專利名稱：電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種把直流電源功率提供給負載電路的電源裝置，將電源電壓轉(zhuǎn)換成所要求的直流或交流電壓。
本發(fā)明中，負載電路包括一個高強度放電燈、一個白熾燈、一個鹵素燈或類似的燈，其阻抗在電源起動瞬間(也即在緊接啟動負載以后)較小，然后即進入穩(wěn)定照明或負載運行。
把直流電源轉(zhuǎn)換而得到的所要求的直流電壓或交流電壓提供給負載電路的電源裝置中，我們可以容易地認識到，當有效地對上述轉(zhuǎn)換起作用的開關(guān)元件的開關(guān)運行中出現(xiàn)的損耗被盡可能減小時，電路運行可得到改善，電源裝置的尺度可被減至最小。
美國專利號為5，068，578的專利中公開了一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在升高直流電壓后，一方波電壓通過一低頻逆交器被提供給負載。在歐洲專利號為059，053的專利文獻中描述了一種控制結(jié)構(gòu)，這種控制結(jié)構(gòu)作為升壓裝置的控制結(jié)構(gòu)，用來使輸出電壓保持恒定，從而減小電源波動。另外，美國專利號為5，151，631的美國專利中，公開了一種在提高直流電壓后，用高頻逆變器把高頻電壓施加到負載上去的方法。
本案的情況，以高亮度放電燈或白熾燈為負載的負載阻抗，在起動和穩(wěn)定運行或照明期間的關(guān)系表明，該阻抗值在穩(wěn)定照明期間要比起動期間高;而在起動和穩(wěn)定照明期間供給升壓裝置的電源功率的關(guān)系表明，在起動階段需要比穩(wěn)定照明時期提供更大的電源功率。因而所產(chǎn)生的流到升壓裝置開關(guān)元件的電流，在啟動時必須比在穩(wěn)定點火期間大。為了用同樣的控制運行方法，使電路的輸出電壓即使在啟動時也像穩(wěn)態(tài)照明期間那樣具有較低波動，必須用一個具有大電容值的電容作為一輸出裝置，并在啟動和穩(wěn)態(tài)照明之間，變換控制切換頻率以及占空比，或諸如此類辦法，從而產(chǎn)生整個電源裝置的尺寸增大、所需控制電路變復雜、尤其是切換損耗也增大的問題。
然而，任一前述結(jié)構(gòu)(特別是美國專利號為5，151，631所述的結(jié)構(gòu))都未能解決上述問題。
本發(fā)明的目的在于克服上述問題，從而提供一種能夠或者顯著提高電路運行效率的電源裝置，這種電源裝置能夠在電壓變換裝置(特別在升壓裝置中的開關(guān)裝置處)減小開關(guān)損耗，從而最大限定地減小電源裝置的尺寸。
按照本發(fā)明，上述目標是用一種電源裝置來實現(xiàn)的，其中，帶有電源控制高頻開關(guān)裝置的電壓轉(zhuǎn)換裝置用來使供電至少在啟動負載時高于負載的穩(wěn)態(tài)運行期間的供電，連接至直流壓源，電容元件與電壓轉(zhuǎn)換裝置的輸出端相連，含有負載的負載電路與電容元件并聯(lián)連結(jié)，并具有啟動時的負載阻抗低于穩(wěn)態(tài)運行期間的負載阻抗，其特征是，高頻開關(guān)裝置由具有一控制常數(shù)的控制裝置控制，此控制常數(shù)至少在負載啟動以后以及負載的穩(wěn)態(tài)運行期間保持恒定，當電容元件處于低于預(yù)定值的電壓下時，關(guān)斷高頻開關(guān)裝置。
本發(fā)明的其他目的及優(yōu)點在閱讀了本發(fā)明下述說明并結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例的詳細描述后，將會變得清楚起來。
圖1A是本發(fā)明所述電源裝置的一個實施例電路方框圖;
圖1B和1C是圖1A所示裝置的器件處的電壓波形圖;
圖2是圖1A所示裝置的更具體電路圖;
圖3的(a)至(e)是圖2所示電路相應(yīng)器件處的波形圖;
圖4和圖5是本發(fā)明所述器件的進一步實施例電路示意圖;
圖6的(a)至(e)是圖5所示電路器件的波形;
圖7至圖10是本發(fā)明更進一步實施例的電路圖;
圖11是圖10所示電路相應(yīng)部件處的波形(a)至(e);
圖12是本發(fā)明另一實施例的電路圖;
圖13是圖12所示電路中相應(yīng)部件處的波形(a)至(e);
圖14是用于圖12所示實施例中采用的啟動裝置工作狀態(tài)的電路圖;
圖15是圖12所示實施例中電壓轉(zhuǎn)換裝置工作狀態(tài)的電路圖;
圖16是圖12所示實施例的一種最佳工作狀態(tài)的詳細電路圖;
圖17是本發(fā)明又一種實施例的電路圖;
圖18是圖17所示電路相應(yīng)部件處的波形(a)至(g);
圖19A是本發(fā)明另一種實施例的電路圖;
圖19B是用于圖19A所示電路的啟動裝置工作狀態(tài)電路圖;
圖20至圖24是本發(fā)明所述電源器件另一種實施例的電路圖;
圖25是圖24所示電路相應(yīng)部件處的波形(a)至(g);以及圖26是用于圖24所示電路中開關(guān)裝置的控制裝置工作原理電路圖。
本發(fā)明將結(jié)合附圖所示各種實施例進行描述，應(yīng)該理解的是這些所示實施例不應(yīng)被視為是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明應(yīng)在權(quán)利要求的范圍內(nèi)包括各種變更、改進以及可能的等同結(jié)構(gòu)。
參見圖1A，本發(fā)明所述電源裝置的一種實施例包括用作直流/直流轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換裝置11，DC/DC轉(zhuǎn)換器與一直流電壓源VS相連，電壓轉(zhuǎn)換裝置11包含一由源控制高頻開關(guān)裝置Q，其作用是在向后文中將要描述的負載提供電源時，在起動負載時比在負載穩(wěn)態(tài)運行時可獲得更大的電源功率。電壓轉(zhuǎn)換裝置11的輸出端與電容C相連，一包含上述負載的負載電路12并聯(lián)與電容器相連，從而使負載阻抗在啟動時低于負載穩(wěn)態(tài)運行期間的負載阻抗。在這種情況下，這種結(jié)構(gòu)使控制常數(shù)，即在負載的啟動時以及穩(wěn)態(tài)運行期間，開關(guān)元件初線線圈一側(cè)的振蕩頻率和占空比，由電壓轉(zhuǎn)換裝置11大體上保持為常數(shù)。另外，控制電路13與電壓轉(zhuǎn)換裝置11和負載電路12相連，此控制電路13包括檢測裝置，當電容器C上的電壓在啟動時呈現(xiàn)出圖1C所示的脈動電壓，與圖1B所示直流電壓源VS上的電源電壓VS相反，檢測到的脈動電壓低于某一預(yù)定值時，此檢測裝置提供一輸出，用來關(guān)斷開關(guān)裝置Q。本例中，應(yīng)該理解，在需要的情況下，控制電路13的一部分或全部可以包括在電壓轉(zhuǎn)換裝置11或負載電路12內(nèi)。
圖1A所示的電源裝置，可以顯著地減小開關(guān)裝置開關(guān)運行時出現(xiàn)的任何損耗，開關(guān)裝置是處于高頻運行的，因此負載電路的運行效率得到改善，而電源裝置的結(jié)構(gòu)得以簡單化，從而這種結(jié)構(gòu)可以有效地使整個電源裝置小型化。這里，最好將由檢測裝置檢測到的脈動電壓預(yù)定值設(shè)置到接近零值。
圖2是圖1A所示實施例的一個更具體的電路結(jié)構(gòu)，其中，與直流電壓源VS相連的電壓轉(zhuǎn)換裝置11包括一變壓器T，變壓器T的初級線圈n1與開關(guān)裝置Q0(最好采用MOSFET)相連，而變壓器T的次級線圈n2通過用作整流裝置的二極管D1與電容C相連，開關(guān)裝置Q0關(guān)斷時，二極管D1按電容C充電的方向進行整流。另外，包括有負載LD的、跨接在電容C上的負載電路12與由電阻R1和R2組成的串聯(lián)電路相連，R1與R2的插入用作檢測裝置，電容C處脈動電壓的分壓輸出由電阻R1和R2提供給控制電路13。通常電容器C使用相當大電容值，用來獲取恒定電壓輸出，但在本發(fā)明中，使用一個并不與恒定電壓輸出相適配的電容器，其電容值低于幾個微法，脈動電壓被故意保留，因為它將被予以利用。
控制電路13中，從用作檢測裝置的電阻R1和R2得到的分壓脈動電壓被提供到一平均電路3a，作為電容器C的電壓Vc的平均分壓電壓值被提供到一誤差放大器3b，這里，平均電路3a的輸出電壓VO的差值電壓以及參考電壓Vref1起作用，此差值電壓在比較器3d處與從電壓/頻率轉(zhuǎn)換器3c處得到的三角波輸出電壓相比較，開關(guān)裝置Q0通過驅(qū)動電路14由比較器3d的比較輸出驅(qū)動，這種控制能夠把電容電壓Vc的平均電壓VO保持在一預(yù)定電壓值上。
現(xiàn)在再專門地來看看上面的情況，由電阻R1和R2得到的分壓通過由沖息多諧振蕩器3e的輸出接通開關(guān)元件SW1，被提供到另一比較器3f，與另一參考電壓Vref2進行比較，沖息多諧振蕩器3e受比較器3d的輸出上升沿激勵并產(chǎn)生一預(yù)定周期的輸出。比較器3f的輸出由積分器3g積分，隨后，從另一參考電壓Vref3得到的差值被送到另一誤差放大器3h，此差值被提供給電壓/頻率轉(zhuǎn)換器3c。這里，參考電壓Vref2被用來對電壓Vc是否大體為零進行判斷，并且當電壓Vc大體為零時，比較器3f提供一“H”輸出，而參考電壓Vref3用來在啟動電壓/頻率轉(zhuǎn)換器3c時，確定輸出到電壓/頻率轉(zhuǎn)換器3c的電壓，即，開關(guān)元件Q0的初始開關(guān)頻率將由參考電壓Verf3確定。
這種情況下，控制系統(tǒng)用來在大體為零的脈動狀態(tài)中得到平衡那樣，使電壓Vc平衡下來，并且可以執(zhí)行所要求的運行。此時，本發(fā)明所要進行的運行采用變更開關(guān)元件Q0的開關(guān)頻率來實現(xiàn)。這里已對電容電壓處于預(yù)定電壓的情況進行了描述，也可以應(yīng)用控制的其他原理，獲得輸出功率的平均值和檢測的輸出電流，從而把此平均值用作預(yù)定功率。另外，這種結(jié)構(gòu)無需檢測就可以得到本發(fā)明所希望的運行。
現(xiàn)在，當圖3(a)中的開關(guān)元件Q0處于接通狀態(tài)時，圖3(b)中，電流i1流過電壓轉(zhuǎn)換裝置11中的變壓器T的初級線圈n1，所伴生的磁能聚積在變壓器T中，在圖3所示的周期t1-t2內(nèi)，沒有電流i2流過變壓器T的次級線圈n2，從而只有電容器C的能量向負載電路12放電，并且輸出電壓Vc被降低，如圖3(d)所示。本實施例中示出的一種情況是電壓被降低到零電位，當然也可以是電壓不被降低為零的情況。
當開關(guān)元件Q0在時刻t2被關(guān)斷時，接著，變壓器T內(nèi)聚集的能量被釋放，如圖3(d)的電流i2所示的那樣，根據(jù)此電源，電容器C處的電壓Vc開始上升，如圖3(d)所示。然后在時刻t3，開關(guān)元件Q0再次處于接通狀態(tài)，隨后，這種運行一直重復進行下去。這樣，施加到開關(guān)元件Q0上的電壓VQ0的波形如圖3(e)所示，圖中，在時刻t3，VQ0處于低電平，但當電容C被充電時，又逐漸上升，并且電壓Vc上升，當開關(guān)元件Q0在時刻t3處于接通狀態(tài)時，再次大體為零。
更具體地來看上面的情況，當開關(guān)元件Q0處于斷開狀態(tài)時，電壓VQ0大體為Vs+(N1/N2)·Vc，其中，變壓器T的初級線圈的圈數(shù)為N1，次級線圈的圈數(shù)為N2。即，如果時刻t2時，電容C上的電壓Vc為零或低于零值，那么開關(guān)元件Q0上的電壓VQ0也將是處于直流電壓源Vs的電壓值Vs附近的一個低電壓值，從而在時刻t2，也即開關(guān)元件Q0的關(guān)斷狀態(tài)時所發(fā)生的開關(guān)損耗可被有效地降低。相應(yīng)地，可以顯著改善電路的運行效率，電源裝置的整體尺寸可以充分減小。
上述運行情況適合于電流連續(xù)流過變壓器T的情況，即，以上已經(jīng)描述了電流i1或i2始終流過變壓器T的情況，當采用一種流過變壓器T的電流為不連續(xù)的電路結(jié)構(gòu)時，也能獲得同樣的效果。另外，上文的描述中，將MOSFET用作開關(guān)元件Q0，實際上也可以用三極管、IGBI等作為開關(guān)元件。另外，也可以用一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中，包括脈動電壓的電容C上的電壓Vc被提供到檢測裝置，從而當電壓Vc低于某一預(yù)定值時，開關(guān)元件將按照檢測裝置提供的檢測信息被關(guān)斷。此外，也可以采用另一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中，直流/直流轉(zhuǎn)換器中開關(guān)元件Q0啟動時關(guān)斷的定時，用恰當設(shè)置直流/直流轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率f以及接通時間Ton、變壓器T的匝比或電容C的電容值，使之在電壓值Vc的零點附近實現(xiàn)。
圖4中，給出了本發(fā)明所述電源裝置的另一種實施例，其中，電壓轉(zhuǎn)換裝置11A采用一種直流/直流轉(zhuǎn)換器構(gòu)造，直流/直流轉(zhuǎn)換器包含一個升降壓斬波器。另外，電感器LO作為一種電感元件通過開關(guān)裝置Q0與直流電壓源VS相連，電容C通過二極管D1與電感L0相連，二極管D1相對于從直流電壓源VS流出的電流來說呈反向連接。這樣，開關(guān)元件Q0的關(guān)斷時流過電感LO的電流i2不為零的情況下，開關(guān)元件Q0的電壓VQ0大體上可以用Vs+Vc來表示，本實施例中電路相應(yīng)部件處的波形與圖3所示的波形相同。
圖5中，給出了本發(fā)明的又一種實施例，其中，電壓轉(zhuǎn)換裝置11B由包含有升壓斬波器的直流/直流轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。并且開關(guān)元件Q0通過用作阻抗元件的電感器LO與直流電壓源VS相連，并通過電感LO、相對于從直流電壓源VS的電流呈正向設(shè)置的二極管D1與電容C相連。現(xiàn)在，一個同期內(nèi)，在t1-t2(或t3-t4)時間內(nèi)，通過電感LO與直流電壓源VS相連的開關(guān)元件Q0處于接通狀態(tài)，如圖6(a)所示，產(chǎn)生圖6(b)所示的電流i1流過電感LO，從而使磁能聚積在電感內(nèi)，這樣，在關(guān)斷開關(guān)元件Q0的情況下，聚積在電感L0內(nèi)的能量通過二極管D1放電，圖6(C)中所示的電流i2通過電容C進行充電。
這里，上述電容C在開關(guān)元件Q0處于接通狀態(tài)時，使電壓Vc降低，如圖6(d)所示，而電容C在開關(guān)元件Q0處于關(guān)斷狀態(tài)下被充電，使電壓Vc升高，從而電容C上的電壓Vc呈正向波動。另外，開關(guān)元件Q0的電壓VQ0被降低，大體與電容C上的電壓Vc相等。
圖7為本發(fā)明的又一種實施例，其中，圖1和圖2所示實施例中的變壓器T為一種自耦變壓器，從而在本例中，電壓轉(zhuǎn)換裝置11C中的開關(guān)元件Q0處于關(guān)斷狀態(tài)時，電壓VQ0將大體等于Vs+N1/(N1+N2)·(Vc-Vs)＝N2/(N1+N2)·Vs+N1/(N1+N2)·Vc并可以用改變自耦變壓器T的初級線圈的次級線圈的匝數(shù)N1和N2之比，限制電壓VQ0于低值。
圖8是本發(fā)明的另一種實施例，其中，與圖1和圖2所示實施例相比，提供了一種逆變器裝置16D，用來在改變電壓極性時，把電壓轉(zhuǎn)換裝置11D的輸出電壓提供給負載電路12D。本例中，通過二極管D1向與變壓器T的次級線圈相連的電容C和負載電路12D之間插入了逆變器裝置16D。本實施例中，電容C兩端的電壓Vc呈正向波動，全橋型逆變器裝置16D中成對的開關(guān)元件Q1、Q4以及Q3、Q2，根據(jù)控制電路13D的驅(qū)動信號以低頻交替進行接通和關(guān)斷，從而交流電壓將被提供給負載電路12D。
在圖9所示的進一步實施例中，與圖8所示的實施例相反，逆變器裝置16E通過二極管D1與電壓轉(zhuǎn)換裝置11E中變壓器T的次級線圈n2直接相連，電容C與逆變器裝置16E中的負載電路12E并聯(lián)相連。本實施例中，逆變器裝置16E中成對的開關(guān)元件Q1、Q4以及Q3、Q2以低頻交替進行接通和關(guān)斷，可將交流電壓提供給負載電路12E。
圖10為本發(fā)明的另一種實施例，其中，由變壓器T的初級線圈n1和開關(guān)元件Q0組成的串聯(lián)電路與直流電壓源VS相連，變壓器T的次級線圈分為n2和n3兩個繞組，此二繞組相互連接的連接端極性相反，逆變器電路16F通過二極管D1與次級線圈n2和n3相連。次級線圈n2和n3相互極性相反的連接點與負載電路12F相連，負載LP與電感L0串聯(lián)相連，電容C與負載LP和電感LO組成的串聯(lián)電路并聯(lián)相連。本實施例中，與變壓器T的初級線圈n1相連的開關(guān)元件最好在幾千赫至幾百千赫的高頻下進行開關(guān)運行，從而能夠運用升壓及降壓斬波運行。另一方面，與次級線圈n2相連的開關(guān)元件Q1和Q2應(yīng)該在幾個赫茲至幾百個赫茲的低頻下進行開關(guān)運行，同時低頻下的開關(guān)運行能夠恰當?shù)馗淖兪┘拥截撦d電路12F上電壓的極性。
現(xiàn)在再進一步具體地來看看本實施例的運行，只要開關(guān)元件Q0在時間周期t1-t2內(nèi)處于接通狀態(tài)，就有電流流過直流電壓源VS、變壓器T的初級線圈n1、開關(guān)元件Q0，再回到電源VS，響應(yīng)于開關(guān)元件Q0關(guān)斷前瞬間出現(xiàn)的峰值電流的能量就聚積在初級線圈n1內(nèi)。隨后，當開關(guān)元件Q0關(guān)斷時，聚積在變壓器T的初級線圈n1內(nèi)的能量就從與初級線圈n1電磁耦合的次級線圈n2，通過由二極管D1、與逆變器電路16F串聯(lián)連接的開關(guān)元件Q1、負載電路12F以及次級線圈n2組成的回路提供給電容C進行充電。這里，電容C上的電壓Vc的方向如圖10中的箭頭所示，所產(chǎn)生的通過負載LP的電流I的方向如圖中的箭頭所示。在下一個t2-t3時間周期內(nèi)，產(chǎn)生的電流I從另一次級線圈n3流過負載電路12F、逆變器電路16F的另一開關(guān)元件Q2、二極管D2以及另一次級線圈n3，從而圖11(e)所示的交流電流將被提供給負載LP。
所以，本實施例可以在啟動負載LP時，在電壓Vc中正向增加波動組分。順便指出，上面提到的開關(guān)元件Q1和Q2在輸至負載電路12F的電流極性反向時將同時接通，它們也可以被同時關(guān)斷。
圖12為本發(fā)明的進一步實施例，其中，諸如金屬鹵化物燈之類的放電燈用作與全橋型逆變器電路16G相連的負載電路12G中的負載LP，電感L2與負載LP串聯(lián)相連。此時，最好用(例如電感L2)脈沖變壓器的次級作為啟動放電燈的觸發(fā)器。此外，用另一個電容器C2(而不是電容元件)與由負載LP和電感L2組成的串聯(lián)電路并聯(lián)連接，從而在由電容器C2啟動負載LP時，由觸發(fā)器提供的脈沖電壓可被旁路掉。
此旁路電容C2的電容值比起作為電容元件、與電壓轉(zhuǎn)換裝置11G的輸出端相連的電容器C1的電容值要小得多，從而當電容器C1的電容值為幾十分之一微法時，電容器C2的電容值可為幾百分之一微法。
另外，電感L1與由電容C2和負載LP、電感L2構(gòu)成的串聯(lián)電路組成的并聯(lián)電路串聯(lián)在一起，電感L1能夠在逆變器裝置16G的開關(guān)元件Q1、Q4和Q3、Q2極性反向時，防止電容C1和C2短路，電感L1也可用作一個濾波器，減小開關(guān)元件Q1至Q4的電流中的波動組分，減小開關(guān)元件Q1至Q4的開關(guān)損耗，并進一步有效地減小流過負載電流中的高頻波動組分。應(yīng)該理解的是，當流過負載的電流中存在顯著的波動組分時，放電燈將出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)被視為是一種負載放電燈的聲學諧振現(xiàn)象。
現(xiàn)在參見圖13來分析本實施例的運行，在t1-t2時間間隔內(nèi)，當開關(guān)元件Q2和Q3如圖13(c)處于接通狀態(tài)、而開關(guān)元件Q1和Q4處于如圖13(b)所示的關(guān)斷狀態(tài)時，開關(guān)元件QO如圖13(a)所示以高頻進行開關(guān)運行，能量從直流電源VS通過變壓器T提供給電容C1。本例中電容器C1和電容值比任何通常裝置中的電容器的電容值要小，電壓Vc1做成正向，具有圖13(d)所示的脈動電流。其次，在時刻t2，開關(guān)元件Q2和Q3的接通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開關(guān)元件Q1和Q4的接通狀態(tài)，從而極性反轉(zhuǎn)。在t2-t3的時間間隔內(nèi)，開關(guān)元件QO以類似于t1-t2的時間間隔時高頻進行開關(guān)運行，由直流電源VS提供能量。隨后在時刻t3，開關(guān)元件Q1和Q4的接通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開關(guān)元件Q2和Q3的接通狀態(tài)，從而極性反轉(zhuǎn)。
重復上述運行過程，電容器C1上產(chǎn)生如圖13(e)所示的形狀木體為矩形的電壓Vc1，去除了所有高頻波動組分的電流通過電感L2提供給放電燈LP，從而穩(wěn)定地點燃放電燈。
本實施例中，為了使金屬鹵化物之類的放電燈在啟動放電燈時使光通量快速上升，要求向放電燈提供高于放電燈LP標稱功率的功率，本實施例中，例如當放電燈的標稱功率是35W時，在啟動時，最大將向放電燈提供的75W的功率。
另外，在啟動以及點燃的放電燈穩(wěn)定以后，用標稱功率使放電燈LP照明運行時，電壓Vc應(yīng)具有較少的波動組分，以便從放電燈電流中減小高頻波動組分，啟動需要相當大的功率的放電燈時，開關(guān)元件Q0的開關(guān)頻率應(yīng)低于穩(wěn)定狀態(tài)下的開關(guān)頻率，從而可以獲得本發(fā)明所期望的功能。這里，所提及的電容器C1上的電壓Vc1大體上呈一矩形波形，但也可以大體上呈正弦波形。
圖14為啟動用于圖12所示實施例中的放電燈的觸發(fā)器。此觸發(fā)器具有倍壓整流器產(chǎn)生的電壓。即二極管D24與電阻R24的一端相連，而另一端與電容C24相連組成的串聯(lián)電路和由二極管D25與電阻R25的一端相連、另一端與電容C25相連組成的串聯(lián)電路互相并聯(lián)相連，電阻R24和R25之間的連接點以及電容C24和C25之間的連接點分別與電源P的兩端相連，由脈沖變壓器PT1的初級線圈和一開關(guān)元件S2組成的串聯(lián)電路與由電容C24和C25組成的串聯(lián)電路的兩端相連。脈沖變壓器PT1的次級線圈和放電燈LP組成的串聯(lián)電路跨接在電源P的兩端。這里，電源P采用了圖12所示實施例中用來提供交流電的逆變器裝置16G的輸出端。
采用這種結(jié)構(gòu)，電容器C24和C25分別在電源P的電壓波形的每半個周期被充電，并且當電容C24和C25完成充電，開關(guān)元件S2處于接通狀態(tài)時，電容器C24和C25的端電壓相加，并被施加到脈沖變壓器PT1和初級線圈。即，施加到脈沖變壓器PT1的初級線圈上的電壓可以是電源電壓的兩倍，高壓脈沖可以從觸發(fā)器17G產(chǎn)生，從而可以在電源電壓的每半個周期內(nèi)產(chǎn)生高壓脈沖。這時，不管電源P的電壓極性如何，高壓脈沖具有單一極性，施加的高壓脈沖的方向視擊穿電壓的關(guān)系確定。開關(guān)元件S2可以采用可控硅或TRIAC之類的元件。也可以互相并聯(lián)連接多個開關(guān)元件來增大電流容量。另外，也可以采用一種能夠自行激勵的放電器。
圖15是本發(fā)明以及用于圖12所示實施例的電源裝置的具體工作情況，它基本上包含電壓轉(zhuǎn)換裝置11G、負載電路12G、控制電路13G、逆變器裝置16G以及驅(qū)動電源裝置18G、另外它還包括電壓檢測裝置15、電流檢測裝置16以及驅(qū)動裝置17和18。特別是采用這種結(jié)構(gòu)，預(yù)先確定的電能根據(jù)從電壓檢測裝置15以及電流檢測裝置16得到的信號，被提供給負載電路，執(zhí)行開關(guān)元件QO的開關(guān)運行，并驅(qū)動全橋型逆變器裝置16G。因為本實施例中，組成開關(guān)元件Q1和Q3的三極管在逆變器裝置16G中較高電位一側(cè)且處于與地電位不同的電位上，所以其驅(qū)動需要各自的驅(qū)動裝置17和18。這里，分別起電源作用的電容器C4和C5與驅(qū)動裝置17和18相連，啟動負載電路12G后，直流電源VS通過二極管D2、D4和D5對電容C4和C5充電。另外，在負載電路12G啟動以后，即使當電源電壓此時降落到波動電壓波形的波谷，電容器C4和C5也大體上充電到電容器C3的電壓，并且預(yù)先確定電源電壓被穩(wěn)定地提供到驅(qū)動裝置17和18。
在如圖15所示的工作狀態(tài)下，其電路結(jié)構(gòu)是，當負載電路12G中的放電燈LP的標稱功率比方說是約35W，并且直流電源VS的源電壓是12.8V，則變壓器T的線圈匝比是n1∶2＝1∶7，開關(guān)元件QO是一閾值電壓約為100V的功率MOSFET，電容C1的電容值約為0.56至1.0μF，開關(guān)元件Q1至Q4是閾值電壓約為400至500V的功率MOSFET，元件的開關(guān)頻率對變壓器T的初級一側(cè)約為30至70KHZ，對次級一側(cè)約為40至1000HZ。在本實施例的情況下，開關(guān)元件QO只有1個，但也可以采用二個或更多個開關(guān)元件并聯(lián)，來降低導通電阻。另外，用作輔助電源的附加電容C3，也可以用作驅(qū)動開關(guān)元件Q0、Q2和Q4的另一電壓端，而不是驅(qū)動裝置17和18。
圖15中所使用的控制電路13G，也可以采用圖16中的控制電路，其中，直流/直流變換器裝置11G的輸出電壓和輸出電流由電壓和電流檢測裝置15和16檢測，控制電路13G接收檢測裝置15和16的輸出信號，這些信號將通過一低通濾波器濾除其高頻波動組分，并在乘法器處進行運算，并得到凈功率值。此凈功率值與一目標指令值相比較，此目標指令值是按照電壓檢測裝置15的輸出信號，通過設(shè)置的目標運算電路獲得的，開關(guān)元件QO的接通時間受到控制，從而使任何通過比較得知的功率差變?yōu)榱?。此時，在啟動負載電路后，直流/直流變換器的開關(guān)頻率f、接通時間Ton、變壓器的匝比以及電容器C1的電容值被設(shè)置成最佳值，用來使直流/直流變換器11G的開關(guān)元件QO關(guān)斷定時接近電壓Vc的零點。
隨后，在逆變器裝置16G處，成對的開關(guān)元件Q1、Q4和Q2、Q3的開關(guān)運行交替變化，從而逆變器裝置的輸出電壓極性將變換。這里，元件的開關(guān)頻率相對較低，約為幾十赫茲到幾百赫茲。另外，為了改善可啟動性，在啟動后放電燈穩(wěn)定時，立即將改變極性的頻率設(shè)置成直流或約幾十赫茲，隨后將頻率提高到約為幾百赫茲，而使所有閃爍在極性反轉(zhuǎn)時得到限制。
另外，如果用于車輛光源的金屬鹵化物燈用作前燈，就要求冷啟動的光通量快速上升，實現(xiàn)的控制能夠在一預(yù)先確定的時間間隔中，即使在緊接啟動后負載電壓較低的情況下提供幾倍于標稱功率的功率，使放電燈內(nèi)的蒸氣壓快速上升，增加發(fā)光效率，而很快使光通量穩(wěn)定。
圖17所示的另一種實施例中，采用了一種用來有效地限制由于諧振而出現(xiàn)的電壓上升?，F(xiàn)在，如果采用金屬鹵化物之類的放電燈作為負載的情況，如圖12所示的前述實施例中，當周圍溫度足夠低時，啟動后不久的阻抗比穩(wěn)定照明狀態(tài)下的阻抗低。此時，要求光通量的上升快速進行，且有一相當大的電流流過，從而使負載電路中的電流也很大。這樣，在本實施例中，構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換裝置11H的直流/直流轉(zhuǎn)換器包括一升降壓斬波電路，其中，高頻下運行的開關(guān)元件Q0的接通時間間隔受脈沖寬度調(diào)控制，從而使輸出電壓得到控制。一平滑電容C使升降壓斬波電路的輸出變得平滑，并向逆變器裝置16H提供直流電壓Vc。另外，作為脈沖變壓器的飽和電感L與負載LP串聯(lián)相連，當負載電流值高于一預(yù)定值時，例如在負載LP啟動后高出標稱電流二倍或三倍時，此飽和電感L是磁飽和的。
更具體地看看圖18，在t1-ta的時間間隔內(nèi)，飽和電感L處于飽和狀態(tài)，電感L具有較小的電感值。在這種狀態(tài)下，逆變器裝置16H中的開關(guān)元件Q1-Q4的極性反轉(zhuǎn)，當流過負載電路的負載電流I減小時，電感器L在時刻ta處于某一電流值的非飽和狀態(tài)。隨后，當負載電流的極性反轉(zhuǎn)并達到預(yù)定電流值以上的某一值時，電感L再次飽和，負載電流在tc-t2的時間間隔內(nèi)梯度變陡并上升到預(yù)定電流值。所以，按照本發(fā)明，啟動后由于電感L和電容C而引起的諧振電壓Vc的上升可以用電感器L的飽和特性來限制，用升降壓斬波電路來限制諧振電壓Vc不需要特殊電路，使整個電路的簡化得以實現(xiàn)。另外，為使在緊接啟動之后，將負載LP轉(zhuǎn)換成弧光放電，此電路可有足夠的強制電流(forced current)流通。
在如圖19A所示本發(fā)明的另一個實施例中，負載電路12I中脈沖變壓器PT的第三繞組通過一開關(guān)SW1與直流電源V1相連，還通過另一開關(guān)SW2與另一極性與電源V1相反的直流電源V2相連。當通過負載LP的負載電流I的方向如圖中箭頭所示時，在開關(guān)SW1處于接通狀態(tài)的情況下，流過脈沖變壓器PT初級一側(cè)的電流引起脈沖變壓器PT次級一側(cè)電感值減小。另一方面，當負載電流I反向時，開關(guān)SW2處于接通狀態(tài)，脈沖變壓器PT次級一側(cè)的電感值減小。本實施例中，按照負載電流的流動方向，在緊接啟動負載后并根據(jù)負載電流的流動方向，在逆變器裝置16I的輸出極性反轉(zhuǎn)之前，用使開關(guān)SW1或SW2在一固定時間間隔內(nèi)處于接通狀態(tài)，來減小脈沖變壓器PT次級一鍘的電感值，并且由于電容C1和電感的諧振而產(chǎn)生的任何電壓Vc1的上升可以被限制。
在圖19A所示的實施例中，脈沖變壓器PT的外圍區(qū)域最好具有如圖19B所示的結(jié)構(gòu)。即，在脈沖變壓器PT初級線圈n1一側(cè)，連接一個儲能電容器C4以及諸如TRIAC或放電間隙(dischargegap)之類的開關(guān)元件Q6，用來產(chǎn)生平滑脈沖，并通過一電阻R向電容器C4充電。開關(guān)SW1、SW2以及直流電源V1、V2分別與脈沖變壓器PT的第三線圈n3和n3′相連。
在圖20所示本發(fā)明的進一步實施例中，閉合環(huán)電路通過開關(guān)SW1將脈沖變壓器PT與電阻R相連。本實施例中，在緊接啟動負載LP后逆變器裝置16J的輸出極性反轉(zhuǎn)之前，開關(guān)SW1被接通，脈沖變壓器PT次級一側(cè)的電感與電容C1的諧振，在逆變器裝置的輸出極性反轉(zhuǎn)時，大體上由電阻R吸收。
在圖21所示本發(fā)明的另一實施例中，與前述圖7所示實施例相比，另一變壓器的次級線圈L1與脈沖變壓器PT的次級線圈串聯(lián)連接。本例中，避免了因為脈沖變壓器PT采用第三線圈而使脈沖變壓器PT變得復雜。
在圖22所示本發(fā)明的另一實施例中，與圖8所示的實施例比較，另一變壓器T的次級線圈與脈沖變壓器PT串聯(lián)連接，啟動后在逆變器裝置16L的輸出極性反轉(zhuǎn)之前的一個固定時間間隔內(nèi)，接通開關(guān)SW1，另一變壓器T的初級線圈中插入電阻R1使得特別是極性反轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的諧振能量被吸收。
在圖23所示本發(fā)明的另一種實施例中，特別與圖9所示的實施例相比較，另一變壓器的次級線圈L1與脈沖變壓器PT的次級線圈串聯(lián)連接。本例中，在負載啟動后，逆變器裝置16M的輸出極性反轉(zhuǎn)之前，采用在一固定時間間隔內(nèi)使開關(guān)SW1處于接通狀態(tài)的方法，通過電感元件L1產(chǎn)生在變壓器次級一側(cè)的諧振能量可通過二極管橋式整流電路DB被反饋到直流電源VS一側(cè)。
圖24所示本發(fā)明的另一種實施例中，應(yīng)用了與圖12所示實施例，如圖15所示更具體電路圖大體相同的結(jié)構(gòu)，本例中，特別當開關(guān)元件Q1和Q4接通時，電容C1和C2上的電壓Vc1和Vc2極性互反，過大并陡峭的電流流過由電容C1、開關(guān)元件Q4、電容C2、電感L1以及開關(guān)元件Q1組成的路徑，從而可以提供一種用來克服當希望裝置小型化所面臨的問題、為了限制電流的目的，過大及陡峭電流需要采用具有大電容值的開關(guān)元件或具有大電感值的電感。
現(xiàn)在來更具體地看看圖25所示的波形(a)至(g)，首先，在(c)和(d)所示的t1時刻，將已經(jīng)接通狀態(tài)的場效應(yīng)三極管Q3和Q2關(guān)斷。設(shè)置了一個滯留時間，在該時間內(nèi)，所有的場效應(yīng)三極管Q1-Q4被關(guān)斷，此時，如(f)中，在負載LP的啟動之前，幾乎沒有電流ia流過，電容C1上的電壓Vc保持一幾百伏特的固定電位。隨后在t2時刻，如(b)所示場效應(yīng)三極管Q4處于導通狀態(tài)，時間間隔t2-t3內(nèi)電容C1內(nèi)聚集的充電電荷形成電流I，通過由電容C1、MOSFET Q4、MOSFET Q2的寄生二極管DQ2、電感元件L1以及電容C1組成的途徑流通，且電容C1與電感元件L1之間形成諧振，例如，寄生二極管DQ2在電容C1和電感元件L1的半個諧振周期內(nèi)受到驅(qū)動，如(e)所示。隨后在t3時刻，不再有電流ia，電壓Vc4值的極性與原極性相反，并大體上取如(g)所示的相同電位。在隨后的t4時刻，MOSFET Q1導通，如(a)所示，與原極性相反的電壓Vc1不會引起過大電流。因為MOSFET Q1至Q4受到控制，從而能有效地防止極性反轉(zhuǎn)時產(chǎn)生過大的陡峭電流及浪涌電壓，并有效地使電路簡單化而不是復雜化，所以可以使電源裝置小型化。
用于圖24所示實施例中的逆變器裝置16N的一部分如圖26所示，其中，振蕩器7a的振蕩信號以及受振蕩器7a的振蕩信號上升沿激勵的沖息多諧振蕩器7b的輸出被輸入到或非門N1而獲得或非值。一個由觸發(fā)器F.F(由或非門N1輸出信號觸發(fā))Q端輸出信號和或非門N1輸出信號之反相信號相與的輸出信號，以及一個由或非門N1輸出信號的反相信號和觸發(fā)器F.F反相Q端輸出信號相與的輸出信號相應(yīng)地通過每個驅(qū)動電路42及44，作為MOSFETQ2與Q4的觸發(fā)信號。此外，一個由或非門N2的輸出信號(為由振蕩器7a振蕩信號下降沿觸發(fā)的沖息多諧振蕩器7c輸出信號及或非門N1輸出信號的或非)和觸發(fā)器F.F.Q端輸出信號相與的輸出信號，以及一個由或非門N2輸出信號和觸發(fā)器F.F.反相Q端輸出信號相與的輸出信號相應(yīng)地通過另外的每個驅(qū)動電路41及43，作為MOSFET Q1與Q3的觸發(fā)信號。采用這種結(jié)構(gòu)，每一MOSFET能夠快速、高精確度地進行開關(guān)運行，開關(guān)運行損失可被減至最小。
在前述圖4，5，7，8，9，10，12，17，19，20，21，22，23和24的各實施例中，除那些描述過的結(jié)構(gòu)以外，其他結(jié)構(gòu)與圖1和圖2所示實施例相同，各實施例中的主要部件用圖1和圖2中所使用的部件相同的標號表示，但分別加進了安母A-N，圖1和圖2或者前述實施例中描述過的實質(zhì)上相同的部件，大體上用相同的標記符號表示，這些部件能夠象圖1和圖2以及前述實施例中的部件一樣，獲得同樣的功能和效果。
另外，可以按照負載的狀態(tài)，實現(xiàn)前述各實施例中極性反轉(zhuǎn)的控制。例如，按照電容C上的電壓值Vc，可以恰當?shù)馗淖儤O性，所采用的電路結(jié)構(gòu)可以按照要求選擇無負載狀態(tài)下的控制模式，穩(wěn)態(tài)照明的控制模式等。
權(quán)利要求
1.一種向負載供電的電源裝置，其特征在于，它包括一直流電源；一與所述直流電源相連的電壓轉(zhuǎn)換裝置，所述電壓轉(zhuǎn)換裝置包括一高頻開關(guān)裝置，用來控制所述供電，以及提供至少在啟動所述負載時比在所述負載的穩(wěn)態(tài)運行期間更大的供電；一與所述電壓轉(zhuǎn)換裝置的輸出側(cè)相連的電容元件；以及一包括有所述負載并與所述電容元件并聯(lián)相連的負載電路，所述負載電路的負載電容在所述負載的起動時比所述負載的穩(wěn)態(tài)運行時?。黄渲?，一種控制裝置進一步用來控制所述高頻開關(guān)裝置，所述高頻開關(guān)裝置的控制常數(shù)至少在所述負載的啟動之后以及所述負載的穩(wěn)態(tài)運行期間大體上為常數(shù)，所述控制裝置在所述電容元件的電壓值低于一預(yù)定值時，關(guān)斷高頻開關(guān)裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，它還具有在電平低于一預(yù)定值時，檢測脈動電壓的檢測裝置，所述脈動電壓產(chǎn)生于所述電容元件的兩端。
3.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，它還具有連接在所述電壓轉(zhuǎn)換裝置的所述輸出端和所述電容元件之間的整流元件，其方向為關(guān)斷所述高頻開關(guān)元件時對電容元件進行充電的方向。
4.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，所述電壓轉(zhuǎn)換裝置是一種回掃型(fly-back type)轉(zhuǎn)換器，包括一非絕緣變壓器。
5.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，所述電壓轉(zhuǎn)換裝置是一種回掃型轉(zhuǎn)換器，包括一絕緣變壓器。
6.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，所述電壓轉(zhuǎn)換裝置是一種包括一升壓斬波器的轉(zhuǎn)換器。
7.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，所述電壓轉(zhuǎn)換裝置是一種包括升降壓斬波器的轉(zhuǎn)換器。
8.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，它還具有一全橋型逆變器裝置，所述全橋型逆變器裝置通過一用來交替改變施加到負載電路上的電壓極性的整流元件，與所述電壓轉(zhuǎn)換裝置跨接在一起。
9.如權(quán)利要求8所述的電源裝置，其特征在于，所述電容裝置與所述負載電路并聯(lián)連接在一起。
10.如權(quán)利要求4所述的電源裝置，其特征在于，它還進一步包含一串聯(lián)連接多個開關(guān)、并跨接在所述電壓轉(zhuǎn)換裝置上的開關(guān)電路，以及一連接在電壓轉(zhuǎn)換裝置和所述開關(guān)電路之間的整流元件，所述負載電路連接在所述非絕緣變壓器的次級線圈的中點與所述開關(guān)電路之間。
11.如權(quán)利要求5所述的電源裝置，其特征在于，它還進一步包含一串聯(lián)連接多個開關(guān)、并跨接在所述電壓轉(zhuǎn)換裝置上的開關(guān)電路，以及一連接在電壓轉(zhuǎn)換裝置和所述開關(guān)電路之間的整流元件，所述負載電路連接在所述絕緣變壓器次級線圈中點與所述開關(guān)電路之間。
12.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，所述負載電路中的所述負載是一種高強度放電燈。
13.如權(quán)利要求8所述的電源裝置，其特征在于，所述負載電路包含一由第一電感器和第二電容元件的串聯(lián)電路及另一第二電感器的串聯(lián)電路與所述第一電容元件和高強度放電燈并聯(lián)連接，形成所述負載，此結(jié)構(gòu)是，所述第二電容元件的充電電荷在所述逆變器裝置所述極性交換進行極性反轉(zhuǎn)之前，適用于由所述第一電感、第二電感元件以及所述逆變器裝置中的開關(guān)電路組成的閉合環(huán)路中。
14.如權(quán)利要求13所述的電源裝置，其特征在于，它至少在所述極性反轉(zhuǎn)時，還具有用來減小所述負載電路的所述第一和第二電感值的裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的電源裝置，其特征在于，所述用來減小電感值的裝置包含一個飽和電感器，當電流高于預(yù)定電流值時，該飽和電感器即呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。
16.如權(quán)利要求14所述的電源裝置，其特征在于，所述負載電路包含一由形成所述負載的高強度放電燈和脈沖變壓器線圈次級組成的串聯(lián)電路，以及一與所述串聯(lián)電路并聯(lián)的旁路電容器，減小電感值的所述裝置用來減小所述次級線圈的電感值。
17.如權(quán)利要求16所述的電源裝置，其特征在于，它還進一步包括用來檢測流至所述負載電路電流的裝置以及用來把直流電壓施加到所述變壓器初級一側(cè)的裝置，電壓施加的方向視所述電流的方向而定，該電壓施加方向?qū)⑾撦d電路中的所述電流。
18.如權(quán)利要求13所述的電源裝置，其特征在于，它還進一步包含一在負載電路至少在所述極性反轉(zhuǎn)期間，使在所述負載電路的所述電感器內(nèi)集聚的能量不起作用的裝置。
19.如權(quán)利要求10所述的電源裝置，其特征在于，它還進一步包含一在負載電路至少在所述極性反轉(zhuǎn)期間，使在所述負載電路的電感內(nèi)的集聚的能量不起作用的裝置。
20.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于，所述控制裝置用振蕩頻率和占空度作為所述控制常數(shù)控制所述高頻開關(guān)裝置，所述控制常數(shù)在所述負載的啟動后以及所述負載電路的穩(wěn)定運行期間大體上為常數(shù)，而當包括電容元件上的所述電壓低于所述預(yù)定值時關(guān)斷高頻開關(guān)裝置。
全文摘要
一種電源裝置包括一電壓轉(zhuǎn)換裝置，其輸入端與直流電源相連，其輸出端與一電容元件和一負載電路相連，控制電路與電壓轉(zhuǎn)換裝置和負載電路相連，負載電路的負載阻抗在負載電路中的負載啟動時低于負載穩(wěn)態(tài)照明期間的阻抗，其中，作為控制常數(shù)的振蕩頻率和占空度在負載啟動和穩(wěn)態(tài)照明時大體上保持為常數(shù)，并且當電容元件上的電壓值低于一預(yù)定值時，電壓轉(zhuǎn)換裝置中的開關(guān)裝置被關(guān)斷。
文檔編號H02M1/00GK1100848SQ94105689
公開日1995年3月29日 申請日期1994年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月10日
發(fā)明者木戶正二郎, 中村俊朗, 神原隆, 多賀曦高, 永灝春男 申請人:松下電工株式會社