СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТОЧЕК МИНИМУМА В ИМПУЛЬСНОМ СИЛОВОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ Российский патент 2019 года по МПК H02M3/156 H02M3/335 H05B37/02 

Родственные заявки

Настоящее раскрытие имеет приоритет предварительной заявки на патент США Серийный №. 61/980,789, поданной 17 апреля 2014 и обычной заявки на патент США Серийный №. 14/495,564, поданной 24 сентября 2014, обе из которых содержаться посредством ссылки в данном документе в их совокупности.

Область техники, к которой относится раскрытие

Настоящее раскрытие относится, в основном, к области электроники, и более конкретно, к системам и способам переключения точек минимума в импульсном силовом преобразователе.

Уровень техники

Многие электронные системы включают в себя схемы, такие как импульсные силовые преобразователи или трансформаторы, которые сопряжены с регулятором силы света. Схемы сопряжения передают мощность к нагрузке в соответствии с установкой уровня затемнения с помощью регулятора силы света. Например, в осветительных системах регуляторы силы света обеспечивают входной сигнал в осветительную систему. Входной сигнал представляет уровень затемнения, который побуждает осветительную систему регулировать мощность, подводимую к лампе, и, таким образом, в зависимости от уровня затемнения, увеличивать или уменьшать яркость лампы. Существует много различных типов регуляторов силы света. Как правило, регуляторы силы света генерируют выходной сигнал, в котором часть входного сигнала переменного тока (АС) удалена или сброшена на ноль. Например, некоторые аналоговые регуляторы силы света используют триод для устройства переменного тока («триак») для модулирования фазового угла для каждого периода напряжения источника питания переменного тока. Такая модуляция фазового угла напряжения источника питания еще обычно именуется «фазовой отсечкой» напряжения источника питания. Фазовая отсечка напряжения источника питания уменьшает среднее значение мощности, передаваемой к нагрузке, такой как осветительная система, и, тем самым управляет энергией, предоставляемой для нагрузки.

Определенный тип регулятора силы света с фазовой отсечкой на основе триака известен, как регулятор силы света по переднему фронту. Фаза регулятора силы света по переднему фронту отсекает от начала периода АС таким образом, чтобы во время угла фазовой отсечки регулятор силы света был отключен и не давал выходного напряжения к нагрузке, и затем, после угла фазовой отсечки, повернулся на «включено» и пропустил входной сигнал фазовой отсечки к нагрузке. Для гарантии правильного срабатывания нагрузка должна обеспечить для регулятора силы света по переднему фронту нагрузочный ток, достаточный для поддержания броска тока выше тока, необходимого для открывания триака. За счет резкого возрастания напряжения, обеспеченного регулятором силы света, и наличия конденсаторов в регуляторе силы света, ток, который должен быть обеспечен, как правило, существенно выше, чем ток установившегося режима, необходимый для проводимости триака. Кроме того, в установившемся режиме нагрузка должна обеспечить для регулятора силы света нагрузочный ток, который выше другого порога, известного как «удерживающий ток», необходимого для предотвращения преждевременного отключения триака.

Фиг.1 изображает осветительную систему 100, которая включает в себя регулятор 102 силы света на основе триака по переднему фронту и лампу 142. Фиг.2 изображает пример напряжения и действующих кривых, относящихся к осветительной системе 100. Как показано на фиг.1 и 2, осветительная система 100 принимает напряжение V_ПИТ источника питания переменного тока от источника напряжения 104. Напряжение V_ПИТ источника питания, указанное при помощи формы 200 сигнала напряжения может быть, например, номинальным 60Гц/110в сетевым напряжением в Соединенных Штатах Америки или номинальным 50Гц/220в сетевым напряжением в Европе. Триак 106 действует, как переключатель, работающий от напряжения, и вывод 108 управляющего электрода триака 106 управляет током, протекающий между первым выводом 110 и вторым выводом 112. Напряжение V_УПР управляющего электрода на выводе 108 управляющего электрода выше величины V_ПОРОГ порогового напряжения срабатывания будет побуждать триак 106 включиться, по очереди вызывая шунтирование конденсатора 121 и давая возможность току течь через триак 106 и регулятору 102 силы света генерировать выходной ток i_РЕГ.

Исходя из активной нагрузки для лампы 142, выходное напряжение V_{ВЫХ_РЕГ} регулятора силы света, указанное при помощи формы 206 сигнала напряжения, может быть ноль вольт от начала каждой половины периодов 202 и 204 в соответствующих моментах времени t₀ и t₂ до тех пор, пока напряжение V_УПР управляющего электрода достигнет величины V_ПОРОГ порогового напряжения срабатывания. Выходное напряжение V_{ВЫХ_РЕГ} регулятора силы света представляет собой выходное напряжение регулятора 102 силы света. В течение периода времени T_ОТКЛ, регулятор 102 силы света рубит или режет напряжение V_ПИТ источника питания так, чтобы выходное напряжение V_{ВЫХ_РЕГ} регулятора силы света находилось в ноле вольт в течение периода времени Т_ОТКЛ. В момент t₁ напряжение V_УПР управляющего электрода достигает величины V_ПОРОГ порогового напряжения срабатывания и триак 106 начинает пропускание. Как только триак 106 включится, напряжение V_{ВЫХ_РЕГ} регулятора силы света сопровождает напряжение V_ПИТ источника питания в течение периода времени t_ВКЛ.

Как только триак 106 включится, ток i_РЕГ, поступающий от триака 106 должен превышать ток i_СЦЕП сцепления для того, чтобы поддержать бросок тока через триак 106 выше порогового тока, необходимого для задействования триака 106. Кроме того, как только триак 106 включился, триак 106 продолжает проводить ток i_РЕГ независимо от величины напряжения V_УПР управляющего электрода, поскольку ток i_РЕГ остается выше величины тока i_УД удержания. Величина тока i_СЦЕП сцепления и величина тока i_УД удержания являются функцией от физических характеристик триака 106. Как только i_РЕГ падает ниже величины тока i_УД удержания, т.е. i_РЕГ < i_УД, триак отключается (т.е. прекращается проведение), до тех пор, пока напряжение V_УПР управляющего электрода снова достигнет величины V_ПОРОГ порогового напряжения срабатывания. Во многих традиционных режимах использования, величина тока i_УД удержания, как правило, достаточно низкая так, чтобы, идеально, ток i_РЕГ падал ниже величины тока i_УД удержания, когда напряжение V_ПИТ источника питания приблизительно ноль вольт примерно в конце половины периода 202 в момент t₂.

Переменный резистор 114, соединенный последовательно с параллельно соединенным резистором 116 и конденсатором 118, образует время задающую схему 115 для управления временем t₁, в котором напряжение V_УПР управляющего электрода достигнет величины V_ПОРОГ порогового напряжения срабатывания. Увеличение сопротивления переменного резистора 114 увеличивает время Т_ОТКЛ и уменьшение сопротивления переменного резистора 114 уменьшает время Т_ОТКЛ. Величина сопротивления переменного резистора 114 эффективным образом устанавливает величину затемнения для лампы 142. Диак 119 обеспечивает протекание тока к выводу 108 управляющего электрода триака 106. Регулятор 102 силы света также включает в себя реактивную катушку 120 индуктивности для сглаживания выходного напряжения V_{ВЫХ_РЕГ} регулятора силы света. Регулятор 102 силы света на базе триака еще включает в себя конденсатор 121, соединенный через триак 106 и реактивную катушку 120 индуктивности для уменьшения взаимного электромагнитного влияния.

Идеально, модуляция фазового угла выходного напряжения V_{ВЫХ_РЕГ} регулятора силы света эффективно отключает лампу 142 в течение периода T_ОТКЛ времени и включает в течение периода T_ВКЛ времени для каждой половины периода напряжения V_ПИТ источника питания. Таким образом, идеально, регулятор 102 силы света эффективно управляет средним значением энергии, питающей лампу 142 в соответствии с выходным напряжением V_{ВЫХ_РЕГ} регулятора силы света.

Другой отдельный тип регулятора силы света, отсекающего фазу, известен, как регулятор силы света по заднему фронту. Фаза регулятора силы света по заднему фронту отсекает от конца периода переменного тока таким образом, чтобы во время угла фазовой отсечки регулятор силы света отключен и не подает выходное напряжение к нагрузке, но включен до угла фазовой отсечки, и, в идеальном случае, дает форму сигнала, пропорциональную его входному напряжению к нагрузке.

Фиг.3 изображает осветительную систему 300, которая включает в себя регулятор 302 силы света с фазовой отсечкой по заднему фронту и лампу 342. Фиг.4 изображает пример напряжения и действующие кривые, связанные с осветительной системой 300. Как показано на фиг.3 и 4, осветительная система 300 принимает напряжение V_ПИТ источника питания переменного тока от источника напряжения 304. Напряжение V_ПИТ источника питания, указанное при помощи формы 400 сигнала напряжения, является, например, номинальным 60Гц/110в сетевым напряжением в Соединенных Штатах Америки или номинальным 50Гц/220в сетевым напряжением в Европе. Фаза регулятора 302 силы света по заднему фронту отсекает задние фронты, какими являются задние фронты 402 и 404, каждой половины периода напряжения V_ПИТ источника питания. Поскольку каждая половина периода напряжения V_ПИТ источника питания это 180 градусов напряжения V_ПИТ источника питания, фаза регулятора 302 силы света по заднему фронту отсекает напряжение V_ПИТ источника питания на угле большем, чем 0 градусов и меньшем, чем 180 градусов. При фазовом отсечении входное напряжение V_{ВЫХ_РЕГ} к лампе 342 отображает уровень затемнения, который побуждает осветительную систему 300 регулировать мощность, доставляемую к лампе 342, и, таким образом, в зависимости от уровня затемнения, увеличивать или уменьшать яркость лампы 342.

Регулятор 302 силы света включает в себя контроллер 310 времени, который генерирует управляющий сигнал УСР регулятора силы света для управления периодом пуска переключателя 312. Период пуска переключателя 312 это ширина импульса (например, значения времени t₁ - t₀), подразделенная на период управляющего сигнала регулятора силы света (например, значения времени t₃ - t₀) для каждого периода управляющего сигнала УСР регулятора силы света. Контроллер 310 времени преобразует заданный уровень затемнения в период пуска для переключателя 312. Период пуска управляющего сигнала УСР регулятора силы света уменьшается для более низких уровней затемнения (т.е., более высокая яркость для лампы 342) и увеличивается для более высоких уровней затемнения. Во время импульса (например, импульс 406 и импульс 408) управляющего сигнала УСР регулятора силы света переключатель 312 проводит (т.е., включен), и регулятор 302 силы света входит в режим низкого сопротивления. В режиме низкого сопротивления регулятора 302 силы света сопротивление переключателя 312 является, например, меньше, чем или равно 10ом. Во время режима низкого сопротивления переключателя 312, при фазовом отсечении, входное напряжение V_{ВЫХ_РЕГ} сопровождает входное напряжение V_ПИТ источника питания и регулятор 302 силы света доставляет ток i_РЕГ к лампе 342.

Когда контроллер 310 времени побуждает закончить импульс 406 управляющего сигнала УСР регулятора силы света, управляющий сигнал УСР регулятора силы света выключает переключатель 312, который побуждает регулятор 302 силы света войти в режим высокого сопротивления (т.е., выключает). В режиме высокого сопротивления регулятора 302 силы света сопротивление переключателя 312, например, больше, чем 1 ком. Регулятор 302 силы света включает в себя конденсатор 314, который заряжается до напряжения V_ПИТ источника питания, во время каждого импульса управляющего сигнала УСР регулятора силы света. В обоих режимах высокого и низкого сопротивления регулятора 302 силы света конденсатор 314 остается соединенным через переключатель 312. Когда переключатель 312 выключен и регулятор 302 силы света входит в режим высокого сопротивления, напряжение V_C через конденсатор 314 растет (например, между периодами времени t₁ и t₂ и между периодами времени t₄ и t₅). Скорость нарастания является функцией величины емкости С конденсатора 314 и входного импеданса лампы 342. Если активное входное сопротивление лампы 342 достаточно низкое, оно допускает достаточно высокую величину тока i_РЕГ регулятора силы света для обеспечения возможности, при фазовом отсечении, входному напряжению V_{ВЫХ_РЕГ} падать до перехода через ноль (например, в периоды времени t₂ и t₅) к следующему импульсу управляющего сигнала УСР регулятора силы света.

В некоторых применениях осветительной аппаратуры, регулятор силы света может не быть прямо связан с лампой. Например, в исполнениях, в которых лампа содержит маломощную лампу (например, галогеновую или светоизлучающую диодную (СИД) лампу), импульсный силовой преобразователь может служить средством связи между регулятором силы света и лампой для преобразования входного напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, подлежащее доставке к лампе. Фиг.5 изображает осветительную систему 500, которая включает в себя лампу 542 в сборе с мостиковым выпрямителем 534 и силовым преобразователем 536 для преобразования входного напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока для доставки к маломощной лампе, содержащей СИД 532, как известно в области техники. Как показано на фиг.5, осветительная система 500 может включать в себя источник 504 напряжения, регулятор 502 силы света и лампу 542 в сборе. Источник 504 напряжения может генерировать напряжение V_ПИТ источника питания, которое является, например, номинальным 60Гц/110в сетевым напряжением в Соединенных Штатах Америки или номинальным 50Гц/220в сетевым напряжением в Европе.

Регулятор 502 силы света может содержать любую систему, устройство или аппарат для генерирования сигнала затемнения для других элементов осветительной системы 500, сигнал затемнения, отображающий уровень затемнения, который побуждает осветительную систему 500 регулировать мощность, доставляемую к лампе, и, таким образом, в зависимости от уровня затемнения, увеличивать или уменьшать яркость СИД 532. Таким образом, регулятор 502 силы света может включать в себя регулятор силы света по переднему фронту, похожий на тот, что изображен на фиг.1, регулятор силы света по заднему фронту, похожий на тот, что изображен на фиг.3, или любой другой подходящий регулятор силы света.

Лампа 542 в сборе может содержать любую систему, устройство или аппарат для преобразования электрической энергии (например, доставленную регулятором 502 силы света) в световую энергию (например, для СИД 532). Например, лампа 542 в сборе может содержать многофункциональный тип исполнения рефлектора (например, тип исполнения MR16) с лампой, содержащей СИД 532. Как показано на фиг.5, лампа 542 в сборе может включать в себя мостиковый выпрямитель 534, силовой преобразователь 536 и контроллер 512 положения переключателя.

Мостиковый выпрямитель 534 может содержать любой подходящий электрическое или электронное устройство, как известно в области техники, для преобразования полного сигнала V_{ВЫХ_РЕГ} напряжения переменного тока в сигнал V_ВЫПР выпрямленного напряжения, имеющего только одну полярность.

Силовой преобразователь 536 может содержать любую систему, устройство или аппарат, выполненный с возможностью преобразования входного напряжения (например, V_ВЫПР) в другое выходное напряжение (например, V_ВЫХ), при этом конверсия основана на управляющем сигнале (например, широтно-импульсный модулированный управляющий сигнал, сообщенный из контроллера 512 положения переключателя). Поэтому силовой преобразователь 536 может содержать повышающий преобразователь, понижающий преобразователь, комбинированный преобразователь или другой подходящий силовой преобразователь.

СИД 532 может содержать один или более свето-излучающих диодов, выполненных с возможностью излучать световую энергию в количестве, основывающемся на напряжении V_ВЫХ по СИД.

Контроллер 512 положения переключателя может содержать любую систему, устройство или аппарат, выполненные с возможностью определения одной или более характеристик напряжения V_ВЫПР, имеющегося на входе силового преобразователя 536, и управления величиной тока i_ВЫПР, проходящего через посредство силового преобразователя 536, основанного на такой одной или более характеристиках напряжения V_ВЫПР.

В некоторых вариантах осуществления силовой преобразователь 536 может содержать импульсный силовой преобразователь, такой как понижающий преобразователь 536А, как показано на фиг.6. Как показано на фиг.6, силовой преобразователь 536А понижающего типа может содержать переключатель 608, который может действовать в ответ на управляющий сигнал C_У для регулирования передачи энергии от выпрямленного, изменяющегося во времени входного напряжения V_ВЫПР, через катушку 610 индуктивности к конденсатору 606. Силовой преобразователь 536А может также включать в себя диод 611, который предотвращает реверс протекания тока от конденсатора 606 к катушке 610 индуктивности. Энергия, переданная через катушку 610 индуктивности, может быть сохранена конденсатором 606. Конденсатор 606 может иметь достаточную емкость для поддержания примерно постоянного напряжения V_ВЫХ (например, меньше, чем пиковое значение входного напряжения V_ВЫПР), при подаче тока к СИД 532.

В ходе работы ток i_L катушки индуктивности может варьироваться по времени в зависимости от пикового входного тока, пропорционального времени включенного состояния переключателя 608, и в зависимости от энергии, переданной к конденсатору 606, пропорциональной времени включенного состояния, имеющего квадратную форму. Как показано на фиг.6, в некоторых осуществлениях переключатель 608 может содержать n-канальный полевой транзистор (ПТ), и управляющий сигнал C_У является широтно-импульсным модулированным (ШИМ) управляющим сигналом, который побуждает переключатель 608 проводить ток при высоком управляющем сигнале C_У. Таким образом, в таких осуществлениях время включенного состояния переключателя 608 может быть определено посредством широтно-импульсного управляющего сигнала C_У и энергия, переданная от V_ВЫПР к конденсатору 606, может быть пропорциональна площади ширины импульса управляющего сигнала C_У.

Управляющий сигнал C_У может генерироваться контроллером 512 положения переключателя с целью побуждения импульсного силового преобразователя 536А передать заданное количество энергии к конденсатору 606, и, таким образом, к СИД 532. Заданное количество энергии может зависеть от напряжения и силы тока СИД 532. Для обеспечения коррекции коэффициента мощности, почти к единице, контроллер 512 положения переключателя может, как правило, быть ориентирован на то, чтобы управлять входным током i_ВЫПР так, чтобы входной ток i_ВЫПР сопровождал входное напряжение V_ВЫПР при удержании напряжения V_ВЫХ конденсатора постоянным. Поэтому входной ток i_ВЫПР и пиковый ток i_L катушки индуктивности может каждый быть пропорциональным периоду проводимости регулятора 502 силы света (например, период времени, в котором регулятор силы света включен и проводит ток).

В осуществлениях, в которых переключатель 608 выполнен с ПТ, одна известная проблема состоит в том, что собственное емкостное сопротивление ПТ нежелательным образом резонирует с катушкой 610 индуктивности после того, как входной ток в катушке индуктивности размагнитится. Известное техническое решение для минимизации такого резонанса и уменьшения соответствующих потерь переключения иногда именуется, как «переключение точек минимума», в котором управляющий сигнал C_У управляется, чтобы включить переключатель 608, когда сток-исток напряжение V_СИ переключателя 608 достигнет своего минимального значения.

Как показано на фиг.7, изображена временная диаграмма, иллюстрирующая концепцию переключения точек минимума, как известно в области техники. При отсутствии переключения точек минимума, контроллер 512 положения переключателя может действовать с возможностью поддержания целевого периода TT переключения для определенной настройки управления регулятором силы света. Период ТТ может быть равен сумме интервалов Т1, Т2 и Т3, в котором Т1 - интервал времени, в котором переключатель 608 задействован и проводит ток, Т2 - интервал времени, в котором переключатель 608 деактивирован и ток i_L течет, в то время как катушка 610 индуктивности размагничивается, и Т3 - интервал времени, который может именоваться, как интервал точек минимума, в котором ток i_L не течет. Однако, при осуществлении переключения точек минимума, точка минимума на сток-исток напряжении V_СИ может происходить до или после окончания целевого периода ТТ переключения. Поэтому, чтобы осуществить переключение точек минимума, контроллер 512 положения переключателя может предъявить управляющий сигнал C_У для активации переключателя 608 до или после окончания целевого периода ТТ переключения, таким образом модифицируя заданный период переключения посредством TT_погр, таким образом, сокращая или продолжая период переключения для получения фактического периода ТТ' переключения. Поэтому известные технологические решения переключения точек минимума, ведут к снижению или добавлению средней величины тока, подаваемого на СИД 532, от предполагаемой величины. Таким образом, поддерживающее непрерывное регулирование напряжения нагрузки (например, СИД 532) при выполнении переключения точек минимума это сложная задача, если периоды переключения могут стать квантованным в отношении конкретных точек минимума. Другая сложная задача это поддержать переключение точек минимума по всему полному диапазону фазового угла регулятора силы света, при соблюдении регулирования заданного значения выходной величины.

Сущность изобретения

В соответствии с принципами настоящего раскрытия некоторые недостатки и проблемы, связанные с отдачей мощности при переключении точек минимума импульсных силовых преобразователей, могут быть уменьшены или устранены.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия устройство может включать в себя импульсный силовой преобразователь и контроллер. Импульсный силовой преобразователь может быть выполнен с возможностью передачи энергии от входа силового преобразователя к нагрузке, связанной с силовым преобразователем в соответствии с регулируемым током, причем импульсный силовой преобразователь содержит переключатель и устройство накопления энергии, при этом регулируемый ток является функцией периода импульсного силового преобразователя и пикового тока устройства накопления энергии в течение периода переключения. Контроллер может быть выполнен с возможностью генерирования управляющего сигнала для активации и деактивации переключателя для того, чтобы управлять периодом переключения и пиковым током, чтобы поддержать регулируемый ток на заданном уровне тока так, чтобы, при уменьшении периода переключения ниже минимального периода переключения, контроллер увеличил период переключения посредством периода посылки вызова напряжения переключателя и увеличил пиковый ток, чтобы компенсировать увеличение периода переключения для того чтобы поддержать регулируемый ток, и, при увеличении пикового тока выше максимального пикового тока, контроллер уменьшил период переключения посредством периода посылки вызова напряжения переключателя и уменьшил пиковый ток, чтобы компенсировать уменьшение периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток.

В соответствии с этими и другими вариантами осуществления настоящего раскрытия, способ может включать в себя содержание активации и деактивации переключателя импульсного силового преобразователя для того, чтобы управлять периодом переключения и пиковым током импульсного силового преобразователя для поддержания регулируемого тока импульсного силового преобразователя на заданном уровне тока таким образом, чтобы при уменьшении периода переключения ниже минимального периода переключения, было увеличение периода переключения посредством периода посылки вызова напряжения переключателя и увеличение пикового тока, чтобы компенсировать увеличение периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток, и, при увеличении пикового тока выше максимального пикового тока, было уменьшение периода переключения посредством периода посылки вызова напряжения переключателя и уменьшение пикового тока, чтобы компенсировать уменьшение периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток.

Технические преимущества настоящего раскрытия могут, очевидно, быть ясными каждому специалисту из чертежей, описания и формулы изобретения, включенных в данный документ. Задачи и преимущества настоящего варианта осуществления будут реализованы и достигнуты, по меньшей мере, с помощью элементов, признаков и сочетаний, отдельно отмеченных в формуле изобретения.

Должно быть понятно, что, как вышеупомянутое общее описание, так и последующее подробное описание, являются примерами и являются пояснительными, и не ограничены формулой изобретения, предусмотренной в данном раскрытии.

Краткое описание чертежей

Более полное понимание настоящих вариантов осуществления и их преимуществ может быть получено при обращении к последующему описанию, рассмотренному вместе с прилагаемыми чертежами, в которых подобные ссылочные позиции означают подобные отличительные признаки, и в которых

Фиг.1 - осветительная система, которая включает в себя регулятор силы света по переднему фронту на базе триака, как известно в области техники;

Фиг.2 - пример напряжения и действующих кривых, связанных с осветительной системой, изображенной на фиг.1, как известно в области техники;

Фиг.3 - осветительная система, которая включает в себя регулятор силы света с фазовой отсечкой по заднему фронту, как известно в области техники;

Фиг.4 - пример напряжения и действующих кривых, связанных с осветительной системой, изображенной на фиг.3, как известно в области техники;

Фиг.5 - пример осветительной системы, включающей в себя силовой преобразователь, как известно в области техники;

Фиг.6 - пример переключаемой мощности для использования в осветительной системе фиг.5, как известно в области техники;

Фиг.7 - пример напряжения и действующих кривых, связанных с импульсным силовым преобразователем, изображенным на фиг.6, как известно в области техники;

Фиг.8 - пример осветительной системы, включающей в себя силовой преобразователь в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия;

Фиг.9 - пример кривых, изображающих профили пикового тока катушки индуктивности, частоты переключения, тока нагрузки, и тока смещения в зависимости от фазового угла регулятора силы света для убывающего фазового угла регулятора силы света в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия;

Фиг.10 - пример кривых, изображающих профили пикового тока катушки индуктивности, частоты переключения, тока нагрузки, и тока смещения в зависимости от фазового угла регулятора силы света для возрастающего фазового угла регулятора силы света в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия; и

Фиг.11 - блок-схема алгоритма для регулирования тока нагрузки в осветительной системе фиг.8 в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия.

Подробное описание

Фиг.8 изображает осветительную систему 800 с усовершенствованным технологическим оснащением переключения точек минимума в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия. Как показано на фиг.8 осветительная система 800 может включать в себя источник 804 напряжения, регулятор 802 силы света и лампу 842 в сборе. Источник 804 напряжения может генерировать напряжение V_ПИТ источника питания, которое является, например, номинальным 60Гц/110в сетевым напряжением в Соединенных Штатах Америки или номинальным 50Гц/220в сетевым напряжением в Европе.

Регулятор 802 силы света может содержать любую систему, устройство или аппарат для генерирования сигнала затемнения к другим элементам осветительной системы 800, сигнал затемнения, обозначающий уровень затемнения, который побуждает осветительную систему 800 регулировать мощность, передаваемую лампе, и таким образом, в зависимости от уровня затемнения, увеличивать или уменьшать яркость СИД 832. Таким образом, регулятор силы света может включать в себя регулятор силы света по переднему фронту, похожий на тот, что изображен на фиг.1, регулятор силы света по заднему фронту, похожий на тот, что изображен на фиг.3, или любой другой подходящий регулятор силы света.

Лампа 842 в сборе может содержать любую систему, устройство или аппарат для преобразования электрической энергии (например, передаваемой через регулятор 802 силы света) в световую энергию (например, в СИД 832). Например, лампа 842 в сборе может содержать многофункциональный тип исполнения отражателя (например, MR16 типа исполнения) с лампой, содержащей СИД 832. Как показано на фиг.8, лампа 842 в сборе может включать в себя мостиковый выпрямитель 834, силовой преобразователь 836 и контроллер 812 положения переключателя.

Мостиковый выпрямитель 834 может содержать любой подходящий электрическое или электронное устройство, как известно в области техники, для преобразования всего сигнала напряжения V_{ВЫХ_РЕГ} переменного тока в выпрямленный сигнал напряжения V_ВЫПР, имеющий только одну полярность.

Силовой преобразователь 836 может содержать любую систему, устройство или аппарат, выполненные с возможностью преобразования входного напряжения (например, V_ВЫПР) в другое, выходное напряжение (например, V_ВЫХ), при этом преобразование основано на управляющем сигнале (например, широтно-импульсный модулируемый управляющий сигнал, сообщенный от контроллера 812 положения переключателя). Хотя силовой преобразователь 836 изображен на фиг.8, как понижающий преобразователь, силовой преобразователь 836 может содержать повышающий преобразователь, понижающий преобразователь, комбинированный преобразователь или другой подходящий силовой преобразователь. При реализации понижающего типа, как показано на фиг.8, силовой преобразователь 836 может содержать переключатель 808 (например, полевой транзистор n-типа), который может действовать под влиянием управляющего сигнала C_У (например, широтно-импульсный модулируемый управляющий сигнал), полученного от контроллера 812 положения переключателя для регулирования подачи энергии от выпрямленного, меняющегося во времени входного напряжения V_REC, через катушку 810 индуктивности к конденсатору 806. Силовой преобразователь 836 может также содержать диод 811, который предотвращает реверс тока, идущего от конденсатора 806 в катушку 810 индуктивности. Энергия, передаваемая через катушку 810 индуктивности, может быть сохранена конденсатором 806. Конденсатор 806 может иметь достаточную емкость для поддержания примерно постоянного напряжения V_ВЫХ (например, меньше, чем пик входного напряжения V_ВЫПР), при обеспечении тока для СИД 832.

СИД 832 может содержать один или более светоизлучающих диодов, выполненных с возможностью излучения световой энергии, в количестве, основанном на расчете напряжения V_ВЫХ параллельно СИД 832.

Контроллер 812 положения переключателя может содержать любую систему, устройство или аппарат, выполненные с возможностью определения одной или более характеристик напряжения V_ВЫПР, имеющегося на входе силового преобразователя 836, и управления величиной тока i_ВЫПР, получаемого силовым преобразователем 836, на основе результатов такой одной или более характеристик напряжения V_ВЫПР. Функциональные возможности контроллера 812 положения переключателя изложены подробно ниже.

В ходе работы контроллер 812 положения переключателя может генерировать управляющий сигнал C_У с целью осуществления импульсным силовым преобразователем 836 передачи заданного количества энергии конденсатору 806, и, таким образом, к СИД 832. В соответствии с этим, ток i_L катушки индуктивности может варьироваться по времени в зависимости от пикового входного тока, пропорционального времени включения переключателя 808, и в зависимости от энергии, переданной к конденсатору 806, пропорциональной времени включения, имеющего квадратную форму. Требуемое количество энергии может зависеть от напряжения и силы тока СИД 832. Для обеспечения коррекции коэффициента мощности, почти к единице, контроллер 812 положения переключателя может, как правило, стремиться управлять входным током i_ВЫПР так, чтобы входной ток i_ВЫПР сопровождал входное напряжение V_ВЫПР при удержании напряжения V_ВЫХ конденсатора на постоянном уровне. Таким образом, входной ток i_ВЫПР и пиковый ток i_L катушки индуктивности, может каждый быть пропорциональным периоду проводимости регулятора 802 силы света (например, период времени, в котором регулятор 802 силы света включен и проводит ток).

Стабилизированный ток СИД является средним значением тока катушки индуктивности, питающего непосредственно нагрузку. Для понижающего преобразователя, такой ток СИД i_OUT задается посредством

I_ВЫХ=фур*I_макс=0,5*I_пик*( ТТ_крит/TT')

где фур - это фазовый угол регулятора силы света, приведенный к 1 (например, имеет значение между 0 и 1), I_макс - это максимальная измеряемая величина выходного тока для СИД 832, I_пик - пиковое значение тока i_L катушки индуктивности, ТТ_крит - это критический период переключения электрической проводимости (например, интервалы T1 и T2 на фиг.7) и TT' - это полный фактический период переключения (например, интервалы T1, T2 и T3 на фиг.7).

Чтобы регулировать ток выхода для данного фазового угла регулятора 802 силы света, контроллер 812 может пропорционально изменить пиковый ток I_пик катушки индуктивности и фактический период TT' переключения. Пиковый ток катушки индуктивности может, таким образом, быть задан, как

I_пик=(I_макс/фур_макс)* фур +i_{пик-смещ}

где фур_макс - это максимальная измеряемая величина фур (которая, в некоторых случаях, может быть 1) и i_{пик-смещ} - это предел токовой погрешности, который берет в расчет разницу между заданным средним значением тока I_ВЫХ во время целевого периода ТТ переключения и фактическим значением тока I_ВЫХ во время фактического периода ТТ' переключения, чтобы скорректировать воздействия фактических периодов ТТ' переключения, которые являются квантованными относительно точек минимума, чтобы обеспечить точную стабилизацию по нагрузке.

Таким образом, контроллер 812 может побудить пиковый ток I_пик катушки индуктивности сохранить пропорцию по линейному закону с фур фазового угла регулятора силы света, который тоже может побудить критический период ТТ_крит открытого состояния тоже измениться по линейному закону с фур фазового угла регулятора силы света. Это приведет к тому, что фактический период ТТ' переключения может также сохранить пропорцию по линейному закону с фур фазового угла регулятора силы света для фиксированного интервала Т3 точек минимума. В соответствии с этим, фактический период ТТ' переключения может быть квантованным относительно фиксированного интервала Т3 точек минимума при сохранении пропорции пикового тока I_пик катушки индуктивности, чтобы достичь стабилизацию по нагрузке.

Например, в случае, уменьшения фур фазового угла регулятора силы света, контроллер 812 может побудить пиковый ток I_пик пропорционально уменьшить размеры по линейному закону с фур фазового угла регулятора силы света. Когда фактический период ТТ' переключения пропорционально уменьшает размеры по линейному закону с величиной фиксированного интервала Т3 точек минимума, можно для фактического периода ТТ' переключения уменьшить до минимального периода ТТ_min переключения (или максимальное значение частоты переключения), который может быть критерием наращивания существующего числа точек минимума на один. Тем самым фактический период ТТ' переключения может быть увеличен на один индуктивно паразитного конденсатора (LC) вызывной период сток-исток напряжения V_СИ и может, в свою очередь, побудить уменьшение тока I_ВЫХ нагрузки. Контроллер 812 может компенсировать данный переходный эффект с помощью увеличения пикового тока I_пик катушки индуктивности для того, чтобы поддержать непрерывное регулирование выходного тока. Такой же линейный профиль пикового тока, как функция фур фазового угла регулятора силы света, может быть осуществлен с новым пиковым током I_пик катушки индуктивности до тех пор, пока не будет снова получен минимальный период переключения, который может побудить контроллер 812 разыскать следующую точку минимума. Фиг.9 иллюстрирует пример кривых, изображающих зависимость профилей пикового тока I_пик катушки индуктивности, частоты переключения (например, 1/ТТ'), тока i_ВЫХ нагрузки и токовой погрешности i_{пик-смещ} в зависимости от фур фазового угла регулятора силы света. На фиг.9, N представляет собой LC вызывную точку минимума, в которой происходит переключение точки минимума (например, в которой фактический период ТТ' переключения заканчивается и начинается новый).

Другой пример, в случае увеличения фур фазового угла регулятора силы света, контроллер 812 может побудить пиковый ток I_пик пропорционально увеличить размер по линейному закону с величиной фур фазового угла регулятора силы света (фур) таким образом, чтобы период ТТ' переключения пропорционально был увеличен по линейному закону с величиной фур фазового угла регулятора силы света для фиксированного интервала Т3 точки минимума. Тем самым стало возможным увеличить пиковый ток I_пик до максимального предела пикового тока катушки индуктивности, который становится критерием для уменьшения числа точек минимума на одну. Таким образом, по достижении критерия, фактический период ТТ' переключения может уменьшить на один LC вызывной период сток-исток напряжения V_СИ и может в свою очередь осуществить увеличение тока i_ВЫХ нагрузки. Контроллер 812 может компенсировать данный переходный эффект с помощью уменьшения пикового тока I_пик катушки индуктивности для того, чтобы поддержать непрерывное регулирование выходного тока. Такой же линейный профиль пикового тока, как функция фур фазового угла регулятора силы света, может быть осуществлен с новым пиковым током I_пик катушки индуктивности до тех пор, пока не будет получен снова максимальный предел пикового тока катушки индуктивности, который может побудить контроллер 812 разыскать следующую точку минимума. Фиг.10 иллюстрирует пример кривых, изображающих профили пикового тока I_пик катушки индуктивности, частоты переключения (например, 1/ТТ'), тока i_ВЫХ нагрузки и токовой погрешности i_{пик-смещ} в зависимости от фур фазового угла регулятора силы света. На фиг.10, N представляет собой LC вызывную точку минимума, в которой происходит переключение точки минимума (например, в которой фактический период ТТ' переключения заканчивается и начинается новый).

Фиг.11 иллюстрирует блок-схему способа 1100 для регулирования тока нагрузки в осветительной системе фиг.8, в соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия. Способ 1100 может быть реализован с помощью контроллера 812. Как показано на фиг.11, контроллер 812 может реализовать контур 1102 обратной связи для регулирования тока i_ВЫХ нагрузки и блок 1104 управления переключением точки минимума для определения, какую LC вызывную точку минимума прерывать. Контур 1102 обратной связи может регулировать ток i_ВЫХ нагрузки путем регулирования пикового тока I_пик катушки индуктивности, основанного на фур фазового угла регулятора силы света, и максимальный измеряемый выходной ток I_макс, которые могут быть умножены вместе посредством добавочного сопротивления 1106, чтобы генерировать целевой пиковый ток катушки индуктивности, и токовую погрешность i_{пик-смещ}, которая может быть вычтена из целевого пикового тока катушки индуктивности посредством сумматора 1108. Токовая погрешность i_{пик-смещ} может быть рассчитана посредством объединения с интегратором 1112 периода TT_погр погрешности переключения, генерируемый посредством сумматора 1110, который равен разнице фактического периода ТТ' переключения (определяемый посредством блока 1104 управления переключением точки минимума) и целевого периода ТТ переключения, и усиления объединенного периода TT_погр погрешности переключения посредством блока 1114 усиления, имеющего усиление К, которое эффективно пересчитывает объединенный период TT_погр погрешности переключения в соответствующий ток i_{пик-смещ} погрешности.

Контроллер 812 может определить целевой период ТТ переключения, основанный на фур фазового угла регулятора силы света, и пиковый ток I_пик катушки индуктивности. Например, на базе топологии импульсного силового преобразователя 836, мультиплексор 1122 может выдать один из интервала Т2 или интервала критического периода ТТ_крит открытого состояния. Например, если топологией импульсного силового преобразователя 836 является понижающий преобразователь, как показано на фиг.8, мультиплексор 1122 может выдать интервал критического периода ТТ_крит электрической проводимости. С другой стороны, если импульсный силового преобразователь 836 применяет топологию обратного хода, мультиплексор 1122 может выдать интервал Т2. Значение, выданное мультиплексором 1122, может быть перемножено посредством пикового тока I_пик катушки индуктивности в элементе 1116 перемножения и инверсии фур фазового угла регулятора силы света в элементе 1118 перемножения, генерирующим средний результат. Значение данного среднего результата может затем быть умножено в блоке 1120 на константу G_TT для генерации целевого периода ТТ переключения. Константа G_TT это константа, которая может обеспечить право пользования или возможность программирования разработчику схемы в выбранном интервале Т3 точки минимума. Например, для противоположной топологии G_TT может равняться ТТ/(Т1+Т2).

В блоке 1104 управления переключением точки минимума устройство 1124 сравнения может сравнивать фактический период ТТ' переключения с минимальным периодом ТТ_min переключения и генерировать сигнал, свидетельствующий о сравнении. Таким же образом устройство 1126 сравнения может сравнивать пиковый ток I_пик катушки индуктивности с максимальным пиковым током I_{пик-макс} катушки индуктивности и генерировать сигнал, свидетельствующий о сравнении. Сигнал, генерируемый посредством устройства 1126 сравнения, может быть умножен на -1 посредством блока 1128 усиления. В соответствии с этим, накопитель1130 может нарастить на 1, если фактический период ТТ' переключения меньше, чем минимальный период ТТ_min переключения, и может уменьшить на 1, если пиковый ток I_пик катушки индуктивности превышает максимальный пиковый ток I_пик-max катушки индуктивности для того, чтобы определить посылающую вызов точку N минимума, в которой переключение будет происходить. Значение N может быть умножено посредством LC вызывного периода сток-исток напряжения V_СИ посредством блока 1132 усиления, причем результат складывается сумматором 1134 с интервалами Т1 и Т2 для генерирования фактического периода ТТ' переключения. Контроллер 812 может затем генерировать соответствующий управляющий сигнал C_У для того, чтобы побудить импульсный силовой преобразователь 836 работать в фактическом периоде ТТ' переключения, рассчитанным с помощью блока 1104 управления переключением точки минимума, с пиковым током I_пик катушки индуктивности, рассчитанным с помощью контура 1102 обратной связи.

Таким образом, во время перехода переключения из одной точки минимума к другой, замкнутый контур 1102 обратной связи может соответственно увеличить или уменьшить пиковый ток I_пик катушки индуктивности, чтобы поддержать стабилизацию по нагрузке в нескольких периодах переключения управляющего сигнала C_У (например, как ограниченного шириной полосы пропускания интегратора 1112).

К числу преимуществ систем и способов, изложенных в настоящем документе, относится то, что они могут обеспечить простую и надежную систему управления, в которой только профиль тока катушки индуктивности определяется по фазовому углу регулятора силы света. Кроме того, в соответствии с этими способами и системами, может быть минимальное переходное мерцание, наблюдаемое в выходном токе i_ВЫХ, когда контроллер осуществляет переключение, чтобы переключиться с одной точки минимума к другой, потому что компенсация, осуществляемая контуром 1102 обратной связи, может принять безотлагательное действие путем увеличения или уменьшения пикового тока I_пик катушки индуктивности в пределах нескольких периодов переключения для поддержания стабилизации нагрузки. Кроме того, подход, используемый этими способами и системами, может привести к уменьшению рассеивания мощности переключателя 808, по сравнению с существующими подходами.

В контексте данного документа, когда два или более элемента рассматриваются, как «связанные» друг с другом, такой термин означает, что такие два или более элемента являются включенными косвенно или прямо в электронные средства связи с промежуточными элементами или без них.

Настоящее раскрытие содержит все изменения, замещения, варианты, преобразования и модификации для примера осуществлений в данном документе, которые специалист может понять. Аналогично, где это целесообразно, прилагаемая формула изобретения содержит все изменения, замещения, варианты, преобразования и модификации для примера осуществлений в данном документе, которые специалист может понять. Кроме того, ссылка в прилагаемой формуле изобретения на аппарат или систему или элемент аппарата или системы, адаптируемый, монтируемый, способный, выполняемый с возможностью, запускаемый, действующий, или работающий, чтобы выполнить конкретную функцию, содержит этот аппарат, систему или элемент, независимо от того, эта или нет конкретная функция активирована, включена или разблокирована, поскольку это аппарат, система или элемент является действительно адаптируемым, монтируемым, способным, выполненным с возможностью, запускаемым, действующим или работающим.

Все примеры и условный язык, перечисленные в настоящем документе, предназначены для педагогических целей для оказания читателю помощи в понимании настоящего раскрытия и концепций, внесенных изобретателем для продвижения уровня техники, и рассмотрены, как существующие без ограничений относительно указанных конкретно перечисленных примеров и параметров. Хотя варианты осуществления настоящего раскрытия описаны подробно, следует понимать, что различные изменения, замещения и преобразования могут быть сделаны в настоящем документе без отступления от существа и объема настоящего раскрытия.

Изобретение относится к контроллеру с возможностью генерирования управляющего сигнала. Технический результат - обеспечение возможности генерирования управляющего сигнала для активации и деактивации переключателя импульсного силового преобразователя для того, чтобы управлять периодом переключения и пиковым током импульсного силового преобразователя для поддержания регулируемого тока импульсного силового преобразователя на заданном уровне тока. Достигается это тем, что при уменьшении периода переключения ниже минимального периода переключения контроллер увеличивает период переключения на вызывной период напряжения переключателя и увеличивает пиковый ток, чтобы ввести коррекцию для увеличения периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток, и при увеличении пикового тока выше максимального пикового тока контроллер уменьшает период переключения на вызывной период напряжения переключателя и уменьшает пиковый ток, чтобы ввести коррекцию для уменьшения периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток, при этом вызывной период напряжении переключателя содержит период резонансного вызова напряжения переключателя. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Аппарат силового преобразования, содержащий:

импульсный силовой преобразователь, выполненный с возможностью передачи энергии от входа силового преобразователя к нагрузке, связанной с силовым преобразователем в соответствии с регулируемым током, причем импульсный силовой преобразователь содержит переключатель и устройство накопления энергии, в котором регулируемый ток является функцией периода переключения импульсного силового преобразователя и пикового тока элемента накопления энергии в течение периода переключения; и

контроллер, выполненный с возможностью генерирования управляющего сигнала для активации и деактивации переключателя для того, чтобы управлять периодом переключения и пиковым током для поддержания регулируемого тока на заданном уровне тока таким образом, что:

при уменьшении периода переключения ниже минимального периода переключения контроллер увеличивает период переключения на вызывной период напряжения переключателя и увеличивает пиковый ток, чтобы компенсировать увеличение периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток; и

при увеличении пикового тока выше максимального пикового тока контроллер уменьшает период переключения на вызывной период напряжения переключателя и уменьшает пиковый ток, чтобы компенсировать уменьшение периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток,

при этом вызывной период напряжения переключателя содержит период резонансного вызова напряжения переключателя.

2. Аппарат силового преобразования по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью, во время периода переключения, переключения при минимальном значении напряжения во время вызывного периода напряжения и резонансный вызов побуждается посредством устройства накопления энергии и паразитного емкостного сопротивления переключателя.

3. Аппарат силового преобразования по п.1, в котором устройством накопления энергии является катушка индуктивности.

4. Аппарат силового преобразования по п.3, в котором переключатель является полевым транзистором (ПТ) и резонансный вызов напряжения переключателя содержит резонансный вызов сток-исток напряжения переключателя, чей резонансный вызов побуждается посредством индуктивного сопротивления катушки индуктивности и паразитного емкостного сопротивления переключателя.

5. Аппарат силового преобразования по п.1, дополнительно содержащий регулятор силы света, выполненный с возможностью предоставления электрической энергии на вход силового преобразователя, причем пиковый ток пропорционален периоду проводимости регулятора силы света.

6. Аппарат силового преобразования по п.1, в котором импульсный силовой преобразователь содержит один из понижающего преобразователя, комбинированного преобразователя и обратноходового преобразователя.

7. Способ силового преобразования, содержащий активацию и деактивацию переключателя импульсного силового преобразователя для того, чтобы управлять периодом переключения и пиковым током импульсного силового преобразователя для того, чтобы поддержать регулируемый ток импульсного силового преобразователя на требуемом уровне тока таким образом, что:

при уменьшении периода переключения ниже минимального периода переключения увеличивать период переключения на вызывной период напряжения переключателя и увеличивать пиковый ток, чтобы компенсировать увеличение периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток; и

при увеличении пикового тока выше максимального пикового тока уменьшать период переключения на вызывной период напряжения переключателя и уменьшать пиковый ток, чтобы компенсировать уменьшение периода переключения для того, чтобы поддержать регулируемый ток;

причем вызывной период напряжения переключателя содержит период резонансного вызова напряжения переключателя.

8. Способ силового преобразования по п.7, в котором контроллер выполнен с возможностью, во время периода переключения, переключения при минимальном значении напряжения во время вызывного периода напряжения и резонансный вызов побуждается устройством накопления энергии импульсного силового преобразователя и паразитного емкостного сопротивления переключателя.

9. Способ силового преобразования по п.7, в котором устройством накопления энергии является катушка индуктивности.

10. Способ силового преобразования по п.9, в котором переключатель является полевым транзистором (ПТ) и резонансный вызов напряжения переключателя содержит резонансный вызов сток-исток напряжения переключателя, чей резонансный вызов побуждается посредством индуктивного сопротивления катушки индуктивности и паразитного емкостного сопротивления переключателя.

11. Способ силового преобразования по п.7, дополнительно содержащий предоставление электрической энергии на вход силового преобразователя регулятором силы света, в котором пиковый ток пропорционален периоду проводимости регулятора силы тока.

12. Способ силового преобразования по п.7, в котором импульсный силовой преобразователь содержит один из понижающего преобразователя, комбинированного преобразователя и обратноходового преобразователя.