專利名稱：用于led大面積光源燈的功率轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及功率轉換器，特別地涉及用于一種包括作為發(fā)光體的發(fā)光二極管(LED)的大面積光源(LALS)燈的功率轉換器。因此，該轉換器足夠薄以便集成在薄設備中。
背景技術：
電子工業(yè)面對著越來越大的小型化和成本節(jié)約的壓力。特別是在消費電子產(chǎn)品領域，制造商力爭為他們的顧客制造盡可能小的、平的以及緊湊的產(chǎn)品。
在微電子學領域中，隨著生產(chǎn)過程的自動化，通過將元件集成在微芯片中能夠實現(xiàn)極致的小型化。在功率電子學領域，由于開關電源(SMPS)的發(fā)展，在過去已經(jīng)成功地減小了電路的結構體積和重量。特別地，使用諧振轉換器布局技術的功率變換可獲得非常有效且小型的方案。此外，期望的是集成分散的電路元件，特別是對于非常薄和平的應用來說，如等離子顯示器或LCD顯示器，從而進一步增大小型化和自動化的程度。
然而，對功率電子應用中的電路來說實現(xiàn)集成是非常困難的。特別地，不同類型的元件是使用過時的分散元件的一個原因。此外，由于為了存儲一定量的能量通常需要一定的體積，或者為了保持合理的電損耗，這些元件的尺寸減小受到限制。
用于調節(jié)輸出電壓和輸出電流的控制系統(tǒng)也增大了功率轉換器的復雜性并限制了其集成的可能性。
要與市電供電網(wǎng)(例如在歐洲是230V AC/50Hz，或在美國是110VAC/60Hz)連接的功率轉換器在功率因素和市電諧波方面必須遵照市電供電網(wǎng)的操作規(guī)則。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，一種功率轉換器，用于在輸入電壓處接收輸入電流和用于在輸出電壓處提供輸出電流，該功率轉換器包括具有一個初級側和至少一個次級側的變壓器，該變壓器具有互感Lm和泄漏電感LS。該變壓器還包括在該變壓器的初級側以fop的工作頻率工作的至少一個開關裝置，以及和該變壓器的泄漏電感LS形成諧振電路的電容器CS。所述工作頻率、所述電容器CS和所述泄漏電感LS匹配成使得輸出電流的有效值相對于被該輸出電流橫穿的負載的變化大體上恒定。如果在輸出電流的頻率響應函數(shù)中可以忽略和負載的相關性，例如可以實現(xiàn)這種恒定的輸出電流的狀態(tài)。如果從絕對值來說由負載確定的加數(shù)比在相應總和中的任何其他加數(shù)小至少一階的數(shù)量級，也可以實現(xiàn)這種狀態(tài)。在電流特性和負載的函數(shù)關系方面，該特性的斜率是負載電流對負載變化的敏感程度的測量值。在諧振時，該靈敏度非常小。略微偏離諧振時，工作點的輸出電壓也會影響該靈敏度。如果提供了限制電壓的措施，那么在電壓極限附近就可以平滑地過渡。通過這種方式，能夠使輸出電流實現(xiàn)大體上自調節(jié)的行為。該諧振轉換器可用于電源模式，其中通過利用諧振原理，可使電流保持在比較窄的限制內而不需付出控制努力。因此，實現(xiàn)了功率轉換器相對于負載變化的穩(wěn)定行為。實際上，提供給負載的電流僅在有限的程度上受負載的影響。該電流主要由諧振電路的頻率響應曲線確定。
根據(jù)工作頻率的下限匹配所述工作頻率fop、所述電容器CS和所述泄漏電感LS，該工作頻率是由串聯(lián)電容器以及互感Lm和泄漏電感LS的總和限定的基本諧振頻率，使得fop>12π1(Lm+Ls)Cs.]]>在基本諧振頻率下工作的功率轉換器更像處于其次級側的電流源，從而獲得高的輸出阻抗。此外，在該基本諧振頻率下諧振電路的輸入阻抗隨著頻率的增大從電容模式改變到感應模式。某些開關裝置如MOSFET晶體管優(yōu)選操作成驅動感應電荷，以便使開關損耗較小。此外，由于所需的基本諧振頻率選擇得相當高，因此能夠使無源元件如電容和電感較小。實際上，最大工作頻率主要受開關裝置的限制。為此，不可能以合理的成本無限地增大工作頻率。因此，串聯(lián)電容器CS和泄漏電感LS的值必須與所施加的工作頻率匹配。
還可以根據(jù)工作頻率的上限匹配所述工作頻率fop、所述電容器CS和所述泄漏電感LS，所述諧振電路的輸出阻抗在該工作頻率下大體上匹配所述負載。為了維持功率轉換器的電流源特性，必須維持相對高的輸出阻抗?？梢哉J為輸出阻抗和負載之間的功率匹配點是電流源和電壓源之間的過渡點。因此，使輸出阻抗比負載大可形成電流源。在該頻率范圍中，輸出阻抗隨著頻率的增大而減小。實際上，該上限可以選擇在一頻率處，輸出阻抗在該頻率比負載阻抗小例如1.2倍，這也將形成令人滿意的電流源特性。
對所述工作頻率來說，可以根據(jù)工作頻率的上限匹配所述工作頻率fop所述電容器CS和所述泄漏電感LS，使得fop<12π1LsCs.]]>在該所謂的串聯(lián)諧振頻率下，功率轉換器的輸出阻抗最小并且甚至可以消失。然而，作為該頻率的函數(shù)，輸出阻抗會在該串聯(lián)諧振頻率周圍迅速增大。因此，即使在僅僅稍低于該串聯(lián)諧振頻率的頻率下，也可以實現(xiàn)令人滿意的輸出阻抗值。
該工作頻率選擇成大體上高于由串聯(lián)電容器和泄漏電感LS限定為下式的串聯(lián)諧振頻率，fs=12π1LsCs,]]>使得泄漏電感LS限制了所述輸出電流。換句話說，工作頻率選擇在一個區(qū)域，其中泄漏電感LS是輸出電流的主導限制因素。串聯(lián)連接的電感將用作電流扼流圈，用于根據(jù)關系式Zinductivity＝jωL增大頻率，該關系式表示電感L的絕對阻抗值與頻率成比例。如果其絕對阻抗值超過在各個串聯(lián)接線中的所有其它元件的阻抗值的總和，就認為該泄漏電感是主導的。在該頻率范圍中，串聯(lián)電感變成主導的，并被認為是幾乎無損耗的串聯(lián)交流電阻。如果輸出電阻不會過高，那么輸出電流幾乎不受負載的影響。
此外，所述工作頻率fop、所述電容器CS和所述泄漏電感LS匹配成使得所述振蕩電路的輸入阻抗呈現(xiàn)電感性。即使在短路的狀態(tài)下，轉換器也工作在電感模式中，這對實現(xiàn)開關裝置的無損耗零電壓開關是期望的。
所述變壓器是平面變壓器，其優(yōu)點是減小了安裝高度。
通過使變壓器的螺旋初級繞組的中心相對變壓器的螺旋次級繞組的中心移動可以實現(xiàn)泄漏電感LS。可替換地，通過不同尺寸的所述變壓器的初級和次級螺旋繞組可以實現(xiàn)該泄漏電感LS。這兩者的組合也是可能的。已描述的實現(xiàn)泄漏電感的可能方案中的第一種非常適合于用實驗的方法確定或改變必要的幾何形狀或者在切換模式電源的裝配過程中作為精密調節(jié)的一部分，第二種可能方案的計算相對容易，因磁通量導致的損耗可更加均勻地進行分布。當組合這兩種可能方案時，可以根據(jù)第二種方法實現(xiàn)泄漏電感LS的主要部分，根據(jù)第一種方法在裝配和最終檢驗過程中實現(xiàn)任何必要的精密調節(jié)。已描述的移動方法僅適用于平面變壓器。
該變壓器的初級和次級繞組以平面的方式集成在印刷電路板PCB中，并在初級和次級繞組之間布置固體的PCB層。同時該變壓器是必不可少的，并且限于具有一定的最小尺寸。在PCB中變壓器的集成組合了兩種要求。通過兩個繞組之間的固體的PCB層可實現(xiàn)初級繞組和次級繞組之間的有效電絕緣。
平面磁芯布置在包括初級繞組、連續(xù)(solid)PCB層和次級繞組的組件的水平側附近。優(yōu)選地，為了獲得初級繞組和次級繞組之間的有效耦合，將變壓器的磁通量導向到軟磁材料內部。利用這種布置，磁通量被導向到繞組附近。
平面軟磁芯由鐵氧體片、鐵氧體聚合化合物構成，或者由高滲透性金屬箔構成。在使用高滲透性金屬箔的情況下，該高滲透性金屬箔由NiFe或鎳鐵高導磁合金構成。可替換地，磁芯由無定形鐵或納米晶鐵構成。無定形鐵例如是金屬玻璃非晶態(tài)金屬或非晶合金(Vitrovac)。通過在磁芯中提供切口來構造磁芯，該切口與在磁芯中導向的磁力線平行。這些材料可以在減小的空間要求下提供良好的軟磁特性。在磁芯中提供切口有助于減小渦電流。鐵氧體片能夠以非常薄的厚度制造，由此也使PCB的總厚度較小。鐵氧體聚合化合物材料能夠以更加復雜的形態(tài)和形狀制造。
電容器CS集成在PCB中，由于大元件如電容器CS可從PCB表面移動到其內部，因而能夠節(jié)省空間，這就導致PCB表面上的元件數(shù)量更少。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，該電子裝置的功率轉換器安裝在散熱片一側上銑出的凹槽中，該功率轉換器的PCB直接安裝在該散熱片上，從而改進對PCB以及其集成和安裝的元件的冷卻。此外，電源不會增大整個LED陣列組件、散熱片和功率轉換器的任何厚度。
此外，PCB可由高導熱的材料構成，這進一步改進了電子元件特別是集成在PCB中的電子元件的冷卻。
可以避免具有高額定值的電容器，由于這些值趨向于對其集成要求足夠的空間。同樣的原因，可以避免電解電容器。大電容通常在電源中具有兩個作用。首先，它們通?？捎糜跍p小整流器輸出處的所謂的波紋(ripple)電壓。如果規(guī)范要求波紋電壓很小，那么大的電容器就是必要的。其次，通常需要大電容器來形成具有低諧振頻率的諧振電路。在特定的實施例中，沒有一個電容器具有超過1μF的額定值。此外，由于在目標應用中，允許相當數(shù)量的波紋電壓，因此能夠有效地利用電容器，該電容器通常用于在電源電壓的零交叉期間維持恒定的能流。其余的電容器可過濾更高的開關頻率，并且由于該原因該電容器不需要很大。
在一個實施例中，功率轉換器還包括可連接到交流市電電源的第一交流-直流整流器；和可連接到電子消費品的第二交流-直流整流器。利用這些附加元件，功率轉換器可變成開關模式的電源，用于將來自交流市電供電網(wǎng)的電力提供給直流電子消費產(chǎn)品。這確保需要直流(DC)的電子消費產(chǎn)品通過中間轉化級與交流(AC)供電網(wǎng)絡連接，該中間轉化級工作在不同于交流供電網(wǎng)絡的另一頻率。通常，該中間級工作在高于交流供電網(wǎng)的頻率。
第一交流-直流整流器可產(chǎn)生已整流的電壓和重疊的波紋電壓。該波紋電壓的頻率是交流市電電源的電壓頻率的兩倍。此外，由第一交流-直流整流器從交流市電電源引出的電流大體上是正弦曲線，其頻率等于交流市電電源的電壓頻率。利用某些電子消費產(chǎn)品，特別是具有非線性電流電壓特性的電子產(chǎn)品，以兩倍于交流市電電源頻率的頻率提供波紋電壓在功率消耗周期方面是有益的。由于眾所周知的整流器會產(chǎn)生波紋電壓作為副產(chǎn)品，而不需要附加的措施，無論是對產(chǎn)品還是為了抑制波紋電壓。由第一交流-直流整流器從交流市電電源引出的電流大體上是正弦曲線，其頻率等于交流市電電源的電壓頻率。通過這種方式，滿足電源工業(yè)的大部分要求。實際上，電源工業(yè)要求與其供電網(wǎng)連接的電子設備不會使網(wǎng)絡過多地載有市電諧波。
電子消費品具有類似于二極管的電流-電壓特性，利用該特性，和第一交流-直流整流器相配合，能夠實現(xiàn)電子設備的功率消耗以兩倍于交流市電電源頻率的頻率變化。該功率轉換器從交流市電電源以一頻率引出大體上正弦的電流，該頻率等于在所述交流市電電源上的電壓頻率。因此該功率轉換器滿足市電諧波減小的電源行業(yè)的要求，從而導致電源網(wǎng)絡中的損耗減小以及應力作用在該電源網(wǎng)絡上。通過利用負載的上述電流電壓特性可以實現(xiàn)這個，從而通過正弦的方式獲得一和流過其的電流相同的頻率振蕩的功率消耗。此外，電子消費產(chǎn)品的電流電壓特性可獲得在流過其的電流的頻率下的功率消耗。由于在電子設備的靜止操作中，在電子消費產(chǎn)品中消耗的功率量近似等于從市電電源吸收的功率量，以及由于內部開關頻率比市電電源電壓的頻率高幾階，因此被電源吸收的功率以波紋電壓的頻率振蕩。這種行為是優(yōu)選的，因為從電源行業(yè)的觀點來看，它看起來就像線性負載，由于幾乎沒有市電諧波，因此該線性負載不會過多地加壓力于電源網(wǎng)絡上。
大面積光源(LALS)燈包括根據(jù)本發(fā)明的功率轉換器。這使得大面積光源燈很薄，即使在功率轉換器集成在燈的散熱片中。


參考附圖，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將變得明顯，其中圖1示出了利用本發(fā)明的功率轉換器的示意性表示；圖2示出了有助于其分析的功率轉換器的等同網(wǎng)絡；圖3示出了電壓傳遞函數(shù)|Uout/Uin|的頻率響應和歸一化頻率f的函數(shù)關系；圖4示出了諧振電流Ires的幅度的頻率響應；圖5示出了諧振電流的虛數(shù)部分Im(Ires)的頻率響應和歸一化頻率f的函數(shù)關系；圖6示出了電路的諧振電流(Ires)的相位的頻率響應和歸一化頻率f的函數(shù)關系；圖7示出了功率轉換器的輸出阻抗的頻率響應和歸一化頻率f的函數(shù)關系；圖8a示出了一種變壓器的初級繞組和次級繞組的布置，其中通過移動兩個繞組的中心實現(xiàn)泄漏電感；圖8b示出了變壓器的初級繞組和次級繞組，其中通過對初級繞組和次級繞組賦予不同直徑實現(xiàn)泄漏電感；圖9是具有集成的變壓器的印刷電路板的截面圖；和圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的大面積光源的透視圖。
盡管本發(fā)明可進行各種修改和可替換的形式，通過附圖中的實例已經(jīng)示出了其具體實施例并在這里詳細地描述。然而應該理解，這不是要將本發(fā)明限制到所公開的特定形式，相反，本發(fā)明覆蓋了如隨附權利要求所限定的所有修改、等同物以及可替換方案。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖1，其示出了功率轉換器(100)的示意圖，該功率轉換器使市電供電網(wǎng)(30)提供的功率適配于電子消費產(chǎn)品(40)的工作條件。這種適配包括減小電壓和將市電供電網(wǎng)(30)提供的交流電整流成電子消費產(chǎn)品(40)所需的直流電。市電供電網(wǎng)可提供230VAC/50Hz的電壓，如歐洲市電供電網(wǎng)所提供的，但是它同樣可以是一些其他市電供電網(wǎng)提供的電壓，如美國市電供電網(wǎng)，即110V AC/60Hz的電壓。在該實施例中，電子消費產(chǎn)品(40)由幾個串聯(lián)連接的發(fā)光二極管(LED)構成。由于其電流電壓特性，二極管傾向于在其端子處保持一電壓，該電壓處于其預定的正向電壓附近。另一方面，流過二極管的電流強度實際上不受二極管本身控制，它可以達到較高的值，除非外圍電路提供合適的對策來限制電流的強度。通常，使用反饋控制回路來控制流過負載的電流。這種反饋控制通常作用在門信號上，該門信號通過脈寬調制(PWM)被施加在門上或者開關元件的基極上。然而，如果門信號的寬度被用作控制因素，打開或關閉開關裝置的瞬間中的至少一個不能選擇成和零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)一致。由于這些打開和/或關閉的次最佳瞬間，開關元件中的功率耗散會增大。另一種以主動方式控制功率轉換器的輸出電流的可能方案在于利用了輸出電流的頻率響應。因此，開關元件的工作頻率在工作頻率周圍變化，輸出電流的頻率響應曲線在該工作頻率具有一定的斜率。所有的反饋控制都共有的是需要測量功率轉換器的輸出電流，這需要附加的電路。如果在變壓器的初級側和次級側之間需要電隔離，那么就有必要附加光或電磁傳輸元件。然而，與大多數(shù)意見相反，如在該實施例中所描述的，在沒有閉環(huán)控制的條件下，可以實現(xiàn)足夠穩(wěn)定的電流控制。
由市電供電網(wǎng)(30)提供的電壓通過整流器(112)進行整流。電容器(114)使已整流的電壓平滑，其中平滑度取決于電容器(114)的容量。電容器(114)的端子之間的電壓包括直流分量和所謂的波紋電壓。將已整流的電壓施加到包括開關(124a)和(124b)的半橋上。兩個開關以交替的方式進行操作，為此，其受控制器(122)的控制。該控制器(122)為開關(124a)和(124b)產(chǎn)生門信號或觸發(fā)信號。開關(124a)和(124b)以雙極性或MOSFET技術來實現(xiàn)。對于更高的工作頻率，MOSFET晶體管通常優(yōu)于雙極晶體管。在半橋的輸出處，可獲得大體上的方波電壓，該方波電壓被施加到包括電容器CS(132)和電感LS(134)和Lm(136)的諧振網(wǎng)絡。這些元件形成串聯(lián)的諧振電路。電感LS(134)是變壓器(133)的泄漏電感，電感Lm(136)是同一變壓器(133)的互感。變壓器(133)也包括位于其次級側的次級繞組(138a)和(138b)。在公知的方式中，變壓器(133)具有中點引線(139)。整流器(142)與變壓器(133)的次級側連接。電容器(144)用于使整流器(142)的輸出電壓平滑。負載(40)與電容器(144)并聯(lián)連接，該負載由平滑的整流器(142)的輸出電壓提供。
為了使電路很薄，變壓器(133)構造成使其繞組集成在印刷電路板(PCB)中。
現(xiàn)在轉到圖2，其示出了功率轉換器的相關部分的等效網(wǎng)絡。通過提供正方形波電壓的電壓源UHB模擬半橋的輸出。該正方形波電壓被施加到與圖1中示出的相似的諧振電路上。除了在圖1中示出的諧振電路，電容器CP(137)與理想換能器(135)的輸出并聯(lián)連接。實際上，電容器CP(137)模擬變壓器(133)的次級側由其繞組產(chǎn)生的寄生電容。當轉換到變壓器的初級側時，電容器CP(137)以CP/N2出現(xiàn)在理想換能器的初級側，其中N是次級繞組和初級繞組的匝數(shù)比。由于該匝數(shù)比的相關性，即使是位于變壓器的次級側的小寄生電容也會在其初級側變得相關，這取決于匝數(shù)比N。因此，在電路分析中不能忽略并聯(lián)電容器。電容器CP(137)的出現(xiàn)可產(chǎn)生由Lm(136)和電容器CP(137)構成的并聯(lián)諧振電路，其被轉換到換能器(135)的初級側。和由電容器CS(132)以及泄漏電感LS(134)構成的串聯(lián)諧振電路一起，這將形成四階諧振電路。該電路布局由于其元件的數(shù)量也稱為LLCC布局。
為了更加精密地分析LLCC半橋轉換器和理解不同的工作模式，有幫助的是使用可以分離復雜的相互關系的模型。合適的分析工具是所謂的基波近似法(FHA)，其中僅考慮施加到網(wǎng)絡上的信號的基頻。如果被轉換能量的大部分以具有基頻的波的方式輸送，那么這就是允許的。諧波的所有影響可被忽略。在包括線性元件的電路中，僅需要執(zhí)行處于基頻的直接交流電路分析。利用交流計算方法，可以分析LLCC諧振轉換器的行為。常見的方法是根據(jù)下面的公式通過分壓器計算傳遞函數(shù)neff·UoUi=Z2Z1+Z2,]]>在該公式中，Uo表示輸出電壓，Ui表示輸入電壓，neff表示有效匝數(shù)比。阻抗Z1和Z2分別定義為Z1=1jωCs+jωLs]]>以及Z2=11jωLp+jωCpneff2+1neff2·RAC.]]>利用品質因數(shù)的定義Qs=ωs·LsRL=ωs·Ls·PoutUout2=LsCs·PoutUout2]]>以及利用串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率各自的定義fs=ωs2π=12πLsCs]]>和fp=ωp2π=12πLpCp,]]>可以發(fā)現(xiàn)LLCC轉換器的絕對值傳遞函數(shù)
|UoutUin|=12·neff(1+LsLp·[((fsfp)2+1)-((fsf)2+1neff2(ffp)2)])2+Qs2·π4neff4·64(ffs-fsf).]]>從該方程式可以得出，電路的傳遞函數(shù)大體上取決于品質因數(shù)QS、諧振頻率fS和fP以及LS和LP的比率的選擇。
圖3示出了表示轉換器的電壓傳遞函數(shù)和頻率之間的函數(shù)關系的曲線圖。圖中的頻率軸標準化為串聯(lián)諧振頻率fS。圖3的曲線圖中示出的每一曲線顯示了特定品質因數(shù)QS的電壓比。該品質因數(shù)QS是負載電阻RL的函數(shù)，反過來這確定了轉換器的輸出功率。從底部開始，最下面的粗短劃線表示最大輸出功率的電路特性，以及接下來的短劃線是標稱輸出功率的電路特性。接下來的短劃線是較低輸出功率的電路特性。最上面的實線表示在輕負載下工作的電壓傳遞函數(shù)。
諧振轉換器能夠工作在不同的模式中，該模式能夠通過選擇工作頻率進行調節(jié)。利用基波近似法和由此獲得的轉換器布局的傳遞函數(shù)，能夠檢驗電路的傳遞特性。辨別不同的工作范圍。傳遞函數(shù)的特征是位于曲線的局部最大值的兩個特有的諧振頻率fr1和fr2。應該注意，這些諧振頻率fr1和fr2通常與串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率不同。從傳遞函數(shù)來看，值得注意的是負載曲線的最大值移動了。對于小的負載來說，最大值朝fr1移動。對于增大的負載來說，峰值朝串聯(lián)諧振頻率fS移動。諧振頻率fr2的影響程度取決于轉換器設計。
根據(jù)負載曲線的最大值的位置可以確定下面的工作范圍電容范圍輸入阻抗的作用就像電容器。電流優(yōu)先于電壓。優(yōu)選在沒有電流流過開關元件(零電流開關或ZCS)的瞬間關閉開關元件(例如IGBT)；電感范圍輸入阻抗的作用就像電感。電壓優(yōu)先于電流。優(yōu)選在開關元件上的電壓為零(零電壓開關或ZVS)的瞬間打開開關元件(例如MOSFET)。
如果轉換器在電容范圍中工作，那么開關頻率必須選擇成低于諧振頻率。在該范圍中，在沒有電流流過開關元件時將其關閉。如果轉換器在高于該諧振頻率下工作，則其在電感模式中工作，即在零電壓時切換開關元件。串聯(lián)諧振頻率fS是兩個諧振頻率之間的截止頻率，并且它還可以提供從電容工作模式向電感工作模式的過渡。
較低的諧振頻率是基頻。該基頻由串聯(lián)電容以及泄漏電感和互感的總和確定。在該頻率下，轉換器的作用就像在其輸出的電流源，也就是輸出阻抗很高。低于該頻率，轉換器將在電容模式中工作。高于該頻率，根據(jù)負載狀態(tài)，轉換器將在電感模式中工作。
第二主諧振頻率是串聯(lián)諧振頻率，其由串聯(lián)電容CS和泄漏電感LS確定。在該頻率下，轉換器用作電壓源。因此，其輸出阻抗很低。在轉換器用于驅動LED的情況下，必須避免這個范圍。大大高于該串聯(lián)諧振頻率時，串聯(lián)電感限制了負載電流，使得該范圍也可以用于驅動LED。
考慮到諧振電路中的電流，能夠更加精確地確定轉換器工作的不同范圍。為此，分別在圖4和6中畫出了諧振電路Ires中電流的大小和相位與頻率的關系圖。對于在輕負載狀態(tài)(實線)下的工作，人們認識到轉換器能夠在兩個電容模式和兩個電感模式中起作用。諧振頻率fr1標記了從電容范圍向電感范圍的過渡。因此，相位從+90°變化到-90°，即在諧振電路中電壓優(yōu)先于電流。在從并聯(lián)分支LP和CP中的元件產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率下，電流再次變成電容性的。在這一點上，在如從幅值圖示中截取的，輕負載狀態(tài)下沒有電流流入諧振電路。開關晶體管不會在該工作頻率下產(chǎn)生任何正向損耗。在諧振頻率fr2下，轉換器變成電感性的，并且相對高的電流流入諧振電路。對于零電壓開關(ZVS)來說轉換器的可用性取決于諧振電流的虛數(shù)部分的值，其與電流的相位相關，因此也與電流相對電壓的遲滯或提前相關。圖5示出了電流的虛數(shù)部分。在電壓穿過零時電流負向地越大，對于ZVS來說就越有利，這是因為開關元件的容量能夠更好地放電和再充電。在頻率特性圖中，電流的虛數(shù)部分的零交叉表示不同的工作模式的過渡。此外，可以看到的是電流的虛數(shù)部分在所謂的負載獨立點是恒定的。這意味著當在電感模式中工作時轉換器具有同樣的ZVS特性，而不管負載的大小。如果能夠假定輸入電壓相對穩(wěn)定，由于輸出電壓的控制特性不令人滿意，因此僅應該選擇在該頻率下的工作。
此外，期望的是將轉換器設計成恒流電源或設計成恒壓電源。為此，LLCC轉換器的輸出阻抗在圖7中表示成不同的輸出功率值。此外，該表示被標準化成串聯(lián)諧振頻率fS。如果在該串聯(lián)諧振頻率下工作，轉換器的輸出諧振會變得非常小，即電路表現(xiàn)成恒壓電源。相反地，對于等于并聯(lián)諧振頻率的工作頻率來說，電路表現(xiàn)成恒流電源。在這兩個頻率之間，假定輸出阻抗為有限值，這樣就能夠通過選擇合適的工作頻率來執(zhí)行功率調節(jié)。
通過變壓器的泄漏電感可實現(xiàn)串聯(lián)電感LS。為了在適合于該應用的平面變壓器中增大和將其調節(jié)到期望值，提出了兩種可能方案。在第一種可能方案中，初級繞組和次級繞組是具有相同直徑的螺旋繞組。正如在圖8a中所看到的，其中心被移動了。初級繞組801具有中心811，次級繞組802具有中心812。中心811和812之間的距離810限定了次級繞組相對初級繞組的位移。中心被移動得越遠，耦合就越弱，從而增大泄漏電感。這種方法非常適合于用實驗方法確定或改變必要的幾何形狀。第二組可能方案也使用了兩個螺旋繞組。它們彼此位于中心，但是它們具有不同的直徑，正如在圖8b中所看到的。初級繞組801的直徑821小于次級繞組802的直徑822。沒有重疊的部分和繞組的其余部分微弱地耦合，這樣就增大了泄漏電感。和第一種方案相比，這種結構更容易計算，以及由磁通量導致的損耗可更加均勻地分布。然而，不能在制造之后修改該方案，也不能進行實驗調節(jié)。此外，兩種可能方案的組合是可能的。
現(xiàn)在轉到圖9，描述了將無源元件集成在功率電子設備的電路中。為了將這些元件集成在印刷電路板中，一種方法注重技術開發(fā)。封裝密度越高，由于整體制造因而生產(chǎn)過程也將越快，該方法的優(yōu)點是改進的熱特性。另一種方法注重復雜元件的開發(fā)，該復雜元件合并了各種電子功能，即將電容特性和電感特性集成到一個元件中。得到的優(yōu)點是元件數(shù)量少，減小了電路的尺寸。兩種方法的組合可獲得更高水平的集成。因此，所有類型的無源元件優(yōu)選地集成在PCB中。該無源元件是那些除半導體之外的元件。它們包括電阻、電容器，或電感和變壓器。這樣就能夠在生產(chǎn)過程的一個步驟中同時制造多個元件。通過多層中的生產(chǎn)過程可以實現(xiàn)該整體制造，其中每一層包括許多相似的元件。將各個層組合成整個電路，這樣可以獲得三維結構的電路。
變壓器作為電源中最大的元件構造成將其繞組集成在印刷電路板(PCB)900中。這樣就能夠實現(xiàn)非常薄的方案。該變壓器包括初級繞組。該初級繞組包括兩個并聯(lián)連接的導體942和944。導體942和944具有兩個端子952和954，用于將初級繞組與外部電路電連接。次級繞組布置在初級繞組下方，并包括兩個導體946和948。導體946和948包括端子962、964和966，用于將次級繞組與外部電路電連接。在端子962側，兩個導體彼此電連接，使得端子962與兩個導體946和948耦合。然而在相對的一側，每個導體946和948分別引出單個端子964和966。這種布置以端子962的形式在次級繞組中形成中心分接頭。初級繞組和次級繞組之間的絕緣932可以確保符合標準的市電絕緣。因此，可以在初級側和次級側的導電部之間嵌入漏電距離為6mm(或8mm，取決于應用環(huán)境)或厚度為至少0.4mm的連續(xù)PCB層。應該注意，大多數(shù)在技術上相關的軟磁材料“在安全標準的意義上”是導電的。軟磁層922和924形成開放磁路。如果變壓器鐵心由封閉的軟磁電路構成，那么其在頂面和底面922、924上的部分將電連接，因此能夠形成從初級繞組到次級繞組的漏電路徑。象在軟磁片的使用中一樣，如果半鐵心(core halves)被PCB 900分開，就能夠避免該泄漏路徑。然而，絕緣距離會在磁路中導致間隙。獲得的電感減小使得有必要進行某一電路布局以及使用更高的開關頻率。在該實例中，為了便于清楚地描述，PCB 900包括用于平面變壓器的單層。但是，應該理解，PCB900可以包括例如用于電容器、電感和電阻的附加層，該附加層位于變壓器層的上面或下面。
軟磁芯變壓器由兩個鐵氧體片構成。這具有兩個優(yōu)點其形狀很容易制造，這是重要的，因為燒結的鐵氧體易碎。簡單的板狀片做得比復雜形狀的磁芯更薄。通過這種方式，能夠實現(xiàn)總體厚度為3mm的變壓器。使用鐵氧體芯的軟磁片的第二個原因是容易實現(xiàn)如上所述的市電絕緣。
在另一種實現(xiàn)中，與專利申請案US 2003/0030533中描述的相似，磁芯由層壓在印刷電路板上的鐵氧體聚合化合材料構成。定時電容、濾波電容和其他電容同樣可以集成在印刷電路板中作為分離層。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的大面積光源(LALS)燈1000的透視圖。示出的該LALS燈1000背側在上面。根據(jù)本發(fā)明的功率轉換器100嵌入在散熱片1010的空腔1012中。該散熱片1010由幾個冷卻肋片形成，這樣可以確保有效的熱耗散。其他形式的散熱片如面對LALA燈的側面的大表面也是可能的。發(fā)光二極管(LED)40用作發(fā)光體。這些發(fā)光二極管通常在功率轉換器100的輸出處串聯(lián)連接。LED 40在該圖中表示為圓柱體，以指示其位置。它們的實際形狀可以變化。由于LED通常具有方向性的光發(fā)射特性，因此反射鏡和/或擴散器(未示出)可以用于均勻的光分布。散熱片1010的下表面示出為半透明的，使得LED是可見的。
權利要求
1.一種功率轉換器，用于在輸入電壓處接收輸入電流和用于在輸出電壓處提供輸出電流，該功率轉換器包括具有一個初級側和至少一個次級側的變壓器，該變壓器具有互感Lm和泄漏電感Ls；在所述變壓器的初級側以fop的工作頻率工作的至少一個開關裝置；位于變壓器的初級側的電容器Cs，該電容器和所述變壓器的泄漏電感Ls形成諧振電路，其中所述工作頻率、所述電容器Cs、所述互感Lm和所述泄漏電感Ls匹配成使得輸出電流的有效值相對被所述輸出電流橫穿的負載的變化大體上恒定。
2.如權利要求1所述的功率轉換器，其中根據(jù)工作頻率的下限匹配所述工作頻率fop、所述電容器Cs和所述泄漏電感Ls，該工作頻率是由串聯(lián)電容器以及互感Lm和泄漏電感Ls的總和限定的基本諧振頻率，使得fop>12π1(Lm+Ls)Cs.]]>
3.如權利要求1或2所述的功率轉換器，其中根據(jù)工作頻率的上限匹配所述工作頻率fop、所述電容器Cs和所述泄漏電感Ls，所述諧振電路的輸出阻抗在該工作頻率上大體上匹配所述負載。
4.如權利要求1或2所述的功率轉換器，其中根據(jù)工作頻率的上限匹配所述工作頻率fop、所述電容器Cs和所述泄漏電感Ls，使得fop<12π1LsCs.]]>
5.如權利要求1所述的功率轉換器，其中該工作頻率選擇成大體上高于由串聯(lián)電容器和泄漏電感Ls限定為下式的串聯(lián)諧振頻率fs=12π1LsCs,]]>使得泄漏電感Ls限制了所述輸出電流。
6.如權利要求5所述的功率轉換器，其中所述工作頻率fop、所述電容器Cs和所述泄漏電感Ls匹配成使得所述振蕩電路的輸入阻抗呈現(xiàn)電感特性。
7.如權利要求1至6所述的功率轉換器，其中所述變壓器是平面變壓器。
8.如權利要求7所述的功率轉換器，其中通過使所述變壓器的螺旋初級繞組的中心相對所述變壓器的螺旋次級繞組的中心移動來實現(xiàn)所述泄漏電感Ls。
9.如權利要求1至7所述的功率轉換器，其中通過所述變壓器不同尺寸的初級和次級螺旋繞組實現(xiàn)所述泄漏電感Ls。
10.如權利要求7所述的功率轉換器，其中所述泄漏電感Ls實現(xiàn)成使初級繞組和次級繞組相對彼此的移動以及具有不同尺寸的初級繞組和次級繞組的組合。
11.如權利要求7至10所述的功率轉換器，其中所述變壓器的所述初級和次級繞組以平面的方式集成在印刷電路板PCB中，并在所述初級和次級繞組之間布置連續(xù)的PCB層。
12.如權利要求11所述的功率轉換器，其中平面磁芯布置在包括初級繞組、連續(xù)PCB層和次級繞組的組件的水平側附近。
13.如權利要求12所述的功率轉換器，其中所述平面磁芯包括鐵氧體片。
14.如權利要求12所述的功率轉換器，其中所述磁芯由高滲透性金屬箔構成。
15.如權利要求14所述的功率轉換器，其中所述高滲透性金屬箔由NiFe或鎳鐵高導磁合金構成。
16.如權利要求12所述的功率轉換器，其中所述磁芯由無定形鐵構成。
17.如權利要求12所述的功率轉換器，其中所述磁芯由納米晶鐵構成。
18.如權利要求12至17所述的功率轉換器，其中通過在磁芯中提供切口構造磁芯，所述切口與在磁芯中導向的磁力線平行。
19.如權利要求11至18所述的功率轉換器，其中所述電容器Cs集成在PCB中。
20.如權利要求1至19所述的功率轉換器，其中所述功率轉換器安裝在形成于散熱片一側上的凹槽中。
21.如權利要求11至20所述的功率轉換器，其中所述PCB直接安裝在所述散熱片上。
22.如權利要求11至21所述的功率轉換器，其中所述PCB由高導熱的材料構成。
23.如權利要求11至22所述的功率轉換器，其中避免了具有高額定值的電容器。
24.如權利要求1至23所述的功率轉換器，還包括可連接到交流電源的第一交流-直流整流器；可連接到電子消費品的第二交流-直流整流器。
25.如權利要求24所述的功率轉換器，其中所述第一交流-直流整流器產(chǎn)生已整流電壓和重疊的波紋電壓，所述波紋電壓的頻率是所述交流電源的電壓頻率的兩倍。
26.如權利要求24或25所述的功率轉換器，其中由所述第一交流-直流整流器從所述交流電源引出的電流大體上是一正弦曲線，該正弦曲線的頻率等于所述交流電源的電壓頻率。
27.如權利要求24至26所述的功率轉換器，其中所述電子消費品具有類似于二極管的電流-電壓特性。
28.大面積光源(LALS)燈，包括如權利要求1至27所述的功率轉換器。
29.一種包括作為發(fā)光體的發(fā)光二極管的大面積光源，其包括用于在輸入電壓處接收輸入電流和用于在輸出電壓處提供輸出電流的功率轉換器，該功率轉換器包括具有一個初級側和至少一個次級側的變壓器，該變壓器具有互感Lm和泄漏電感Ls，在所述變壓器的初級側以fop的工作頻率工作的至少一個開關裝置；和位于變壓器的初級側的電容器Cs，該電容器和所述變壓器的泄漏電感Ls形成諧振電路。
30.如權利要求29所述的大面積光源，其中所述變壓器是平面變壓器。
31.如權利要求30所述的大面積光源，其中所述變壓器的初級和次級繞組以平面的形式集成在印刷電路板PCB中，并在所述初級和次級繞組之間布置連續(xù)的PCB層。
32.如權利要求31所述的大面積光源，其中平面磁芯布置在包括初級繞組、PCB和次級繞組的組件的水平側附近。
33.如權利要求29至32中的一項或多項所述的大面積光源，其中所述電容器Cs集成在PCB中。
34.如權利要求29至33中的一項或多項所述的大面積光源，還包括散熱片，所述功率轉換器安裝在形成于散熱片一側上的凹槽中。
35.如權利要求34所述的大面積光源，其中所述PCB直接安裝在散熱片上。
全文摘要
一種功率轉換器，用于在輸入電壓處接收輸入電流和用于在輸出電壓處提供輸出電流。該功率轉換器包括具有一個初級側(136)和至少一個次級側(138)的變壓器(133)，其中該變壓器具有互感L
文檔編號H02M3/337GK101036284SQ200580033508
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權日2004年10月1日
發(fā)明者E·瓦芬施米特, T·紐伯特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司