CN101243605A - 为处于高基准电势的组件产生控制信号的电路结构和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于产生或发送用于逆变器(2)的控制信号(Q)的电路结构(1)，所述逆变器(2)至少具有处于高电势的第一开关(Shigh)和处于低电势的第二开关(Slow)，两个开关(Shigh，Slow)之间的连接点形成逆变器(2)的输出。电路结构(1)还具有电容器(Ccap)，所述电容器a)在第一操作状态中按在逆变器(2)的两个开关(Shigh，Slow)都打开的情况下使得电流可以流过的方式，经由开关元件(S1－S4)与逆变器(2)的输出相连接，而b)在第二操作状态中经由开关元件(S1－S4)以高阻抗方式连接到逆变器的输出，使得在电容器(Ccap)的一侧，控制装置施加的控制信号(Q)被变换到更高电势。

Description

为处于高基准电势的组件产生控制信号的电路结构和方法
技术领域
本发明涉及用于例如为控制处于高基准电势的电力开关而产生控制信号的电路结构。特别的是，本发明涉及对半桥结构或全桥结构的处于更高电势处的电力开关进行控制的问题，所述电力开关例如被设置为在用于操作气体放电灯的电子镇流器中使用。
背景技术
现今，为操作气体放电灯，主要使用所谓的电子镇流器，因为这些装置相比于传统的灯操作装置使得可以进行更加可靠且稳定的灯操作。一般而言，电子镇流器基于如下原理：通过逆变器将利用中间电路生成的直流电压转换为用于包含灯的负载电路的高频电源电压。通常，为实现逆变器而使用了布置成半桥或全桥结构的电力开关。
然而，对于几乎每个镇流器都出现了这样的问题：由于电力MOSFET形成的规则，用于产生灯电源电压的至少一个电力开关处于高电势。因为在另一侧用于生成控制电力开关的信号的控制单元处于相当低的电势，所以需要特别的措施来将由与地关联的控制单元生成的控制信号升压到用于电力开关的基准电压。
为解决该问题，已经提出了许多不同的方案，然而这些方案实质上基于使用单独的组件和开关元件来控制电力开关的原理。然而，所有这些方案，都增加了镇流器的实现费用以及与其连接的成本。另一个缺点在于，到目前已知且使用的解决方案不适于集成到电子镇流器的控制单元中。
发明内容
本发明相应地基于这样的目的：提供传送用于对处于高基准电势的开关进行控制的控制信号的经济的新解决方案。因此，要使产生控制信号的费用尽可能小。
通过独立权利要求中限定的本发明来实现所述目的。本发明的有利扩展是从属权利要求的主题。
首先，根据本发明的解决方案基于以下思想：使用已知且已使用的技术并且将它们以特定方式相互结合起来，使得可以简单但有效地控制处于高电势的电力开关。在电子镇流器中已经以各种形式部分地提供了有关的组件或技术，但到目前为止它们仅被孤立地使用来实现其它非常具体的目的。
作为本发明的组件的第一元件，因此是所谓的缓冲电容器，它的任务通常是在半桥的两个开关都打开的状态中对镇流器的负载电路进行控制期间使得可以流过电流。从而，可以实现所谓的ZVS(零电压开关)操作，即再次无电压接通电力开关，由此可降低这些开关的负载。到目前为止还进一步使用该缓冲电容器，以使得可以实现低电压电源，该低电压电源可由镇流器的电子组件使用作为电源电压源。
根据本发明的解决方案的第二组件基于将所描述的电路变型用作为电容性电平转换电路。而该电容性电平转换电路的中心组件是用于将处于低电势的信号升压到高电势的电容器。为此，电容器的两个端子互连或与高阻抗组件连接以使电容器上的电荷在短期内不会改变。现在，如果处于低电势的电容器端子上的信号改变了，则还并行地实现了电容器另一侧的电势偏移，这又可用作处于更高基准电势的控制信号。
根据本发明的解决方案基于以下原理：联合使用上面描述的两个组件，一侧的缓冲电容器和另一侧的电容性电平转换电路，以使得可以将由与地关联的控制电路生成的控制信号升压到更高的基准电势。总之通常已经存在于电子镇流器中的缓冲电容器借助于附加的电路元件互连，使得其同时可用作电容性电平转换电路的组件，以便以期望方式对控制信号进行升压。此外，利用根据本发明的电路结构，缓冲电容器还可用于为各种组件提供电源电压，使得其最终完成了下面四项不同的任务：
●隔离一侧的处于低电势的元件和另一侧的处于高基准电势的组件；
●将控制信号升压到用于控制电力开关的更高基准电势；
●生成电源电压；
●确保零电压开关操作。
解决方案的类似方案可从以下文献获知，Yan Yin and Regan Zane，“Dual Low Voltage IC Based High and Low Side Gate Drive”，ProceedingsIEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，February 2004，p.1033-1038页。在该文献中提出了一种电路变型例，在该电路变型例中，由于通过位于电容器两侧的驱动电路来控制电容器，会引起交流电流，其中利用所述交流电流实现了对半桥的处于高电势的开关的控制。
然而，与该已知的电路变型例相对照，现在使用缓冲器或电容器来升高或转换独立生成的控制信号，以形成用于控制处于高电源电势的开关的信号。由此，在使用用于操作逆变器的控制信号时有相当大的灵活性。根据本发明的解决方案特别是提供了使用数字和模拟控制信号的可能性。
从参考下面更详细说明的实施方式中可知，根据本发明的解决方案的不同之处还在于，在不使用多种附加组件的情况下，就可以实现上述功能。而已经使用的电路结构的相对简单的扩展就足以实现期望的解决方案。这里，特别确保了可以实现不同组件的集成。
利用根据本发明的电路结构生成的信号例如可以直接用于控制电子镇流器的半桥的处于高基准电势的电力开关。然而，作为对此的替换方式，还可以首先控制由PNP晶体管和NPN晶体管组成的串联电路，其中在两个晶体管的连接点处出现的信号又形成用于处于高电势的开关的控制信号。如将在后面更详细说明的，以该方式提供了用于控制逆变器的两个开关的特别优雅的解决方案。
根据本发明的电路结构的实际配置可以按不同方式和方法实现。这里，首先可以想到的是，通过可控开关来形成用于实现缓冲电容器的各种操作模式的各种电路元件。然而，根据本发明的第二方面，提出了利用二极管，例如利用齐纳二极管，来至少部分地形成这些开关元件。
附图说明
下面，将参考附图更详细地说明本发明。示出的是：
图1是根据本领域技术状况的电子镇流器的配置；
图1a是图1的已知镇流器的各种电流和电压曲线；
图2是缓冲电容器作为低电压电源的使用；
图3是用于说明电容性电平转换电路的操作的示意图；
图3a是图3的电容性电平转换电路的信号曲线；
图4是根据本发明的电路结构断开的总示意图；
图5是用于实现根据本发明的电路结构的第一优选实施方式；
图5a是图5的实施方式的信号曲线；且
图6是用于实现根据本发明的电路结构的第二优选实施方式。
具体实施方式
在更详细地说明根据本发明的电路结构前，首先参考如图1中示出的已知电子镇流器再次说明本发明所针对的问题。
为此，图1示出了总体上标以标号100的电子镇流器，该电子镇流器的主要组件是逆变器101，该逆变器101由按半桥结构互连的两个电力开关Shigh和Slow组成，所述逆变器用于从直流电压Vbus形成用于连接到逆变器101的输出的针对负载电路102的电源电压，所述负载电路包含灯LA。负载电路102以已知方式具有由电感L1和电容C1以及电容器C2形成的串联谐振电路。通过交替控制两个电力开关Shigh和Slow，负载电路102以高频交流电压感应工作，其中通过改变交流电压的频率，可按已知方式控制灯LA的功率。
因此优选的是，使得在电压降低为零时接通下部的电力开关Slow。借助于该所谓的ZVS(零电压开关)操作，减少电力开关的负载。为确保此，与负载电路102并联布置了所谓的缓冲电容器Ccap，所述缓冲电容器在半桥101的两个开关Shigh和Slow都打开的状态中使得可以流过电流isn(t)，并且伴随的是在半桥的输出处的电压vmp(t)降到零，如图1a示出的各不同电流和电压曲线所示。最终以该方式，产生了操作灯LA的高频交流电流iL(t)。
由产生用于对半桥101的两个开关Shigh和Slow进行控制的输出信号的控制电路103实现对两个开关Shigh和Slow的交替控制。因此，为处于低电势的下部开关Slow发出的控制信号可直接或经由简单驱动电路106传输到该开关。然而，对于处于更高电势的开关Shigh则不行，因为相比于电力开关Shigh，控制单元103处于较低的基准电势。相应地，需要特定装置105来隔离处于低基准电势的单元和处于更高电势的开关Shigh。下面描述的本发明的目的是使这些隔离措施尽可能少，以便减少用于实现电路结构的费用。此外，还减少用于电路结构的有源组件的电源的费用。为此目的，图1中示出了为各种单元供电的单独低电压电源104。
根据本发明的解决方案的第一方面基于使用缓冲电容器Ccap，该缓冲电容器Ccap另外还用于电路结构的各种组件的电压源。为此目的，使用图2中示出的布线原理，且其同样是已知的。因此，图2还示出了电子镇流器的各部分，其中与图1中相同的组件具有相同的标号。
现在，为了将缓冲电容器Ccap用作为辅助低电压电源，不直接将其与地或基准电势互连，而是将其连接到由两个二极管D1和D2、齐纳二极管D3以及储能电容器C3组成的专用电路结构。根据上面的说明，方向改变的电流在半桥101的两个开关Shigh和Slow打开的时间段中流过缓冲电容器Ccap。通过缓冲电容器Ccap的一端与两个二极管D1和D2专门互连，电流因而以规则间隔流过二极管D2，利用该电流来对储能电容器C3充电。现在，该储能电容器C3上的电压可用于镇流器100的各种组件的低电压源。如已述及，该原理是已知的，并且还用于电子镇流器。
本发明的第二重要部分包括使用图3中所示的所谓的电容性电平转换电路。总体上标以标号200的该电容性电平转换电路的任务是升高处于低电势的控制信号vcontrol，以便例如使得可以控制处于高基准电势的元件。而电容性电平转换电路200的中心元件是电容器C，该电容器C的一个端子连接到用于生成控制信号vcontrol的装置，而其另一端子被馈送总线电压Vbus。这里，电容器C的该另一端经由两个另外的组件L2和201连接到总线电压Vbus，然而其中这两个另外的组件L2和201现在配置有高阻抗。这样的结果是在电容器C的一侧的电势短期变化时，不会发生电荷补偿，而是以相同的方式修改电容器C的另一侧的电势。从图3中的信号曲线相应地可见，这使得电容器的上端子处的电压vcap(t)遵循控制信号vcontrol，然而被升高了总线电压Vbus的高度。
现在，根据本发明的解决方案基于联合缓冲电容器和电容性电平转换电路的功能来实现这样的电路结构，其以简单方式使得可以为处于高电势的组件，特别是为电力开关产生控制信号。在图4中示出了基于此原理的根据本发明的电路结构的配置。
图4中又示出了具有两路开关Shigh和Slow的逆变器2，在逆变器2的输出端子处首先布置了具有灯LA的负载电路3。现在，根据本发明的电路结构1的中心元件进一步是电容器Ccap以及用于提供电源电压的组件，其中还在电容器Ccap的另一侧以相同方式布置有图2中示出的用于提供低电压源的组件。因此，该电路结构总体上首先具有缓冲器或耦合电容器Ccap以及两个开关元件S1和S2，电容器Ccap的上部端子经由所述开关元件S1和S2可以选择性地直接或经由用于提供第一电源电压vcchigh的第一储能电容器C11连接到半桥2的输出。此外，提供了另外的开关元件S3和S4，电容器Ccap的另一端子经由所述开关元件S3和S4可以选择性地直接连接到基准电势或经由第二储能电容器C12连接到地，其中第二储能电容器C12又能用于提供第二低电压电源电压vcclow。
现在，控制四个开关元件S1到S4，使得电容器Ccap可在一侧用作为缓冲电容器且用于使得可获得不同的电源电压vcchigh和vcclow。在另一侧，电容器Ccap被用作电容性电平转换电路的组件，以使得可以生成处于高基准电势的控制信号，所述控制信号具体可用于控制上部的电力开关Shigh。通过对开关元件S1到S4进行合适控制，而可以实现电容器Ccap的这些不同操作模式，如下面所说明的。
当在半桥2的两个电力开关Shigh和Slow都打开的状态中两个开关元件S1或S2之一和两个开关元件S3和S4之一闭合时，发生作为缓冲电容器的操作。在该状态中，接着经由导致优选的ZVS操作的缓冲电容器Ccap使电流可以流过。同时，该电流还导致两个储能电容器C11、C12之一在每一种情况下被充电，从而最终使得可以获得电源电压vcchigh和vcclow。
然而，如果四个开关元件S1到S4都打开，则提供了电容性电平转换电路的功能。现在，经由高阻抗连接的电容器Ccap升高由控制装置4产生的处于低基准电势的控制信号Q，并且将其作为处于高基准电势的信号传递到解耦元件D。接着，该解耦元件的输出最终使得可以获得用于控制电力开关的控制信号。
总的来说，因而提供了一种非常优雅的解决方案，使得可以获得用于控制上部的电力开关Shigh的控制信号。这里特别重要的是，耦合电容器Ccap以及第二储能电容器C12已经是电子镇流器的通常组件，使得实现根据本发明的电路结构1的附加费用非常少。如在下面更详细地示出的，特别是可以使用用于实现使得可以广泛集成的不同开关元件的组件。由此，显著地降低了生产电子镇流器的成本。
现在，图5示出了用于实现根据本发明的电路结构的第一实施方式。该第一实施方式的具体特征在于由二极管D11到D14形成开关元件S1到S4。由此，带来可广泛避免使用有源元件的特定优点。关于其进一步的构造，该第一实施方式对应于图4的原理图示，然而其中和储能电容器C11和C12相并联，现在在每种情况下都附加布置了一齐纳二极管。该第一具体实施方式很好地阐明了用于实现根据本发明的电路结构的费用非常少，因为实质上仅仅需要添加上部的两个二极管D11和D12、上部的储能电容器C11和上部的齐纳二极管D15。但是，附加到电容器Ccap的下部端子的组件已是传统电子镇流器的组件。
如果二极管D11或D13分别构成为齐纳二极管，则同时可省略二极管D15或D16。
图5a中示出了该第一实施方式产生的电流和电压曲线，由此，从图中具体可见，在电容器Ccap实现电容性电平转换电路的功能的状态期间，与地关联的控制单元4生成的输出信号vx(t)按照期望提高到更高的输出信号Vy(t)，但其曲线保持相同。
最后，在图6中示出了根据本发明的电路结构的第二实施方式，其中，对相同的元件也提供了相同的标号。
该第二实施方式的具体特征在于，实质上用模拟组件来实现对半桥2的电力开关Shigh和Slow的期望控制。在根据图6的实施方式中，还由四个二极管D11到D14形成用于控制缓冲电容器Ccap的操作行为的四个开关元件。但是现在，具体特征在于生成用于上部电力开关Shigh的控制信号，为此目的还使用了NPN晶体管TNPN和PNP晶体管TPNP的串联连接。在两个晶体管TNPN、TPNP之间的连接点处生成用于上部电力开关Shigh的控制信号。
电容器C11和C12在示出的电路中具有电压源的功能，因此还示意性地用电压源的符号示出。
该第二实施方式的操作方式如下：
在半桥2的两个电力开关Shigh和Slow都打开后，处于低电压源的较高者因经由缓冲电容器Ccap的放电而进一步升压，最后呈现为比400伏电平的总线电压Vbus高约15伏的值。这样的结果是经由二极管D17和电阻R1的串联连接得到了基极电流。通过该电流而使PNP晶体管TPNP导通，这又具有这样的结果，上部电力开关Shigh启动，即切换为导电。
在启动了上路开关后，缓冲电容器Ccap借助于和二极管D11到D14的互连，实现如上所述的电平转换电路的功能，因为它现在与逆变器的输出以高阻抗方式连接。现在如果生成会使上部开关断开的处于低电势的控制信号Q，则借助于电容性转换电路提高控制信号Q将导致NPN晶体管TNPN切换到导电，相应地使半桥的上部电力开关Shigh再次停用。然而，因为缓冲电容器Ccap使得仅在相对短的时间段内将控制信号Q转变到高电势成为可能，所以另外的过程使得上部开关Shigh保持停用。这是由于如下事实，在两个开关Shigh和Slow都打开后，电流再次从负载电路3流回，其结果是额外地加强了截止脉冲。
因此在第二实施方式中，示出了这样一种解决方案，其中半桥2的上部开关Shigh独立地接通，这是由于如下事实，在半桥2的两个开关Shigh和Slow都打开的状态时，电流从负载电路3流回并且使得处于低电压源的较高者被升压到超过总线电压。相应地需要专用于将上部电力开关再次断开的控制信号Q。
必须说明的是，电阻R1、R2和R3的提供完全是可选的。
因此，提供了用于对半桥的两个开关进行控制的非常优雅的解决方案。特别显著的是，在电路结构的处于高电势的一侧不需要使用有源元件。
本发明的该方面独立于缓冲电容器，因此在其它电路中也可有利地使用。
总之，由此提供了一种非常有效的解决方案，用于为控制处于高基准电势的元件而产生控制信号。必须说明的是，并不必需使用直接用于控制开关的升压信号。还可设想的是，例如仅仅将控制信号升压到更高电势接着以适当方式处理它们。无论如何，本发明都提供了集成用于实现期望目的的组件或部件的可能性，这使其在生产电路结构的费用以及与此关联的成本方面具有清晰的优点。

Claims (15)

1、用于产生或发送用于逆变器(2)的控制信号(Q)的电路结构(1)，所述逆变器(2)至少具有处于高电势的第一开关(Shigh)和处于低电势的第二开关(Slow)，其中，两个开关(Shigh，Slow)之间的连接点形成逆变器(2)的输出，
并且其中，电路结构(1)具有电容器(Ccap)，所述电容器：
a)在第一操作状态中，按在逆变器(2)的所述两个开关(Shigh，Slow)都打开的情况下使得电流可以流过的方式，经由开关元件(S1-S4)而与逆变器(2)的所述输出相连接，而
b)在第二操作状态中，经由开关元件(S1-S4)而以高阻抗方式连接到逆变器的所述输出，使得在电容器(Ccap)的一侧，控制装置施加的控制信号(Q)被变换到更高电势。
2、根据权利要求1所述的电路结构，
其特征在于，
开关元件(S1-S4)中的至少一个是由二极管(D11-D14)或齐纳二极管形成的。
3、用于产生或发送用于逆变器(2)的控制信号(Q)的电路结构(1)，所述逆变器(2)至少具有处于高电势的第一开关(Shigh)和处于低电势的第二开关(Slow)，其中，两个开关(Shigh，Slow)之间的连接点形成逆变器(2)的输出，
并且其中，电路结构(1)具有电容器(Ccap)，所述电容器：
a)在第一操作状态中，按在逆变器(2)的所述两个开关(Shigh，Slow)都打开的情况下使得电流可以流过的方式，经由开关元件(S1-S4)而与逆变器(2)的所述输出相连接，而
b)在第二操作状态中，经由开关元件(S1-S4)而以高阻抗方式连接到逆变器的所述输出，使得在电容器(Ccap)的处于高电势的一侧的信号能够用作用于逆变器(2)的控制信号，
其特征在于，
开关元件(S1-S4)中的至少一个是由二极管(D11-D14)或齐纳二极管形成的。
4、根据任一前述权利要求所述的电路结构，
其特征在于，
经变换的信号(Q)被直接用于控制逆变器(2)的处于高电势的开关(Shigh)。
5、根据权利要求1到3中的任何一项所述的电路结构，
其特征在于，
在电容器(Ccap)的处于更高电势的端子处形成的信号被用于控制由PNP晶体管(TPNP)和NPN晶体管(TNPN)组成的串联电路，
其中，在两个晶体管(TPNP，TNPN)的连接点处出现的信号形成用于逆变器(2)的处于高电势的开关(Shigh)的控制信号。
6、根据权利要求1到5中的任何一项所述的电路结构，
其特征在于，
经转换的信号(Q)是模拟的。
7、根据权利要求1到5中的任何一项所述的电路结构，
其特征在于，
经转换的信号(Q)是数字的。
8、根据任一前述权利要求所述的电路结构，
其特征在于，
在第一操作状态中，电容器(Ccap)与由所述电流充电且形成低电压电源的储能电容器(C11，C12)相连接。
9、根据权利要求8所述的电路结构，
其特征在于，
设置有两个储能电容器(C11，C12)，它们布置在电容器(Ccap)的两侧且形成处于高基准电势的低电压电源和处于低基准电势的低电压电源。
10、根据权利要求8或9所述的电路结构，
其特征在于，
在每种情况下，都与储能电容器并联地布置有齐纳二极管(D15，D16)。
11、根据权利要求10所述的电路结构，
其特征在于，
其是用于操作气体放电灯(LA)的电子镇流器的组件。
12、控制逆变器(2)的方法，所述逆变器(2)至少具有处于高电势的第一开关(Shigh)和处于低电势的第二开关(Slow)，其中两个开关(Shigh，Slow)之间的连接点形成逆变器(2)的输出，
其中，
a)电容器(Ccap)在第一操作状态中按在逆变器(2)的所述两个开关(Shigh，Slow)都打开的情况下使得电流可以流过的方式，与逆变器(2)的所述输出相连接，而
b)电容器(Ccap)在第二操作状态中以高阻抗方式连接到逆变器的所述输出，使得在电容器(Ccap)的一侧，控制装置施加的控制信号(Q)被变换到更高电势，该经变换的信号能够用作用于逆变器(2)的控制信号。
13、根据权利要求12所述的方法，
其特征在于，
经变换的信号(Q)被直接用于控制逆变器(2)的处于高电势的开关(Shigh)。
14、根据权利要求12或13所述的方法，
其特征在于，
经变换的信号(Q)是模拟的。
15、根据权利要求12到14中的任何一项所述的方法，
其特征在于，
经变换的信号(Q)是数字的。
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