控制功率控制器的系統(tǒng)和方法
【專利說明】控制功率控制器的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請
[0002]本發(fā)明要求2012年12月13日提交的美國臨時專利申請序列號N0.61/736，942的優(yōu)先權(quán)，其通過參考以它的整體結(jié)合到本文中。
[0003]本發(fā)明要求2013年I月25日提交的美國臨時專利申請序列號N0.61/756，744的優(yōu)先權(quán)，其通過參考以它的整體結(jié)合到本文中。
[0004]本發(fā)明要求2013年5月28日提交的美國專利申請序列號N0.13/909, 591的優(yōu)先權(quán)，其通過參考以它的整體結(jié)合到本文中。
[0005]本發(fā)明要求2013年5月28日提交的美國專利申請序列號N0.13/909, 632的優(yōu)先權(quán)，其通過參考以它的整體結(jié)合到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0006]本發(fā)明總體上涉及一種電子領(lǐng)域，并且更具體地，涉及用于確保在一個或多個低功率燈與它們耦合到的功率內(nèi)層結(jié)構(gòu)之間的兼容性的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0007]許多電子系統(tǒng)包括電路，例如與調(diào)光器對接的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器或變壓器。對接電路根據(jù)由調(diào)光器設(shè)置的調(diào)光水平輸送功率到負(fù)載。例如，在照明系統(tǒng)中，調(diào)光器提供到照明系統(tǒng)的輸入信號。輸入信號表示調(diào)光水平，其導(dǎo)致照明系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸送到燈的功率，從而，依賴于調(diào)光水平，增加或減少燈的亮度。存在許多不同類型的調(diào)光器。一般，調(diào)光器產(chǎn)生輸出信號，在其中一部分交流(“AC”)輸入信號被去除或置零。例如，一些基于模擬的調(diào)光器使用三極真空管作為交流(“三端雙向可控硅開關(guān)”)設(shè)備以調(diào)制交流電源電壓的每個周期的相位角。電源電壓的相位角的該調(diào)制也通常稱為“相切”電源電壓。相切電源電壓減少供應(yīng)到負(fù)載例如照明系統(tǒng)的平均功率，并且從而控制提供到負(fù)載的能量。
[0008]基于三端雙向可控硅開關(guān)的相切調(diào)光器的具體類型已知為前沿調(diào)光器。前沿調(diào)光器從AC周期的開始相切以便在相切角期間，調(diào)光器“關(guān)閉”并且不供應(yīng)輸出電壓到它的負(fù)載，并且然后在相切角之后轉(zhuǎn)為“開啟”，并且傳送相切輸入信號到它的負(fù)載。為了確保正確的操作，負(fù)載必須給前沿調(diào)光器提供足以將浪涌電流保持在由三端雙向可控硅開關(guān)維持傳導(dǎo)所需要的電流之上的負(fù)載電流。由于由調(diào)光器提供的電壓突然增加和在調(diào)光器中存在電容器，必須提供的電流通常基本上大于三端雙向可控硅開關(guān)傳導(dǎo)所需要的穩(wěn)定狀態(tài)電流。
[0009]圖1描述包括基于三端雙向可控硅開關(guān)的前沿調(diào)光器102和燈142的照明系統(tǒng)100。圖2描述與照明系統(tǒng)100相關(guān)的示例電壓和電流圖表。參考圖1和圖2，照明系統(tǒng)100從電壓源104接收AC電源電壓VSUPPW。電源電壓Vsuppw是例如是美利堅合眾國的標(biāo)稱60Hz/110V線路電壓或歐洲的標(biāo)稱50Hz/220V線路電壓。三端雙向可控硅開關(guān)106用作電壓驅(qū)動開關(guān)，并且三端雙向可控硅開關(guān)106的柵極端子108控制在第一端子110與第二端子112之間的電流。在柵極端子108上的大于放電閾值電壓值Vf的柵極電壓Vs將導(dǎo)致三端雙向可控硅開關(guān)106轉(zhuǎn)向開啟，繼而導(dǎo)致電容器121短路并且允許電流流過三端雙向可控硅開關(guān)106和調(diào)光器102以產(chǎn)生輸出電流iDIM。
[0010]假設(shè)燈142是電阻負(fù)載，調(diào)光器輸出電壓νφ—_從每個半周期202和204的開始在相應(yīng)時刻1。和t2是零伏，直到柵極電壓Vti到達(dá)放電閾值電壓值V F。調(diào)光器輸出電壓νφ—DIM表不調(diào)光器102的輸出電壓。在時間周期t(jFF期間，調(diào)光器102砍或切電源電壓VsuPPLY以便調(diào)光器輸出電壓V?！猒在時間周期t _期間保持為零伏。在時刻t i，柵極電壓Vti到達(dá)放電閾值電壓值VF，并且三端雙向可控娃開關(guān)106開始傳導(dǎo)。一旦三端雙向可控娃開關(guān)106轉(zhuǎn)向開啟，調(diào)光器電壓νφ—_在時間周期t咖期間追蹤電源電壓V SUPPLYo
[0011]—旦三端雙向可控硅開關(guān)106轉(zhuǎn)向開啟，從三端雙向可控硅開關(guān)106汲取的電流iDIM必須超過載流i ATT，以便將通過三端雙向可控硅開關(guān)106的浪涌電流保持大于開啟三端雙向可控硅開關(guān)106所需要的閾值電流。此外，一旦三端雙向可控硅開關(guān)106轉(zhuǎn)向開啟，三端雙向可控硅開關(guān)106繼續(xù)與柵極電壓Vs無關(guān)地傳導(dǎo)電流i _，只要電流iDIM保持大于保持電流值iHe。載流值iATT和保持電流值i ^是三端雙向可控硅開關(guān)106的物理特性的函數(shù)。一旦電流iDIM下降到小于保持電流值i HC，即iDIM〈iHC，三端雙向可控硅開關(guān)106轉(zhuǎn)向關(guān)閉(即，停止傳導(dǎo))，直到柵極電壓Vti再次到達(dá)放電閾值電壓值VF。在許多傳統(tǒng)應(yīng)用中，保持電流值iHe—般是足夠低的，以便，理想地，當(dāng)電源電壓Vsuppu^E半周期202的末端附近在時刻12大約為零伏時，電流i _下降到小于保持電流值i HCo
[0012]可變電阻器114與并聯(lián)連接的電阻器116和電容器118串聯(lián)形成時序電路115，以控制時刻L，在該時刻^柵極電壓Vti到達(dá)放電閾值電壓值VF。增加可變電阻器114的電阻增加時間，而減少可變電阻器114的電阻減少時間t,?？勺冸娮杵?14的電阻值有效地設(shè)置燈142的調(diào)光值。二端交流開關(guān)119提供流入三端雙向可控硅開關(guān)106的柵極端子108的電流。調(diào)光器102還包括扼流圈120以平滑調(diào)光器輸出電壓νφ—_?；谌穗p向可控硅開關(guān)的調(diào)光器102還包括連接跨過三端雙向可控硅開關(guān)106和扼流圈120的電容器121以減少電磁干擾。
[0013]理想地，調(diào)制調(diào)光器輸出電壓V^ dim的相位角對于電源電壓Vsuppu^每個半周期有效地使燈142在時間周期Wf期間轉(zhuǎn)為關(guān)閉，并且在時間周期t ■期間轉(zhuǎn)為開啟。因此，理想地，調(diào)光器102根據(jù)調(diào)光器輸出電壓V?！猒有效地控制供應(yīng)到燈142的平均能量。
[0014]基于三端雙向可控硅開關(guān)的調(diào)光器102充分地應(yīng)用在許多情況中，例如，當(dāng)燈142消耗相對較高的功率量時，例如白熾燈泡。然而，在調(diào)光器102加載有低功率負(fù)載(例如，發(fā)光二極管或LED燈)的情況中，該負(fù)載可能汲取小量的電流iDIM，并且電流iDIM有可能不能到達(dá)載流iATT，并且還可能在電源電壓Vsu■到達(dá)大約零伏之前電流i _會過早地下降到小于保持電流值iHe。如果電流iDIM不能到達(dá)載流i ATT，調(diào)光器102會過早地斷開并且不會使電源電壓Vsuppw的恰當(dāng)部分流到它的輸出。如果電流i DIM會過早地下降到小于保持電流值iHe，調(diào)光器102過早地關(guān)斷，并且調(diào)光器電壓V?！猒將過早地下降到零。當(dāng)調(diào)光器電壓L dim將過早地下降到零時，調(diào)光器電壓V 不會反映如由可變電阻器114的電阻值設(shè)置的意向調(diào)光值。例如，當(dāng)對于調(diào)光器電壓V?！猒 206，電流iDIM在顯著早于t2的時刻下降到小于保持電流值iHe時，開啟時間周期t ■在早于t2的時刻過早地結(jié)束，取代在時刻t2結(jié)束，從而減少了輸送到負(fù)載的能量的量。因此，輸送到負(fù)載的能量將不匹配對應(yīng)于調(diào)光器電壓νφ—_的調(diào)光水平。此外，當(dāng)V Φ—_過早地下降到零，電荷會累積在電容器118和柵極108上，如果在相同半周期202或204期間柵極電壓Vs超過放電閾值電壓值Vf，那么會導(dǎo)致三端雙向可控硅開關(guān)106再次放電，和/或由于該累積電荷導(dǎo)致三端雙向可控硅開關(guān)106在后續(xù)半周期中不正確地放電。因此，三端雙向可控硅開關(guān)106的過早斷開會導(dǎo)致在調(diào)光器102的時序電路中的錯誤并且在它的操作中的不穩(wěn)定性。
[0015]在操作光源時用調(diào)光器調(diào)節(jié)光源節(jié)省能量并且還允許用戶調(diào)節(jié)光源的強度到期望的水平。然而，設(shè)計用于與電阻負(fù)載例如白熾燈泡一起使用的常規(guī)調(diào)光器，例如基于三端雙向可控硅開關(guān)的前沿調(diào)光器，在試圖供應(yīng)原始相位調(diào)制信號到電抗性負(fù)載例如電子功率轉(zhuǎn)換器或變壓器時通常不能運行良好。
[0016]存在于電力基礎(chǔ)設(shè)施中的變壓器可以包括磁變壓器或電子變壓器。磁變壓器通常包括兩個傳導(dǎo)材料(例如，銅)線圈，每個纏繞具有高磁穿透性的材料芯(例如，鐵)，以便磁通量可以穿過兩個線圈。在操作中，在第一線圈中的電流可以產(chǎn)生在芯中的變化磁場，以便變化磁場經(jīng)由電磁感應(yīng)感應(yīng)跨過次級線圈端部的電壓。因此，在耦合到初級線圈的部件與耦合到次級線圈的部件之間的電路中提供電隔離時，磁變壓器可以提升和降低電壓水平。
[0017]另一方面，電子變壓器是以與常規(guī)磁變壓器相同的方式工作的設(shè)備，其中在提供隔離時它提升和降低電壓水平并且可以包容任何功率因子的負(fù)載電流。電子變壓器一般包括功率開關(guān)，其將低頻率(例如，直流到400赫茲)電壓波轉(zhuǎn)換成高頻率電壓波(例如，10000赫茲級別)。比較小的磁變壓器可以耦合到該功率轉(zhuǎn)換器并且因此提供常規(guī)磁變壓器的電壓水平變換和隔離功能。
[0018]圖3描述照明系統(tǒng)101，其包括基于三端雙向可控硅開關(guān)的前沿調(diào)光器102(例如，如圖1所示)，電子變壓器122，以及燈142。該系統(tǒng)101可以例如使用來將高電壓(例如，110V，220V)轉(zhuǎn)換成低電壓(例如，12V)，用于與汞燈(例如，MR16汞燈)一起使用。圖4描述與照明系統(tǒng)101相關(guān)的示例電壓和電流圖表。
[0019]如本領(lǐng)域已知，電子變壓器以自振電路的原理操作。參考圖3和圖4，當(dāng)調(diào)光器102與變壓器122和低功率燈142連接使用時，燈142的低電流汲取可能不足以允許電子變壓器122可靠地自振。
[0020]為了進一步圖解說明，電子變壓器122可以在它的輸入處接收調(diào)光器輸出電壓νΦ—_，在它的輸入處，它由二極管124形成的全橋整流器整流。由于電壓V?！猒在調(diào)光器放電點L時幅度增加，因此在電容器126上的電壓可以增加到二端交流開關(guān)128將轉(zhuǎn)為開啟的點，因此也使晶體管129轉(zhuǎn)為開啟。一旦晶體管129開啟，電容器126可以放電并且由于包括初級線圈(T2a)和兩個次級線圈(UPT2J的開關(guān)變壓器130的自振，振蕩開始。因而，如圖4所描述，振蕩輸出電壓