專利名稱：電子燈鎮(zhèn)流器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于操縱放電燈，例如熒光燈的電子鎮(zhèn)流器，尤其是涉及這種具有最小數(shù)量工作元件的鎮(zhèn)流器。
大部分磁耦合自振蕩變換器被大量制造，以在競爭激烈的市場中銷售。由于半橋變換器具有相對低的元件數(shù)目，所以它們得到了廣泛的應用。這種變換器可以被劃分為兩組一組是那樣的變換器，即它們使用一種具有一個飽和鐵芯的電流變壓器，通常和功率BJT=s(雙極結(jié)式晶體管)一起；另一組是那樣的變換器，即它們使用一種具有一個線性鐵芯的電流變壓器，通常和MOSFETs(金屬氧化半導體場效應晶體管)一起。正如本領域技術(shù)人員將認識到的那樣，在此文中，線性鐵芯指的是一種鐵芯，其中工作是在具有一個圓滑的B-H特性曲線，而不是一個陡的B-H特性曲線的一個范圍中進行的；即在任何時候，通量水平都是這樣的，以使通量水平的顯著增長總伴隨著勵磁電流的顯著增長。
美國專利5，313，142披露了這樣一種鎮(zhèn)流電路，該電路具有一個飽和鐵芯電感線圈，其中鐵芯具有連接到轉(zhuǎn)換晶體管的控制電極上的副線圈。這個電感線圈與包括另一個電感線圈和一個燈的負載電路串聯(lián)，所述燈具有串聯(lián)和并聯(lián)的電容。當通過飽和鐵芯電感線圈的電流升高到一定的使鐵芯飽和的值，從而副線圈中的電壓下降，以及打開的轉(zhuǎn)換晶體管被關(guān)掉時，會出現(xiàn)自振蕩。該負載電路連接在變換器的輸出節(jié)點和兩個反饋電容間的一個節(jié)點之間，一個電容連接到DC接地母線，一個電容連接到一個整流電路的AC側(cè)，所述整流電路可以是一個倍壓型，也可以是一個全波橋型。另一個AC側(cè)終端連接到一個線路電感線圈。通過反饋電容反饋的高頻電能經(jīng)過線路電感線圈發(fā)展為一個高頻電壓，因此給施加到整流二極管的輸入信號提供了一個高頻放大。
此專利披露的鎮(zhèn)流器操縱一個熒光燈，該燈中的燈絲需要相當長的預熱時間。為了防止在DC母線上產(chǎn)生一個有害的高的過壓，當燈未亮時，兩個齊納二極管限制了反饋。負載電路及與負載電路并聯(lián)的一個緩沖電容連接在一個半橋BJT變換器和一個反饋節(jié)點之間。流入那個節(jié)點的高頻電流在連接到信號接地線的一個電容C4和反饋電容C5之間被分流。選擇電容C4和C5的值，使電路像一個高頻放大轉(zhuǎn)換器一樣工作，以提高電路的功率因數(shù)并降低諧波。但是，顯然線路電流仍然是不連續(xù)的。
本發(fā)明的一個目的是降低用于一個非線性負載的功率因數(shù)校正高頻轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)換電流。
本發(fā)明的另一個目的是降低一個具有AC側(cè)電能反饋的功率因數(shù)校正的電燈鎮(zhèn)流器的轉(zhuǎn)換電流。
根據(jù)本發(fā)明，一個轉(zhuǎn)換器或功率因數(shù)校正的鎮(zhèn)流器具有一個DC供電電路，該電路具有兩個AC側(cè)終端和兩個DC側(cè)終端，直接通過連接在一個位于兩個二極管之間的AC側(cè)終端和任何連接在低頻電源兩端的電容之間的一個小輸入電感器供給低頻電能。因此該低頻電源具有一感抗。從DC供電電路接收DC電能的一個半橋轉(zhuǎn)換器具有一個位于兩個開關(guān)之間的一個輸出節(jié)點。連接在輸出節(jié)點和四個終端中的一個終端之間的一個負載電路包括一個諧振電感線圈，至少一個與諧振電感器形成一個諧振電路一部分的電容器，及兩個用于一個非線性負載的接點，該負載在工作狀態(tài)中至少基本上是電阻性的。
在第一個優(yōu)選實施例中，轉(zhuǎn)換器是一個連接成提供電流源反饋的電燈鎮(zhèn)流器，整流器是一個全波橋式整流器，一個高頻電容連接在AC側(cè)橋式整流器終端之間的其中一個二極管的兩端。在高頻循環(huán)的一部分，高頻電流有一個高于線路輸入電流的瞬態(tài)值，這些電流之間的差給高頻電容充電。在高頻循環(huán)的下一部分，高頻電容放電，并經(jīng)過轉(zhuǎn)換器從線路到大容量存儲電容提供一個直接的能量流。
通過和已知的鎮(zhèn)流器相比，該結(jié)構(gòu)大大降低了正在循環(huán)的高頻電流，因此降低了晶體管的轉(zhuǎn)換負載，及諧振電感線圈中的尺寸和能量損失。
在第二個優(yōu)選實施例中，鎮(zhèn)流器被連接成提供電壓源反饋，一個高頻電容連接在AC側(cè)橋式整流器終端之一和一個高頻電壓源之間，例如一個電燈終端或變換器輸出節(jié)點之間。
參照附圖將對本發(fā)明的實施例進行描述。
在附圖中，

圖1是具有電流反饋的本發(fā)明一個第一實施例的示意圖，圖2是基于圖1所示實施例的一個補步設計電路，表示反饋到AC側(cè)的電流，圖3是用于圖2所示電路的線路電感和線路電流的一個模擬曲線，圖4是具有電壓反饋的一個圖1電路變型的示意圖，圖5是具有兩個反饋電容的一個圖4電路變型的示意圖，
圖6是一個圖4電路變型的示意圖，其具有一個直接來自變換器輸出的反饋電容，圖7一個初步設計電路，表示反饋到AC側(cè)的電壓，圖8是具有兩個反饋電容的一個圖1電路變型的簡化示意圖，圖9是具有一個倍壓整流器的一個圖1電路變型的簡化示意圖。
圖1的轉(zhuǎn)換器包括一個由轉(zhuǎn)換晶體管S1、S2形成的變換器，晶體管S1和S2串聯(lián)連接在具有一個電解濾波電容Cb的一根DC母線的兩端。DC母線通過一個全波橋式整流器供電，該整流器由慢二極管D1-D4及兩個快速補償二極管Da，Db形成。如下將要討論的，如果所有的橋二極管都是快速補償型的，那么二極管Da，Db可以去掉。通過一個EMI濾波器給橋式整流器提供線路電能，該濾波器由一個串聯(lián)的電感線圈Lf和分流電容Cf，及一個線路電感線圈Li形成，電感線圈Li連接在EMI濾波器和位于二極管D1和D3間的橋式整流器的一個第一AC側(cè)終端之間。負載電路連接在第一AC側(cè)終端和兩個開關(guān)間的變換器輸出節(jié)點之間。負載電路包括一個線性芯件諧振電感線圈Lr、一個隔流電容Cd和一個諧振電容Cr，其中一個熒光燈FL1與諧振電容并聯(lián)連接。一個反饋電容C1連接在第一AC側(cè)終端和快速二極管Da的負極之間，其為正DC母線。
根據(jù)圖1所示的電路具有一個線路電感線圈Li=750μH，一個諧振電感線圈Lr=820μH，及Cr=11nF，這是針對電壓為220V及一個85瓦的燈而言的。通過比較，如果沒有輸入電感線圈，諧振電路值將為Lr=680μH，Cr=19．6nF。由于無負載儲能電路的阻抗可以被定義為Z0=Lr／Cr的平方根，這導致無負載儲能電路的阻抗比一個沒有線路電感線圈的電路的阻抗增加近似50％。結(jié)果，通過開關(guān)S1、S2的電流降低，鎮(zhèn)流效果提高。
概括地說，圖1所示的電路可以被認為有一個電流發(fā)生器代替變換器和負載電路，如圖2所示。當此電路被模擬時，通過線路電感線圈Li的電流具有圖3中上部曲線所示的形狀，其表示一個被施加在一個低頻電流上的一個基本上高頻的電流。在被EMI濾波器濾波后，模擬線路電流見圖3的下部曲線。
在高頻電流的每個循環(huán)期間，有一段時間，其間反饋電流if和線路電流iin具有相同的極性，并具有一個較大的瞬態(tài)值。在那期間，電容C1被這個電流差充電，電解(體)電容Cb和線路都提供能量給電流源，其可以包括負載。
在高頻電流的循環(huán)平衡期，線路電流iin比高頻電流if的瞬態(tài)值大。首先C1被放電，然后二極管D1和D4傳導if和iin之間的電流差，為了模擬目的，二極管D1和D4是快速補償二極管。從線路輸入將電能提供給可包括負載的電流源，而額外的電能給體電容充電。結(jié)果出現(xiàn)一個直接的能量轉(zhuǎn)換，從線路輸入到體電容，其不必被電流源if處理。這是與一個沒有電感線圈Li的功率因數(shù)校正電路進行比較，其中沒有從線路輸入到體電容的直接能量轉(zhuǎn)換，而且輸入能量不得不被諧振儲能電路處理。結(jié)果，圖2的電路與一個沒有線路電感線圈的純電流源PFC相比具有一個更低的if值。
從上述討論可以清楚地認識到，在高頻循環(huán)的一部分，高頻電流流經(jīng)Lr和Li。因此即使在每個有效的電路連接不象一個全高頻循環(huán)那樣有效的情況下，該電流也可以被認為具有兩個諧振頻率。對于正確的鎮(zhèn)流操作，轉(zhuǎn)換頻率應該比這兩個諧振頻率的任一個都高。
圖4所示的轉(zhuǎn)換器采用電壓反饋，如此稱謂的原因是反饋與通過燈的電壓成正比。具有相同功能的元件具有相同的參考標號，而且對于一個相同的線路電壓和電燈瓦數(shù)，它們可能具有相同的電流值。除了線路輸入電感線圈外，橋式整流器和變換器與圖1中的相同。負載電路從轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點連接到DC接地母線，而不是接到橋式整流器的AC側(cè)，但在其它方面，負載電路元件具有和圖1中相同的功能。一個高頻電容C14從電燈終端連接到二極管D1和D3的一個公共終端。所述電燈終端還通過DC隔流電容Cd和諧振電感線圈Lr4連接到變換器輸出端。如圖1所示，其中輸入電感線圈Li影響諧振電路，此處電容C14和輸入電感線圈Li的連接影響諧振電路。結(jié)果，對于一個相同的線路電壓和電燈，電感線圈和電容的優(yōu)化值通常會與圖1中所使用的不同。但是，功能相同。
高頻電容C14在每個高頻循環(huán)的一部分存儲電荷，然后在循環(huán)的另外部分，電荷被傳遞給體電容Cb。
除了增加了一個第二高頻電容C25，圖5的電路與圖4的相同。C15和C25在高頻循環(huán)的不同部分被充電，因此電流的單個脈沖較小。這減少了儲存在高頻元件中的能量，因此元件應力較低。正如以前，包含在攜帶高頻電流或在高頻循環(huán)期間傳遞能量中的元件間的相互關(guān)系會要求為了優(yōu)化而改變元件值，但對于普通技術(shù)人員，這是一個次要的路徑。
圖6的電路表示電壓反饋，其中與一個沒有功率因數(shù)校正的轉(zhuǎn)換器相比，負載電路被影響至DC母線電壓被影響的程度。在關(guān)掉一個晶體管、打開另一個晶體管期間，C16提供了兩個電感線圈之間的一個連接。C16的值至少部分地由電燈功率決定，而L16的值部分地由電燈電壓決定。
圖7示意地表示一個理想化的電壓反饋。通過一個高頻電容C17從一個高頻電壓源vf提供反饋。與圖2中電路相同，在每個高頻循環(huán)C17的一部分將用一個極性充電。在循環(huán)C17的下一部分將放電，而且im和高頻電容電流之間的瞬態(tài)差將傳遞能量給體電容Cb。
除了包含兩個高頻反饋電容C18和C28，圖8的電路與圖1的相同。電容C18連接在第一AC側(cè)終端和快速二極管Da的陰極之間，其為正DC母線，而且電容C28連接在第一AC側(cè)終端和快速二極管Db的陽極，其為負DC母線。除了第二高頻電容在高頻循環(huán)的相對半邊期間充電之外，圖8的操作與圖1的相同，因此提供從一個高頻電容到體電容的能量的全波(從高頻的立場看)傳遞。因此峰值電流被進一步降低。
為了從120V的線路操作，經(jīng)常需要使用一個倍壓供給。圖9表示這樣的一種轉(zhuǎn)換器。因為只需要兩個功率整流器，D19和D29是快速補償二極管是經(jīng)濟的。
用于轉(zhuǎn)換晶體管的門驅(qū)動電路沒有示出，因為它們對于本發(fā)明的應用來說不是至關(guān)重要的。為了減小成本，需要諧振電感線圈Lr具有一個線性鐵芯；即一個在正常操作期間不會突然飽和的鐵芯。然后門驅(qū)動信號可以從相同鐵芯上的副線圈，如Lr得到，如果需要，可以轉(zhuǎn)換相位，以便使用公知電路得到所需頻率的穩(wěn)定振蕩。
對于本領域的技術(shù)人員而言，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，顯然可以進行許多其它的變型。線路電感線圈或者可以設置在線路傳導元件中，或者作為兩個具有一半電感的電感線圈設置，每個線路傳導元件中一個。負載電路的許多變型也是可以的，這取決于燈的特性，或用以斷開燈的一個變壓器的使用。
權(quán)利要求
1．一種低頻到高頻的功率轉(zhuǎn)換器，包括連接到一個低頻線路電壓源的電源連接點，及一個具有兩個端部的線路電感器(Li，li4，li6，Li9)，所述端部中的一個連接到所述電源連接點的一個連接點上，一個DC供電電路，該電路具有至少兩個二極管(D1，D3，D19，D29)和四個終端，所述終端中的兩個是與所述電源連接點耦合的AC側(cè)終端，一個所述AC側(cè)終端連接到線路電感器的另一端，而且所述終端中的另兩個是DC側(cè)終端，至少一個所述二極管連接在一個AC側(cè)終端和一個DC側(cè)終端之間，一個連接成從所述DC側(cè)終端接收DC電壓的半橋變換器，所述變換器包括兩個轉(zhuǎn)換晶體管(S1，S2)，所述轉(zhuǎn)換晶體管串聯(lián)連接并具有一個位于所述晶體管之間的輸出節(jié)點，以提供一個高頻電壓，在操作期間攜帶一個第一高頻電流的負載電路，連接在所述輸出節(jié)點和所述四個終端中的一個之間，所述負載電路包括許多負載電路元件，所述負載電路元件包括一個諧振電感器(Lr)，和用于一個非線性負載(燈)的兩個連接點，其中非線性負載在一種操作情況下至少基本上是電阻性的，至少一個電容(Cr)和所述諧振電感器形成一個諧振電路的一部分，一個高頻電容(C1，C14，C15，C16，C17，C18，C19)，其為一個第二高頻電流提供一條路徑，所述高頻電容(C1，C14，C15，C16，C17，C18，C19)與所述AC側(cè)終端之一連接并連接到所述負載電路元件的至少一個上，在所述高頻電壓的每個循環(huán)的一部分，所述線路電感器(Li)和所述高頻電容(C1，C14，C15，C16，C17，C18，C19)具有如此選擇的值，以使流入所述AC則終端的所述一個終端的瞬態(tài)高頻電容電流具有比通過所述線路電感線圈(Li)進入所述AC側(cè)終端的所述一個終端的電流大的值，且與之極性相反。
2．如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述諧振電感線圈(Lr)和所述線路電感線圈(Li)每個都具有各自的線性芯件。
3．如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述非線性負載(燈)是一個放電燈，而且其中所述DC供電電路是一個倍壓電路，所述二極管(D19，29)是快速再生式二極管，連接所述負載電路的所述終端中的一個所述終端是所述AC側(cè)終端中的所述一個。
4．如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述高頻電容(C19)與所述二極管(D19)中的所述一個并聯(lián)連接。
5．如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述非線性負載是一個放電燈(電燈)，而且所述DC供電電路包括具有四個慢速二極管(D1-D4)和兩個快速再生式二極管(Da，Db)的一個全波橋式整流器，所述兩個快速再生式二極管中的一個(Da)連接在所述DC側(cè)終端中的一個和兩個慢速二極管(D1，D2)之間，另一個快速再生式二極管(Db)連接在所述DC側(cè)終端中的另一個和另兩個慢速二極管(D3，D4)之間。
6．如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述四個終端中的所述一個是所述AC側(cè)終端中的一個，所述高頻電容(C1，C18)與一個慢速二極管(Da)串聯(lián)連接在一個快速再生式二極管(D1)兩端。
7．如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換器還包括一個第二高頻電容(C25，C28)，其連接到所述AC側(cè)終端中的所述一個，與慢速二極管(D3，D4)中的一個串聯(lián)連接在另一個快速再生式二極管(Db)的兩端。
8．如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述四個終端中的所述一個是所述DC側(cè)終端中的一個，而且其中電容(Cr)與所述放電燈(電燈)并聯(lián)，所述燈位于所述DC側(cè)終端中的所述一個和一個反饋節(jié)點之間，所述高頻電容(C14，C15)連接到所述反饋節(jié)點上。
9．如權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換器還包括一個第二高頻電容(C25)，該電容連接在所述AC側(cè)終端中的另一個和所述四個終端中的所述一個之間。
10．如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述終端中的所述一個是所述DC側(cè)終端中的一個，所述高頻電容(C16)連接在所述AC側(cè)終端中的所述一個和所述輸出節(jié)點之間。
全文摘要
通過經(jīng)過一個線路電感線圈將高頻電流反饋,可以降低經(jīng)過一個諧振儲能電路和變換器開關(guān)的循環(huán)電流。一個諧振負載電路連接在一個變換器輸出節(jié)點和輸入整流器電路的一個終端之間。一個高頻電容有一個連接到輸入整流器電路的一個AC側(cè)終端的終端。線路電感線圈和高頻電容具有選擇的值,以使在高頻電壓的每個循環(huán)的一部分,流入所述AC側(cè)終端的所述一個終端的瞬態(tài)高頻電容電流具有一個較大的幅度,并和通過所述線路電感線圈進入所述AC側(cè)終端的電流的極性相反。
文檔編號H05B41/24GK1292207SQ99803306
公開日2001年4月18日 申請日期1999年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月30日
發(fā)明者錢金榮 申請人:皇家菲利浦電子有限公司