專利名稱：具有極寬調(diào)光范圍的熒光燈相控可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相控(phase controlled)可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器，例如二線式雙向三端晶閘管控制(Triac-controlled)鎮(zhèn)流器，尤其涉及能夠在從100％至大約3％的調(diào)光范圍內(nèi)對(duì)熒光燈進(jìn)行調(diào)光的這種鎮(zhèn)流器。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在角度范圍的第一部分上使直流連接電壓保持固定而改變切換頻率，在角度范圍的其余部分上則同時(shí)改變直流連接電壓和切換頻率。在此實(shí)施例中，第一部分可對(duì)應(yīng)于0°至90°的角度范圍。
相控裝置最好包括雙向三端晶閘管(Triac)，并且在本實(shí)施例中還設(shè)置了裝置，用以在雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)抑制雙向三端晶閘管電路的瞬態(tài)振蕩?？梢允褂煤纳⒛芰课?dissipative energy absorption)技術(shù)或者非耗散能量吸收(non-dissipative energy absorption)技術(shù)，最好是結(jié)合使用這兩種技術(shù)，對(duì)瞬態(tài)振蕩進(jìn)行抑制。
從另一個(gè)方面看，本發(fā)明提供了一種用于對(duì)熒光燈的電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行調(diào)光控制的方法，其中在交流電源與所述鎮(zhèn)流器之間設(shè)置了雙向三端晶閘管，并且其中所述方法包括在以能量吸收技術(shù)而使所述雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)所述雙向三端晶閘管的振蕩進(jìn)行抑制。
能量吸收技術(shù)可以是耗散能量吸收技術(shù)、非耗散能量吸收技術(shù)或者結(jié)合使用這兩種技術(shù)。
從另一個(gè)更廣泛的方面來(lái)看，本發(fā)明提供了一種裝置，用于對(duì)熒光燈的電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行調(diào)光控制，該裝置包括將所述鎮(zhèn)流器連接至交流電源的裝置；連接于所述鎮(zhèn)流器的輸入與所述電源之間的相控裝置，用于控制所述電源接通的角度范圍；輸出逆變器(output inverter)，用于調(diào)節(jié)熒光燈；以及為所述輸出逆變器提供直流連接電壓的裝置。其中為了提供調(diào)光控制，設(shè)置各裝置，使得在至少一部分角度范圍上同時(shí)改變輸出逆變器的直流連接電壓和切換頻率。
在一個(gè)可能的實(shí)施例中，當(dāng)觸發(fā)角處于第一范圍內(nèi)時(shí)，直流連接電壓保持固定而單獨(dú)改變切換頻率，當(dāng)觸發(fā)角處于第二范圍內(nèi)時(shí)，直流連接電壓和切換頻率都改變。
用于提供直流連接電壓的裝置可以是輸入線電流整形器(input linecurrent shaper)，例如升壓變流器(boost converter)，并且當(dāng)角度范圍在0°至90°之間時(shí)，直流連接電壓保持固定而切換頻率變化，而當(dāng)角度范圍大于90°時(shí)，直流連接電壓和切換頻率都變化。
相控裝置最好包括雙向三端晶閘管，并且還可以設(shè)置其它裝置，用于在雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)抑制該雙向三端晶閘管的振蕩。這一抑制裝置可以是耗散能量吸收裝置、非耗散能量吸收裝置、或者結(jié)合使用這兩種裝置。
從再一個(gè)更廣泛的方面看，本發(fā)明提供了一種裝置，用于對(duì)熒光燈的電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行調(diào)光控制，該裝置包括設(shè)置在交流電源和所述鎮(zhèn)流器之間的雙向三端晶閘管，以及在所述雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)抑制該雙向三端晶閘管振蕩的裝置。
抑制裝置可由耗散能量吸收裝置構(gòu)成。例如耗散能量吸收裝置可由設(shè)置在雙向三端晶閘管與輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-二極管電路構(gòu)成，其中電阻器與電容器串聯(lián)而二極管與電阻器并聯(lián)。另外，耗散能量吸收裝置還可由設(shè)置在雙向三端晶閘管與輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成，其中電阻器與電容器串聯(lián)而開(kāi)關(guān)與電阻器并聯(lián)，因此當(dāng)初始振蕩被抑制后電容器即可接地，并作為EMI濾波器的一部分而工作。開(kāi)關(guān)最好為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(power Mosfet)。另外，耗散能量吸收裝置還可由設(shè)置在雙向三端晶閘管與輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-電感器電路構(gòu)成，其中電容器與電阻器串聯(lián)，而電感器與電阻器并聯(lián)且與第二電阻器串聯(lián)，因此當(dāng)初始振蕩被抑制后電容器即可接地，并作為EMI濾波器的一部分而工作。
抑制裝置可由非耗散能量吸收裝置構(gòu)成。這一非耗散能量吸收裝置可以包括在雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)瞬時(shí)增加電流整形器的輸入電流的裝置。用于增加該輸入電流的裝置可包括對(duì)所述電流整形器的輸入電壓進(jìn)行微分的裝置。
抑制裝置最好既包括耗散能量吸收裝置，也包括非耗散能量吸收裝置。
概括地看，本發(fā)明提供了一種對(duì)熒光燈的電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行調(diào)光控制的裝置，其中所述裝置可以使熒光燈功率在最大額定熒光燈功率的3％至100％之間的范圍內(nèi)變化。
如

圖1所示，鎮(zhèn)流器的輸入通過(guò)雙向三端晶閘管連接至交流電源。通過(guò)調(diào)節(jié)雙向三端晶閘管的觸發(fā)角控制熒光燈的功率(或者熒光燈的勒克司水平)。
本發(fā)明的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器可以包括兩個(gè)主級(jí)，即輸入線電流整形器和輸出逆變器，這種結(jié)構(gòu)的功能方框圖示于圖2。LS是電源的電源電感。電流整形器的功能是將線電流IS整形為與雙向三端晶閘管的輸出電壓VS′具有相同外形，因而電流整形器的輸入阻抗總是電阻性的。
輸出逆變器級(jí)將熒光燈電流調(diào)節(jié)至基準(zhǔn)值Ilamp,ref，Ilamp,ref是從輸入相控交流電壓VS′導(dǎo)出的。上述兩級(jí)以直流連接電壓Vdc和熒光燈電流基準(zhǔn)Ilamp,ref而互相連接。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中設(shè)置了混合調(diào)光控制，其中需要直流連接電壓和逆變器頻率都變化。直流連接電壓和逆變器頻率變化的方式根據(jù)為輸入電流整形器所選擇的電路布局而確定。在某些情況下，在整個(gè)觸發(fā)角范圍內(nèi)直流連接電壓和逆變器頻率都可以一起改變，而在其它情況下，僅在一部分觸發(fā)角范圍中逆變器頻率變化(同時(shí)直流連接電壓保持恒定)，而在其余部分的觸發(fā)角范圍中直流連接電壓和逆變器頻率都改變。
對(duì)于輸入電流整形器而言，一種選擇是采用升壓變流器，并且也將以此作為示例說(shuō)明混合調(diào)光方法的使用。下文中假定交流電源為220V和50Hz。
如圖3a所示，當(dāng)雙向三端晶閘管的觸發(fā)角θ為0°≤θ≤90°時(shí)以輸入線電流整形器使Vdc保持恒定，而當(dāng)θ＞90°時(shí)使Vdc減小。對(duì)于0°≤θ≤90°(如圖3a所示)，為了減少熒光燈功率，使Mdc保持恒定并使輸出逆變器的切換頻率fsw隨θ的增加而增加。也就是說(shuō)，對(duì)于0°≤θ≤90°，通過(guò)頻率控制而實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。對(duì)于θ＞90°(如圖3b所示)，為了控制熒光燈功率(增加(曲線(a))、不變(曲線(b))、或減小(曲線(c)))，減小直流連接電壓Vdc而且使fsw也變化。從而通過(guò)同時(shí)進(jìn)行直流連接電壓控制和頻率控制，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙向三端晶閘管的這一部分觸發(fā)角的調(diào)光控制。
采用混合控制模式是有優(yōu)點(diǎn)的，這是因?yàn)閍.在低負(fù)載條件(例如25W的5％)下，所需功率僅為幾瓦而且雙向三端晶閘管的觸發(fā)角很大。由于雙向三端晶閘管的輸出電壓很低，如果升壓直流電壓與輸入電壓相比過(guò)高，則輸入電流整形器(通常為升壓變流器)的效率很低。減小直流連接電壓可以減小輸入線電流整形器的功率損耗。
b.輸出逆變器中的頻率控制鎮(zhèn)流器的靈敏度較小。如果直流連接電壓減小，逆變器的切換頻率的變化范圍也將減小，這樣就有可能在逆變器頻率變化的實(shí)際限度之內(nèi)獲得非常寬的調(diào)光范圍。
c.對(duì)于θ＞90°，在逆變器頻率控制外還加之以直流連接電壓控制，這樣在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)就可以很容易地使燈絲功率幾乎保持恒定。
A.輸入線電流整形器輸入線電流整形器的示意圖示于圖4a中。整形器的電力電路由以下部分組成1.電磁干擾(EMI)濾波器——用以抑制鎮(zhèn)流器所產(chǎn)生的高頻噪音，不使其進(jìn)入電源。
2.輸入電感器Li——用以提供輸入電路中的最小電感。它還增加了輸入電路的特性阻抗，因而可減小在雙向三端晶閘管切換處產(chǎn)生的電流跳動(dòng)(current ringing)的振幅。
3.二極管電橋——為全波整流器。其主要功能是將相控交流電壓VS′整流為直流電壓Vin。
4.電流整形電路——其主要功能是將輸入電流Iin整形為與Vin相符的波形，從而源電流(即Is)將與VS′的外形相符。圖4a顯示了升壓類型的直流/直流變流器，這種變流器一般用于功率因數(shù)校正。它保證升壓變流器的輸入電流與整流后的輸入電壓相符。而且，穩(wěn)定的直流電壓Mdc在輸出處受到調(diào)節(jié)。除了升壓類型變流器以外，其它的變流器布局技術(shù)，例如具備適當(dāng)控制方法的SEPIC、回掃(flyback)和Cuk變流器也可以用于這種輸入電流整形功能。輸入電容Cin用以過(guò)濾由變流器所產(chǎn)生的電壓紋波。電路運(yùn)行通過(guò)考察在交流電源頻率的半個(gè)頻率周期中的電路響應(yīng)，對(duì)于電路運(yùn)行進(jìn)行說(shuō)明。圖4a用于描述穩(wěn)態(tài)下的鎮(zhèn)流器運(yùn)行。借助于圖5所示的等效電路說(shuō)明瞬態(tài)運(yùn)行，其中雙向三端晶閘管(Triac)以SCR晶閘管為代表，并且考慮到了經(jīng)整流的相控電壓源Vs,rect′。下面將說(shuō)明穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行如圖4a所示，控制Iin與Vin的波形相符，并且調(diào)節(jié)Vdc至所要求的指定公差內(nèi)的電壓水平(如圖3所示)。用電流控制器控制主開(kāi)關(guān)Sb的開(kāi)關(guān)方式(使用選通信號(hào)Vg)。在此將Vdc′(即按比例降低的Vdc值)與基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較。通過(guò)使輸出電壓誤差(即Ve)與輸入電壓(即Vin)外形相乘而產(chǎn)生電流基準(zhǔn)Iref，其中該輸入電壓外形是Vin按比例降低的值(即Vin′)與瞬態(tài)電壓脈沖Vd的和，而Vd是在雙向三端晶閘管導(dǎo)通瞬間通過(guò)微分器(differentiator)或脈沖發(fā)生器獲得的。通過(guò)這樣一種方式而使電力開(kāi)關(guān)Sb開(kāi)關(guān)，從而對(duì)電感器電流ILb的外形進(jìn)行整形，使得升壓變流器的輸入電流Iin的波形整形為與Vin的波形相符。用Cin將Vin的電壓紋波濾除。
為了如圖3所示對(duì)直流連接電壓Vdc的外形進(jìn)行控制，以峰值檢測(cè)器(其提取Vin的最大值)控制Vref的振幅以及Vdc與Vdc′的比率(用η表示)。因此，Vref和η被固定用于0°≤θ≤90°。為了減小Vdc以用于θ＞90°，可根據(jù)Vin而減小Vref和/或η。Vin還用于對(duì)輸出逆變器產(chǎn)生所要求的熒光燈電流基準(zhǔn)。瞬態(tài)運(yùn)行圖4a可以簡(jiǎn)化為圖5所示的等效電路。如圖5所示，Li′、Cin和Rin形成阻尼諧振電路，其中Li′＝Li+LS，式中LS為交流電源電感。因?yàn)殡妷篤S,rect′施加在等效LC電路上，當(dāng)雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)過(guò)渡周期即開(kāi)始。當(dāng)雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，Iin和跨接Cin的電壓都具有瞬態(tài)跳動(dòng)。為保證雙向三端晶閘管不會(huì)意外斷開(kāi)，在雙向三端晶閘管正常導(dǎo)通時(shí)Iin不能為零或負(fù)值。否則雙向三端晶閘管中的傳導(dǎo)SCR晶閘管將在正常的“導(dǎo)通”周期中斷開(kāi)。所述諧振電路的阻尼系數(shù)與等效負(fù)載Rin數(shù)值相關(guān)。為避免由瞬態(tài)跳動(dòng)所造成的這類問(wèn)題，或至少將其減至最少，提供了一種瞬態(tài)能量吸收方案。這一方案可以通過(guò)若干能量吸收電路(EAS)實(shí)現(xiàn)，所述能量吸收電路包括耗散性和非耗散性的，如下所述。目的是使跨接Cin的等效阻抗較小，從而可吸收瞬態(tài)能量并減少振蕩跳動(dòng)。耗散能量吸收電路為提供耗散方法，可以增加示于圖6a中的用于耗散部分瞬態(tài)能量的電路，將其跨接在Cin上。圖6b表示由RT、CT和DT組成的電阻器-電容器-二極管(RCD)吸收電路。當(dāng)Vin突然增加時(shí)，DT開(kāi)路，并且CT的阻抗很小(可以忽略)。此時(shí)若施加Vin，跨接Cin的有效電阻即等于Rin與RT并聯(lián)(即Rin//RT)。因此，部分諧振能量在RT中耗散而諧振衰減。結(jié)果，LC電路中的電壓和電流的跳動(dòng)振幅均得以減小。DT用作CT的放電通路，以減小吸收電阻RT中的能量損耗。
另一種可執(zhí)行與RCD電路相同功能的電路示于圖6c中。該電路稱為RCS電路，包括一個(gè)電阻器、一個(gè)電容器和一個(gè)開(kāi)關(guān)。當(dāng)雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)開(kāi)關(guān)ST暫時(shí)斷開(kāi)。用延遲控制確保在ST接通之前瞬態(tài)跳動(dòng)結(jié)束。因此，輸入瞬態(tài)跳動(dòng)受到RT的阻尼。隨后，ST保持在“接通”狀態(tài)，從而使CT還起到EMI濾波器的作用。實(shí)現(xiàn)RCS電路的一種實(shí)用方案是采用功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為ST。在此方案下，具有固有反向并聯(lián)(inherent anti-parallel)二極管的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供了RCD電路和RCS電路二者組合的功能。
除了使用有源元件之外，還可以用電感器LT來(lái)代替圖6b中的二極管DT和圖6c中的開(kāi)關(guān)ST。該電路示于圖6d。當(dāng)雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，因?yàn)榭缃与姼衅鲗a(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，瞬態(tài)電感電流幾乎等于零。電感器支路被認(rèn)為是開(kāi)路。在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)之后，電感器將變?yōu)槎搪分?。從而LT起到了了DT和ST的作用。
應(yīng)注意的是，僅僅耗散EAS還不足以在雙向三端晶閘管的寬廣相位角度范圍內(nèi)抑制瞬態(tài)效應(yīng)。因此為了有效抑制瞬態(tài)效應(yīng)，使雙向三端晶閘管穩(wěn)定運(yùn)行，最好使用非耗散EAS。非耗散能量吸收電路當(dāng)雙向三端晶閘管導(dǎo)通，電壓施加于功率變流器和負(fù)載上。電源電感和輸入電容的存在即構(gòu)成了諧振電路。當(dāng)跨接輸入電感和電容而施加電壓時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生振蕩效應(yīng)。非耗散能量吸收電路的原理是在如圖4b所示的功率變流器和/或負(fù)載中吸收瞬態(tài)能量。通過(guò)使用同步電路(例如微分器或邊沿檢測(cè)器)，可以檢測(cè)到相控電路(例如雙向三端晶閘管)的接通瞬間。同步電路隨后產(chǎn)生控制信號(hào)，送至輸入功率控制電路，從而瞬時(shí)增加了功率變流器對(duì)于電源的輸入需求。這種突然增加的額外需求使功率變流器和/或負(fù)載可以吸收瞬態(tài)能量并抑制瞬態(tài)跳動(dòng)效應(yīng)。通過(guò)這種方式，輸入電流將不會(huì)驟變?yōu)榱慊蜇?fù)值，并且雙向三端晶閘管不會(huì)意外截止。
圖4a顯示了這一原理的一種特定實(shí)施方案，該方案通過(guò)瞬時(shí)減小電流整形器的輸入電阻，將瞬態(tài)能量傳遞至輸入電流整形器的輸出電容器中。這可通過(guò)檢測(cè)Vin的電壓前沿并瞬時(shí)增加圖4a中的電流基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖7顯示了由此得到的Iref和Vin′?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)Vin進(jìn)行微分來(lái)實(shí)現(xiàn)此方法，從而在雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生較小的瞬態(tài)脈沖Vd(圖4a)。隨后Vd將被疊加在Vin′上以產(chǎn)生Iref。雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)的額外電流需求使得更多的能量傳遞至電流整形電路的輸出電容器。因此，這種方法將諧振能量傳遞至直流連接電容器，并且是非耗散性的?？梢酝ㄟ^(guò)在如圖4a所示的輸入線電流整流器的電流基準(zhǔn)電路上使用微分電路實(shí)現(xiàn)這種非耗散EAS。
在瞬態(tài)期間由于有諧振，Vin可能高于Vdc，圖4a中的升壓變流器可能會(huì)運(yùn)行不正常(對(duì)于升壓變流器，輸出電壓應(yīng)高于輸入電壓)。確保升壓變流器正常運(yùn)行的一種可能方法是，在瞬態(tài)期間將直流連接電壓基準(zhǔn)(即圖4a中的Vref)設(shè)定得高于標(biāo)準(zhǔn)值，從而使Vdc高于Cin上的電壓跳動(dòng)。
另一種方法是采用如圖4a和圖8所示的鉗位二極管Dp，將Vin固定于Vt(其小于Vdc)。升壓變流器因而可在瞬態(tài)期間進(jìn)行正常電壓升壓。Vt可以從電源電路中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得。例如Vt為Vdc的分壓節(jié)點(diǎn)的電壓，如圖8所示。
如圖4c所示，還可以在第二功率級(jí)或負(fù)載中吸收瞬態(tài)能量。這里顯示了可將瞬態(tài)能量吸收電路應(yīng)用于某些電子鎮(zhèn)流器電路的特殊實(shí)例。本實(shí)例顯示了使用電荷抽運(yùn)電路的電子鎮(zhèn)流器。微分器被用作同步電路，以檢測(cè)雙向三端晶閘管導(dǎo)通瞬間，并向調(diào)制器發(fā)出指令，以在雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)增加輸入電流需求。通過(guò)控制如圖4c所示開(kāi)關(guān)的切換頻率，可以改變電源電路的阻抗Z1和Z2，將瞬態(tài)能量引導(dǎo)至電源電路和負(fù)載中，并在其中被吸收。
吸收瞬態(tài)能量的另一種可能方法是用電荷抽運(yùn)(charge pump)電容器Cch作為低阻抗通路，當(dāng)雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，允許電流(瞬態(tài)能量)從雙向三端晶閘管流向逆變器電路。有許多形式的電荷抽運(yùn)技術(shù)，這種技術(shù)的提出主要是用于直接連接至交流電源的電子設(shè)備的功率因數(shù)校正電路。這些方案通常都是設(shè)計(jì)用于不具有雙向三端晶閘管調(diào)光器的全正弦輸入電壓，因此現(xiàn)有電荷抽運(yùn)技術(shù)不能直接使用在雙向三端晶閘管控制可調(diào)光小型熒光燈上。但是可以針對(duì)能量吸收而不是功率因數(shù)校正的目的而對(duì)電荷抽運(yùn)的原理進(jìn)行修改。
圖17顯示所提出的一種低成本單級(jí)電子鎮(zhèn)流器，其不使用有源電流整形前級(jí)。這種設(shè)計(jì)成本較低，因其前級(jí)電路只使用無(wú)源元件。電荷抽運(yùn)電容器Cch連接至電壓源Vch(從輸出逆變器中的諧振電感器Lr獲得)，使電流得以從Vin′流向逆變器。作為選擇，也可從電路中其它節(jié)點(diǎn)取得Vch。通過(guò)調(diào)整耦合變壓器Tr的匝比和Cch的值，Vch的峰值可以設(shè)定得高于Vin′。因而可以控制二極管Dch的阻斷期和導(dǎo)通期以及整流二極管D1～D4。
由Cch吸收或從Cch流出的電荷量將與Vin′的變化成比例地變化。在研究文獻(xiàn)中，電荷抽運(yùn)原理已經(jīng)廣為人知，用于進(jìn)行功率因數(shù)校正[R1，R2]，其中設(shè)備的輸入電壓是平滑的正弦電壓。但是，對(duì)于使用雙向三端晶閘管調(diào)光器電路的情況，設(shè)備上施加的是非正弦電壓，并且在雙向三端晶閘管調(diào)光器的輸出中，斬波電壓的尖銳前沿不是光滑波形，但在本發(fā)明的這一實(shí)施例中，采用Cch來(lái)吸收瞬態(tài)諧振能量。尤其是在雙向三端晶閘管觸發(fā)之后，Vin′的值突然增加，并且電荷抽運(yùn)電容器為初始瞬態(tài)電流提供了低阻抗通路，且在Dch阻斷時(shí)此電流將通過(guò)Cch流向逆變器負(fù)載。這種特性引入了雙向三端晶閘管導(dǎo)通之后吸收電流脈沖的所需功能。該電流脈沖的振幅由Tr的匝比和Cch的值確定。
為了使輸入電流平滑，可以將小的串聯(lián)電感器Lch連接在整流器的輸出(直流側(cè))與Cch之間。通常情況下這個(gè)電感器不與傳統(tǒng)電荷抽運(yùn)電路(該傳統(tǒng)電荷抽運(yùn)電路并非設(shè)計(jì)用于雙向三端晶閘管設(shè)備)一起使用，但在使用雙向三端晶閘管調(diào)光器的應(yīng)用中，該電感器非常重要，因?yàn)楫?dāng)雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)它可以保持雙向三端晶閘管中的電流流動(dòng)，從而保證雙向三端晶閘管電路的穩(wěn)定運(yùn)行。圖18說(shuō)明了這種作用。但是，Lch的值不能過(guò)大，否則在雙向三端晶閘管切換瞬間對(duì)Cch的電流脈沖將減小。這將削弱吸收諧振能量的功能。
還提議與谷值填充(vally-filled)電路一起使用電荷抽運(yùn)電容器，作為一種可選電路而在雙向三端晶閘管導(dǎo)通瞬間完成吸收電流脈沖的類似功能。該電路示于圖19。在谷值填充電路中引入電阻器RVF，從而當(dāng)電荷抽取電容器充電時(shí)耗散部分諧振能量。按照這種方式，跳動(dòng)效應(yīng)可以得到極大削減。
無(wú)論在電流整形電路和/或逆變器電路中，瞬態(tài)能量(當(dāng)雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí))都可以被吸收?？梢苑謩e地或者結(jié)合在一起而使用耗散性和非耗散性EAS，從而提供有效的瞬態(tài)抑制以使雙向三端晶閘管穩(wěn)定運(yùn)行。但是，結(jié)合使用耗散性和非耗散性EAS比單獨(dú)使用其中一種EAS能提供更有效的瞬態(tài)抑制。
除了EAS之外，另一種使電流跳動(dòng)減至最小的方法是在雙向三端晶閘管導(dǎo)通前，確保在Cin上能夠保持足夠的初始電壓(VC,0)。如果Cin部分充電，則諧振效應(yīng)將減弱。Iin的跳動(dòng)振幅取決于切換期間VS,rect′的振幅(即VS,rect′(0))和切換前Cin上的初始電壓。為了進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)輸入電流整形器的輸入電阻為無(wú)窮大?？芍狪in的擺動(dòng)分量將在±in之間變化，其中in＝(VS,rect′(0)-VC,0)/(Li/Cin)1/2因而當(dāng)VC,0增加時(shí)in減小。一種可能的方法是控制Sb的切換持續(xù)時(shí)間，從而使得VC,0小于某一數(shù)值時(shí)電流整形器停止運(yùn)行，該數(shù)值由下面公式確定Iin(t)-in＞0 VC,0＞VS,rect′(0)-Iin(t)(Li/Cin)1/2其中Iin(t)為Iin的穩(wěn)態(tài)值。
一個(gè)試驗(yàn)裝置被用來(lái)評(píng)估EAS的性能。用一個(gè)25W的小型熒光燈(CFL)作為負(fù)載。交流電源電壓為220V、50Hz。用一個(gè)雙向三端晶閘管調(diào)光器來(lái)控制具有圖4所示控制電路的CFL的調(diào)光。圖9顯示了在雙向三端晶閘管輸出處(圖4)，在不使用所述EAS情況下所測(cè)得的電流?？梢钥闯?，該雙向三端晶閘管電路是不穩(wěn)定的。瞬態(tài)效應(yīng)導(dǎo)致電壓和電流都發(fā)生振蕩。當(dāng)電流變?yōu)榱慊蜇?fù)值時(shí)，雙向三端晶閘管意外截止。
第二組測(cè)試是使用耗散性EAS進(jìn)行的。在RCS電路中使用功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為ST，結(jié)果是電路具有RSD和RCS電路結(jié)合的功能。圖10a顯示了當(dāng)觸發(fā)角設(shè)定為大約θ＝45°時(shí)在雙向三端晶閘管輸出處測(cè)得的電壓和電流的波形。圖10b顯示了觸發(fā)角為θ＝135°時(shí)的相關(guān)結(jié)果。與圖9相比，可以看出大部分瞬態(tài)效應(yīng)為所述耗散電路所抑制，盡管從θ＝135°時(shí)測(cè)量的波形上還可以觀察到很小的振蕩效應(yīng)。
第三組測(cè)試用于評(píng)估同時(shí)使用耗散性和非耗散性EAS的有效性。圖11a和圖11b分別顯示當(dāng)觸發(fā)角θ＝45°(圖11a)和θ＝135°(圖11b)時(shí)，在雙向三端晶閘管輸出處測(cè)得的電流和電壓。通過(guò)在雙向三端晶閘管導(dǎo)通瞬間增加電流基準(zhǔn)Iref，可以看出瞬態(tài)效應(yīng)進(jìn)一步得到抑制。這證明了結(jié)合使用所述耗散性和非耗散性EAS的有效性。非耗散性EAS使雙向三端晶閘管調(diào)光器可在較寬相位角范圍內(nèi)運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生意外截止。
B.輸出逆變器電壓型半橋串聯(lián)諧振并聯(lián)負(fù)載逆變器(voltage-fed half-bridgeseries-resonant parallelloaded inverter，HBSRI)示于圖12中，該逆變器由輸入電流整形器的輸出直流連接電壓源供電，并用于控制熒光燈的調(diào)光。可以通過(guò)下面三種可能方法進(jìn)行調(diào)光控制。
1)具有可變切換頻率的恒定直流連接電壓S1和S2交替開(kāi)關(guān)。通過(guò)控制S1和S2的切換頻率fsw，可改變Lr的電抗，從而可以調(diào)節(jié)熒光燈功率。
2)具有恒定切換頻率的可變直流連接電壓不是控制切換頻率，而是通過(guò)調(diào)節(jié)直流連接電壓的振幅(即通過(guò)控制Vdc)控制熒光燈功率。fsw要選擇得略微高于諧振回路電路的諧振頻率。
3)具有可變切換頻率的可變直流連接電壓本方法結(jié)合了1、2兩種方法。這種方法的基礎(chǔ)是，使用熒光燈電流控制器在直流連接電壓下將熒光燈電流調(diào)節(jié)到所需值。
混合調(diào)光控制的原理是改變逆變器直流連接電壓和逆變器切換頻率，從而以所需方式控制熒光燈功率。下面將說(shuō)明改變直流連接電壓的方法。
可以通過(guò)監(jiān)控輸入電壓Vin或相位角θ來(lái)控制直流連接電壓Vdc。圖15顯示了功能框f1，其以直流輸入電壓Vin和/或觸發(fā)角θ作為輸入?yún)?shù)。功能框f1產(chǎn)生所需的基準(zhǔn)信號(hào)Vref(可變化)，并將其與按比例減少的逆變器電壓Vdc相比較。比例系數(shù)為K。可改變Vref從而改變直流連接電壓。
另一種可以進(jìn)行直流連接電壓控制的方法示于圖16。在這種實(shí)現(xiàn)方法中，Vref固定，而比例系數(shù)K是可控的。K受到控制電壓信號(hào)vc的控制，vc來(lái)自功能框f2。而f2的輸入?yún)?shù)是Vin和/或θ。也就是說(shuō)，根據(jù)Vin和/或θ對(duì)圖16中的比例系數(shù)K進(jìn)行控制。
在上述使用升壓變流器作為輸入線電流整形器的實(shí)例中，采用下面的混合控制方案。如圖3所示，當(dāng)0°≤θ≤90°時(shí)，將Vdc調(diào)節(jié)到一個(gè)相對(duì)恒定的值。僅僅通過(guò)控制fsw而將熒光燈電流調(diào)節(jié)至Ilamp,ref(獨(dú)立于Vin)。對(duì)于θ＞90°，Vdc減小，并且熒光燈電流控制器將調(diào)節(jié)fsw，從而熒光燈電流將會(huì)跟隨Ilamp,ref，fsw可以增加、不變或減小(如圖3b所示)。
需要指出，直流連接電壓控制和切換頻率控制結(jié)合起來(lái)提供調(diào)光控制的特定方式取決于電流線整形器所用的變流器布局的特定性質(zhì)。在上述實(shí)例中使用了升壓變流器，因此為了保證輸出電壓總是高于輸入電壓(這是為確保變流器正常運(yùn)行所必須的)，至少在0°≤θ≤90°時(shí)要保持直流連接電壓高于峰值輸入電壓。例如，如果電源為220V交流電源(這意味著在90°時(shí)峰值大約為312V)，則直流線電壓在此范圍內(nèi)將保持在大約400V，而且只要超過(guò)峰值輸入電壓，即可減小直流連接電壓。但是，如果同樣的電路結(jié)構(gòu)在110V交流電源下運(yùn)行，由于峰值大約在156V，就可能在整個(gè)觸發(fā)角范圍內(nèi)減小直流連接電壓，而同時(shí)仍然使直流連接電壓在所有時(shí)間都高于變流器輸入電壓。當(dāng)使用其它類型的轉(zhuǎn)換器替代升壓變流器時(shí)，例如用升壓轉(zhuǎn)換器(step-upconvertor)或降壓轉(zhuǎn)換器(step-down convertor)，即可能在整個(gè)觸發(fā)角內(nèi)改變直流連接電壓。
實(shí)際上，為了在非常寬范圍內(nèi)對(duì)熒光燈功率進(jìn)行調(diào)光控制，至少在一部分調(diào)光范圍內(nèi)必須結(jié)合使用直流連接電壓控制和切換頻率控制。在低功率水平上尤其是這樣，因?yàn)槿绻皇褂们袚Q頻率控制而將功率調(diào)節(jié)至例如大約10％，即意味著要使用非常高的切換頻率，結(jié)果就需要非常昂貴的元件。另外，因?yàn)闊晒鉄艄β实臏p小只與切換頻率成反比，當(dāng)切換頻率增加到非常高的水平時(shí)，熒光燈功率中的相應(yīng)減少就變得很狹小。
進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)采用所述EAS和調(diào)光控制技術(shù)的25W小型熒光燈的調(diào)光范圍。測(cè)量是在燈仍處于“接通”狀態(tài)的情況下進(jìn)行的。圖13a和圖13b分別顯示了在觸發(fā)角范圍上測(cè)得的光強(qiáng)(每單位)和熒光燈功率。獲得了從100％至3％的調(diào)光范圍。觸發(fā)角下光強(qiáng)和熒光燈功率的變化接近符合余弦波形。
本發(fā)明提出的控制方案可以與USSN09/883151中所描述的熒光燈功率線性化技術(shù)結(jié)合使用(在此將其內(nèi)容引為參考文獻(xiàn))，從而改變具有觸發(fā)角的光強(qiáng)和熒光燈功率的變化外形。具有觸發(fā)角的光強(qiáng)和熒光燈功率的變化可以用USSN09/883151所述技術(shù)進(jìn)行線性化。圖14a和圖14b顯示了線性化的具有觸發(fā)角的光強(qiáng)和熒光燈功率的變化。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)熒光燈提供相控(phase controlled)調(diào)光控制的方法，其特征在于，其中所述熒光燈由通過(guò)相控裝置連接至電源的電子鎮(zhèn)流器控制，所述相控裝置控制所述電源接通角范圍，其中該接通角范圍在0°與180°之間變化，并且其中在至少一部分接通角范圍中，通過(guò)同時(shí)變化所述整流器的直流連接電壓和切換頻率而控制熒光燈功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中在接通角范圍的第一部分中所述直流連接電壓保持固定而所述切換頻率變化，而且其中在接通角范圍的其余部分中所述直流連接電壓和所述切換頻率都變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述第一部分對(duì)應(yīng)于0°與90°之間的角度范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述相控裝置包括雙向三端晶閘管(Triac)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括當(dāng)所述雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)該雙向三端晶閘管電路的瞬態(tài)振蕩進(jìn)行抑制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，其中通過(guò)耗散能量吸收(dissipative energy absorption)技術(shù)對(duì)所述瞬態(tài)振蕩進(jìn)行抑制。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，其中通過(guò)非耗散能量吸收(non-dissipative energy absorption)技術(shù)對(duì)所述瞬態(tài)振蕩進(jìn)行抑制。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，其中通過(guò)耗散以及非耗散能量吸收技術(shù)對(duì)所述瞬態(tài)振蕩進(jìn)行抑制。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，其中通過(guò)電荷抽運(yùn)(charge pump)電容器電路對(duì)所述瞬態(tài)振蕩進(jìn)行抑制。
10.一種對(duì)熒光燈提供電子鎮(zhèn)流器調(diào)光控制的方法，其特征在于，其中在交流電源與所述鎮(zhèn)流器之間設(shè)置雙向三端晶閘管，并且其中所述方法包括當(dāng)所述雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)能量吸收技術(shù)對(duì)該雙向三端晶閘管的振蕩進(jìn)行抑制。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述能量吸收技術(shù)為耗散能量吸收技術(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述能量吸收技術(shù)為非耗散能量吸收技術(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述能量吸收技術(shù)包括耗散和非耗散能量吸收技術(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述能量吸收技術(shù)包括電荷抽運(yùn)電容器技術(shù)。
15.一種對(duì)熒光燈的電子鎮(zhèn)流器提供可調(diào)光控制的裝置，其特征在于，所述裝置包括將所述鎮(zhèn)流器連接至交流電源的裝置；連接在所述整流器的輸入與所述電源之間的相控裝置，用于控制所述電源的接通角范圍；用于調(diào)節(jié)所述熒光燈的輸出逆變器；以及為該輸出逆變器提供直流連接電壓的裝置，其中設(shè)置了裝置，在至少一部分接通角范圍中同時(shí)改變所述輸出逆變器的直流連接電壓和切換頻率，以提供調(diào)光控制。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，其中當(dāng)所述接通角處于第一范圍時(shí)，使所述直流連接電壓保持固定，而使所述切換頻率變化，并且當(dāng)所述接通角處于第二范圍時(shí)，使所述直流連接電壓和所述切換頻率都變化。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，其中用于提供所述直流連接電壓的所述裝置為輸入線電流整形器(input line shaper)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，其中所述輸入線電流整形器為升壓變流器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，其中當(dāng)所述接通角范圍在0°與90°之間時(shí)，使所述直流連接電壓保持固定并使所述切換頻率變化，而當(dāng)所述接通角范圍大于90°時(shí)，使所述直流連接電壓和所述切換頻率都變化。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，其中所述相控裝置包括雙向三端晶閘管。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括當(dāng)所述雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)所述雙向三端晶閘管的振蕩進(jìn)行抑制的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，其中所述抑制裝置包括耗散能量吸收裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，其中所述耗散能量吸收裝置包括設(shè)置在所述雙向三端晶閘管與所述輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-二極管電路，其中所述電阻器和電容器串聯(lián)，而所述二極管與所述電阻器并聯(lián)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，其中所述耗散能量吸收裝置包括設(shè)置在所述雙向三端晶閘管與所述輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-開(kāi)關(guān)電路，其中所述電阻器和電容器串聯(lián)，而所述開(kāi)關(guān)與所述電阻器并聯(lián)，從而當(dāng)所述初始振蕩被抑制后，可使所述電容器接地并作為EMI濾波器的一部分而工作。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，其中所述開(kāi)關(guān)為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(power Mosfet)。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，其中所述耗散能量吸收裝置包括設(shè)置在所述雙向三端晶閘管與所述輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-電感器電路，其中所述電容器和電阻器串聯(lián)，而所述電感器與所述電阻器并聯(lián)且與第二電阻器串聯(lián)，從而當(dāng)所述初始振蕩被抑制后，可使所述電容器接地并作為EMI濾波器的一部分而工作。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，其中所述抑制裝置包括非耗散能量吸收裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，其中所述非耗散能量吸收裝置包括當(dāng)所述雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，瞬間增加所述電流整形器輸入電流的裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，其中所述用于增加輸入電流的裝置包括對(duì)所述電流整形器的輸入電壓進(jìn)行微分的裝置。
30.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，其中所述抑制裝置包括耗散和非耗散能量吸收裝置。
31.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，其中所述抑制裝置包括電荷抽運(yùn)電容器電路。
32.一種用于對(duì)熒光燈提供電子鎮(zhèn)流器可調(diào)光控制的裝置，其特征在于，該裝置包括設(shè)置在交流電源與所述鎮(zhèn)流器之間的雙向三端晶閘管；以及當(dāng)所述雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)該雙向三端晶閘管的振蕩進(jìn)行抑制的裝置。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，其中所述抑制裝置包括耗散能量吸收裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，其中所述耗散能量吸收裝置包括設(shè)置在所述雙向三端晶閘管與所述輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-二極管電路，其中所述電阻器和電容器串聯(lián)，并而所述二極管與所述電阻器并聯(lián)。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，其中所述耗散能量吸收裝置包括設(shè)置在所述雙向三端晶閘管與所述輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-開(kāi)關(guān)電路，其中所述電阻器和電容器串聯(lián)，而所述開(kāi)關(guān)與所述電阻器并聯(lián)，從而當(dāng)所述初始振蕩被抑制后，可使所述電容器接地并作為EMI濾波器的一部分而工作。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中所述開(kāi)關(guān)為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，其中所述耗散能量吸收裝置包括設(shè)置在所述雙向三端晶閘管與所述輸入線電流整形器之間的電阻器-電容器-電感器電路，其中所述電阻器和電容器串聯(lián)，而所述電感器與所述電阻器并聯(lián)且與第二電阻器串聯(lián)，從而當(dāng)所述初始振蕩被抑制后，可使所述電容器接地并作為EMI濾波器的一部分而工作。
38.根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，其中所述抑制裝置包括非耗散能量吸收裝置。
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，其中所述非耗散能量吸收裝置包括當(dāng)所述雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)，瞬間增加所述電流整形器輸入電流的裝置。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于，其中所述用于增加輸入電流的裝置包括對(duì)所述電流整形器的輸入電壓進(jìn)行微分的裝置。
41.根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，其中所述抑制裝置包括耗散和非耗散能量吸收裝置。
42.根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，其中所述抑制裝置包括電荷抽運(yùn)電容器電路。
43.一種用于對(duì)熒光燈提供電子鎮(zhèn)流器可調(diào)光控制的裝置，其特征在于，其中所述裝置可使熒光燈功率在最大標(biāo)稱熒光燈功率的大約3％至100％的范圍內(nèi)變化。
全文摘要
為獲得小型和管形熒光燈的較寬調(diào)光范圍，提出了兩種新穎控制方法i)在雙向三端晶閘管電路中抑制振蕩效應(yīng)的新穎技術(shù)，可在較寬觸發(fā)角范圍上保持穩(wěn)定的雙向三端晶閘管運(yùn)行；ii)鎮(zhèn)流器逆變器電路的混合調(diào)光控制技術(shù)，可獲得從100％至3％的寬廣調(diào)光范圍。對(duì)于i)，提議采用耗散性和非耗散性能量吸收電路(EAS)，在雙向三端晶閘管導(dǎo)通時(shí)抑制其電路中的瞬態(tài)效應(yīng)。EAS的本質(zhì)是確保雙向三端晶閘管電路能以穩(wěn)定方式運(yùn)行，沒(méi)有振蕩或意外斷開(kāi)。對(duì)于ii)，提議采用混合調(diào)光方法，其與傳統(tǒng)控制方法不同而使直流連接電壓和逆變器頻率都變化。新的調(diào)光控制的本質(zhì)是減小逆變器頻率變化的范圍，從而盡可能加寬總的調(diào)光范圍。
文檔編號(hào)H05B41/392GK1407840SQ0214247
公開(kāi)日2003年4月2日 申請(qǐng)日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月6日
發(fā)明者鄧柏村, 林耀雄, 鐘樹(shù)鴻, 許樹(shù)源 申請(qǐng)人:研能科技有限公司