CN101375643A - 用于荧光灯的电压馈电逆变器 - Google Patents

Abstract

镇流器操作灯，每个灯包括一对电极。高频谐振电路产生高频总线，该谐振电路被配置可操作地耦合到每个灯的电极并包括谐振电感器和谐振电容。

Description

用于荧光灯的电压馈电逆变器

技术领域

本发明贯注于电子镇流器。其结合操作一个或多个荧光灯的谐振逆变器电路找到特定应用，并且将具体参照其来描述。然而，要意识到的是，下文也适用于高强度放电(HID)灯等。

背景技术

镇流器是被用来提供功率给如电灯的负载并且调节提供给该负载的电流的电子设备。镇流器通过为要维持和增长的电弧离子化充足的等离子体(气体)来提供高压以启动灯。一旦电弧被建立，镇流器就通过提供适当的受控电流给灯来允许灯连续操作。

典型地，在来自电源的交流(AC)电压被整流和适当地调节之后，逆变器将DC电压转换为AC。逆变器典型地包括:一对串联连接的开关(如MOSFET)，其被驱动栅极控制电路控制为“导通”或“截止”。

用来操作并联连接的多个荧光灯的一种方法是使用类似于驱动单个灯的设计，其中每个灯由专用逆变器操作，例如n个灯要求n个逆变器。然而，该方法是昂贵的。

以下构思了新的方法和装置，其克服了上述问题和其它问题。

发明内容

公开了一种用于操作灯的镇流器，每个灯包括一对电极。高频谐振电路产生高频总线，该谐振电路被配置为可操作耦合到每个灯的电极并且包括谐振电感器和谐振电容。

附图说明

图1是用于驱动灯的镇流器的图示说明；

图2是用于驱动包括第三线圈的灯的镇流器的图示说明；以及

图3是图2的镇流器的一部分的图示说明。

具体实施方式

参照图1，镇流器电路6包括逆变器电路8、谐振电路或网络10和箝位电路12。DC电压经由从正电压端16连接的电压导线(conductor)14和连接到地或公共端20的公共导线18，提供给逆变器8。高频总线22由在下文更详细描述的谐振电路10产生。第一、第二、...、第n个灯24、26、...、28经由第一、第二、...、第n个镇流电容器30、32、...、34耦合到高频总线。因此，如果一个灯被移除，则其它的灯继续工作。预期任何数量的灯可以被连接到高频总线22。例如，每个灯24、26、...、28经由相关联的镇流电容器30、32、...、34耦合到高频总线22。经由相应的灯连接器36、38提供功率给每个灯24、26、...、28。

逆变器8包括模拟的上和下或第一和第二开关40和42，例如串联连接在导线14和18之间的两个n沟道MOSFET器件(如所示)，用来激励谐振电路10。两个p沟道MOSFET器件也可以被配置。高频总线22由逆变器8和谐振电路10产生，并且包括谐振电感器44和等效的谐振电容，其包括第一、第二和第三电容器46、48、50的等价物和镇流电容器30、32、...、34，其还防止DC电流流过灯24、26、...、28。镇流电容器30、32、...、34主要被用作镇流电容器。

开关40和42协同操作以在公共或第一节点52提供方波，以激励谐振电路10。从开关40和42连接的栅极或控制线54和56在控制或第二节点58处连接。每个控制线54和56包括各自的电阻60和62。

继续参照图1，通常被标识为64和66的第一和第二栅极驱动电路连接在节点52和58之间，并且包括第一和第二驱动电感器68和70，其是相互耦合到谐振电感器44的次级线圈，以在驱动电感器68和70中感应与谐振电路10中的电流的瞬时变化率成比例的电压。第一和第二次级电感器72和74串联连接到各自的第一和第二驱动电感器68和70和栅极控制线54和56。该栅极驱动电路64和66被用来控制各自的上和下开关40和42的操作。更具体地讲，栅极驱动电路64和66在第一个半个周期维持上开关40“导通”，而在第二个半个周期维持下开关42“导通”。方波在节点52产生，并且被用来激励谐振电路10。第一和第二双向电压箝位器(clamp)76和78分别并联连接到第二电感器72和74，每个双向电压箝位器包括一对背对背齐纳二极管。双向电压箝位器76和78用来将栅源电压的正和负的偏移箝位到由背对背齐纳二极管的额定电压确定的相应的限度。每个双向电压箝位器76和78与各自的第一或第二次级电感器72和74协同工作，使得跨接谐振电路10的电压的基频分量和谐振电感器44中的AC电流之间的相位角度在灯的点亮期间接近零。

串联连接的电阻80、82与连接在公共节点52和公共导线18之间的电阻84协同工作，用于启动栅极驱动电路64和66的再生(regenerative)操作。上和下电容器90和92与各自的第一和第二次级电感器72和74串联连接。在启动过程中，电容器90经由电阻器80、82、84从电压端16充电。电阻器94对电容器92分流以防止电容92被充电。这防止了开关40和42一开始在相同时间导通。跨接电容器90的电压起初是零，并且在启动过程期间，串联连接的电感器68和72由于用于电容器90的充电的相对长的时间常数，实质上用作短路。当电容器90被充电到开关40的栅源电压的阈值电压(例如，2-3伏)时，开关40导通，这导致流过开关40的小的偏置电流。得到的电流在公共漏极中偏置开关40，A类放大器配置。这产生足够增益的放大器，使得谐振电路10和栅极控制电路64的组合产生再生动作，该再生动作启动逆变器在包括电容器90和电感器72的网络的谐振频率附近振荡。产生的频率在谐振电路10的谐振频率之上，其允许逆变器8在谐振网络10的谐振频率之上工作。这产生延迟在公共节点52产生的电压的基频的谐振电流，允许逆变器8在点亮灯之前以软开关模式工作。因此，逆变器8以线性模式启动操作并且转换为开关D类模式。接着，当电流通过谐振电路10建立时，在维持软开关模式的同时，通过点亮并且进入导通的灯的电弧模式，高频总线22的电压增加以点亮灯。

在镇流器电路6的稳态操作期间，在公共节点52的、为方波的电压接近正端子16的电压的一半。曾经在电容器90上存在的偏压消逝。工作频率使得包括电容器90和电感器72的第一网络96和包括电容器92和电感器74的第二网络98同等地感应。即，工作频率在相等的第一和第二网络96和98的谐振频率之上。这导致栅极电路的适当的相移，以允许流过电感器44的电流延迟在公共节点52产生的电压的基频。因此，逆变器8的软开关在稳态工作期间被维持。

继续参照图1，逆变器8的输出电压由箝位电路12的串联连接的箝位二极管100和102箝位，以限制产生来启动灯24、26、...、28的高电压。箝位电路12还包括第二和第三电容器48、50，其基本上彼此并联。每个箝位二极管100和102跨接相关联的第二或第三电容48、50连接。在灯启动之前，因为每个灯24、26、...、28的阻抗被看作非常高的阻抗，所以灯的电路为开路。谐振电路10包括电容器30、32、...、34、46、48、50和谐振电感器44，并且在谐振附近被驱动。随着在公共节点52的输出电压增加，箝位二极管100、102开始箝位，防止跨接第二和第三电容器48、50的电压改变符号(sign)，并且将输出电压限制到不引起逆变器8组件过热的值。当箝位二极管100、102箝位第二和第三电容器48、50时，谐振电路10变为包括电容器30、32、...34、46和谐振电感器44。例如，在箝位二极管100、102不导通时实现谐振。当灯点亮时，阻抗快速下降。在公共节点52的电压相应下降。箝位二极管100、102不继续箝位第二和第三电容器48、50，并且镇流器6进入稳态工作。谐振又被电容器30、32、...34、46、48、50和谐振电感器44控制。

按照如上所述的方式，逆变器8在维持开关40和42的软开关条件的同时，在公共节点52提供高频总线。逆变器8在其它的灯由于在高频总线存在允许点亮的足够电压而被点亮时，能够启动单个灯。

参照图2和3，第三电路98耦合到逆变器电路8。更具体地讲，第三线圈或电感器110与第一和第二次级电感器72和74相互耦合。在该实施例中，第一和第二双向电压箝位器76和78可选地被省略。包括第一和第二齐纳二极管114、116的辅助或第三电压箝位器112与第三电感器110并联连接。因为第三电感器110与第一和第二次级电感器72和74相互耦合，所以辅助电压箝位112同时箝位第一和第二栅极电路64和66。电压箝位112的齐纳二极管114、116的不同值有助于允许镇流器6改变电流，并且依次改变提供给灯24、26、...、28的功率。如本领域已知的，在瞬间启动镇流器中，灯操作的初始模式是发热(glow)。在发热模式，跨接灯电极的电压是高的，例如300V。在该灯中流动的电流典型地比流动电流更低，例如，40或50mA而不是180mA。电极被加热并且成为热离子。一旦电极成为热离子，电极就发射电子到等离子体(plasma)，并且灯点亮。一旦该灯点亮，不同量的功率就要被传递到每个镇流器，因为每个镇流器运行在不同水平标称电流的标称电流。

例如，在灯24、26、...、28点亮期间，第三线圈110的箝位电压被增加以允许更多的发热功率。在灯已经启动之后，电压可以被折回(fold back)，以允许正确的稳态电流流动。该功能可以经由控制器120实现。

更具体地讲，在点亮之前，电容器122被放电，使得开关124(如MOSFET)处于“截止”状态。当逆变器8开始振荡时，电容器122经由全波桥式整流器130的输出线126、128充电。第三线圈110由耦合到桥130的输出线126和128的串联连接的第一和第二齐纳二极管114和116箝位。当电容器122充电到MOSFET124的阈值电压时，MOSFET124导通，从跨接MOSFET124的漏源端连接的第二齐纳二极管116分流电流。因为电容器122与电阻140串联连接，所以电容器122需要花时间充电到MOSFET124的阈值电压。电阻器142连接到MOSFET124的源极端和背接点。第三齐纳二极管144串联连接到MOSFET124的背接点和在电容器122和电阻器140之间的点146。因此，第三线圈110的更高电压箝位允许获得更多的发热功率，直到灯24、26、...、28启动。在如从大约0.5到大约1.0秒的一段时间之后，MOSFET124导通，使得第三线圈110被箝位在较低的电压。这允许获得较低的稳态箝位功率。因此，箝位电压的切换(如经由齐纳二极管114、116的第三线圈110的电压箝位的切换)使得在发热阶段期间提供给灯24、26、...、28的功率增加，但是折回该功率以允许灯24、26、...、28操作在灯24、26、...、28的正常预定的功率水平之下。

除了正常的瞬时启动功能和各种预定稳态功率限制的设置外，通过控制第三线圈110，镇流器6在对于不同的镇流器因子的各种应用中，能够被用作程序启动、快速启动镇流器或瞬时启动镇流器。

已经参照优选实施例已经描述了本申请。显然，在阅读和理解前面的详细描述时将对其它人出现修改和替换。意图在于，该申请被解释为包括所有这样的修改和替换。

Claims (20)

1.一种用于操作灯的镇流器，每个灯包括一对电极，该镇流器包括：

产生高频总线的高频谐振电路，该谐振电路被配置为可操作地耦合到每个灯的电极并包括谐振电感器和谐振电容。

2.如权利要求1所述的镇流器，其中每个灯经由相关联的镇流电容器可操作地耦合到高频总线。

3.如权利要求1所述的镇流器，还包括：

逆变器，可操作地耦合到谐振电路，用于在谐振电路中感应AC电流。

4.如权利要求3所述的镇流器，其中逆变器包括：

模拟的第一和第二开关，在公共节点处连接到一起以接收由谐振电路产生的振荡信号，该振荡信号确定第一和第二开关的切换速率。

5.如权利要求4所述的镇流器，其中逆变器还包括：

第一和第二栅极控制电路，其每个控制各自的第一或第二开关，每个栅极控制电路包括：

驱动电感器，可操作地连接在公共节点和控制节点之间，并且与该谐振电感器相互耦合；以及

次级电感器，可操作地串联连接到驱动电感器和控制节点。

6.如权利要求5所述的镇流器，还包括：

第三电感器，可操作地与次级电感器耦合；

全桥整流器，可操作地跨接第三电感器连接；

一对串联连接的齐纳二极管，可操作地连接到桥式整流器的输出线，该齐纳二极管箝位跨接第三电感器和次级电感器的电压；

充电电容器，可操作地耦合到全桥整流器的输出线，该全桥整流器的输出线在逆变器振荡时充电该充电电容器；以及

开关，其在该充电电容器被充电到该开关的阈值电压时导通，并且使至少一个齐纳二极管漏电，使得跨接第三电感器和次级电感器的电压被箝位在比该充电电容器充电时更低的值。

7.如权利要求4所述的镇流器，其中开关包括n型器件。

8.如权利要求4所述的镇流器，其中开关包括P型器件。

9.如权利要求4所述的镇流器，还包括：

第一和第二双向电压箝位器，每个可操作地连接在公共节点和控制节点之间，用于限制该控制节点相对于该公共节点的正和负的电压偏移。

10.如权利要求9所述的镇流器，还包括：

第三电感器，与次级电感器相互耦合；以及

辅助电压箝位器，可操作地与第三电感器和次级电感器并联连接，该辅助电压箝位器限制该控制节点相对于该公共节点的正和负的电压偏移。

11.如权利要求10所述的镇流器，还包括：

控制器，其控制辅助电压箝位器的箝位，使得预选量的电流被提供给灯的电极。

12.如权利要求9所述的镇流器，其中第一和第二双向电压箝位器被省略。

13.如权利要求2所述的镇流器，还包括：

电阻启动网络，可操作地连接以从输入电压源接收输入，该电阻启动网络在逆变器启动期间使用输入电压充电该逆变器。

14.如权利要求1所述的镇流器，其中该灯包括如下的至少一个：

线性荧光灯；

致密荧光灯；以及

高强度放电灯。

15.一种用于操作电容性耦合的并联灯的镇流器，每个灯包括一对电极，所述镇流器包括：

高频谐振电路，其产生高频总线，该谐振电路被配置为可操作地耦合到每个灯的电极；

逆变器，可操作地耦合到谐振电路，用于在谐振电路中感应AC电流，该逆变器电路包括：

模拟的第一和第二开关，在公共节点处连接在一起，用于接收由所述谐振电路产生的振荡信号，该振荡信号确定该对开关的切换速率；

第一和第二驱动电感器，每个可操作地连接在公共节点和控制节点之间，并且被相互耦合到谐振电路；以及

第一和第二次级电感器，可操作地串列连接到该控制节点和相应的第一或第二驱动电感器，其中每对第一和第二驱动电感器和次级电感器协同操作以驱动该模拟开关，使得在该公共节点产生方波；以及

电阻启动网络，连接以从输入电压源接收输入，该电阻启动网络在逆变器启动期间使用输入电压充电该逆变器。

16.如权利要求15所述的镇流器，其中开关包括n型器件。

17.如权利要求15所述的镇流器，其中开关包括P型器件。

18.如权利要求15所述的镇流器，还包括：

第三电感器，可操作地与次级电感器互相耦合；以及

控制器，其控制跨接所述第三电感器的电压，使得预选量的电流被传递到灯的电极。

19.如权利要求18所述的镇流器，其中所述控制器包括：

全桥整流器，可操作地跨接第三电感器连接；

一对串联连接的齐纳二极管，可操作地连接到全桥式整流器的输出线，该齐纳二极管箝位跨接第三电感器和次级电感器的电压；

充电电容器，可操作地耦合到全桥整流器的输出线，该全桥整流器在逆变器振荡时充电该充电电容器；以及

开关，其当该充电电容器被充电到该开关的阈值电压时导通，并且使至少一个齐纳二极管漏电，使得跨接第三电感器和次级电感器的电压被箝位在比该充电电容器充电时更低的值。

20.一种用于操作电容性耦合的并联灯的镇流器，包括：

产生高频总线的谐振负载电路，每个灯通过相关联的镇流电容器耦合到该谐振负载电路，并且该谐振负载电路包括谐振电感和至少包括镇流电容器的谐振电容；以及

逆变器，可操作地耦合到谐振负载电路，用于在谐振负载电路中感应AC电流，所述逆变器电路包括：

第一和第二开关，串联连接在正的和接地导线之间，并且在所述AC负载电流流过的公共节点处连接在一起，所述第一和第二开关每个包括控制节点和公共节点；以及

栅极驱动电路，其再生地控制所述第一和第二开关，该电路包括：

第一和第二驱动电感器，其相互耦合到谐振电感器，以在其中感应电压，该电压与谐振负载电路中的AC负载电流的瞬时变化率成比例，所述驱动电感器连接在公共节点和控制节点之间；

第一和第二次级电感器，每个串联连接到各自的第一或第二驱动电感器和所述控制节点；

第三电感器，与第一和第二次级电感器相互耦合；以及

电压箝位器，与第三电感器和次级电感器并联连接，该电压箝位器箝位第三电感器和次级电感器的电压，使得预选量的电流被提供给灯。

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