CN101868898A - 具有过电流检测功能的调光器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露了用在调光器电路中对过电流状态进行检测的方法和装置,该调光器电路设有两个开关装置,用于控制负载的功率;每个开关装置各自设有一个反并联二极管。所述检测的方法包含有:检测反并联二极管其中之一两端的电压降,将检测到的电压降与一个参考电压进行比较;当所述检测到的电压降超过所述参考电压时,判定有过电流状态存在。同时还揭露了一个实施上述检测方法的调光器电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种调光器电路,特别涉及一种能够检测过电流状态的调光器电路。
优先权
本发明申请的权利项要求以下专利申请的优先权:
-澳大利亚临时专利申请号为2007905110,名称为:“改进的调光器电路启动检测”,申请日为:2007年9月19日;
-澳大利亚临时专利申请号为2007905108,名称为:“带有过电流检测的调光器电路”,申请日为:2007年9月19日;
-澳大利亚临时专利申请号为2007905109,名称为:“在调光器电路中的过电流保护”,申请日为:2007年9月19日。
上述每个专利申请的全部内容在此以引用的方式并入本文中。
引用的并入专利申请
接下来的说明书中的描述引用以下专利申请:
PCT/AU03/00365名称为“改进的调光器电路启动检测”;
PCT/AU03/00366名称为“带有改进电感负荷的调光器电路”;
PCT/AU03/00364名称为“带有改进的脉动控制的调光器电路”;
PCT/AU2006/001883名称为:“调光器电路中的电流零交叉检测器”;
PCT/AU2006/001882名称为:“用于调光器的负载检测器”;
PCT/AU2006/001881名称为:“一种通用的调光器”;以及
共同未决的澳大利亚临时专利申请,其名称为“调光器电路中的过电流保护”。
上述每个专利申请的全部内容在此以引用的方式并入本文中。
背景技术
调光器电路用于控制电源(比如电力网供电)提供给一个负载(比如灯或电动马达)的功率。这种电路通常用到一种被称为相位控制调光的技术。这种技术通过改变连接负载与电源的开关在设定周期内的连接时间来控制提供给负载的功率。
例如,如果由电源提供的电压能够由正弦波来表示,那么当连接负载与电源的开关一直处于连接状态时,提供给负载的功率为最大功率。这样,电源的全部能量被传送给负载。如果上述开关在每个周期(正的和负的)中的一部分时间被关闭,那么所述正弦波中的一部分被有效地从负载分离,从而减少提供给负载的平均能量。例如,如果所述开关在每个周期一半时间开一半时间关,那么只有一半的功率被传送给负载;以照明灯作为举例,其总体效果将是:平稳的调光动作导致对灯的发光度的控制。
由于负载连接到高电压或电流源例如电力网供电,这种电路的故障(比如短路)可能导致突然的高强度电流电涌,这将损坏负载以及任何连接在负载上的电路元件。对于调光器电路来说,检测这种过电流或高电流情形发生的功能将是很有用处的,这样能够将负载或/和连接的电路元件从高电流源断开。
存在有许多用在调光器电路中进行过电流检测的技术,但是,这些技术存在各种各样的缺点,包括附加的电路复杂性、过度的功率耗损或者技术不够成熟。
一种基于相位调整调光器电路的典型的MOSFET或IGBT包含有在相反极性串联的两个装置,使得流经一个串联负载的交流电的传导变得容易。对于特定的线电压极性,只有一个装置是用于确定负载电流的流量的,而与另一装置连接的反并联二极管在此极性期间将是正向偏置的。
一种用于故障或过电流检测的常用技术采用图1所示的电阻连接方式。固定的电阻(R1和R2)串联在一个或两个开关装置(IGBT1和IGBT2,与一起封装的反并联二极管D1和D2相对应)的“通用”输出端。电压比较器(没有画出)被用于检测电阻两端由于负载电流而产生的电压。当超过预定的电流门限值时,对应的开关装置在此时被关闭。
上述技术的主要缺点在于:电流检测电阻器必须要能够抵挡高峰电流。在正常的调光操作期间,电阻本身也伴有功率损耗。
另一种现有技术是采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来传导电压检测,如图2所示,在这个电路连接中,开关管(在此例中是MOSFET1和MOSFET2,与内部的反并联二极管D1和D2相对应)在其栅极驱动值完全达到时显示出一种有阻抗的V/I特性。MOSFET的导通电压(Vds)是与负载电流量成正比的(不考虑由于温度的改变)。所以这能够作为一种检测过大负载电流量的方法而进行监控。
然而这种技术的一个明显的不足在于:在MOSFET进行打开或关闭的状态转换期间---此时门电压横跨门阈值区间,该装置不会显示出有阻抗的V/I特征。所以监控导通电压(Vds)量的方法在此时不适用,使得没有能力检测相关的过电流事件。
发明内容
一种在用于控制负载功率的调光器电路中的过电流状态检测方法,所述调光器电路包括有第一开关装置和第二开关装置,所述第一开关装置用于控制在第一极性的负载的功率,该第一开关装置设有第一反并联二极管;所述第二开关装置用于控制在第二极性的负载的功率,该第二开关装置设有第二反并联二极管,该检测方法包含:
从所述第一或第二反并联二极管中选择一个与所述第一开关装置或第二开关装置中非控制的一个开关装置有关联的反并联二极管,检测其两端的电压降;
将所述检测到的电压降与参考电压进行比较;
当所述检测到的电压降超过所述参考电压,判定有过电流状态。
在一种实施方式中,所述第一开关装置和第二开关装置是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管);在此实施方式中,所述第一和第二反并联二极管是内置二极管。
在另一种实施方式中,所述第一开关装置和第二开关装置是IGBT(绝缘栅双极型晶体管);在这种实施方式中,所述第一和第二反并联二极管是被共同封装的。
在一种实施方式中,本发明的方法进一步包括:触发一个锁存电路以移除第一和/或第二开关装置的栅极驱动,从而阻止或减少过电流状态引起的损害。
根据本发明的另一方面,本发明还提供了一种在用于控制负载功率的调光器电路中过电流状态的检测电路,所述调光器电路包含有第一开关装置和第二开关装置,所述第一开关装置用于控制在第一极性的负载的功率,该第一开关装置设有第一反并联二极管;所述第二开关装置用于控制在第二极性的负载的功率,该第二开关装置设有第二反并联二极管,该检测电路包含:
用于将信号应用于比较器的装置,所述信号代表所述第一或第二反并联二极管中与所述第一开关装置或第二开关装置中非控制的一个开关装置有关联的一个反并联二极管两端的电压降;
用于将所述信号与参考电压进行比较的比较器。
在一种实施方式中,所述比较器是一个三极管。
根据本发明的另一方面,本发明还提供了一种用于控制负载功率的调光器电路,其包含:
第一开关装置,用于控制在第一极性的负载的功率,该第一开关装置设有第一反并联二极管;
第二开关装置,用于控制在第二极性的负载的功率,该第二开关装置设有第二反并联二极管;
检测电路,其包含:
用于将信号应用于比较器的装置,所述信号代表所述第一或第二反并联二极管中与所述第一开关装置或第二开关装置中非控制的一个开关装置有关联的一个反并联二极管两端的电压降;
用于将所述信号与参考电压进行比较的比较器;
当所述信号大于所述参考电压时将负载与电源断开的装置。
附图说明
本发明的各种实施方式将按照如下附图进行详细描述:
附图1示出了一种现有的采用串联电阻的电流检测电路布置;
附图2示出了另一种现有的采用MOSFET传导电压检测的电流检测电路布置;
附图3示出了在本发明一实施例中采用的一个晶体二极管的ID/VF特征曲线;
附图4示出了根据本发明的一个实施方式的电路布置;
附图5是图4的一种替换电路布置图;
附图6示出了采用图4的电路布置的一个调光器电路的具体示例;
附图7示出了图6中电路布置的一种具体实施方式的电路图;
附图8A至8F示出了图7电路中的各种波形;
附图9示出了本发明一种实施方式中在调光器电路中检测过电流状态的方法流程图;
附图10示出了本发明一种实施方式中当发生过电流状态时保护调光器电路的方法流程图。
具体实施方式
附图3示出了一个晶体二极管的V/I特性;纵坐标表示流经二极管的电流ID,横坐标表示二极管的正向电压VF,正如图中看到的,在低电流时(例如小于3安培),曲线是呈指数型的,如此,二极管通常情况下是不适合用于电流检测的。然而,在高电流时却可以实现电流检测(例如大于30安培时),这种状况发生在过电流状态,图中的曲线实质上变成了直线,相较于二极管通常的用处,作为电流检测装置它是更加有用的。
附图4示出了根据本发明的一个实施方式的一种通常的电路布置。图中示出了一个包含控制电路、栅极驱动和二极管电压检测模块110的调光器电路100,其连接有开关管IGBT1和IGBT2,开关管IGBT1和IGBT2连接有反并联二极管D1和D2。作为一种判定过电流事件的方法,可以监控与非控制装置连接的正向偏置的反并联二极管(D1和D2)两端的电压降。图4中的二极管D3和D4是用于提供交流信号校正的高电压耦合二极管,该交流信号在开关装置IGBT1和IGBT2各自两端产生,二极管D3和D4不属于电流检测电路的一部分。
虽然附图4示出的电路不需要图1中电路所要求的分开的电流检测电阻,然而,正如图5所示,通过引入附加的较小阻值的电阻可能对图4中的技术进行补充。在此附图中,电阻R1、R2、R3和R4能够串联在开关装置的任何一个输出端,从而准许在负载电流传导路径上采用不可或缺的与导体连接的阻抗。当然,这种电路布置只是一种可供选用的电路布置。
当然,上述采用IGBT或者MOSFET来实施的开关装置,同样也能够采用其他类型的元件来实施。
同样地,在本发明的任何应用实施例中,可以采用其他类型的开关装置,例如双极性晶体管,相互独立的反并联二极管按照要求连接能够用于此应用实施例中。类似地,至于不包含封装反并联二极管的IGBT,可以连接合适的二极管用作本发明。
根据本发明的一方面,现在将概括地描述上述电路的工作过程。
在一个特定的电源电压的半周期极性中,与调光器中非控制功率开关装置连接的反并联二极管两端的电压将与一个参考电压相比较,以触发一个锁存电路将栅极驱动从功率装置移除,从而在所述调光器遭遇到高故障电流状况时提供保护措施,避免由于过大电流引起的设备故障。
正如前文所描述地,一个从各功率开关装置反并联二极管获得的检测电压信号在从低到中等电流值区间表现出一种指数型的V/I特性,但是逐渐地变成基本成正比的V/I特性。或多或少地,这能够被看作是高电流时所述调光电阻负载电流的典型特征。然而,在这方面,与物理电流通路相关联的内在附加的阻抗(在实际的电路布线中电源器件的输入端和输出端)能够作为所述电流检测信号方法的一部分。
在一种实施方式中,高压二极管被用于阻断电源高电压,以及将功率装置二极管的检测电压与低电压检测电路系统相偶联;所述偶联的检测电压可以电结合以形成一个信号,或者作为独立的信号被处理。检测电压被滤波以使所述检测电路对电干扰信号的敏感性降到最低。然而上述滤波并不妨碍所述过电流检测过程的时间响应。
在一种实施方式中,一个电阻分压电路被用于将电压从原始的负的极性二极管检测电压平移到一个正的电压,该电压值是相对于所述控制电路零参考电位来说的。或者,一个带串联电阻的恒流电源电路也能够用于提供所必须的电平移位功能。
一个带预定参考电压的比较器电路,跨越所述检测信号特征曲线中大范围的指数电压区间,在所述检测信号呈直线特征的区域才发挥有效的功能。当检测信号的电压超过所述预定参考电压时,所述比较器触发一个用于将栅极驱动从功率开关装置移除的锁存电路。
图6是按照以上描述的一种电路布置的主要功能模块的方框图;调光器电路100包含一个交流开关电路---其在此例中包括:第一和第二开关装置-----在此实施例中是两个串联的MOSFETA和B(其分别带有相应的内置反并联二极管A和B)。还有图中示出的与每个MOSFET连接的电流检测信号耦合/阻断二极管C和D。
电干扰滤波器111用于防止瞬态调光电压无意地触发过电流截流开关。可以了解到,此功能块对于本发明的实施并非是一定要的,但是其仅仅只是提供了可选的附加技术特征。
将检测电压电平移位至正值的模块112用于将检测电压相对0V参考电压进行电平移位,因为原始的电流检测信号电压相对于0V参考电压是负的。
比较器113被用于判定所述电平移位后的电流检测信号是否已超过预定的参考电压,或者说是否已超过相等的电流阈值,所述正的参考电压由模块114来提供。
故障截流开关115用来截断驱动至负载控制功率装置。
模块116表示传统调光控制电路中的标准电路,正如本技术领域人员所知的,其用于产生栅极驱动信号提供给功率开关装置。带有附加技术特征(这些技术特征也能够与本发明的各种电路布置结合起来用)的调光器电路包括以下专利申请中描述的:PCT/AU03/00365名称为“改进的调光器电路”,PCT/AU03/00366名称为“带有改进电感负荷的调光器电路”,PCT/AU03/00364名称为“带有改进的脉动控制的调光器电路”,PCT/AU2006/001883名称为:“调光器电路中的电流零交叉检测器”,PCT/AU2006/001882名称为“用于调光器的负载检测器”,PCT/AU2006/001881名称为“一种通用的调光器”;每个专利申请的全部内容通过引用结合于此。
附图6中的模块单元111至116一起构成附图4和5中的模块110。
附图7示出了图6中电路布置的一种示范的电路图。
图6中的参考电压模块114通过电阻R6提供一个接近12uA的近似直流电流。电阻R6与串联的二极管D2和D3连接,以产生参考电压Vref。
上述二极管结合起来被用于产生参考电压,从而为与温度有关的正向偏置电压降提供温度补偿,该正向偏置电压降是伴随着比较器三极管和耦合的二极管而产生的,因此使得所述有效的过电流检测阈值稳定。
电容C1起到一个电荷存储的作用,以提供增加的高峰锁存触发电流,从而使得当一个瞬间的调光过电流状态发生时能够做出迅速的反应。
高压耦合二极管D4和D5为出现在功率开关装置Q4和Q5各自两端的交流信号提供校正,其允许只有负向电压信号分量(对应于功率开关装置的正向传导性)才能够接入到检测电路中并阻断出现在功率开关装置两端正的高电压值。
通过电阻R7和R8偏置电流被提供给耦合二极管,导致交替的负检测电压在每个二极管的正极出现,其对应于负载电流的每个极性(图6中的检测信号耦合及电位平移模块112)。由于15V与检测电压的幅值相比较大,以及R7/R8的比值相对较大,所以R7的电流几乎接近直流,因此,出现在D4和D5正极的检测电压的任何改变,将引起出现在R7和R8结合体的正向偏置电压发生几乎同样的改变。
电容C2起到一个滤波作用(即图6中的模块111的作用),其使得电干扰信号电压得到衰减,该电干扰信号电压是由于功率开关装置电压瞬态值将电流注入到高压耦合二极管的结电容中而产生的。
图6中的比较器113利用三极管Q3来实现,其发射极与参考电压Vref相连,其基极输入通过在R7和R8结电阻处的电位平移检测电压来驱动。在正常的调光负载操作情况下,检测电压比Vref大大约0.2V,因此所述比较器三极管保持不导通的状态。在大电流故障情况下,所述检测电压被拉到足够的负值,以对Q3加偏压使其导通。这将触发截流开关115工作。
截流开关115利用三极管Q1和Q2来实现,其作为一个锁存电路来进行配置,输入驱动信号输入至Q1的基极。二极管D1使得门信号在锁存状态时被拉低,当门信号值较低时,在正常状态下阻止Q2被驱动。
过电流截流装置的操作现在将参考附图7来描述(在当负载端与线性端相比是正的情况下),描述如下:
流经Q4和Q5的高电位过电流事件将导致大约“-1.5V”的负电压出现在D5的负极,这是由于所述过电流中相当一部分直接流经Q5的反并联二极管例如D7而造成的。当与电压降相对应的MOSFET开态的阻抗保持低值时,其阻抗值不是足够低的,从而不能将高电流导通,因此电流流经所述二极管。
在D5正极对应的偏压是“-1.1V”,这是根据二极管D5中有大约10μA的低导通电流时的一个微小的正向偏置电位0.4V而来的。
在Q3基极对应的电位平移偏置电压是+0.36V,因此Q3被驱动导通。串联连接的参考电压二极管D2和D3为三极管Q3产生Vbe电压和二极管D5产生正向偏置电压提供温度补偿。来自Q3的集极电流致使Q1通过二极管D1导通,从而立即将栅极驱动电压从功率开关管Q4和Q5移除,这导致调光传导的终止。
Q1的激活也通过R3为Q2提供基极驱动,Q2反过来又通过R4为Q1提供基极驱动,从而导致一个锁存的状态。
附图8A到8F示出了图7中电路各点的各种信号波形;对应上文描述的各个不同的运行阶段。
附图8A示出了电源若干周期内的负载电流IL,举个例子,该电流可以取值为+/-3A。在此例中,当进入第三个周期时,一个引起过电流情况的故障发生,使得IL迅速地增大到一个非常高的值,例如超过30A.
附图8B示出了二极管D7在A点的正向电压降VFD7的波形。在此例中,开关Q4是控制开关,带有内置二极管D7的开关Q5是非控制开关。在A点VFD7的值在正常运行的情况下将是大约-0.8V。当过电流故障发生时,在A点VFD7的值大约是-1.5V。
附图8C示出了在二极管D5的另一端B点的波形。在正常运行的情况下,其大约是-0.4V,当在30A时其突然降到大约-1.1V。
附图8D示出了在三极管Q3的门C点的波形。由于前面所述的由R7提供的基本直流的电流源,R8两端的电压降将基本恒定在1.6V(其带有图7中示出的大约15V的栅电压)。在正常运行的情况下,C点的电压在特定的半个周期内将在大约+2V到大约+1.2V之间取值。当过电流故障发生时,其值将在半个周期的峰值处降到+0.5 V.
附图8E示出了D点即三极管Q3的发射极的电压,Q3在此例中用作比较器。D点的电压将基本保持恒定值+1.0V。
附图8F示出了E点即图6中锁存电路115输入端的电压,在正常运行的情况下,E点的电压值基本保持0V。当过电流故障发生,以及比较器/三极管Q3的输入端的电压低于1.0V时,锁存电路115在E点的输入值突然上升到约0.5V,这个脉冲触发锁存电路115将开关Q4和Q5的栅极驱动断开。从而阻止或减少由过电流情况引起的对负载和电路损害的可能性。
我们将意识到,本发明的各种实施方式不会仅限制于将栅极驱动从开关装置断开。上文给出的实施例仅仅只是作为一种应用方式来阐述本发明而已。本发明中的检测过电流状况不一定被用在断路开关这一应用中,还可以用于电路故障领域所要求的任何其他目的,例如用于故障分析系统。
图9是本发明一种实施方式中在调光器电路中检测过电流状态的方法流程图;在步骤200,检测非控制开关的反并联二极管两端的电压;在步骤201,所述检测到的电压被用作一个比较器的输入电压;在步骤202,该输入电压与一个参考电压进行比较。如果输入电压小于或等于所述参考电压,将检测不到故障或过电流状况,该方法流程返回到步骤200继续监控故障或过电流状况。如果所述输入电压大于所述参考电压,在步骤203中,判决存在有故障或过电流状况。
按照前文所述的,这些揭露的信息能够用在许多应用中。在一种应用中,上述信息能够被用于断路开关将过电流源从负载和调光器电路移除。附图10示出了此种实施方式下的方法步骤。再步骤300,检测非控制开关的反并联二极管两端的电压;在步骤301,所述检测到的电压被用作比较器的输入;再步骤302,该输入与参考电压进行比较。如果输入电压小于或等于所述参考电压,将检测不到故障或过电流状况,该方法流程返回到步骤300继续监控故障或过电流状况。如果所述输入电压大于所述参考电压,在步骤303中,判定存在有故障或过电流状况。
在此特定的应用中,如果检测出故障或过电流状况,或者明确判决出存在故障或过电流状况,上述技术揭露被用于将负载和调光器电路与过电流源断开以阻止或降低破坏的风险。在此特定的应用中,图9方法中表示故障或过电流状况发生的信号在步骤304中作为一个锁存信号而生成。然后在步骤305中该锁存信号输入到一个锁存器中。这使得步骤306中的锁存器被激活,从而导致栅极驱动从开关装置断开。
应了解,对于本领域技术人员来说,本发明的使用并不限制于上文描述的特定应用。也不受此文描述的基于特定装置或技术特征的优选实施方式所限制;任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
例如,本发明的各方面可能被应用于任何控制型开关设备,包括双极性三极管,也可以与分别连接所述开关装置的二极管一起使用。
在整篇说明书及接下来的权利要求书中,除非文中要求,“包括”和“包含”将被理解为一个固定整体或整体组的包含,但不排除任何其他的整体或整体组。
在此说明书中任何在先的引用文献不应当拿来作为公知技术的一部分而被认为有任何的技术启示。
Claims (14)
1.一种在用于控制负载功率的调光器电路中的过电流状态检测方法,所述调光器电路包含有第一开关装置和第二开关装置,所述第一开关装置用于控制在第一极性的负载的功率,该第一开关装置设有第一反并联二极管;所述第二开关装置用于控制在第二极性的负载的功率,该第二开关装置设有第二反并联二极管,所述检测方法包含:
从所述第一或第二反并联二极管中选择其中一个与所述第一开关装置或第二开关装置中非控制的一个开关装置关联的反并联二极管,检测其两端的电压降;
将所述检测到的电压降与参考电压进行比较;
当所述检测到的电压降超过所述参考电压时,判定有过电流状态。
2.如权利要求1所述的检测方法,其特征在于:所述第一开关装置和第二开关装置是MOSFET。
3.如权利要求2所述的检测方法,其特征在于,所述第一反并联二极管和第二反并联二极管是内置二极管。
4.如权利要求1所述的检测方法,其特征在于,所述第一开关装置和第二开关装置是IGBT。
5.如权利要求4所述的检测方法,其特征在于,所述第一反并联二极管和第二反并联二极管是被共同封装的。
6.如权利要求1至5任一项所述的检测方法,其特征在于,其进一步包含:触发锁存电路以移除第一开关装置和/或第二开关装置的栅极驱动,从而阻止或减少过电流状态引起的损害。
7.一种在用于控制负载功率的调光器电路中的过电流状态检测电路,所述调光器电路包括有第一开关装置和第二开关装置,所述第一开关装置用于控制在第一极性的负载的功率,该第一开关装置设有第一反并联二极管;所述第二开关装置用于控制在第二极性的负载的功率,该第二开关装置设有第二反并联二极管,所述检测电路包含:
用于将信号应用于比较器的装置,所述信号代表所述第一或第二反并联二极管中与所述第一开关装置或第二开关装置中非控制的一个开关装置有关联的一个反并联二极管两端的电压降;
用于将所述信号与参考电压进行比较的比较器。
8.如权利要求7所述的检测电路,其特征在于,所述比较器是三极管。
9.一种用于控制负载功率的调光器电路,其包含:
第一开关装置,用于控制在第一极性的负载的功率,该第一开关装置设有第一反并联二极管;
第二开关装置,用于控制在第二极性的负载的功率,该第二开关装置设有第二反并联二极管;
检测电路,其包含:
用于将信号应用于比较器的装置,所述信号代表所述第一或第二反并联二极管中与所述第一开关装置或第二开关装置中非控制的一个开关装置有关联的一个反并联二极管两端的电压降;
用于将所述信号与参考电压进行比较的比较器;
当所述信号大于所述参考电压时将负载与电源断开的装置。
10.如权利要求9中所述的调光器电路,其特征在于,所述第一开关装置和第二开关装置是MOSFET。
11.如权利要求10中所述的调光器电路,其特征在于,所述第一反并联二极管和第二反并联二极管是内置二极管。
12.如权利要求9中所述的调光器电路,其特征在于,所述第一开关装置和第二开关装置是IGBT。
13.如权利要求12所述的调光器电路,其特征在于,所述第一反并联二极管和第二反并联二极管是共同封装的。
14.如权利要求9至13任一项所述的调光器电路,其特征在于,所述用于断开的装置是锁存器。
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