CN101116379A - Hid镇流器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于向负载提供电流的方法和装置。该装置包括:全桥或半桥开关电路,该电路包括至少一个开关元件,用于当接通时向负载供电;以及部件,用于仅当在开关元件上加基本上零电压时,切换开关元件的状态。
Description
本发明涉及功率控制装置,用于将电力从公共设施为负载提供所需的电压和电流特性。更具体地,但不是排他地,本发明涉及一种方法和装置,用于经由灯镇流器向高强度放电灯提供电流,具有降低的功率损耗。
有许多已知的情况应将功率提供到负载。在这些情况下,对提供到负载的功率必须严格进行控制,以便满足但不超过该负载中的阈值。负载的一个实例是灯。高强度放电灯是灯的一个品种。
高强度放电(HID)灯已可利用多年了,它由密封的、通常是双层的外壳组成,在外壳中发生等离子放电。放电使气体电离,根据放电外壳中气体的成分,气体将以各种波长发光。
为获得最长的寿命,有效的能量转换和安全操作要求在启动和运行期间都精密控制灯的操作条件。在启动阶段期间,必须在灯上加上高达数千伏的初始高压,以启动放电。然后必须严密控制进入灯内的功率和电流,直到达到其正常的热运行条件。随着灯从操作的启动模式转为操作的正常运行阶段,灯上的电压和灯的阻抗都有显著变化。用来使灯运行的任何镇流器必须考虑到这一点。
早期的无源镇流器由与电源串联的电感器组成,它粗略地限制进入灯的电流,如图1所示。电感器L1的阻抗选择为比有效灯阻抗大,以便在操作期间以及其整个寿命中,灯特性的改变对灯电流的影响减小。输入端上需要有电容器C1,以在电感器迫使电流滞后90度时,使功率因数(PF)更接近于1。此外,需要有点火器电路I1,来提供高电压,以使灯初始起弧(strike)。
由于L1、C1和I1的大尺寸、L1中的损耗以及在镇流器的操作电压范围和寿命内维持良好PF的问题,业界已转向有源电子解决方案。目前的电子解决方案可由Otto Jagschitz的美国专利4,725,762作为示例。这示于图2。
此处使用一个全桥电路,用于双重目的:产生使灯起弧的高频谐振电压以及在运行条件期间的低频受控电流。
在正常操作时,Q3和Q4以适当的低频接通和断开,以使Q3接通时,Q4断开,反之亦然。如果Q3接通,则Q1总是断开,同样如果Q4接通,则Q2总是断开。假定Q3接通,则Q2以高于Q3和Q4的频率交替接通和断开(脉冲宽度调制PWM),以控制通过负载的电流。由于在Q2接通前L1中的任何电流都将流入D1,则在D2阴极上的电压降到零之前Q2必须使此电流换向。Q2接通的顺序示于图3的波形中。在时间T0,电流流入L1和D1中,且在Q2上出现全电压。在时间T1,Q2开始接通,且其中的电流上升,直到在时间T2,Q2中的电流等于L1中的电流。Q2中的电流继续上升,因为D1现在向相反方向导通,并且它开始恢复,并在T3达到峰值。到时间T4时,D1已全部恢复,其电流降到零,且Q2上的电压现在降到一个低值。由时间T1到T3期间的波形将明显看出,Q2中有电流流过,且其上有全高压馈送,所以当其接通时会耗散大量能量。在此期间流过的峰值电流是L1中的电流和D1中的峰值反向恢复电流之和。
参阅图4。在时间T6,Q2开始断开,并在L1中电流试图减小的瞬间,其上的电压上升到全电源,且在L1和Q2中流过的电流之差流入D1。Q2中的电流继续下降,而D1中的电流继续上升,直到时间T7时Q2断开,而D1导通L1中的全部电流。从波形可以看出,从时间T6到T7,Q2上有全电源电压并有电流流过,所以耗散了大量能量。
当Q4接通而Q1随D2中的二极管电流开关时,也会发生类似的情况。这种开关方法称为硬开关。
桥接电路可以从能给出适当稳定高压轨的许多众所周知的电子PFC级中的任一级提供。
现有技术有三个主要方面的不足。
1)在全桥开关中的硬开关导致功率损耗增加,如上所述;而且
2)硬开关导致产生电磁干扰(EMI),它必须在镇流器中通过滤波加以抑制;而且
3)由于L1和C1所形成的单级滤波器,灯中的电流波纹很显著。
本发明的一个目的是至少部分减轻上述问题。
本发明实施例的一个目的是提供可以是电路形式的装置,用于控制加到负载的电流,以使负载中的电流满足所需阈值但不超过预定阈值。
本发明实施例的一个目的是提供一种灯镇流器以及用于操作灯镇流器的方法,其中开关元件的开关状态仅在开关元件上加零或最小电压时才进行切换。因此功率损耗大大减少。
按照本发明的第一方面,提供了用于向负载提供电流的功率控制装置,它包括:
全/半桥开关电路,包括至少一个开关元件,当其接通时用于向负载供电;以及
部件,用于仅在所述开关元件上加基本上零电压时,切换所述开关元件的状态。
按照本发明的第二方面,提供一种用于向负载提供电流的方法,包括以下步骤:
在正常操作模式,经由包括全/半桥开关电路的功率控制装置向所述负载提供低频受控电流;以及
仅当向开关元件加基本上零电压时,切换所述全/半桥开关电路中至少一个开关元件的状态。
本发明实施例提供的优点是,灯镇流器电路中的开关元件仅在零电压条件下开关,以使与现有技术的镇流器相比其耗散的功率减少。
现仅以举例方式,参阅附图对本发明实施例加以说明,附图包括:
图1示出现有技术镇流器;
图2示出另一现有技术镇流器;
图3示出现有技术电路的零件响应;
图4示出在现有技术电路零件的响应;
图5示出按照本发明实施例的灯镇流器;
图6示出定时和其它参数的发展;以及
图7示出图5电路中某些参数的发展。
本发明组合了电流源和零电压开关(ZVS)的功能,而将谐振起弧功能保留到一个全桥功率转换级中,降低了功率损耗、灯中的波纹电流、EMI,并改进了效率。
虽然具体描述的实施例是就灯镇流器加以说明的,但应理解,本发明的实施例一般适用于对不同类型负载的应用进行功率控制。
开关Q1-4示为双极器件,但同样可以是MOSFET或任何其它类型的电子开关。二极管D1和电容器C3可以是开关Q1的一部分,或是单独的。如果C3是开关元件的一部分,则它可由并联的附加电容增大。Q2、D2、C4和Q3、Q4和D3、D4也类似。
参阅图5。在正常操作期间,Q3和Q4在低频交替接通。当Q3接通时,Q4断开,反之亦然。在Q3接通时,通过使用ZVS的脉冲宽度调制(PWM)使Q2以这种方式接通和断开,以便维持灯中的电流基本上恒定不变。在这种模式,对于Q3接通的所有时间,Q1均断开。C2的值是这样的:在它用于使Q2接通或断开的时间期间,其电压基本上不变。以下参阅图6和7中的波形说明ZVS动作。
对于Q2断开,假定Q3和Q2都接通,且Q2和L2中的电流已上升,图6中的时间T0。当它达到由控制器确定的预设值,Q2在时间T1断开,且其上的电压开始上升,因为L2中的电流使C3和C4的组合电容充电。C3和C4的组合值限制了Q2上电压的上升速率。当电压达到电源轨时,D1导通。L2现将其储存的能量放电到C2中,且电流流过D1,直到L2中的电流到达零,在这一点D1停止导通。
参阅图7。在时间T3,L2中的电流现在反向,因为D1恢复,且它与C3和C4的组合电容形成谐振环,且Q2上的电压下降,直到它在时间T4到达零,此时D2导通。然后控制器再次接通Q2,且只要Q3为接通,该循环就反复进行。
当Q3断开且Q4接通时,则Q1以与Q2相同方式接通和断开,而对于Q4接通的所有时间Q2都断开。这样,Q1和Q2用其上基本上零伏电压接通和断开,所以具有最小的开关损耗。显然,开关上电压改变的速率由C3、C4和L2确定,所以通过改变EMI和/或功率损耗的这些值就可对该速率进行优化。
与现有技术相比,图5的电路含有一个额外的LC滤波器级,这样就导致灯中的电流波纹减少,并减少了由这种过多波纹电流引起的声电弧谐振的可能性。
在灯启动和起弧期间,Q1和Q2在高频被交替驱动,以便使L1/C1谐振,并在灯上产生所需的高电压,以使其起弧。
备选的是,Q3和Q4可在高频被驱动,或其自身或与Q1和Q2一起,以使L1/C1谐振,并产生高电压来启动灯。
在灯开始放电后,Q1和Q2的操作进入前述的正常运行条件,以控制灯电流。
已对本发明的实施例作了说明,其中开关的状态,即是接通还是断开,仅在开关元件上的电压基本上为零或大大降低时的那一点才改变。这样,器件所耗散的功率就受到控制。
以上仅用举例的方式对本发明实施例作了说明。应理解,在不背离本发明范围的前提下可以作修改。特别是应理解,本发明的实施例可与半桥布置一起使用。
Claims (25)
1.用于向负载提供电流的功率控制装置,包括:
全/半桥开关电路,包括至少一个开关元件,所述开关元件当接通时向负载供电;以及
部件,仅当在所述开关元件上加基本上零电压时,切换所述开关元件的状态。
2.如权利要求1所述的功率控制装置,其中所述装置包括灯镇流器,所述负载包括灯,且所述全/半桥开关电路包括全桥开关电路。
3.如权利要求2所述的功率控制装置,其中所述全桥开关电路包括两对成对角的开关元件,每对中相应的第一开关元件包括所述至少一个开关元件,并布置成:当所述对中剩余的开关元件接通时它反复接通和断开,而当所述剩余的开关元件断开时它保持断开。
4.如权利要求3所述的功率控制装置,其中所述两个剩余的开关元件串联连接,并在高和低电源之间。
5.如权利要求4所述的功率控制装置,其中所述灯经由第一灯端子连接到所述剩余的开关元件之间的节点。
6.如权利要求3所述的功率控制装置,其中两个第一开关元件串联连接,并在高和低电源之间。
7.如权利要求6所述的功率控制装置,其中所述两个第一开关元件之间的节点经由第一和第二电感元件连接到第二灯端子。
8.如权利要求7所述的功率控制装置,还包括电容器,所述电容器连接在低电源与第一和第二电感元件之间的节点之间。
9.如权利要求2到8中任一项所述的功率控制装置,还包括:
电容器,与第一和第二灯端子之间的所述灯并联连接,并布置成与连接到第二灯端子的第一电感元件一起提供谐振电路,以在操作的启动模式期间使所述灯起弧。
10.如权利要求3所述的功率控制装置,还包括与每个第一开关元件并联布置的电容器元件。
11.如权利要求10所述的功率控制装置,其中每个第一开关元件包括MOSFET,且所述电容器元件包括所述MOSFET的寄生电容。
12.如权利要求11所述的功率控制装置,还包括与所述MOSFET的所述寄生电容并联连接的另一电容器。
13.如权利要求10所述的功率控制装置,其中每个第一开关元件包括双极器件,且所述电容器元件包括与所述第一开关元件并联连接的分立电容器。
14.如权利要求3所述的功率控制装置,还包括与每个所述第一开关元件并联的二极管元件。
15.如权利要求14所述的功率控制装置,其中所述第一开关元件包括MOSFET,且所述二极管元件包括所述MOSFET的寄生二极管。
16.如权利要求15所述的功率控制装置,还包括与所述MOSFET的所述寄生二极管并联连接的另一二极管元件。
17.如权利要求14所述的功率控制装置,其中所述第一开关元件包括双极器件,且所述二极管元件包括与每个所述第一开关元件并联连接的分立二极管。
18.如权利要求7所述的功率控制装置,还包括:
第一和第二二极管,串联连接在高和低电源之间,第一和第二二极管之间的节点连接到所述第一和第二电感元件之间的节点。
19.一种在负载中提供电流的方法,包括以下步骤:
在正常操作模式,经由包括全/半桥开关电路的功率控制装置向所述负载提供低频受控电流;以及
仅当向所述开关元件加基本上零电压时,切换所述全/半桥开关电路中至少一个开关元件的状态。
20.如权利要求19所述的方法,其中所述负载包括灯,所述全/半桥开关电路包括全桥开关电路,且所述功率控制装置包括灯镇流器。
21.如权利要求20所述的方法,还包括以下步骤:
向所述全桥开关电路的两对成对角的开关元件提供控制信号,以选择性地接通和断开所述开关元件,由此
每对中的第一开关元件仅在所述对中剩余的开关元件接通时,才按照零电压开关顺序被接通。
22.如权利要求20或21所述的方法,其中所述第一开关元件在所述全桥开关电路中串联连接,所述方法还包括以下步骤:
确定在两个第一开关元件之间的节点上电压何时达到预定的阈值电压;以及
当达到所述阈值电压时,接通所述第一开关元件之一。
23.如权利要求18到20中任一项所述的方法,还包括以下步骤:
在操作的启动模式期间,经由谐振电路使所述灯起弧。
24.装置,基本上如上文参阅附图中图5到7所述而构建和布置。
25.方法,基本上如上文参阅附图中图5到7所述。
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