TWI448205B - 具功因校正能力之單級電子式安定器 - Google Patents

Description

具功因校正能力之單級電子式安定器

本發明係關於一種電子式安定器，特別是一種具功因校正能力的單級電子式安定器。

由於環保意識的提升以及能源危機的影響，大多數人已警覺到能源的珍貴，同時，各國法規亦提高了對電器產品的耗電規範，因此各家廠商在研發產品時，皆以低耗電，高效能為主力發展方向；照明燈具在民眾生活中無所不在，其消耗之電力和環境成本亦不容小覷，螢光燈、HID燈等氣體放電燈因其氣體放電特性，會使得其電氣特性呈現負增量電阻，因此需要配用安定器來穩定燈管電流。

第一圖係習知的兩級電子式安定器，交流電源V_AC 經由二極體D₁ ~D₄ 組成之全橋整流器整流成直流後，經由電感L、電容C、主動開關S以及二極體D組成之前級主動功因校正電路，在交流電源側達成功因校正，再由後級之主動開關S₁ 、S₂ 、電感L_S 、電容C_S 及C_P 構成串聯諧振並聯負載諧振換流器(Resonant Inverter)，對負載(燈具)提供所需之功率並產生輸出電壓V_O 。然而，這種架構的電子式安定器因多了一級電路損耗，且需要兩組控制電路，因此電路轉換率低、成本高且體積大，再者，其直流鏈電容C需選用電解電容，才能提供所需的電容值。

第二圖係習知的單級電子式安定器，電感L、二極體D₁ 、D₂ 、主動開關S₁ 、S₂ 以及直流鏈電容C組成一可控半橋整流器，交流電源V_AC 經由此半橋整流器整流，開關S₁ 和S₂ 受控切換以在交流側達成高功因控制，在電容C上產生直流電壓V_dc ，直流電壓V_dc 可視為一直流電壓源，主動開關S₁ 和S₂ 串聯諧振電感L_S 及電容C_S ，且主動開關S2、諧振電感L_S 及電容C_S 並聯電容C_P 而組成一串聯諧振並聯負載之諧振換流器，在負載上產生輸出電壓V_O ，這種單級電子式安定器將前級和後級電路整合，共用兩個主動開關S₁ 和S₂ ，因此只需一組控制電路，所需之元件亦較少，換言之，成本較低，但其電流鏈電容C仍需以電解電容提供高電容值。

現有之電子式安定器與電感式安定器相比，雖具有低噪音、無燈管閃爍，高功率因數等優勢，但因為其電流鏈電容須以電解電容實現，造成使用壽命短的問題，因此傳統的電感式安定器目前仍為主流。

緣此，本發明提出一種電子式安定器，在不更換現有氣體放電燈管的情況下，提供遠高於傳統電感式安定器的效能，降低照明系統功秏並提高燈具的照明品質，長期且穩定地提供工作電流給燈載。

本發明的目的之一，在於提出一種具功因校正能力的單級電子式安定器。

根據本發明，一種具功因校正能力的單級電子式安定器，包括：一第一電感，耦接於一第一節點及一第二節點之 間；一第一電容，耦接於該第二節點與一第三節點之間；一第二電感，耦接於該第三節點與一第四節點之間，該第四節點係供耦接一輸出負載之負端；一第二電容與一第三電感串聯在該輸出負載之正端及一第五節點之間；一第四電感耦接在該第五節點與一第六節點之間；一第一開關耦接於該第二節點與該第六節點之間；一二極體耦接於該第三節點以及該第六節點之間；一第三電容耦接在該第四節點與該第六節點之間；以及一第二開關與一第五電感耦接在該第四節點與該第五節點之間；其中，該第一節點與該第六節點分別供耦接至一輸入電源的正負極，該第一及第二開關受互補式切換控制，因應該輸入電源以及該輸出負載之變化以供應一輸出電壓。

發明提出之電子式安定器僅以互補式切換方式控制該第一開關以及該第二開關，控制電路簡單。再者，直流鏈電容所需之容值亦獲得降低，避免使用電解電容，提升了產品的壽命。

以下將配合相關圖式來說明本發明之實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或流程步驟。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於…」。另外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接(包含透過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等訊號連接方式)連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電性或訊號連接至該第二裝置。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非本說明書中有特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。第三圖係根據本發明提出之具功因校正能力的單級電子式安定器一實施例的電路圖，在單極電子式安定器10中，交流電源V_AC 先經過二極體整流電路12整流，產生電壓波形為交流側正弦波絕對值之輸入電壓V_in 。其中，直流鏈電容C的電容值夠小，使得直流鏈電壓V_dc 具有交流側正弦波絕對值之電壓波形，且又足以使輸出電壓V_o 在負載諧振換流器電路動作時維持在一可接受的範圍內，而近似於一定值。

在本實施例中，電感L₁ 耦接在節點N1及節點N2之間，直流鏈電容C耦接於節點N2與節點N3之間，電感L2耦接於節點N3與節點N4之間，節點N4係供耦接一輸出負載之負端，電容C_s 與電感L_S 串聯在該輸出負載之正端及節點N5之間，電感L₃ 耦接在節點N5與節點N6之間，而開關S₁ 耦接於節點N2與節點N6之間、二極體D耦接於節點N3以及節點N6之間，電容C_O 耦接在節點N4與節點N6之間，開關S₂ 與電感L₄ 串聯在節點N4與節點N5之間，其中，節點N1與N6分別耦接至整流器12的兩端以接收輸入電壓V_in ，開關S1及開關S2係以互補方式切換，調節負載上的諧振電流i_o 而產生輸出電壓V_o 。

第四圖繪示第三圖之電子式安定器在第一狀態時的等效電路，在第一狀態中，開關S₁ 導通且開關S₂ 截止，此時二極體D亦隨著開關S₁ 的導通而呈現截止，因此二極體D、開關S₂ 以及電感L₄ 無電流經過，以灰色表示。開關S₁ 導通使得整流器12、電感L1與開關S1形成迴路，對電感L₁ 充電並產生電流i₁ ，直流鏈電容C對電感L₂ 釋能而產生電流i_c ；開關S₂ 開路，因此負載與電容C_s 、電感L_s 、電感L₃ 和電容C_O 形成迴路，此時流經負載的諧振電流i_o 為負值。

第五圖繪示本實施例在開關S₂ 之本體二極體導通時的第二狀態等效電路圖，此時開關S₁ 仍維持在導通狀態，且開關S₂ 也仍為截止狀態，此時直流鏈電容C經過開關S₁ 將能量傳送到電感L₂ 並輸出至負載諧振換流器電路，此時諧振電流i_o 仍為負值，交流電源V_AC 經由二極體整流電路12及開關S₁ 對電感L₁ 充電，接著，開關S₁ 截止且開關S₂ 導通，電子式安定器進入第三狀態。

第六圖繪示本實施例在第三狀態下的等效電路圖，開關S₁ 無電流經過，因此以灰色表示。電感L₁ 、直流鏈電容C以及二極體D與整流器12形成迴路，此時電流i₁ =i_c ，輸入電壓V_in 對電感L₁ 和直流鏈電容C充能，諧振電流i_o 仍為負值。當諧振電流i_o 換向為正時，進入第四狀態。在進入第四狀態時，參照第七圖，開關S₁ 為截止且開關S₂ 維持導通，輸入電壓V_in 對電感L₁ 和直流鏈電容C充電，此時諧振電路i_o 為正值並流經開關S₂ ，負載諧振換流電路完成換流動作。待電感L₄ 儲能完畢，電流i₄ 轉為正向時，進入第五狀態。

在第五狀態時的等效電路如第八圖所示，開關S₁ 仍截止且開關S₂ 仍導通，此時電感L₄ 儲能完畢開始放電，電流i₄ 轉為正向，使得電流i₂ 下降，當電流i₂ 降為零時，進入第六狀態。

參照第九圖之第六狀態等效電路圖，開關S₁ 仍截止且開關S₂ 仍導通，此時電流i₂ 為零。

當電流i₂ 復為正向電流時，電子式安定器10進入第七狀態，參照第十圖，開關S₁ 仍截止且開關S₂ 仍導通。

當諧振電流換向為負值時，電子式安定器進入第八狀態，開關S₁ 仍截止且開關S₂ 仍導通，諧振電流i_o 為負向且流經開關S₂ ，負載諧振換流電路完成換流動作，此狀態之等效電路圖如第十一圖所示，接著，開關S₁ 恢復導通且開關S₂ 截止，回到第一狀態，完成一次週期。

將前述實施例之諧振頻率以ω_S 表示，負載諧振換流器電路的阻抗以Z_O 表示，並以d(τ)表示開關S₁ 之導通週期，d’(τ)表示開關S₂ 之導通週期，由於開關S₁ 和開關S₂ 為互補式切換，d(τ)和d’(τ)間的關係為：

d’(τ)=1-d(τ)　式1

若以V_m ∣sinωτ∣表示經過整流後的輸出電源V_in ，可獲得：

換言之，控制開關S₁ 的導通週期即可改變輸入側電流二極體的導通時間，獲得功因校正的能力，而開關S₂ 之切換則整合了串聯諧振並聯負載諧振換流器，且開關S₁ 和S₂ 僅為高頻的互補式切換，控制電路簡單。當開關S₁ 之工作週期符合式2時，電子式安定器10具有瞬時能量傳遞之能力，此時直流鏈電容C不需儲存大量能量，因此可改用小容值之電容，例如小於10μF。在一較佳實施例中，直流鏈電容C的電容值可為1μF。換言之，電子式安定器10不需以電解電容實現電流鏈電容C，改善電路壽命。

由於本發明提出之單級電子式安定器具有功因校正能力，可直接應用於各國的不同市電。

本發明提出之單級電子式安定器，較習知二級電子式安定器所需之元件更少，減少了不必要的能量損耗，控制電路更為簡化，且克服了單級電子式安定器選用電解電容的必要性，延長了電路的使用壽命，換言之，獲得較習知電子式安定器更長的產品壽命。

10．．．電子式安定器

12．．．二極體整流電路

第一圖係習知的兩級電子式安定器的電路圖；

第二圖係習知的單級高功因電子式安定器的電路圖；

第三圖係根據本發明提出之具功因校正能力的單級電子式安定器一實施例的電路圖；

第四圖係第三圖之電子式安定器在第一狀態下的等效電路圖；

第五圖係第三圖之電子式安定器在第二狀態下的等效電路圖；

第六圖係第三圖之電子式安定器在第三狀態下的等效電路圖；

第七圖係第三圖之電子式安定器在第四狀態下的等效電路圖；

第八圖係第三圖之電子式安定器在第五狀態下的等效電路圖；

第九圖係第三圖之電子式安定器在第六狀態下的等效電路圖；

第十圖係第三圖之電子式安定器在第七狀態下的等效電路圖；

第十一圖係第三圖之電子式安定器在第八狀態下的等效電路圖。

10．．．電子式安定器

12．．．二極體整流電路

Claims (7)

1. 一種具功因校正能力的單級電子式安定器，包括：一第一電感，耦接於一第一節點及一第二節點之間；一第一電容，耦接於該第二節點與一第三節點之間；一第二電感，耦接於該第三節點與一第四節點之間，該第四節點係供耦接一輸出負載之負端；一第二電容與一第三電感串聯在該輸出負載之正端及一第五節點之間；一第四電感耦接在該第五節點與一第六節點之間；一第一開關耦接於該第二節點與該第六節點之間；一二極體耦接於該第三節點以及該第六節點之間；一第三電容耦接在該第四節點與該第六節點之間；以及一第二開關與一第五電感串聯在該第四節點與該第五節點之間；其中，該第一節點與該第六節點分別供耦接至一輸入電源的正負極，該第一及第二開關受互補式切換控制，因該輸入電源以及該輸出負載之變化以供應一輸出電壓。
2. 如請求項1所述之單級電子式安定器，更包括一二極體整流電路，耦接在該第一節點以及該第六節點之間。
3. 如請求項1所述之單級電子式安定器，當以d’(τ)表示該第一開關之導通時間，以Vm|sin ω τ |表示該輸入電源，且該輸出電壓以Vo表示時，該第一開關的導通時間、該輸入電源、以及該輸出電壓具有下述關係：
4. 如請求項1所述之單級電子式安定器，其中該第一電容非為電解電容。
5. 如請求項1所述之單級電子式安定器，其中該第一電容的電容值小於10μF。
6. 如請求項1所述之單級電子式安定器，其中該輸出負載係一氣體放電燈載。
7. 如請求項1所述之單級電子式安定器，其中該第一電容的電容值為1μF。