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CN1292207A - 电子灯镇流器 - Google Patents

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CN1292207A
CN1292207A CN99803306A CN99803306A CN1292207A CN 1292207 A CN1292207 A CN 1292207A CN 99803306 A CN99803306 A CN 99803306A CN 99803306 A CN99803306 A CN 99803306A CN 1292207 A CN1292207 A CN 1292207A
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Abstract

通过经过一个线路电感线圈将高频电流反馈,可以降低经过一个谐振储能电路和变换器开关的循环电流。一个谐振负载电路连接在一个变换器输出节点和输入整流器电路的一个终端之间。一个高频电容有一个连接到输入整流器电路的一个AC侧终端的终端。线路电感线圈和高频电容具有选择的值,以使在高频电压的每个循环的一部分,流入所述AC侧终端的所述一个终端的瞬态高频电容电流具有一个较大的幅度,并和通过所述线路电感线圈进入所述AC侧终端的电流的极性相反。

Description

电子灯镇流器
本发明涉及用于操纵放电灯,例如荧光灯的电子镇流器,尤其是涉及这种具有最小数量工作元件的镇流器。
大部分磁耦合自振荡变换器被大量制造,以在竞争激烈的市场中销售。由于半桥变换器具有相对低的元件数目,所以它们得到了广泛的应用。这种变换器可以被划分为两组:一组是那样的变换器,即它们使用一种具有一个饱和铁芯的电流变压器,通常和功率BJT=s(双极结式晶体管)一起;另一组是那样的变换器,即它们使用一种具有一个线性铁芯的电流变压器,通常和MOSFETs(金属氧化半导体场效应晶体管)一起。正如本领域技术人员将认识到的那样,在此文中,线性铁芯指的是一种铁芯,其中工作是在具有一个圆滑的B-H特性曲线,而不是一个陡的B-H特性曲线的一个范围中进行的;即在任何时候,通量水平都是这样的,以使通量水平的显著增长总伴随着励磁电流的显著增长。
美国专利5,313,142披露了这样一种镇流电路,该电路具有一个饱和铁芯电感线圈,其中铁芯具有连接到转换晶体管的控制电极上的副线圈。这个电感线圈与包括另一个电感线圈和一个灯的负载电路串联,所述灯具有串联和并联的电容。当通过饱和铁芯电感线圈的电流升高到一定的使铁芯饱和的值,从而副线圈中的电压下降,以及打开的转换晶体管被关掉时,会出现自振荡。该负载电路连接在变换器的输出节点和两个反馈电容间的一个节点之间,一个电容连接到DC接地母线,一个电容连接到一个整流电路的AC侧,所述整流电路可以是一个倍压型,也可以是一个全波桥型。另一个AC侧终端连接到一个线路电感线圈。通过反馈电容反馈的高频电能经过线路电感线圈发展为一个高频电压,因此给施加到整流二极管的输入信号提供了一个高频放大。
此专利披露的镇流器操纵一个荧光灯,该灯中的灯丝需要相当长的预热时间。为了防止在DC母线上产生一个有害的高的过压,当灯未亮时,两个齐纳二极管限制了反馈。负载电路及与负载电路并联的一个缓冲电容连接在一个半桥BJT变换器和一个反馈节点之间。流入那个节点的高频电流在连接到信号接地线的一个电容C4和反馈电容C5之间被分流。选择电容C4和C5的值,使电路像一个高频放大转换器一样工作,以提高电路的功率因数并降低谐波。但是,显然线路电流仍然是不连续的。
本发明的一个目的是降低用于一个非线性负载的功率因数校正高频转换器中的转换电流。
本发明的另一个目的是降低一个具有AC侧电能反馈的功率因数校正的电灯镇流器的转换电流。
根据本发明,一个转换器或功率因数校正的镇流器具有一个DC供电电路,该电路具有两个AC侧终端和两个DC侧终端,直接通过连接在一个位于两个二极管之间的AC侧终端和任何连接在低频电源两端的电容之间的一个小输入电感器供给低频电能。因此该低频电源具有一感抗。从DC供电电路接收DC电能的一个半桥转换器具有一个位于两个开关之间的一个输出节点。连接在输出节点和四个终端中的一个终端之间的一个负载电路包括一个谐振电感线圈,至少一个与谐振电感器形成一个谐振电路一部分的电容器,及两个用于一个非线性负载的接点,该负载在工作状态中至少基本上是电阻性的。
在第一个优选实施例中,转换器是一个连接成提供电流源反馈的电灯镇流器,整流器是一个全波桥式整流器,一个高频电容连接在AC侧桥式整流器终端之间的其中一个二极管的两端。在高频循环的一部分,高频电流有一个高于线路输入电流的瞬态值,这些电流之间的差给高频电容充电。在高频循环的下一部分,高频电容放电,并经过转换器从线路到大容量存储电容提供一个直接的能量流。
通过和已知的镇流器相比,该结构大大降低了正在循环的高频电流,因此降低了晶体管的转换负载,及谐振电感线圈中的尺寸和能量损失。
在第二个优选实施例中,镇流器被连接成提供电压源反馈,一个高频电容连接在AC侧桥式整流器终端之一和一个高频电压源之间,例如一个电灯终端或变换器输出节点之间。
参照附图将对本发明的实施例进行描述。
在附图中,图1是具有电流反馈的本发明一个第一实施例的示意图,
图2是基于图1所示实施例的一个补步设计电路,表示反馈到AC侧的电流,
图3是用于图2所示电路的线路电感和线路电流的一个模拟曲线,
图4是具有电压反馈的一个图1电路变型的示意图,
图5是具有两个反馈电容的一个图4电路变型的示意图,
图6是一个图4电路变型的示意图,其具有一个直接来自变换器输出的反馈电容,
图7一个初步设计电路,表示反馈到AC侧的电压,
图8是具有两个反馈电容的一个图1电路变型的简化示意图,
图9是具有一个倍压整流器的一个图1电路变型的简化示意图。
图1的转换器包括一个由转换晶体管S1、S2形成的变换器,晶体管S1和S2串联连接在具有一个电解滤波电容Cb的一根DC母线的两端。DC母线通过一个全波桥式整流器供电,该整流器由慢二极管D1-D4及两个快速补偿二极管Da,Db形成。如下将要讨论的,如果所有的桥二极管都是快速补偿型的,那么二极管Da,Db可以去掉。通过一个EMI滤波器给桥式整流器提供线路电能,该滤波器由一个串联的电感线圈Lf和分流电容Cf,及一个线路电感线圈Li形成,电感线圈Li连接在EMI滤波器和位于二极管D1和D3间的桥式整流器的一个第一AC侧终端之间。负载电路连接在第一AC侧终端和两个开关间的变换器输出节点之间。负载电路包括一个线性芯件谐振电感线圈Lr、一个隔流电容Cd和一个谐振电容Cr,其中一个荧光灯FL1与谐振电容并联连接。一个反馈电容C1连接在第一AC侧终端和快速二极管Da的负极之间,其为正DC母线。
根据图1所示的电路具有一个线路电感线圈Li=750μH,一个谐振电感线圈Lr=820μH,及Cr=11nF,这是针对电压为220V及一个85瓦的灯而言的。通过比较,如果没有输入电感线圈,谐振电路值将为Lr=680μH,Cr=19.6nF。由于无负载储能电路的阻抗可以被定义为Z0=Lr/Cr的平方根,这导致无负载储能电路的阻抗比一个没有线路电感线圈的电路的阻抗增加近似50%。结果,通过开关S1、S2的电流降低,镇流效果提高。
概括地说,图1所示的电路可以被认为有一个电流发生器代替变换器和负载电路,如图2所示。当此电路被模拟时,通过线路电感线圈Li的电流具有图3中上部曲线所示的形状,其表示一个被施加在一个低频电流上的一个基本上高频的电流。在被EMI滤波器滤波后,模拟线路电流见图3的下部曲线。
在高频电流的每个循环期间,有一段时间,其间反馈电流if和线路电流iin具有相同的极性,并具有一个较大的瞬态值。在那期间,电容C1被这个电流差充电,电解(体)电容Cb和线路都提供能量给电流源,其可以包括负载。
在高频电流的循环平衡期,线路电流iin比高频电流if的瞬态值大。首先C1被放电,然后二极管D1和D4传导if和iin之间的电流差,为了模拟目的,二极管D1和D4是快速补偿二极管。从线路输入将电能提供给可包括负载的电流源,而额外的电能给体电容充电。结果出现一个直接的能量转换,从线路输入到体电容,其不必被电流源if处理。这是与一个没有电感线圈Li的功率因数校正电路进行比较,其中没有从线路输入到体电容的直接能量转换,而且输入能量不得不被谐振储能电路处理。结果,图2的电路与一个没有线路电感线圈的纯电流源PFC相比具有一个更低的if值。
从上述讨论可以清楚地认识到,在高频循环的一部分,高频电流流经Lr和Li。因此即使在每个有效的电路连接不象一个全高频循环那样有效的情况下,该电流也可以被认为具有两个谐振频率。对于正确的镇流操作,转换频率应该比这两个谐振频率的任一个都高。
图4所示的转换器采用电压反馈,如此称谓的原因是反馈与通过灯的电压成正比。具有相同功能的元件具有相同的参考标号,而且对于一个相同的线路电压和电灯瓦数,它们可能具有相同的电流值。除了线路输入电感线圈外,桥式整流器和变换器与图1中的相同。负载电路从转换器的输出节点连接到DC接地母线,而不是接到桥式整流器的AC侧,但在其它方面,负载电路元件具有和图1中相同的功能。一个高频电容C14从电灯终端连接到二极管D1和D3的一个公共终端。所述电灯终端还通过DC隔流电容Cd和谐振电感线圈Lr4连接到变换器输出端。如图1所示,其中输入电感线圈Li影响谐振电路,此处电容C14和输入电感线圈Li的连接影响谐振电路。结果,对于一个相同的线路电压和电灯,电感线圈和电容的优化值通常会与图1中所使用的不同。但是,功能相同。
高频电容C14在每个高频循环的一部分存储电荷,然后在循环的另外部分,电荷被传递给体电容Cb。
除了增加了一个第二高频电容C25,图5的电路与图4的相同。C15和C25在高频循环的不同部分被充电,因此电流的单个脉冲较小。这减少了储存在高频元件中的能量,因此元件应力较低。正如以前,包含在携带高频电流或在高频循环期间传递能量中的元件间的相互关系会要求为了优化而改变元件值,但对于普通技术人员,这是一个次要的路径。
图6的电路表示电压反馈,其中与一个没有功率因数校正的转换器相比,负载电路被影响至DC母线电压被影响的程度。在关掉一个晶体管、打开另一个晶体管期间,C16提供了两个电感线圈之间的一个连接。C16的值至少部分地由电灯功率决定,而L16的值部分地由电灯电压决定。
图7示意地表示一个理想化的电压反馈。通过一个高频电容C17从一个高频电压源vf提供反馈。与图2中电路相同,在每个高频循环C17的一部分将用一个极性充电。在循环C17的下一部分将放电,而且im和高频电容电流之间的瞬态差将传递能量给体电容Cb。
除了包含两个高频反馈电容C18和C28,图8的电路与图1的相同。电容C18连接在第一AC侧终端和快速二极管Da的阴极之间,其为正DC母线,而且电容C28连接在第一AC侧终端和快速二极管Db的阳极,其为负DC母线。除了第二高频电容在高频循环的相对半边期间充电之外,图8的操作与图1的相同,因此提供从一个高频电容到体电容的能量的全波(从高频的立场看)传递。因此峰值电流被进一步降低。
为了从120V的线路操作,经常需要使用一个倍压供给。图9表示这样的一种转换器。因为只需要两个功率整流器,D19和D29是快速补偿二极管是经济的。
用于转换晶体管的门驱动电路没有示出,因为它们对于本发明的应用来说不是至关重要的。为了减小成本,需要谐振电感线圈Lr具有一个线性铁芯;即一个在正常操作期间不会突然饱和的铁芯。然后门驱动信号可以从相同铁芯上的副线圈,如Lr得到,如果需要,可以转换相位,以便使用公知电路得到所需频率的稳定振荡。
对于本领域的技术人员而言,在不偏离本发明范围的情况下,显然可以进行许多其它的变型。线路电感线圈或者可以设置在线路传导元件中,或者作为两个具有一半电感的电感线圈设置,每个线路传导元件中一个。负载电路的许多变型也是可以的,这取决于灯的特性,或用以断开灯的一个变压器的使用。

Claims (10)

1.一种低频到高频的功率转换器,包括:连接到一个低频线路电压源的电源连接点,及一个具有两个端部的线路电感器(Li,li4,li6,Li9),所述端部中的一个连接到所述电源连接点的一个连接点上,
一个DC供电电路,该电路具有至少两个二极管(D1,D3,D19,D29)和四个终端,所述终端中的两个是与所述电源连接点耦合的AC侧终端,一个所述AC侧终端连接到线路电感器的另一端,而且所述终端中的另两个是DC侧终端,至少一个所述二极管连接在一个AC侧终端和一个DC侧终端之间,
一个连接成从所述DC侧终端接收DC电压的半桥变换器,所述变换器包括两个转换晶体管(S1,S2),所述转换晶体管串联连接并具有一个位于所述晶体管之间的输出节点,以提供一个高频电压,
在操作期间携带一个第一高频电流的负载电路,连接在所述输出节点和所述四个终端中的一个之间,所述负载电路包括许多负载电路元件,所述负载电路元件包括一个谐振电感器(Lr),和用于一个非线性负载(灯)的两个连接点,其中非线性负载在一种操作情况下至少基本上是电阻性的,至少一个电容(Cr)和所述谐振电感器形成一个谐振电路的一部分,
一个高频电容(C1,C14,C15,C16,C17,C18,C19),其为一个第二高频电流提供一条路径,所述高频电容(C1,C14,C15,C16,C17,C18,C19)与所述AC侧终端之一连接并连接到所述负载电路元件的至少一个上,在所述高频电压的每个循环的一部分,所述线路电感器(Li)和所述高频电容(C1,C14,C15,C16,C17,C18,C19)具有如此选择的值,以使流入所述AC则终端的所述一个终端的瞬态高频电容电流具有比通过所述线路电感线圈(Li)进入所述AC侧终端的所述一个终端的电流大的值,且与之极性相反。
2.如权利要求1所述的转换器,其特征在于:所述谐振电感线圈(Lr)和所述线路电感线圈(Li)每个都具有各自的线性芯件。
3.如权利要求1所述的转换器,其特征在于:所述非线性负载(灯)是一个放电灯,而且其中所述DC供电电路是一个倍压电路,所述二极管(D19,29)是快速再生式二极管,连接所述负载电路的所述终端中的一个所述终端是所述AC侧终端中的所述一个。
4.如权利要求3所述的转换器,其特征在于:所述高频电容(C19)与所述二极管(D19)中的所述一个并联连接。
5.如权利要求1所述的转换器,其特征在于:所述非线性负载是一个放电灯(电灯),而且
所述DC供电电路包括具有四个慢速二极管(D1-D4)和两个快速再生式二极管(Da,Db)的一个全波桥式整流器,所述两个快速再生式二极管中的一个(Da)连接在所述DC侧终端中的一个和两个慢速二极管(D1,D2)之间,另一个快速再生式二极管(Db)连接在所述DC侧终端中的另一个和另两个慢速二极管(D3,D4)之间。
6.如权利要求5所述的转换器,其特征在于:所述四个终端中的所述一个是所述AC侧终端中的一个,所述高频电容(C1,C18)与一个慢速二极管(Da)串联连接在一个快速再生式二极管(D1)两端。
7.如权利要求6所述的转换器,其特征在于:所述转换器还包括一个第二高频电容(C25,C28),其连接到所述AC侧终端中的所述一个,与慢速二极管(D3,D4)中的一个串联连接在另一个快速再生式二极管(Db)的两端。
8.如权利要求5所述的转换器,其特征在于:所述四个终端中的所述一个是所述DC侧终端中的一个,而且其中电容(Cr)与所述放电灯(电灯)并联,所述灯位于所述DC侧终端中的所述一个和一个反馈节点之间,所述高频电容(C14,C15)连接到所述反馈节点上。
9.如权利要求8所述的转换器,其特征在于:所述转换器还包括一个第二高频电容(C25),该电容连接在所述AC侧终端中的另一个和所述四个终端中的所述一个之间。
10.如权利要求5所述的转换器,其特征在于:所述终端中的所述一个是所述DC侧终端中的一个,所述高频电容(C16)连接在所述AC侧终端中的所述一个和所述输出节点之间。
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