同步反激式转换器电路的制作方法

同步反激式转换器电路
1.本发明涉及一种反激式转换器电路和一种用于控制反激式转换器电路的方法。本发明特别是涉及一种时钟式反激式转换器，用在灯具，特别是发光二极管的操作装置中。
2.反激式转换器，也称为升降压转换器(英文：flyback converter)，是一种直流转换器，该转换器借助于变压器在输入侧与输出侧之间电脱耦地传输电能。通过反激式转换器，能够以低的电路技术成本将在输入端输入的直流电压转换为具有另一种电压水平的直流电压，其中能够以简单的方式通过选择变压器的匝数比影响水平差。
3.从us 2014/0153292 a1中已知一种时钟式反激式转换器电路，其中控制设备以特定频率和占空比选择性地接通和再次关断将变压器的初级线圈联接接地的开关，用于为反激式转换器进行时钟控制。us 2014/0153292 a1提出，将这样的时钟式反激式转换器电路用于为发光二极管(led)直接输电，其中借助于测量电阻检测流过可控制的开关的电流并且一旦所检测到的电流达到最大开关电流的预定阈值(峰值电流值)，就关断开关。
4.根据us 2014/0153292 a1，为调节输出功率，调整该阈值，使其匹配输出到发光二极管的电流与预定的设定输出电流之间所确定的偏差。为此，借助于由变压器的初级侧辅助绕组输出的电压确定输出到发光二极管的电流，这使得保持电隔离成为可能，其中在电压的曲线中确定下降沿的时间点，以便确定在阻断阶段电流通过次级绕组的持续时间。
5.这样有个缺点，即需要辅助绕组来检测次级侧电流，这使得结构整体上变得复杂和昂贵。另外，基于电流持续时间确定输出到发光二极管的电流是不精确的。
6.us 2018/0294734 a1公开了一种同步反激式转换器电路，其中当通过第二开关的电流在降至零之后达到负值，关断替代次级侧所需的二极管的第二开关，以便借助于负磁化电流使寄生电容放电并使得初级侧第一开关的安全零电压开关(zero voltage switching)成为可能。以此方式产生的使寄生电容放电的电流取决于在关断时间点流过第二开关的电流的大小和变压器的结构(电感l和匝数比n)，其中流过第二开关的电流的大小取决于从电流过零到关断时间点的时间跨度t和缓冲电容器的电压或由反激式转换器电路输出的电压u。根据us 2018/0294734 a1，负磁化电流i的振幅可借助于公式i＝n/l
·
u
·
t来确定。
7.为调整针对寄生电容的放电而预定的电流，使其匹配由反激式转换器电路输出的不同电压，us 2018/0294734 a1提出，检测由反激式转换器电路输出的电压并使时间跨度根据所检测到的电压而变化。
8.本发明的目的在于，给出减少所描述的问题的装置和方法。特别地，目的在于，提供一种用于操作一个或多个灯具，特别是led的操作装置，以及一种用于控制反激式转换器电路的方法，该反激式转换器电路能够实现在大的负载范围内通过简单且成本低廉的结构进行精确的控制和调节。
9.该目的根据独立权利要求的特征来实现。本发明通过从属权利要求的特征得以扩展。
10.根据本发明，反激式转换器电路具有：可控制的第一开关，具有寄生电容或并联的外部电容；可控制的第二开关；变压器，具有初级绕组，该初级绕组与第一开关耦合，和次级
绕组，该次级绕组与第二开关耦合；控制设备，该控制设备设计用于在通过第二开关的电流在降至零之后达到负值时关断第二开关，其中使设计成与第一开关并联的电容在关断第一开关后充电并且在关断第二开关后放电；以及用于确定电容放电速度的量度的装置，用于确定在关断第二开关的时间点流过第二开关的电流。
11.放电速度是次级负电流在关断第二开关的时间点的指标，该第二开关可用于控制(负)峰值电流，而无需直接检测次级侧的由反激式转换器电路输出的电压或缓冲电容器处的电压。
12.替代性地或此外，可确定由反激式转换器电路输出的电压，因为变压器的初级侧的电压在消磁阶段期间(该消磁阶段在打开初级侧的开关后开始，当变压的匝数比n已知时)由于变压器的耦合比而与变压器次级侧的电压成正比。在次级侧开关闭合时，缓冲电容器处的电压或由反激式转换器电路输出的电压u对应于变压器次级侧两端的电压。
13.在反激式转换器电路中，第二开关替代次级侧所需的二极管或者与之并联。这能够实现能量流的反转，即从次级侧设置的缓冲电容器到初级侧(同步反激式转换器电路)。在即将关断第二开关前的反转中，流过第二开关的电流取决于关断时间点和缓冲电容器的充电或由反激式转换器电路输出的电压，并且该电流通过初级侧的关断引起与第一开关并联的电容的放电，其中放电速度取决于在关断第二开关的时间点流过第二开关的电流的大小。根据本发明，经由在初级侧确定放电速度，以简单的方式确定在关断第二开关的时间点流过第二开关的电流或由反激式转换器电路输出的电压。
14.放电速度表明了，电容的充电量在第二开关关断后的一定时间段内减少了多少或充电量的一定程度的减少持续了多长时间。这可借助于由电容输出的电压的时间曲线和/或电容的放电电流的时间曲线来确定。
15.控制设备可在预定的时间过去之后在通过第二开关(或二极管，如果存在的话)的电流降至零之后关断第二开关，从而无需为了控制第二开关而连接至初级侧。替代性地，控制设备可控制第一开关以及第二开关。此外或替代性地，控制设备可基于所确定的在关断时间点流过的电流改变第二开关的关断时间点或预定的时间，以便例如改善对放电速度的量度的确定方式和/或修正针对寄生电容的放电而预定的电流的偏差。
16.可在每个开关周期中或仅在特定时间或事件(启动阶段、调光等级的变化、从连续或有限运行切换为非连续运行)时，确定在关断第二开关的时间点流过第二开关的电流并且对应地控制第二开关。
17.控制设备可设计用于基于所确定的电流控制至少第一开关，以便例如保持或设置预定的输出功率。
18.第一开关可以是晶体管并且电容可通过晶体管的漏
‑
源电容和/或联接至晶体管的漏
‑
源接口的缓冲电容器形成，从而无需额外的电容器或仅需小的额外的电容器。
19.用于确定放电速度的量度的装置可设计用于确定从关断第二开关的时间点到电容器处的电压下降至特定值的时间点的持续时间。关断的时间点可基于第二开关的关断信号或电容两端的电压的曲线来确定。
20.可借助于比较器确定电容处的电压降低至特定值的时间点，该比较器将施加在电容上的电压与特定的值进行对比。
21.电容处的电压可直接或经由分压器进行测量。替代性地，变压器可具有初级侧的
辅助绕组，其中用于确定放电速度的量度的装置设计用于借助于由辅助绕组输出的电压确定施加在电容上的电压。
22.放电速度与在关断的时间点流过的电流的相关性可由制造商或用户通过测量放电速度和在关断第二开关的时间点流过第二开关的电流或由反激式转换器电路输出的电压来确定，并且以表格或公式的形式保存下来以便在运行期间进行确定，其中控制设备或用于确定放电速度的装置设计用于借助于该表格或公式确定在关断第二开关的时间点流过第二开关的电流，该表格或公式针对所确定的放电速度显示电流。
23.如果放电速度取决于其他因素，如运行模式、占空比、调光等级和/或流过第一开关的电流，则可针对至少一些运行模式、占空比或调光等级各自生成表格或公式，其中控制设备或用于确定放电速度的量度的装置设计用于基于流过第一开关的电流、控制至少第一开关的占空比和/或控制反激式转换器电路的调光信号，从多个表格或公式中选择对应的表格或公式。
24.根据本发明，灯具的操作装置具有采用上述实施方式中的一种的反激式转换器电路。
25.根据本发明，一种用于控制反激式转换器电路的方法具有以下步骤：
26.‑
控制第一和第二开关，以便转换反激式转换器电路的输入端处所输入的直流电压，其中在通过第二开关的电流降至零并且达到负值后关断第二开关，
27.‑
确定电容的放电速度的量度，以及
28.‑
基于所确定的放电速度确定在关断第二开关的时间点流过第二开关的电流。
29.下面参考附图进一步解释本发明。附图示出：
30.图1示出符合根据本发明的第一实施例的时钟式反激式转换器电路，
31.图2示出三个曲线图，具有流过图1中所示的反激式转换器电路的初级绕组和次级绕组的电流的曲线和电容两端的电压的曲线，
32.图3示意性地示出符合根据本发明的一种实施例的测量装置的结构，
33.图4示出符合根据本发明的第二实施例的时钟式反激式转换器电路，
34.图5示出符合根据本发明的一种实施例的灯具的操作装置，以及
35.图6示出用于展示根据本发明的方法的简化流程图。
36.功能相同的组件在图中用相同的附图标记表示。
37.图1示出符合根据本发明的第一实施例的同步反激式转换器的简化电路。在所示出的反激式转换器电路3的两个输入端接口1、2处，输入电源电压，该电源电压为直流电压或整流交流电压并且被转换为具有另一电压水平的直流电压并且在反激式转换器电路3的两个输出端接口4、5处输出。在两个输出端接口9、10处可连接有灯具，例如led或另一转换器(未示出)。
38.变压器7的初级绕组6、可控制的第一开关8和测量电阻9在第一输入端接口1与第二输入端接口2之间串联地连接，该第二输入端接口接地。变压器7的次级线圈10和可控制的第二开关11在第一输出端接口4与第二输出端接口5之间串联地连接。缓冲/存储电容器12并联联接在输出端接口4、5处。变压器7的初级和次级绕组6、10具有不同的极性/卷绕方向。第一开关8和第二开关11可以是晶体管，如igbt或mosfet，并且由控制设备13控制，以将其接通和关断。
39.控制设备13优选地布置在反激式转换器电路3的初级侧并且越过势垒控制可控制的第二开关11。相反地，优选在初级侧无电位隔离的情况下检测测量变量，但也还控制可控制的第一开关8。
40.如果可控制的第一开关8打开，那么电容闭合初级侧电路。该电容可以是寄生电容或如图1中所示是电容器14，该电容器被设计为与第一开关8并联，从而使得在第一开关8打开时该电容闭合初级侧电路。电容器14与初级绕组6和测量电阻9串联，其中测量装置15检测充电状态或电容器14处的电压u
k
。在接通第一开关8之后电容器14被绕过并且变压器7的初级绕组6被电流i
p
流通，其中关断的第二开关11抑制次级侧的电流。借助于经由测量电阻9降低的并且由控制设备13检测的电压确定通过第一开关8的电流i
p
，该电压在电流i
p
达到阈值时关断第一开关8并接通第二开关11。
41.应注意的是，对于本发明，一般存在设计成与第一开关8并联的电容。为阐述本发明，将该电容显示为电容器14，该电容器至少部分地形成电容。
42.在关断第一开关8(阻断阶段)后，使电容器14充电并且在消磁阶段经由变压器7的次级绕组10释放出存储在初级绕组6中的电能，这在次级侧产生通过第二开关11的电流i
s
，该电流供给至缓冲电容器12。次级侧的电流i
s
线性衰减并最终变为零。由于第二开关11起初仍是闭合的，缓冲电容器12驱动电流i
s
朝相反方向通过次级绕组10和第二开关11，该第二开关最终被控制设备13关断。这在初级侧引起电流i
p
，该电流由于变压器的磁耦合而再次使电容器14放电。
43.替代性地，第二开关11可在关断第一开关8之后才接通，以避免部件意外损坏，其中在关断第一开关8与接通第二开关11之间可存在短暂的持续时间t
dead
。通过大多包含在第二开关11中的寄生二极管(参见图4)，可进行快速的整流。然而，第二开关11应快速接通，以避免不必要的损耗。
44.测量装置15确定放电速度或直至达到电容器14的预定电压值的持续时间，该持续时间取决于在关断第二开关8的时间点流过该第二开关的电流i
s
或施加在输出端接口4、5上的电压。为此，测量装置15接收来自控制设备13的信号，该信号表示关断第二开关11的时间点，并且确定关断的时间点与电容器14处的电压降至特定的限值的时间点之间的持续时间。测量装置15或控制设备13基于所确定的持续时间确定在关断第二开关11的时间点流过该第二开关的电流或由反激式转换器电路3输出的电压u。
45.图2在曲线图a中示出了在开关周期t(t0至t5)内通过初级绕组6的电流i
p
的曲线，在曲线图b中示出了在开关周期t内通过次级绕组10的电流i
s
的曲线并且在曲线图c中示出了在开关周期t内电压u
k
的曲线。在时间点t0打开第一开关8并且闭合第二开关11。
46.一旦打开第一开关8并且闭合第二开关11，次级侧电流i
s
就开始在次级侧流动。一旦第二开关11闭合并且次级侧电流i
s
流动，缓冲电容器12处的电压或由反激式转换器电路3输出的电压u对应于变压器的次级侧两端的电压，即次级绕组10两端的电压。变压器7的初级侧的电压，即初级绕组6两端的电压在次级绕组10的现在起存在的消磁阶段期间与变压器7的次级侧的电压成正比。这种成正比的电压比由于变压器7的耦合比(即变压器7的已知匝数比n)而产生。次级绕组10的消磁阶段在打开第一开关8并且同时闭合第二开关11之后开始。
47.因此，在第二开关11闭合后至时间点t2的时间段内，即只要次级侧电流i
s
在流动，
就也可以借助于间接检测次级绕组10两端的电压来检测由反激式转换器电路3输出的电压u，例如通过在t0和t2之间的时间段内进行测量。
48.优选地，通过在第二开关11的接通持续时间期间在时间点t
s
处对初级电压进行采样，对由反激式转换器电路3输出的电压u进行间接检测。
49.在时间点t0打开第一开关8并且闭合第二开关11。通过打开第一开关8，初级侧的电流被第一开关8中断并且第一开关8两端的电压紧接着上升。由此使电容器14充电，因为现在通过第二开关11的闭合和由于次级绕组10的磁化，电流i
s
在次级侧流动。如上所述，由于磁耦合，次级绕组10的电压根据变压器的匝数比n传输到初级绕组6。由此，电容器14两端的电压在时间点t0后上升，直至该电容器充电完成。由于电容器14的电容较低，直至时间点t
x
的阶段非常短。在次级绕组10消磁期间，电流i
s
线性衰减。电流i
s
在t1时达到零并且然后变为负值(因为如上所述，第二开关11起初仍闭合，缓冲电容器12继续驱动电流i
s
朝相反方向通过次级绕组10)。只要电流i
s
在次级侧流动，初级绕组6两端的电压和由此电容器14两端的电压就几乎保持恒定。在时间点t2打开第二开关11并且第一开关8保持打开，从而电流i
s
被第二开关11中断。由于次级绕组10两端的电压和由此还有初级绕组6两端的电压丧失，电容器14开始放电，并且负电流i
p
开始流动。如上所述，在打开和关断两个开关8、11之间可设置延迟时间t
dead
，以降低部件损坏的危险。
50.在次级绕组10的消磁阶段和还有缓冲电容器12接下来的放电阶段，即直至时间点t2，在初级侧通过输入电压(1和2之间)、初级绕组6和电容器14形成电路。因此在知道输入电压(1和2两端的电压)和电容器14两端的电压u
k
的大小的情况下，可以推断出初级绕组6两端的电压。因此可通过检测电容器14两端的电压u
k
推断出初级绕组6两端的电压和由此还有由反激式转换器电路3输出的电压u。
51.一旦打开第二开关11，便中断次级侧流动的电流i
s
。由于现在不再有电流流过次级绕组10，次级绕组10两端的电压并且由此还有初级绕组6两端的电压中断。只要第一开关8仍打开，现在电容14两端的电压由此降低，从而负电流i
p
开始流动。
52.测量装置15测量从时间点t2至时间点t3的持续时间δt，在后一个时间点，降低的电压u
k
达到限值u1。在持续时间δt内，电压u
k
在时间点t2从恒定的输出值或在每个开关周期t内达到的输出值下降到限值u1，就是用于衡量放电速度的量度。控制设备13或测量装置15基于测量出的持续时间δt——它表示放电速度——确定电流i
s
在时间点t2达到的值i
s1
和/或借助于表格或公式确定输出端接口4、5处的电压，该表格或公式为每个测量出的持续时间δt分配一个电流或电压值。
53.在时间点t4闭合第一开关8并且第二开关11保持打开。电流i
p
提高，直至该电流在时间点t5达到阈值i
p1
并且打开第一开关8以及闭合第二开关11。阈值i
p1
可由控制设备13根据接收到的调光信号和/或所确定的电流或电压值来设置，其中当所确定的电流或电压值低于预定值时，阈值i
p1
升高，并且当所确定的电流或电压值高于预定值时，该阈值降低。可在等待时间结束后接通第一开关8，该等待时间随着第二开关11的关断在时间点t2开始，并且大于最大预期持续时间δt。替代性地，可在降低的电压u
k
达到限值u1时接通第一开关8。
54.该表格或公式可在调节运行前通过在反激式转换器电路3本身或相同构造的模型处针对不同负载状态测量放电速度或持续时间δt和相关电流i
s1
来实验性地确定，并保存在控制设备13或测量装置15中。
55.还可行的是，反激式转换器电路3在可由用户/安装人员激活的示教或校准模式中按照预定的模型在输出端接口4、5处输出不同的电流或电压，以便进入不同的负载状态，并且控制设备13或测量装置15针对每个负载状态经由在示教/校准模式中切换的内部连接查询，或经由存在于输出端接口4、5和控制设备13的接口之间的有线或无线的电路外部连接接收表示输出电流和/或输出电压的信号，测量持续时间δt并将测量出的持续时间δt及相关的电流和/或电压值记录在表格中或修正表格中的现有条目。该表格保存在反激式转换器3的未示出的存储装置中。
56.如果持续时间δt取决于其他因素，如运行模式、占空比或调光等级，则可针对不同的运行模式、占空比或调光等级各自生成表格或多维表格，该表格将电流和/或电压值分配给不同因素和值的特定组合，包括持续时间δt。在调节运行中，控制设备13或测量装置15确定待应用的表格或现有的组合，以便确定电流和/或电压值。
57.图3示出了测量装置15的结构，该测量装置具有：电压测量装置16，用于测量电容器14的电压；比较器17，用于将测量出的电压u
k
与限值u1进行对比并且输出停止信号；以及计数器18，当在时间点t2打开第二开关11时，该计数器从比较器17接收停止信号并且从控制设备13接收开始信号。计数器18在接收到开始信号时开始测量持续时间δt并且在接收到停止信号时结束测量，并且向控制设备13输出测量出的持续时间δt。替代性地，计数器18可在探测到电压u
k
的下降沿时开始测量持续时间δt。这使得在无外部开始信号的情况下测量持续时间δt成为可能。另外，如果第二开关11具有自己的次级侧控制装置，该控制装置在预定的等待时间之后自动关断第二开关11，该等待时间从电流i
s
在时间点t1下降至零开始，那么初级侧与次级侧之间就无需传输信号。
58.替代性地，测量装置15可在电压u
k
下降到大于限值u1的限值时才启动计数器18，并且当达到限值u1时停止计数器18。
59.如果通过关断第二开关11而在次级侧上产生的电流过小或过大，该电流可通过延长或缩短时间跨度t1至t2或以预定的程度移动关断时间点t2来更改，其中为每个可设置的时间跨度t1至t2分配一个表格。替代性地或此外，能够以预定的程度更改限值u1，例如当未在预定的时间内达到限值u1时。
60.在图1中所示的示例中，直接在电容器14两端测量电容器14的电压u
k
。然而还可行的是，借助于输入端接口2和位于初级线圈6和电容器14之间的电路点19之间的分压器测量电压u
k
。
61.特别是在非连续运行中，在关断第一开关8(和还有第二开关11)之后，相应的开关两端的电压可由于寄生效应而出现振荡。为避免开关的开关损耗，应在选择重新接通时间点时对这些振荡加以考虑或如此选择重新接通时间点，使得开关两端的电压的曲线在重新接通时间点具有最低电压或带上升沿的过零(最低电压之后的过零)。除了持续时间δt之外，过零的时间点或关于电压曲线的信息也可由测量装置15确定并且被传输至控制设备13以确定最佳接通时间点(时间点t4)。
62.在阻断电路和其他转换器电路中，为确定接通时间点，通常借助于辅助绕组检测电压曲线，该辅助绕组与变压器7或与用作中间能量存储器的开关线圈耦合。这样的辅助绕组20可特别是在它已设置用于确定接通时间点时用于确定电容器14的放电速度。
63.图4示出了符合根据本发明的第二实施例的反激式转换器电路3，其中测量装置15
借助于变压器7的辅助绕组20检测初级侧电压而不是电压u
k
。辅助绕组20与初级绕组6和次级绕组10磁耦合。如前面参照图2所述，初级绕组6两端的电压的评估可用于检测次级绕组10两端的电压，从而也用于检测由反激式转换器电路3输出的电压u。如果绕组比合适，可以直接进行检测，或者在辅助绕组20处的电压非常高的情况下，经由分压器进行检测。根据上述方法中的一种，测量装置15测量持续时间δt并且将结果输出给控制设备13。测量装置15可以是集成的半导体电路，包括集成的半导体电路或者是控制设备13的一部分。控制设备13可以实施成处理器、微处理器、控制器、微控制器或者专用集成电路(asic)或者上述单元的组合。
64.在图4中所述的反激式转换器电路3中，第一开关8和第二开关11为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)并且各自以简化的等效电路图的形式示出。从等效电路图中可以看出，实施为mosfet的第一开关8具有受内部二极管的阻挡层电容限定的电容元件，该电容元件以开关8的寄生电容的形式形成电容器14，该电容器在第一开关8打开时闭合电路。然而在所示的实施例中，为了确定在关断第二开关11的时间点流过第二开关的电流i
s
，评估辅助绕组20的电压。然而替代性地，反过来也可能评估电容器14两端的电压。
65.替代这些实施例，电容器14可以是并联连接至第一开关8的缓冲电容器，该缓冲电容器应抑制在切换电感负载时出现的干扰高频或电压峰值。
66.图5示出了符合根据本发明的一种实施例的灯具的操作装置21。该操作装置21具有：图1或图4中所示的反激式转换器电路3；电源接头l、n，用于将操作装置21连接至电网交流电压；以及具有功率系数修正功能的整流器22，该整流器从电网交流电压中产生施加在反激式转换器电路3的输入端接口1、2上的直流电压。反激式转换器电路3将直流电压转换为用于操作连接至反激式转换器电路3的输出端接口4、5的并且由多个led组成的灯具23的电压。优选地，反激式转换器电路3输出受调节的电流。
67.在图6中示出了经过大大简化的流程图，该流程图显示在执行上文详细描述的方法时的各个步骤。