TW200812435A - Single-stage high power D-type serial-parallel resonance fluorescent lamp stabilizer - Google Patents

Description

200812435 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係將D _並聯共振絲絲電子錢ϋ與兩έ且降 升壓式功因改善電路整合成單—級，並共用主動切換開關，以減 少控制電路與元件數，且將電路之絲咖操作於零電壓盥 零電流切解通航，_少_元件場敎以_高效率的 【先前技術】 電子安定器大多是採用舰式換流器為主要的電路架構，以 功率半導體元件為_，作高頻的切換動作，提供螢光燈負載所 需的高頻電源。D類串並聯碰式螢絲電子安定器具有結· 早、效率高、適合高頻操作、共振電流接近正錢及燈管電流峰 值因數較低等優點，因而被大錄電子安定器採用。d類串並聯共 振式螢光燈電子安定器可採自激或外激之_方式來切換其主動 開關’自激式擷取負載電流回授自行產生驅動信號，不需額外控 制電路，成本較低。然而，自激式電子安定器自有其先天上的^ 制’不容紐到高功因、調光、預熱控制等功能。 圖1所示’為一般市面上所最常見的半橋結構之D類串並聯共 振式螢光燈電子安定H驅動營光燈的電路結構。主要_兩組錢 ^源提供能量給D類串並聯共振式螢光燈電子安定器，然後串並聯 共振式電子安定器再做高頻切換來驅動螢光燈負載，該電路負載是 由兩支串聯的螢光燈管所構成’ φ聯共振部分由電感Ls與電容 CS所組成，並聯共振部分包含電容Cp、Cfl與Cf2，其中燈絲電 200812435 流只通過Cfl與CG。理論上，兩個開關元件S1與S2具有相同 的導通時間’因此共振電路的輸入電壓不存在直流成分，但由於 元件上的差賊考量魏參數賴化，纽齡材能存在於丘 振電路中，需要電容Cs _除·電路巾所存在的歧 成分。 利用兩組半波整流電路可以提供圖丨所需的直流電壓源，若在 半波整流·後方再加上兩_升駐轉翻，配合適當得承路 參數設計與絲關元件切換時間㈣，補可以提供穩定:直 流電壓源，並且也將具有功因修正的效果，如圖2所示。圖2中 有兩組降升壓式轉換H，其中的降升壓式轉換器丨經由整流二極 體D3將交流輸入電源的正半波轉換成直流電壓；降升壓式轉換器 '1經由整流二極體D4將交流輸人電源的負半波轉換成直流; 壓，此雙級的安定H需要兩组控制電路，分別控制兩組降升壓 轉換器與D類串並聯共振式換流器，且主動_的數目多達四個， 這種雙_賴需要时辨賴的雜，增加切鋪失和額外 的傳導損失，使得整體的電路效率降低；而且，需要兩組控制電 路分別鶴功因修正電路與共振式換流器。額外增加的控制電路 和切換讀餅結顯雜，縣也姆提冑。. 成本敏感的f子蚊“言，並獨於其產品的料競爭力。、 【發明内容】 本發明之主要目的係錢供—具有魏構造簡單、控制容 易、可提高鱗贿低成本之螢絲電子安定器。 歷轉2，月在:動滤波器之輸出端並接兩組降升 ^組中各設有一主動開關、儲能電感與直流鏈電 6 200812435 =所組成·’且利用每-組降升壓轉換器中之主動開關與直流鍵電 谷與共振電路形成-D辦並聯共振錢紐電子安定器。 【實施方式】 有關本發明為達上述之制目的及姐，所_之技術手段，茲 舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳加說明如下：

本發明係保存降升壓式轉換贿D類共振触器晴性與優點， 率先提出單級高功因D類串並聯共振式魏燈電子安定器，電路結構 是整合兩組降升壓轉換!i丨、Π與D類共振換流器。整合的過歧合 併圖2中的開關&與開關心；開關&與開關心，並重新安排電感^、 心2、一極體仏和认位置，得到圖3之單級高功因D類串並聯共振式 螢光燈毛子女疋器，整合後的電路只需要一組控制電路及兩個主動開 關’控制電路採舰波寬度調變的控财式，顧定主細關的切換 頻率與責任週期。由於兩組降升壓式轉換器的儲能電感分別負責輸入 電源的半個週期，不會同時有電流流過，因此，實際電路是利用一個 鐵心和兩組繞線來製作電感Zp/7與Z成。功率開關元件&及&為雙向 導通開關，可以使用MOSFET，其基底-汲極間的二極體可用來作為 A和认’毋需額外並聯二極體。因此，與其它單級高功因螢光燈電子 安定裔電路相比較[41-43]，本研究計畫所提出的單級D類串並聯共振 式高功因螢光燈電子安定器電路中的二極體數目很顯然地大為減少 了，其中減少的二極體，部分是快速二極體。所以，將使得本研究計 畫的電路在成本上更具有競爭力。另外，電路中的被動濾波器G 以及電谷C/是用來消除轉換器的高頻電流成份，使輸入電流呈低頻 (60Hz)的正弦波。 為了證實整合後的新型單級高功因D類串並聯共振式螢光燈電子 安定器的可行性，本專利將以兩支串聯的40W螢光燈為設計實例，分 7 200812435 H的操作原理與工作模式，利絲本波分析法推導電路方程式， 认路中的各項參數，使兩組降升壓轉換器輯作於不連續電流導 2式’而將！）類串並聯共振式螢光燈電子安定器設計於零電壓與零 •切換導通操作情況下，以達到高功因、低触、低切換損失 效率的目標。 〃 =3的單級高功因D類串並聯共振式螢光燈電子安定器具有對稱 性的電路結構’開關&必須有相同的工作週期，因此，必須採用 ^冉脈波見㈣變來控制主動關⑦、&，主動__發信號如圖 4所不，厂㈣、F賊為開關的閘極電壓，其脈波寬度相等且互補， ·έ……為s遲㈣’在怠遲時間•内^均為低電位，當急遲時 間增加時，脈波寬度減少，怠遲時間不能為零，以防止主動開關. 仏同時導通。圖中&為心、&的責任週期，定義為脈波寬度與工作 週期的比值。 、，女疋杰電路結構與控制電路為對稱性，對於輪入電源而言，其正 半週與負半週的工作模式相似，不同的只是導通元件改變，當輸入電 源正半週時，降升雖觀〗玉作，將輸人交流電源讎成直流電源 匕/2，同時間，降升壓轉換器n不工作；反之，當輸入電源負半週時， 降升壓轉換H II J1作，將輸人交流電雜触直流電源^^，而降升 壓轉換器I不工作。為簡化分析，本文只針對正半波電源作分析，並 忽略被動濾波電路4、cw，它用來濾除轉換器的高頻成分，不影響轉 換器動作。 為了達到功因修正的目的，降升壓轉換器必須工作在不連續電流 模式，在此一條件下，根據功率開關元件的導通狀態，在一個高頻的 週期内，電路可區分為五個工作模式，如圖5所示。圖6顯示在各工 作模式下的電壓及的電流理論波形，其中，圖6(a)顯示輸入電壓為正 半週時的波形；圖6(b)顯示輸入電壓為負半週時的波形。 8 200812435 工作模式I開始於閘極訊號Γ㈣由高電位變為低電位的瞬間，込 關’經職暫聽遲時·，峨b由低t據為高電位，2 G並未立叫通，_共振電路成電雜，共振電以落後電堡，在 &關閉瞬間，/,為負值並流向二極體A，—旦A導通，兩端電壓 幾乎為零(·0.7ν) ’整流後的輸人電壓跨在Zp/上，降升壓轉換器工作於 DCM ’電感電流從零開始線性增加，心增加的速度與輸入電壓成 正比’當心與/,的和大於零時，二極體D/截止，進入工作模式灯。 二、工作模式 11(〇 <α<α2): /導通’部分/ρ流過込，剩餘部分流經共振電路，g保持在導通 狀悲’ &兩端電壓仍然等於整流後的輸入電壓，心繼續線性增加， 心由負漸漸增加至正值，之後，&與Λ共同流過〜由於⑽^導通 時電壓、電流都等於零’具有零電壓及零電流切換導通優點，切換損 失很小。當間極糕^轉為低準位時，開關 達 峰值，進入碎赋m。 心到達 一、工作模式 ΙΙΙ(ί2 <ί<ί3) ·· 進入工作模式III的_，_㈣止，Λ為正值 3換到二極料，對C2充電，為了使轉換器工胁DCM ·、( rf/ )必不又计大於輸入交流電壓的峰值，使A為逆向偏壓 不2過輸入電源，而是流經A對G充電，心兩端電屋為負& ϋ) ’ /滅峰_始雜獨。由於；鱗值與輸人麵成正比關 y，*此，心可能比Λ晚下降至零；也可能比Λ早下降至跫， ===時，進人工作模式1v-a;後者，當&下降至零時，進入 '式III時，/，為正且流經A，必兩端電壓等於二極體導通電 200812435 壓(-0.7V)，幾乎為零，經過短暫的怠遲時間後，閘級訊號厂辦由低電 位變為咼電位，然而，0並未立即導通，迨厶經過零點變負時，^切 換導通，如同込，込具有零電壓及零電流切換導通優點，切換損失很 四、工作模式IV-a(〇 <，<，4): 厶流經過込，心繼續下降，對於不連續電流的工作模式，在閘級 訊號F㈣變為低電位之前，電感電流心遞減到零，此時，進入工作模 式V。 、 立、丄TF核式 IV_b (,3 < ^ < (4): 在此工作模式下，^為零，乃3截止；Λ為正且流經D2，當厶經過 零點變負時，仏切換導通，進入工作模式V。 六、工作模式V(纟4 <〖<ί5): 在此工作模式下^導通4流經込，電容Q提供能量給共振電路， 當厂滅由高電位變為低電位瞬間，込截止，電路進入下一高頻週期的 工作模式I。 由於A和和必)導通時間的和等於切換週期的一平，亦即， &、&的工作責任週期均等於〇·5，控制降升壓轉換器工作於非連續電 流模式，且在每一輸入電源週期内，使開關切換頻率久保持固定，則 輸入電流可以追隨輸人輕波形且同她，如此可以軸高功率因 數。所以整流1輸人糕&的峰值會追隨輸人輕波形，圖7為淚波 前的輸入電流厶示意波形。 ° ' 當儲能電感的電壓對時間的積分小於零時，降升壓轉換器工作於 非連續電流㈣，若是降升壓雜器能於輸人賴峰辦，能操作於 不連續電流導賴式，射確保讀人電_每—雜佩必定都能 200812435 工作於不連續電料通赋，因此，直麟賴^^/2必需大於輸入恭 壓的蜂值。 ’^ 圖8為輸入電壓Vs與輸入電流4波形，輸入電流非常接近正弦波 且/、輸入电壓同相，安定器效率為9〇%，·功率因數為〇·99 ;輸入電流 的總谐波失真為8.0%。Η 9為兩組降升壓轉換器的電感電流波形，當 輸入電壓正半麟，只有降升壓轉換器〗有電流通過，當輸入電壓負 半波時、有降升壓賴H Π有電流通過，電感電流在整 内’均操作料賴t料通赋。 帝圖10顯示燈管電壓、及燈管電流‘的波形，燈管電麼與電弧 二幾乎同相，燈管呈現電阻性；燈管電流的峰值因數等於1.34。圖 11顯不4、心、u人在輸入電壓於正半波峰值，零點附近與負半 波峰2的波形，量驗形與理論推導波形非常—致。&與&均開始 於負電流，此負電流電流流過主動開關旁的並聯二極體⑼如，主動 開關兩端龍鱗，絲示絲_ G與⑦確實可轉切換導 〉ϋ ?顯7F長_的與A波形’從圖中亦可發現，兩 :=壓轉換H工作於不連續電流導賴式，且分別 正、負半週工作。 紅上所述，本發明所提出的單級高功因D類串並聯共振式蝥光燈 電子较H單級高_螢光燈電子安定器、，不但具有電路構造簡單、 控制4及紐率與低成本等優點。經由實際測量結果顯示此單級高 功因的電子錢體電路效率高達_ ;輸人電源的功相數也高 達0·99，而輸人電流的總财失真為8 〇%。 【圖式簡單說明】 第圖D類串並聯共振式換流器瑩光燈電子安定器。 11 200812435 第一圖雙級而功因D類串並聯共振式螢光燈電子安定器電路架 構。 第三圖單級高功因D類串並聯共振式螢光燈電子安定器。 第四圖主動開關觸發信號對稱脈波寬度調變。 第五圖工作模式Ι、ΙΙ、ΙΠ、IV_a、IV_b、V。 弟六圖理論波形。 第七圖jp示意波形。 第八圖輸入電壓6與輸入電流波形。 第九圖降升壓式轉換器電流/p/與/p2波形。 第十圖燈管電壓與燈管電流/flrc波形。 第十一圖^6、/r、/57與/幻波形。 第十二圖長時間量測的匕&、心、心與心波形。 【主要元件符號說明】 濾、波器 f 降升壓式轉換器I、π D類串並聯共振式換流器螢光燈電子安定器 電感A、乙、“ 電容 cm、Cs、cp、Cfl、Cf2、a、C2 開關元件幻、《、心、如 主動開關^& 二極體令认 12

Claims (1)

1. 200812435 十、申請專利範圍： 1 · -種單級高功因D _並聯共振式螢光燈電子安定器電路 結構其包含有： 一被動毅1'，伽賴與電容_接於電源輪入端； 兩組降升壓轉換器’其係並接於被動渡波器之輸出端，其每一組 中各°又有主動開關、儲能電感與直流鏈電容所組成. 一 D類串並聯共振式螢光燈電子安定器，係共用兩组降升歸換器 中之主動關與直鱗電容及共振電路所構成。 2 ·如申請糊細第！賴狀單級高姻D_並聯共 1式螢光燈電子安定H，其中共振電路包含電额電容組成之串 聯共振部分及數電容與辟卿成並聯共振部分。 3·如申請專纖圍第！項所述之單級高個D類串並聯丘 振式螢光燈電子安定器，其中儲能電感係利用—鐵心和兩組繞線 所組成’使二儲能電感分別負責輸人電源的半個週期，以縮減電 感的體積與重量。 4 .如申請專利細第！項所述之單級高補D_並聯丘 振式螢光燈電子安定器，其中主動開關係為雙向導通開關，可以 使用MOSFET ’其基底汲極間的二極體可用來作為a和⑴， 毋需額外並聯二極體，使整體電路可減少快速二極體之需求。 5 .如申請專纖㈣1項所述之單級高侧D ^串並聯 共振式螢光燈f子安定H，其具有對雛的電賴構，必須採用 對稱脈波寬度調變來_主動_ Q1、Q2，使卿M、S2具有 相同的工作週期。 〃 13