CN100566498C - 用于驱动光源的电路装置 - Google Patents

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Abstract

在用于驱动光源的电路装置中组合应用用于功率因数校正的廉价技术。通过两个电荷泵和填谷式电路的组合，在电网功率超过25W时，也实现遵循具有小的元件负载的电网电流谐波的相关标准。

Description

用于驱动光源的电路装置
技术领域
本发明涉及用于驱动光源的电路装置。本发明尤其涉及针对电源网络为光源供电的电路装置，该电路装置是适于配置电网方的功率因数。以下针对功率因数校正的表达应用缩写PFC，PFC以英语表达“PowerFactor Correction”为依据。
供电的电网电压具有电网频率。以下针对频率应用表达“高频”，该频率比电网频率高很多。
背景技术
从文献WO 02/47441(Hu)中公知上述的电路装置。在该文献中公开两种PFC技术：电荷泵(“单个反馈(single feedback)”)和所谓的填谷式电路(“双泵(double pump)”)。在此，从电网电压出发看到，电荷泵连接在填谷式电路前面。此外，电荷泵和填谷式电路由相同的高频电压源来供应。
例如，从文献US4,949,013(Zuchtriegel)中公知电荷泵。电荷泵的重要特征是整流器输出端与泵二极管的错接。从负载电路中提取的高频电压施加在形成的连接点上。在这个位置上应强调，仅仅整流器输出端与泵二极管错接，因此，在WO02/47441(Hu)中该电路装置的这部分被称作“单个反馈”。
例如，从文献WO90/09087(Skalak)中公知填谷式电路。在此，涉及由两个存储电容器和三个二极管构成的无源PFC电路，该无源PFC电路连接在两个整流器输出端之间。因而，填谷式电路的工作方式在于，存储电容器通过二极管如此被连接，以致存储电容器由电网电压作为串联电路充电，可是由负载作为并联电路放电。
填谷式电路也可受限制地通过将其二极管中的一个分裂为二极管来起电荷泵的作用。对此，在两个通过分裂形成的二极管的连接位置上施加高频交流电压。在文献US6,316,883(Cho)中说明了一种这样改进的填谷式电路。在那说明的放电灯的驱动设备另外也具有独立的电荷泵。从电网电压方看来，该电荷泵连接在填谷式电路的后面，由此另一个存储电容器是必需的。
在WO02/47441(Hu)中，电荷泵连接在填谷式电路前面。因此另一个存储电容器不是必需的。在电荷泵中供电的高频交流电压从输送给改进的填谷式电路的高频交流电压中推出。
从文献WO02/47441(Hu)中推知，利用在那所说明的电路装置功率因数可以到达好的值。可是，如IEC61000-3-2的标准另外规定了电网电流谐波的极限值。在此区别吸收直至电网电压的25W功率的光源与吸收超过25W的光源。在25W以上要求高很多；也就是说，电网电流谐波的振幅必须小很多。
文献WO02/47441(Hu)的主题是具有集成的驱动设备的紧凑式荧光灯。这样的灯直至从电网中接收25W功率在市场上是普遍的。因为达到25W功率对于电网电流谐波的有关标准的要求很低，所以在WO02/47441(Hu)中公开的电路装置可以提供符合达到25W的标准的荧光灯的驱动。
对用于驱动光源的电路装置的要求是多种多样的。在配置所述电路装置时应考虑以下要求：
●低电网方功率因数
●电网接收的电流的低的非线性失真因数(总谐波失真(Totalharmonic Distortion)：THD)
●符合标准的电网电流谐波
●高效率
●通过光源的电流的低波峰因数
●小的无线电干扰
●低成本
●小的几何尺寸
为了以由电网接收的达到25W的功率驱动荧光灯，在WO02/47441(Hu)中公开的电路装置描述了好的综合考虑，以符合上述要求。可是，超过25W，符合关于电流谐波的相关标准描述了一个问题。特别是，针对荧光灯灯电流的波峰因数通过标准(例如，IEC60929)被限制在最大值1.7。在由电网接收的功率超过25W时，该极限值的保持表示另一个问题。
在WO02/47441(Hu)中公开的电路装置的尺寸设定相反(即在由电网接收的功率超过25W时关于电网电流谐波的标准也被遵守)导致电路装置的部件的极强的负载。这导致成本的上升、更大的几何尺寸和降低的功率。
如果另外灯电流的波峰因数的极限值应遵守IEC60929，则元件还被增加负载。
发明内容
本发明的任务在于，这样扩展在根据WO02/47441(Hu)的电路装置的拓扑上建立的用于驱动光源的电路装置，使得在由电网接收的功率超过25W时，电网电流谐波具有符合标准的值。针对荧光灯的驱动另外本发明的任务是使得符合标准的灯电流波峰因数成为可能。
所述任务通过用于驱动光源的电路装置来解决，该电路装置除了从WO02/47441(Hu)中公知的特征以外具有电荷泵，该电荷泵被连接在整流器负输出端上。
本发明在WO02/47441(Hu)中没有被提到，因为其中与电荷泵相关的词语被表达为“单个反馈”(第5页/第3行)，而在本发明中以这种方式双倍地配置电荷泵，即不仅整流器的正输出端而且整流器的负输出端与泵电容器连接。
填谷式电路是不会引起元件的显著的超负载的PFC电路。这种超负载涉及诸如扼流圈和电子开关的元件，并通过与无功传输相关形成的电流-或电压过高引起。然而，只利用填谷式电路不能得到符合标准的电网电流谐波。符合标准的灯电流波峰因数也没有被给出。
利用电荷泵可能得到符合标准的电网电流谐波和符合标准的灯电流波峰因数。然而，利用电荷泵引起元件的超负载。连接在整流器正输出端上的电荷泵是普遍的。
电荷泵与填谷式电路的组合元件仅仅小的超负载时带来符合标准的电网电流谐波和符合标准的灯电流波峰因数；可是，这仅仅是由电网接收的功率到达25W的情况。
因此根据本发明电荷泵被双倍地执行。也就是说，电荷泵既与整流器的正输出端又与整流器的负输出端连接。因此也在由电网接收的功率超过25W时，符合标准的电网电流谐波和符合标准的灯电流波峰因数在元件仅仅小的超负载时达到。
本发明的特别有利的改进方案的特征在于，逆变器被执行为半桥逆变器。该逆变器连接在正的和负的汇流排(Schiene)之间并由此供应直流电压。在逆变器的输出端上该逆变器提供高频交流电压以驱动光源。通过将逆变器实施为半桥逆变器可以得到电路装置特别高的效率。
本发明的另一个特别有利的改进方案的特征在于，光源的端子通过耦合电容器与正的和负的汇流排相连。因此实现电网电流谐波和灯电流波峰因数的继续减小。
附图说明
以下应参考附图根据实施例进一步说明本发明。附图针对具有电极螺旋丝的荧光灯示出本发明的实施例。
以下通过字母T表示晶体管、通过字母D表示二极管、通过字母C表示电容器、通过字母L表示扼流圈、通过字母J表示端子，这些字母后分别跟随数字。
具体实施方式
在图中，端子J1和J2构成电网电压输入端。在J1和J2上电网电压是可连接的。J1和J2与整流器的输入端连接。用于无线电去扰的装置也可连接在整流器的前面。
通常，整流器由公知的整流二极管D7、D8、D9、D10的桥式电路组成，该桥式电路在其整流器的正输出端POS上和在其整流器的负输出端NEG上提供整流后的电网电压。由电荷泵引起的，整流二极管必须高频连接。也可能应用慢速整流二极管可以使用。但是在桥式电路和各自的整流器输出端之间必须连接快速二极管。
涉及泵二极管的第一二极管D1以其阳极与整流器的正输出端POS连接，并以其阴极与正汇流排DCP连接。
同样涉及泵二极管的第二二极管D2以其阴极与整流器的负输出端NEG连接，并以其阳极与负汇流排DCN连接。
在正汇流排DCP和负汇流排DCN之间连接第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6的串联电路，其中这些二极管的阴极分别对准正汇流排DCP而这些二极管的连接点构成以下节点：第三二极管D3和第四二极管D4之间为第一节点N1、第四二极管D4和第五二极管D5之间为第二节点N2以及第五二极管D5和第六二极管D6之间为第三节点N3。
第一存储电容器C1连接在正汇流排DCP和第一节点N1之间。第二存储电容器C2连接在负汇流排DCN和第三节点N3之间。二极管D3、D4、D5和D6以及存储电容器C1和C2构成填谷式电路。涉及改进的填谷式电路，如关于上述的文献US6,316,883(Gyu)所提及的那种填谷式电路。二极管D4和D5构成上述的所分裂的二极管对。在位于二极管D4和D5之间的节点N2上施加从负载电路中耦合输出的高频电压。因此，在填谷式电路中在有限的范围中实现电荷泵的作用。电阻也可与二极管串联。因此，可以继续减少电网电流谐波。
两个电子开关T1和T2的串联电路被连接在正汇流排DCP和负汇流排DCN之间。T1和T2构成半桥逆变器，该半桥逆变器在T1和T2的连接点上具有逆变器输出端OUT。通过正汇流排DCP和负汇流排DCN半桥逆变器得到能量。通过T1和T2交替的打开和闭合，相对负汇流排DCN的高频交流电压施加在逆变器的输出端OUT上。该逆变器的输出电压具有逆变器振荡频率，该振荡频率比电网频率高很多。负汇流排DCN在这种情况下用作用于定义逆变器的输出电压的参考电势。没有一般性的限制，正汇流排DCP也可以用作参考电势。
T1和T2在本实施例中实施为MOSFET。可是，也可使用其他的电子开关。引起T1和T2交替打开和闭合的控制电压施加在T1和T2的栅极端子上。该控制电压由控制电路提供，该控制电路在图中未示出。该控制电路或者包含自由振荡的振荡器，或者由负载电路控制，由此构成自振荡的半桥逆变器。
在逆变器的输出端OUT上连接电抗网络，该电抗网络的主要任务是逆变器输出端OUT的源阻抗与光源的负载阻抗匹配。在本实施例中电抗网络包含由灯扼流圈L1、谐振电容器C5和耦合电容器C6组成的串联电路。该串联电路在一端与逆变器的输出端OUT连接而在另一端与正汇流排DCP连接。同样的效果，该串联电路可以取代与正汇流排连接而与负汇流排DCN连接。
针对基本的功能，在上面提到的串联电流中元件的顺序是任意的。在本实施例中，灯扼流圈Lp与逆变器的输出端OUT连接而耦合电容器C6与正汇流排DCP连接。谐振电容器C5连接在灯扼流圈L1和耦合电容器C6之间。
谐振电容器C5有两个端子，该端子与输出端子(J3，J4)连接，在该输出端子上可连接光源(Lp)。在图中示例性地针对光源描述了荧光灯。但是原则上这种电路装置也可以驱动其他的光源、诸如高压放电灯、发光二极管或白炽灯。为了驱动发光二极管或白炽灯也许装设变压器，该变压器使逆变器的输出电压匹配于光源所需的电压水平。在图中示出的荧光灯有两个电极螺旋丝。该电极螺旋丝的端子分别与输出端子J3和J4连接。电极螺旋丝的另一个端子分别通过另外的连接端子J5和J6与另一个谐振电容器C7连接。两个谐振电容器C5和C7因此通过电极螺旋丝连接。因此，预热电流在点燃灯Lp之前流过电极螺旋丝，这提高灯Lp的使用寿命。
当灯Lp通过耦合电容器C6与正汇流排DCP或负汇流排DCN连接时，已证明为特别有利的。因此电网电流谐波的幅值和灯电流的波峰因数可以降低。
在图中仅示出一个灯Lp。可是也可能驱动串联-或并联电路中的多个灯。
输送给节点N2的高频交流电压在本实施例中从端子J3上的电势得到。这对应于谐振电容器C5的端子上的电势。可是，节点N2也可以与其他电势连接，该电势具有高频交流电压。例如，谐振电容器C5的另一个端子或者逆变器输出端OUT适合于此。在本实施例中所选择的变型方案具有最小的电网电流谐波幅值和最小的灯电流波峰因数。
节点N2上施加的高频交流电压也施加在泵电容器C3上，该泵电容器C3与整流器的正输出端POS连接。通过节点N2经过泵电容器C3与整流器的正输出端POS的连接实现第一电荷泵。
根据本发明，泵电容器C4连接在节点N2和整流器的负输出端NEG之间。因此，第二个电荷泵在整流器的负输出端NEG上实现。优选地，两个泵电容器具有相同的值。通过根据本发明的第二电荷泵可能减小电网电流谐波的幅值和灯电流波峰因数的值，而不用在泵电容器C3和C4中中间存储大的无功功率值。因此，灯扼流圈L1和电子开关T1和T2的负载保持很小。

Claims (6)

1.用于驱动光源的电路装置，具有以下特征：
·具有电网电压输入端(J1、J2)的整流器(D7、D8、D9、D10)，该整流器在具有电网频率的电网交流电压施加在其电网电压输入端上时在整流器的正输出端(POS)和整流器的负输出端(NEG)上提供整流后的电网交流电压，
·第一二极管(D1)，以其阳极与整流器的正输出端(POS)连接并以其阴极与正汇流排(DCP)连接，
·第二二极管(D2)，以其阴极与整流器的负输出端(NEG)连接并以其阳极与负汇流排(DCN)连接，
·第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)和第六二极管(D6)，所述第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)和第六二极管(D6)在正汇流排(DCP)和负汇流排(DCN)之间串联连接，其中所述第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)和第六二极管(D6)的阴极分别对准正汇流排(DCP)而且所述第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)和第六二极管(D6)的连接点构成以下节点：在第三二极管(D3)和第四二极管(D4)之间为第一节点(N1)、在第四二极管(D4)和第五二极管(D5)之间为第二节点(N2)以及在第五二极管(D5)和第六二极管(D6)之间为第三节点(N3)，
·第一存储电容器(C1)和第二存储电容器(C2)，其中该第一存储电容器(C1)被连接在正汇流排(DCP)和第一节点(N1)之间而第二存储电容器(C2)被连接在负汇流排(DCN)和第三节点(N3)之间，
·逆变器(T1、T2)，该逆变器被连接在正汇流排(DCP)和负汇流排(DCN)上以供应能量并在逆变器输出端(OUT)上相对负汇流排(DCN)提供逆变器输出电压，该逆变器输出电压具有比电网频率高的逆变器振荡频率，
·电抗网络，其被连接在逆变器输出端(OUT)上，并提供用于连接光源的输出端子(J3、J4)，
·该电抗网络和第二节点(N2)之间的耦合，该耦合在第二节点(N2)上相对负汇流排(DCN)产生电压波形，该电压波形具有逆变器振荡频率，
·第一泵电容器(C 3)，其与第二节点(N2)和整流器的正输出端(POS)连接，
其特征在于，
该电路装置具有第二泵电容器(C4)，其中该第二泵电容器(C4)与该第二节点(N2)和整流器的负输出端(NEG)连接。
2.如权利要求1所述的用于驱动光源的电路装置，其特征在于以下特征：
·所述电抗网络包括由灯扼流圈(L1)、谐振电容器(C5)和耦合电容器(C6)组成的串联电路，
·所述串联电路在一端与逆变器输出端(OUT)连接而在另一端与正汇流排(DCP)或者负汇流排(DCN)连接，
·所述谐振电容器(C5)有两个端子，该端子与输出端子(J3、J4)连接，在该输出端子上光源(Lp)是可连接的，
·所述谐振电容器(C5)的端子与所述第二节点(N2)连接。
3.如权利要求2所述的用于驱动光源的电路装置，其特征在于以下特征：
·所述灯扼流圈(Lp)与逆变器输出端连接，
·所述耦合电容器(C6)与正汇流排(DCP)或者负汇流排(DCN)连接，
·所述谐振电容器(C5)被连接在所述灯扼流圈(L1)和所述耦合电容器(C6)之间，
·所述谐振电容器(C5)的转向所述耦合电容器(C6)的端子与所述第二节点(N2)连接。
4.如权利要求2所述的用于驱动光源的电路装置，
其特征在于，
所述光源(Lp)是具有两个电极螺旋丝的气体放电灯，并且第二谐振电容器(C7)通过电极螺旋丝与权利要求2中的谐振电容器(C5)连接。
5.如权利要求1所述的用于驱动光源的电路装置，
其特征在于，
所述光源(Lp)是气体放电灯。
6.如权利要求1所述的用于驱动光源的电路装置，
其特征在于
所述逆变器是半桥逆变器，其包含两个电子开关(T1、T2)的串联电路，这两个电子开关被连接在正汇流排(DCP)和负汇流排(DCN)之间，并且所述逆变器输出端(OUT)是这两个电子开关(T1、T2)的连接点。
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