CN101796890B - 电击风险保护电路 - Google Patents

Abstract

公开一种电击风险(ROS)保护电路，它包括每当灯镇流器的地与大地之间存在电压时便进行充电的电容器。如果电容器超过预定阈值电压，则电容器使栅极将电流从控制电路中的三级绕组分流开，而这又减小由三级绕组反射回到镇流器电路中的初级和次级绕组的阻抗。减小的反射阻抗使镇流器的工作频率增加，从而减小镇流器地与大地之间的电压，直至它对于人体接触是安全的。这样，尽管无法在灯更换之前断开灯的电力，但仍可保护更换连接到镇流器的灯的人免于受到电击。

Description

电击风险保护电路

技术领域

本申请要求2007年8月27日提交的临时专利申请序列号60/968219的权益，通过引用将其完整地结合到本文中。

背景技术

本申请涉及电子镇流器。它与操作一个或多个荧光灯的谐振换流器电路结合而得到特定应用，并且将具体参照这些电路对其进行描述。但是，要理解，下文也适用于高强度放电(HID)灯等。

镇流器是用于向诸如电灯等负载提供电力以及调节提供给负载的电流的电气装置。镇流器通过电离足以使电弧持续并且增长的等离子体(蒸汽)来提供启动灯的高电压。一旦建立了电弧，镇流器便通过向灯提供适当控制的电流来允许灯继续工作。

通常，在来自电源的交流(AC)电压经过整流和适当调节之后，换流器将DC电压转换成AC。换流器通常包括一对串联开关，例如MOSFET，它们由驱动栅极控制电路控制为“接通”或“断开”。

要求线性荧光灯镇流器满足UL安全标准，该标准需要量化电击风险(ROS)。为了满足这类标准，测量当线性荧光灯(LFL)的一端从其插口移开时流经人体模型(HBM)的电流，并且要求该电流小于UL所规定的极限。上述类型的换流器通常没有变压器隔离，并且能够产生可能超过UL安全要求的ROS电流。当这类灯需要更换时，应当去除灯的电力，以便使更换灯对于进行更换过程的人来说是安全的。但是，实际上，往往忽略了切断电力的步骤。甚至更危险的是，工作人员往往用他们的手指来将灯上的灯脚与灯外壳中的插口对齐。如果工作人员的任何其它部位与大地接触，则工作人员的身体形成电路，并且当高频(例如70kHz-150kHz左右)电流脉冲通过工作人员时，工作人员会遇到可能致命的电击。

下文考虑克服上述问题和其它问题的新方法和设备。

发明内容

根据一个方面，用于灯的电击风险(ROS)保护系统包括：ROS传感器电路，具有当大地与镇流器地(ballast ground)之间存在电压时进行充电的电容器；连接到一个或多个灯和镇流器地的镇流器电路；以及耦合到镇流器电路和ROS电路的控制电路，其中当电容器充电到超过预定阈值电压电平的电压时，大地与镇流器地之间的电压减小。

根据另一个方面，一种用于降低对人的电击风险的镇流器电路包括：换流器电路，具有绕在铁氧体磁心上的初级和次级电感器绕组；耦合到换流器电路和至少一个灯的谐振电路；控制电路，硬连线到换流器电路和谐振电路，并且包括绕在铁氧体磁心上以便将控制电路感应地耦合到换流器电路的三级绕组；以及硬连线到控制电路的ROS传感器电路，具有当镇流器的谐振电路的地与大地之间存在电压时进行充电的电容器。

根据又一个方面，一种电击风险保护电路包括：第一二极管，其阴极连接到灯镇流器的控制电路，而其阳极连接到第一电阻器和第一电容器；第二二极管，其阴极连接到第一二极管的阳极、第一电容器和第一电阻器，而其阳极连接到第二电容器；以及第三二极管，其阴极连接到第二二极管的阳极和第二电容器，而其阳极连接到第一电容器、第一电阻器和地。该电路还包括耦合到第二电容器和大地的第二电阻器，其中第一电阻器、第一电容器和第三二极管相对于彼此并联。

附图说明

图1是镇流器电路的图解说明，它包括用于检测是否存在电击风险(ROS)并且当存在电击风险时将换流器电压返送到安全电平以防止对人体造成危害的多个组件。

图2是镇流器电路和与其耦合的对应控制电路以及ROS保护电路的示图，其中ROS保护电路检测电流电平是否超过可接受的ROS阈值电平，并且当存在这种情况时返送提供给换流器的电压以减轻ROS状况；

图3是控制电路的更详细图的示图；

图4是ROS电路的示图。

具体实施方式

参照图1，镇流器电路6包括利于确定是否存在电击风险(ROS)并且当存在电击风险时将换流器电压返送到安全电平以防止对人体造成危害的多个组件。镇流器耦合到一个或多个灯24、26、...、28，例如线性荧光灯等。镇流器电路6可与ROS电路(图4)一起采用以确保当用户更换灯并且在更换过程期间无法切断灯的电力时减轻ROS状况。

镇流器电路6包括换流器电路8、谐振电路或网络10和钳位电路12。经由从正电压端子16延伸的电压导体14以及连接到地或公共端子20的公共导体18向换流器8提供DC电压。高频总线22由谐振电路10生成，这将在下文更详细地进行描述。另外，高频总线22连接到标为“+B”的节点，而该节点又连接到控制器电路108，这将在下文更详细地进行描述。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，如果去除一个灯，则其它灯仍继续工作。预计，任何数量的灯可连接到高频总线22。例如，各灯24、26、...、28经由关联的镇流电容器30、32、...、34耦合到高频总线22。送往各灯24、26、...、.28的电力经由相应的灯连接器36、38提供。

换流器8包括串联在导体14与18之间以便激励谐振电路10的类似上和下或者第一和第二的开关40和42，例如两个n沟道MOSFET装置(如图所示)。也可配置两个P沟道MOSFET。高频总线22由换流器8和谐振电路10生成，并且包括谐振电感器44和等效谐振电容，等效谐振电容包括第一、第二和第三电容器46、48、50以及镇流电容器30、32、...、34的等效体，镇流电容器30、32、...、34还防止DC电流流经灯24、26、...、28。主要使用镇流电容器30、32、...、34作为镇流电容器(ballasting capacitor)。

开关40和42配合来在公共或第一节点52处提供方波以便激励谐振电路10。从开关40和42延伸的栅极或控制线54和56连接在控制或第二节点58处。各控制线54、56包括相应的电阻60、62。

继续参照图1，一般表示为64、66的第一和第二栅极驱动电路(circuitry/circuit)连接在节点52、58之间，并且包括第一和第二驱动电感器68、70，它们是互耦到(mutually coupled to)谐振电感器44的次级绕组，以便在驱动电感器68、70中感生与谐振电路10中的电流的瞬时变化速率成比例的电压。第一和第二次级电感器72、74串联到相应的第一和第二驱动电感器68、70以及栅极控制线54和56。

栅极驱动电路64、66用于控制相应的上和下开关40和42的操作。更具体来说，栅极驱动电路64、66在前半周期使上开关40保持为“接通”，而在后半周期使下开关42保持为“接通”。在节点52处生成方波，并且用于激励谐振电路10。第一和第二双向电压钳76、78分别并联到次级电感器72、74，它们各自包括一对背对背齐纳二极管。双向电压钳76、78起作用以将栅极-源极电压的正和负偏移钳制在由背对背齐纳二极管的电压额定值所确定的相应极限。每个双向电压钳76、78与相应的第一或第二次级电感器72、74配合，以使谐振电路10上的电压的基频分量与谐振电感器44中的AC电流之间的相位角在灯点亮期间接近零。

串联电阻器80、82与连接在公共节点52和公共导体18之间的电阻器84配合，以用于启动栅极驱动电路64、66的再生操作。上和下电容器90、92与相应的第一和第二次级电感器72、74串联。在启动过程中，经由电阻器80、82、84从电压端子16对电容器90充电。电阻器94对电容器92分路，以便防止电容器92充电。这防止开关40和42最初同时接通。电容器90两端的电压最初为零，并且在启动过程中，由于电容器90的较长充电时间常数，所以串联电感器68和72实质上充当短路。当将电容器90充电到开关40的栅极-源极电压的阈值电压(例如2-3伏特)时，开关40接通，这导致小偏置电流流经开关40。所产生的电流以共漏A类放大器配置对开关40加偏压。这产生具足够增益的放大器，使得谐振电路10和栅极控制电路64的组合产生再生动作，由此使换流器开始进入到在包括电容器90和电感器72的网络的谐振频率附近的振荡。所生成的频率高于谐振电路10的谐振频率，由此允许换流器8可高于谐振网络10的谐振频率工作。这产生落后于公共节点52处所产生的电压的基频的谐振电流，从而允许换流器8在点亮灯之前以软切换模式工作。因此，换流器8开始先以线性模式工作，然后转变到D类切换模式。然后，当电流累积通过谐振电路10时，高频总线22的电压增大以在保持软切换模式的同时通过点亮并进入灯的导通的电弧模式来点亮灯。

在镇流器电路6的稳态操作期间，公共节点52处的电压为方波，它大约为正端子16的电压的一半。曾经存在于电容器90上的偏置电压变小。工作频率是使得包括电容器90和电感器72的第一网络96以及包括电容器92和电感器74的第二网络98是等效感应的频率。也就是说，工作频率高于相同的第一和第二网络96、98的谐振频率。这导致栅极电路适当相移，以便允许流经电感器44的电流落后于公共节点52处所产生的电压的基频。因此，在稳态操作期间保持换流器8的软切换。

继续参照图1，换流器8的输出电压受到钳位电路12的串联钳位二极管100、102的钳制，以便限制为启动灯24、26、...、28而生成的高电压。钳位电路12还包括第二和第三电容器48、50，它们实质上相互并联。每个钳位二极管100、102连接在关联的第二或第三电容器48、50两端。在灯启动之前，灯的电路断开，因为各灯24、26、...、28的阻抗被视为是极高阻抗。谐振电路10由电容器30、32、...、34、46、48、50和谐振电感器44组成，并且在谐振附近进行驱动。随着公共节点52处的输出电压增加，钳位二极管100、102开始进行钳制，以便防止第二和第三电容器48、50两端的电压改变符号，并且将输出电压限制在不会引起换流器8的组件过热的值。当钳位二极管100、102钳制第二和第三电容器48、50时，谐振电路10变成由电容器30、32、...、34、46和谐振电感器44组成。例如，当钳位二极管100、102没有导通时，实现谐振。当灯点亮时，阻抗迅速减小。公共节点52处的电压相应减小。钳位二极管100、102停止钳制第二和第三电容器48、50，并且镇流器6进入稳态操作。谐振再次由电容器30、32、...34、46、48、50和谐振电感器44来支配。

通过上述方式，换流器8在公共节点52处提供高频总线，同时保持开关40、42的软切换条件。换流器8能够在其余灯点亮时启动单个灯，这是因为在高频总线处存在足以允许点亮的电压。

参照图2和图3，三级电路108耦合到换流器电路8。更具体来说，三级绕组或电感器110互耦到第一和第二次级电感器72、74，并且电路108经由节点+B硬连线到镇流器电路6。谐振电路10还包括可被认为是地的节点-B。在这个实施例中，可选地省略第一和第二双向电压钳76、78。包括第一和第二齐纳二极管114、116的辅助或第三电压钳112与三级电感器110并联。由于三级电感器110互耦到第一和第二次级电感器72、74，所以辅助电压钳112同时钳制第一和第二栅极电路64、66。

电压钳112的齐纳二极管114、116的不同值在允许镇流器6改变电流以及随后改变提供给灯24、26、...、28的功率方面是有用的。已知，在瞬时启动的镇流器中，灯操作的初始模式是发光。在发光模式中，灯电极两端的电压很高，例如为300V。在灯中流动的电流通常低于运行电流，例如为40或50mA而不是180mA。电极变热，并且成为热电子。一旦电极成为热电子，电极便将电子发射到等离子体中，并且灯点亮。一旦灯点亮，就有不同的功率量传递到每个镇流器，因为每个镇流器以标称电流的标称电流不同电平运行。

例如，在灯24、26、...、28点亮期间，三级绕组110的钳位电压增加，以便允许更大的发光功率。在灯启动之后，可将电压返送，以便允许恰当的稳态电流流动。这个功能可经由控制器120来实现。

更具体来说，在点亮之前，使电容器122放电，从而使开关124(如MOSFET)处于“断开”状态。当换流器8开始振荡时，电容器122经由线路126和128充电。三级绕组110受到耦合到MOSFET 124的漏极和源极的并联第一和第二齐纳二极管114、116的钳制。当控制器120中采用高功率启动模式时，输入信号的高频使电容器122充电，这使齐纳二极管116导通，转而使MOSFET 124接通并使控制电路开始进行调节。也就是说，一旦电容器122充电到预定电压，如MOSFET 124的阈值电压，则MOSFET 124接通，并且电流从连接到MOSFET 124的源极端子的第二齐纳二极管116分流。电容器122与电阻器140串联，并且电容器132连接到MOSFET 124的栅极和漏极。二极管150并联到电阻器140和电容器122。因此，三级绕组110的较高电压钳制允许实现更大的发光功率，直至灯24、26、...、28启动。电阻器148耦合到MOSFET 124的栅极以及齐纳二极管116的阳极。电路108还包括二极管152、电阻器154、电容器156以及连接到节点+B(例如，到镇流器电路6的高频总线22的接入点)的电阻器158。

在诸如从大约0.5秒至大约1.0秒的一段时间之后，MOSFET 124接通，从而使三级绕组110钳制在较低电压。这允许实现较低稳态灯功率。因此，钳位电压的切换、例如经由齐纳二极管114、116进行的三级绕组110的电压钳位的切换导致在发光阶段期间施加到灯24、26、...、28的功率增加，但会将这个功率返送以允许灯24、26、...、28在灯24、26、...、28的正常预定功率电平下进行工作。另外，电路108还耦合到节点“A”，而该节点又耦合到ROS电路200，这将在下文关于图4进行描述。

除了正常瞬时启动功能和各种预定稳态功率极限的设置之外，通过控制三级绕组110，镇流器6可在不同镇流器因数的各种应用中用作程序启动、快速启动镇流器或瞬时启动镇流器。

图4是经由节点A耦合到控制电路108的ROS保护电路200的示图。ROS电路200包括连接到节点A的二极管202。二极管202并联耦合到二极管204以及电阻器208和电容器210，而电阻器208和电容器210又相互并联连接。二极管206还与电容器210和电阻器208并联连接。二极管204和二极管206连接到电容器212，而电容器212又与电阻器214串联。然后，电阻器214与大地216串联。

根据一个示例，ROS保护电路在ROS电路200中感测镇流器地(例如节点-B)与大地216之间的电位。如果存在电压，则电容器210充电。如果电容器210超过预定阈值电压(例如，根据一个示例大约为8V)，则节点-B和大地上的电位电压不可接受地高，并且会造成严重的伤害风险。如果情况是这样，则节点A的电压上升，并且MOSFET 124逐渐地使电流从绕组110分流开，由此降低绕组110的阻抗，并且因而降低反射回到换流器电路8中的绕组72和74的阻抗。这又使换流器的工作频率上升，由此使节点-B和大地上的电压减小到安全电平。因此，当电容器210充电时，节点-B和大地上的电位进行返送。

要理解，提供上述示例只是出于说明的目的，并且主题创新并不局限于本文所提供的具体值或值的范围。相反，主题创新可采用或者以其它方式包括任何适当的值或值的范围，这是本领域的技术人员会理解的。

参照优选实施例描述了本发明。显而易见的是，通过阅读和理解前面的具体实施方式，修改和变更将是本领域的技术人员会想到的。要将本发明理解为包括所有这类修改和变更。

Claims (20)

1.一种用于灯的电击风险ROS保护系统，包括：

ROS传感器电路，具有当大地与镇流器地之间存在电压时进行充电的电容器；

连接到一个或多个灯和所述镇流器地的镇流器电路；以及

耦合到所述镇流器电路和所述ROS传感器电路的控制电路；

其中，当所述电容器充电到超过预定阈值电压电平的电压时，大地与所述镇流器地之间的电压减小。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述预定阈值电压电平在7V至9V的范围内。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述预定阈值电压电平为8V。

4.如权利要求2所述的系统，还包括所述控制电路中的栅极，当所述电容器电压超过所述预定阈值时，所述栅极使电流从所述控制电路中的三级绕组分流开。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述三级绕组绕在耦合变压器的铁氧体磁心上，由此将所述控制电路耦合到所述镇流器电路。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述镇流器电路还包括绕在所述耦合变压器上的初级和次级绕组。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述三级绕组的阻抗随电流通过所述栅极从所述绕组分流开而减小。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述镇流器电路还包括换流器电路，并且当所述三级绕组的减小的阻抗反射回到所述初级和次级绕组时，所述换流器电路的工作频率增大。

9.如权利要求8所述的系统，其中，当所述换流器电路的工作频率增大时，大地与所述镇流器地之间的电压减小到对人体安全的电平。

10.如权利要求4所述的系统，其中，所述栅极是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个灯是线性荧光灯。

12.一种用于降低对人体的电击风险的镇流器电路，包括：

换流器电路，具有绕在铁氧体磁心上的初级和次级电感器绕组；

耦合到所述换流器电路和至少一个灯的谐振电路；

控制电路，硬连线到所述换流器电路和所述谐振电路，并且包括绕在所述铁氧体磁心上以便将所述控制电路感应地耦合到所述换流器电路的三级绕组；以及

硬连线到所述控制电路的ROS传感器电路，具有当所述镇流器电路的所述谐振电路的地与大地之间存在电压时进行充电的电容器。

13.如权利要求12所述的镇流器电路，还包括预定阈值电压电平，其中当所述电容器充电到超过所述预定阈值电压电平的电压时，使所述镇流器中的电压返送到对人体接触安全的电平。

14.如权利要求13所述的镇流器电路，其中，所述电容器超过所述预定阈值电平，并且使所述控制电路中的栅极减小流向所述三级绕组的电流电平。

15.如权利要求14所述的镇流器电路，其中，流向所述三级绕组的减小的电流使反射回到所述初级和次级绕组的阻抗减小。

16.如权利要求15所述的镇流器电路，其中，所述谐振电路的工作频率随反射回到所述初级和次级绕组的阻抗的减小而增大。

17.如权利要求16所述的镇流器电路，其中，工作频率的增大将所述镇流器地与大地之间的电压减小到对人体接触安全的电平。

18.一种电击风险保护电路，包括：

第一二极管，其阴极连接到灯镇流器的控制电路，而其阳极连接到第一电阻器的一端和第一电容器的一端；

第二二极管，其阴极连接到所述第一二极管的阳极、所述第一电容器的一端和所述第一电阻器的一端，而其阳极连接到第二电容器的一端；

第三二极管，其阴极连接到所述第二二极管的阳极和所述第二电容器的一端，而其阳极连接到所述第一电容器的另一端、所述第一电阻器的另一端和地；以及

耦合到所述第二电容器的另一端和大地的第二电阻器；

其中，所述第一电阻器、所述第一电容器和所述第三二极管相对于彼此并联连接。

19.如权利要求18所述的电击风险保护电路，其中，当大地与所述灯镇流器的地之间存在电压电位时，所述第一电容器进行充电。

20.如权利要求19所述的电击风险保护电路，其中，所述电容器达到预定阈值电压电平，此时，发起事件的反馈循环，以便将大地与所述灯镇流器地之间的电压电位减小到对人体接触安全的电平。

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