電路系統(tǒng)，其特征在于，開關(guān)元件不導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)段固定不變。
9.如以上任一或任幾個(gè)權(quán)利要求所述的電路系統(tǒng)，其特征在于，電路系統(tǒng)配備有一個(gè)電路部分，連接到輸出端和控制電路上，供控制由電路系統(tǒng)所提供的電流。
10.一種包括如以上任一或任幾個(gè)權(quán)利要求所述的電路系統(tǒng)的照明設(shè)備，它有一個(gè)半導(dǎo)體光源網(wǎng)路耦合到所述電路系統(tǒng)的輸出端。
11.如權(quán)利要求8所述的照明設(shè)備，其特征在于，電路系統(tǒng)配備有根據(jù)半導(dǎo)體光源網(wǎng)路的溫度來調(diào)節(jié)開關(guān)元件在各高頻周期內(nèi)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)段的裝置。
全文摘要
一種多諧振直流—直流變流器,配備有一個(gè)開關(guān)元件(S1),一個(gè)變壓器(T)和連接到變壓器的次級(jí)線圈(S)的整流裝置,整流裝置制成二極管電橋(D1,D2,D3,D4),從而使開關(guān)元件兩端電壓的最大幅值較小。這種開關(guān)元件特別適宜給LED網(wǎng)路供電。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1241318SQ98801401
公開日2000年1月12日 申請(qǐng)日期1998年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月1日
發(fā)明者M·J·M·布克斯, E·B·G·尼霍夫 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司