[发明专利]单开关振荡逆变器

说明书

背景介绍

发明所属领域

本专利属于功率变换领域的发明。更具体地说，是利用单个电子开关和电路中能量的振荡来把直流电能转换成交流电能的一种独特的方法，同时为现代照明器件如LED和CCFL等的驱动控制提供了既简单又低成本的解决方案。

相关的领域描述

绿色能源运动正在对我们的生活和经济带来巨大而又不可阻挡的影响。在这场运动中LED也正在给照明领域带来一场革命性的变化。由于电光转换效率高、寿命长、机械特性牢固、污染低等特点，LED正成为照明领域未来的最佳选择。但另一方面，由于LED照明系统目前价格还较高，市场目前仍需要其它高效率、低成本的照明解决方案。冷阴极荧光灯等(下文简称CCFL)高效率光源对消费者来说在目前也是很好的选择。

众所周知CCFL器件工作电压一般几百伏至超过1000伏范围内，而起动电压往往超过2000伏。同时供给CCFL的操作电压必须是交流(AC)以防止灯泡内活性材料的直流迁移。灯的交流操作频率通常在几十KHz(赫兹)范围内。这样的高压、高频率电源一定要通过驱动电路来提供。LED则为直流工作器件，单个LED的操作电压大约在2.1伏至3.6伏之间。由于单个LED的功率限制以及大功率LED成本高等原因，再加之大功率LED的散热处理等问题，目前大多数应用都把多个LED以串联的形式接成LED串再把多串LED并联。这样的电路结构也需要驱动电路把交流或直流输入转换为LED操作所需要的电压来驱动。

另一方面LED器件的电流电压特性和一般二极管相似。当LED正向偏置时，它的正向电流-电压呈很陡的曲线，一个很小的电压增加可以使电流上升很多，这种情形为LED的电流控制，特别是当多个LED串并联时的操作控制，增加了一个难题。相似地CCFL灯也有非常低的动态操作阻抗，在灯起动点亮后，一个小的电压变化可以相应地产生较大的电流变化。而且由于CCFL的操作电压表现为负温度系数，综合这些情况，整个灯管的工作状态可能呈负阻抗特性。因此在驱动电路设计中如何保持灯管操作的稳定控制，特别当多个灯管并联时，如何保持灯的电流平衡也是一个极具挑战性的问题。

而且LED和CCFL都是非线性的器件。它们截止导电，当操作电压低于导通阈值时，器件将停止工作。这种现象在调光控制时对灯管操作形成限制。特别是当和今天已被广泛使用的双向可控硅调光控制器配合工作时，LED或CCFL器件可能在低亮度时由于输入电压的降低而产生闪烁或熄灭。所以如果驱动电路缺乏在低压输入下让灯管保持足够的工作电压的能力，这类照明设备将无法得到好的调光性能。

上述诸多情况在驱动电路设计中都必须给于考虑，才能使得系统在实际的输入电压范围内稳定地工作。另一方面，当多个CCFL或LED串并联应用时，电流平衡电路也必不可少，以保持灯的电流匹配和发光均匀度。所有这些功能电路势必会增加电路的复杂程度和系统的成本，并产生额外的功率损耗。最终影响方案的可行性和实用性。因此，本发明即为针对上述情形把所需要的所有驱动功能用一个单级功率转换电路来实现，并使用无损耗平衡电路来保持灯的电流匹配，从而提供一系列低成本、高效率的照明驱动方案。而且这种驱动电路也可以用来驱动其他不同类型的负载来更好地满足人们的需求。

发明的总结

本发明提出了一种驱动照明器件或其他交流负载的功率转换电路结构的概念。所提出的概念采用了单级变换电路，使用单个有源电子开关电路和电感、电容的配合来同时实现电压提升和直流到交流功率转换的功能来驱动照明器件或交流负，可以在宽输入电压范围的情况下为照明器件或AC负载提供可靠的驱动和调节功能。而且通过电感，电容等无功器件的阻抗匹配或变压器平衡网络来无损耗地平衡多路灯管或负载的电流。

第一个发明实例把升压转换器中的升压二极管换成耦合电容来实现电压提升和直流到交流逆变的双重功能。电感和电容的储能通过电子开关的操作产生持续振荡并通过电容的交流传导性能把交流能量传输给负载。电容两端的偏置电压在工作过程中会自动调节来产生负载工作所需要的电压并保证正负半周平衡的交流能量传输特性。

在另一个发明实例中升降压变换电路中的整流二极关被耦合电容所替代来实现升降压逆变器功能。负载的工作电压峰值可以高于或低于输入电压。电容两端的偏置电压在工作过程中会自动调节来满足负载的工作电压要求。