CN101272654A - 电子镇流器中的双极晶体管的驱动调节方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子镇流器中双极晶体管的驱动调节方法与装置，包括：检测步骤，用于检测晶体管半桥中点的电压；参考时间信号发生步骤；时间间隔产生步骤；比较步骤，用于将实际时间间隔与参考时间信号进行比较，来确定驱动信号的脉冲宽度；以及调节步骤，如果实际时间间隔大于参考时间信号，则相对于上一开关周期的驱动信号延长本周期的驱动信号；如果实际时间间隔小于参考时间信号，则相对于上一开关周期的驱动信号缩短本周期的驱动信号。按照本发明技术方案的控制方法与控制装置足够灵活，可以在镇流器的整个工作期间驱动切换双极晶体管，使其在任何工作频率下保持软切换状态。该控制方法有助于降低控制ASIC的功率消耗和电源电流。

Description

电子镇流器中的双极晶体管的驱动调节方法与装置
技术领域
本发明涉及一种能够驱动用于电子镇流器和电子变压器的半桥拓扑中的双极晶体管的方法与装置。
背景技术
荧光灯以及高强度气体放电灯具有发光效率高、寿命长和功率范围广等诸多优点，因此，在目前的照明领域中占有重要地位。在荧光灯和高强度气体放电灯点亮过程中，电子束穿过气体媒介时产生光。而这种灯的点亮都需要使用镇流器。由于电子镇流器效率高、体积小、控制灵活，所以已经越来越多地取代了传统的电感式镇流器。
如何驱动用于电子镇流器和电子变压器的半桥拓扑中的双极晶体管，使其在任何工作频率下保持软切换状态，对于降低电源电流和功率消耗具有重要意义。在现有技术中，解决这一问题的方法是，检测半桥的中部电压的上升沿，并将其与某个内部信号进行比较以判断切换双极晶体管的驱动是否太强或太弱，从而保持这些晶体管处于软切换状态。然后，调整晶体管的驱动电流电平以获得对晶体管的适当驱动。但是，这种控制逻辑仅仅在正常操作期间是有用的，而在预热期间和点火期间不可用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以利用ASIC来驱动在电子镇流器或电子变压器的半桥中使用的切换双极晶体管的驱动调节方法与装置，使其在任何工作频率下保持软切换状态。为了实现这一目的，本发明所采取的技术方案如下。
按照本发明的第一方面，提供一种电子镇流器中双极晶体管的驱动调节方法，包括：检测步骤，用于检测晶体管半桥中点的电压；参考时间信号发生步骤，用于根据时钟发生器发出的同步信号产生参考时间信号；时间间隔产生步骤，用于在每一个开关周期比较晶体管半桥中点电压的上升沿与上桥臂晶体管驱动信号的上升沿，以产生本周期的实际时间间隔；比较步骤，用于将实际时间间隔与参考时间信号进行比较，来确定驱动信号的脉冲宽度；调节步骤，如果实际时间间隔大于参考时间信号，则相对于上一开关周期的驱动信号延长本周期的驱动信号；如果实际时间间隔小于参考时间信号，则相对于上一开关周期的驱动信号缩短本周期的驱动信号。
可选地是，在所述时间间隔产生步骤中，在每一个开关周期比较晶体管半桥中点电压的下降沿与上桥臂晶体管驱动信号的上升沿，以产生本周期的实际时间间隔。
优选地是，所述参考时间间隔为2μs。
按照本发明的第二方面，提供一种电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置，包括：检测单元，用于检测晶体管半桥臂中点的电压，并将该电压幅值变换为控制电路可接受的电压信号；时钟发生器单元，用于产生控制晶体管的开关频率的频率信号，同时产生与该频率信号同步以及若干倍频的控制信号；参考时间发生器单元，用于根据时钟发生器提供的信号产生一个参考时间间隔信号给予逻辑判断与控制单元作为驱动判断的参考值；脉宽调制单元，用于根据由时钟发生器单元产生的频率和逻辑判断与控制单元提供的控制信号产生交替脉宽可调的驱动信号，并供给晶体管驱动单元；晶体管驱动单元，用于将脉宽控制单元产生的驱动信号进行电压和电流的变换以驱动半桥电路上的晶体管；逻辑判断与控制单元，用于根据检测单元、参考时间发生器单元、时钟发生器单元的信号和内部的逻辑产生一个控制信号，并提供给脉宽调制单元来调节晶体管的驱动信号，使驱动信号能满足晶体管在不同的条件和状态下的要求。
优选地是，所述检测单元为电阻分压器；所述时钟发生器单元由受控的RC振荡器和门电路构成；所述参考时间发生器单元为单稳态触发器，所述参考时间间隔为2μs；所述晶体管驱动单元为驱动脉冲变压器，所述晶体管驱动单元不改变驱动信号的时序；所述逻辑判断与控制单元还能控制时钟发生器单元产生不同的开关频率信号以适应电子镇流器在荧光灯的预热、点火、正常工作、甚至调光状态下的要求；所述逻辑判断与控制单还能根据输入的各种信号判断电子镇流器的各种异常状态，从而关闭脉宽调制单元，实现保护功能。
按照本发明技术方案的控制方法与控制装置足够灵活，可以在镇流器的整个工作期间驱动切换双极晶体管。该控制方法有助于降低控制ASIC的功率消耗和电源电流。
附图说明
下面将结合附图对本发明做具体说明，其中
图1示出了一个电子镇流器的功率回路；
图2是按照本发明的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置的结构框图；
图3是按照本发明的电子镇流器中的双极晶体管的驱动调节过程的时序图。
具体实施方式
如图1所示，给出了一个电子镇流器的功率回路，晶体管VT1、VT2，谐振电感L1，谐振点火电容C2，半桥电容C3、C4以及负载La(即荧光灯)组成一个经典的电子镇流器半桥谐振电路。
图2给出了按照本发明的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置的结构框图，图中箭头表示信号流向。整个控制线路包括以下几个部分，HV检测(HV Sense-HVS)单元、逻辑判断与控制(CCU)单元、时钟发生器(Timer)单元、参考时间发生器(ReferenceTimer-RT)单元、脉宽调制(PWM)单元、以及晶体管驱动单元(Transistors Driving-TD)。其功能分别说明如下：
HV检测单元(HV Sense-HVS)
HV检测单元检测晶体管半桥臂中点的电压HV(如图3中的HV)，并将其电压幅值(典型值为200～400Vp-p的方波)变换为控制电路可以接受的电压信号HVL(典型值为5Vp-p)。HV检测电路可以使HVL真实地反映HV的变化。，HV检测单元可以是一个简单的电阻分压器。
时钟发生器单元(Timer)
时钟发生器单元产生控制功率晶体管VT1、VT2的开关频率(Switch Frequency-SF)的频率信号，同时产生与SF同步以及若干倍频的控制信号给予PWM、CCU、RT等单元使用。此单元所产生的频率还可以受CCU所控制，以产生不同的频率来适应电子镇流器在荧光灯的预热、点火、正常工作、甚至调光状态下的要求。时钟发生器单元可以由受控的RC振荡器和一些门电路构成。
参考时间发生器单元(Reference Timer-RT)
参考时间发生器根据时钟发生器提供的信号产生一个参考时间间隔信号给予CCU单元作为驱动判断的参考值。如图3中的Ref.value。参考时间发生器可以是一个单稳触发器。Ref.va l ue可以按照不同的工作电路做更改，典型值可以是2uS。
脉宽调制单元(PWM)
脉宽调制单元根据由时钟发生器产生的频率和CCU提供的控制信号产生交替脉宽可调的驱动信号给晶体管驱动单元。该驱动信号如图3中的DPHST和DPLST。实现脉宽调制的电路已经为公众所知，可以参考ST公司的UC3525。
晶体管驱动单元(TD)
晶体管驱动单元能把由PWM单元产生的驱动信号(图3中的DPHST和DPLST)进行电压和电流的变换，以驱动半桥电路上的晶体管(VT1，VT2)，但并不对驱动信号的时序进行改变。晶体管驱动单元可以是一个驱动脉冲变压器。
逻辑判断与控制单元(CCU)
逻辑判断与控制单元根据HVS单元、RT单元、Timer单元的信号和内部的逻辑产生一个控制信号，以提供给PWM单元来调节晶体管(VT1，VT2)的驱动信号，使驱动信号能满足晶体管在不同的条件和状态下的要求。
额外地，CCU还能控制Timer单元产生不同的开关频率信号以适应电子镇流器在荧光灯的预热、点火、正常工作、甚至调光状态下的要求。
额外地，CCU还能根据输入的各种信号判断电子镇流器的各种异常状态，以关闭PWM单元实现保护功能。
按照本发明的电子镇流器中的双极晶体管的驱动调节过程如下：
参考图3，其是按照本发明的电子镇流器中的双极晶体管的驱动调节过程的时序图。其中，HV是晶体管半桥中点(即VT1和VT2的连接点)的电压，参看图1；DPHST是晶体管半桥中上桥臂晶体管VT1的驱动信号；DPLST是晶体管半桥中上桥臂晶体管VT2的驱动信号；Ref.value是由参考时间发生器根据Timer的同步信号发出的特定的参考时间信号，提供给CCU做逻辑判断；实际时间间隔(Actual timeinterval(ATI))是指每个开关周期中从HV的上升沿到DPHST的上升沿的实际时间间隔。
在每一个开关周期，即VT1和VT2各导通一次，CCU将比较HV上升沿和DPHST的上升沿，产生本周期的实际时间间隔ATI.这个ATI将和由RT产生的参考时间信号(Ref.value信号)做比较，来确定驱动信号DPHST和DPLST的脉冲宽度。如果实际时间间隔ATI大于参考时间信号Ref.value，则本开关周期的驱动信号DPHST和DPLST都要比上一开关周期的DPHST和DPLST延长。延长驱动信号DPHST和DPLST的具体实现过程是：CCU提供给PWM的是一个控制电平信号，而PWM根据此电平信号输出相应的脉冲宽度。CCU输出给PWM的控制电压越高，PWM输出的脉冲宽度越大。如果CCU检测到实际时间间隔ATI大于基准时间信号Ref.value，则CCU会提高输出到PWM的控制电压，PWM将根据CCU输出的控制电压，延长本开关周期的驱动信号DPHST和DPLST的脉冲宽度。这样一来本开关周期的脉冲宽度就比上一开关周期的DPHST和DPLST的脉冲宽度有所延长。反之，则减小。在每一个开关周期之内，DPHST和DPLST的宽度都是相等的。本控制逻辑可以保证开关晶体管VT1和VT2能得到适当的驱动以保证VT1和VT2能工作在软开关模式下，避免高的开关损耗。
在此控制逻辑之下，半桥电路的开关频率可以根据实际需求，如预热、点火、正常工作、以及调光等不同的要求而改变。而在半桥上的晶体管依然可以保持在软开关状态。
HV信号的下降沿和DPLST的上升沿的时间间隔和上面举例的HV上升沿和DPHST的上升沿实际时间间隔ATI具有同样的效能，只是出于表达上方便只表述了后一种情况。

Claims (10)

1. 一种电子镇流器中双极晶体管的驱动调节方法，其特征在于，包括：
检测步骤，用于检测晶体管半桥中点的电压；
参考时间信号发生步骤，用于根据时钟发生器发出的同步信号产生参考时间信号；
时间间隔产生步骤，用于在每一个开关周期比较晶体管半桥中点电压的上升沿与上桥臂晶体管驱动信号的上升沿，以产生本周期的实际时间间隔；
比较步骤，用于将实际时间间隔与参考时间信号进行比较，来确定驱动信号的脉冲宽度；
调节步骤，如果实际时间间隔大于参考时间信号，则相对于上一开关周期的驱动信号延长本周期的驱动信号；如果实际时间间隔小于参考时间信号，则相对于上一开关周期的驱动信号缩短本周期的驱动信号。
2. 如权利要求1所述的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节方法，其特征在于：
在所述时间间隔产生步骤中，在每一个开关周期比较晶体管半桥中点电压的下降沿与上桥臂晶体管驱动信号的上升沿，以产生本周期的实际时间间隔。
3. 如权利要求1或2所述的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节方法，其特征在于：所述参考时间间隔为2μs。
4. 一种电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置，其特征在于包括：
检测单元，用于检测晶体管半桥臂中点的电压，并将该电压幅值变换为控制电路可接受的电压信号；
时钟发生器单元，用于产生控制晶体管的开关频率的频率信号，同时产生与该频率信号同步以及若干倍频的控制信号；
参考时间发生器单元，用于根据时钟发生器提供的信号产生一个参考时间间隔信号给予逻辑判断与控制单元作为驱动判断的参考值；
脉宽调制单元，用于根据由时钟发生器产生的频率和逻辑判断与控制单元提供的控制信号产生交替脉宽可调的驱动信号给晶体管驱动单元；
晶体管驱动单元，用于将脉宽控制单元产生的驱动信号进行电压和电流的变换以驱动半桥电路上的晶体管；
逻辑判断与控制单元，用于根据检测单元、参考时间发生器单元、时钟发生器单元的信号和内部的逻辑产生一个控制信号提供给脉宽调制单元来调节晶体管的驱动信号，使驱动信号能满足晶体管在不同的条件和状态下的要求。
5. 如权利要求4所述的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置，其特征在于：所述检测单元为电阻分压器。
6. 如权利要求4所述的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置，其特征在于：所述时钟发生器单元由受控的RC振荡器和门电路构成。
7. 如权利要求4所述的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置，其特征在于：所述参考时间发生器单元为单稳态触发器；所述参考时间间隔为2μs。
8. 如权利要求4所述的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置，其特征在于：所述晶体管驱动单元为驱动脉冲变压器；所述晶体管驱动单元不改变驱动信号的时序。
9. 如权利要求4所述的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置，其特征在于：
所述逻辑判断与控制单元还能控制时钟发生器单元产生不同的开关频率信号，以适应电子镇流器在荧光灯的预热、点火、正常工作、甚至调光状态下的要求。
10. 如权利要求4所述的电子镇流器中双极晶体管的驱动调节装置，其特征在于：
所述逻辑判断与控制单还能根据输入的各种信号判断电子镇流器的各种异常状态，从而关闭脉宽调制单元，实现保护功能。
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