CN101869005B - 改进的调光器电路中的启动检测 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测调光器电路上的感性负载的存在的感性负载检测电路。该检测电路通过检测由电路中的开关元件的关闭引起的电压振铃来提供增强的检测能力。可通过提供比稳定状态期关闭速率更快的初期关闭速率来增强所述振铃。
Description
技术领域
本发明涉及尾缘(Trailing Edge,TE)调光器电路和/或通用调光器,特别地,涉及一类与调光器电路相连的负载。
优先权
本发明要求以下优先权:
-申请日为2007年9月19日、申请号为2007905110、标题为“改进的调光器电路中的启动检测”的澳大利亚临时申请;
-申请日为2007年9月19日、申请号为2007905108、标题为“具有过电流检测的调光器电路”的澳大利亚临时申请;和
-申请日为2007年9月19日、申请号为2007905109、标题为“调光器电路中的过电流检测”的澳大利亚临时申请。
通过引用将以上申请中的全部内容结合于此。
通过引用的结合
本说明书引用以下文献中的内容:
题为“改进的调光器电路布置”的专利文献PCT/AU03/00365;
题为“具有改进的感性负载的调光器电路”的专利文献PCT/AU03/00366;
题为“具有改进的脉动控制的调光器电路”的专利文献PCT/AU03/00364;
题为“调光器电路中的电流过零检测器”的专利文献PCT/AU2006/001883;
题为“用于调光器的负载检测器”的专利文献PCT/AU2006/001882;和
题为“通用调光器”的专利文献PCT/AU2006/001881。
通过引用将以上申请中的全部内容结合于此。
背景技术
调光器电路用于控制供应给负载如灯或电动机的、来自电源如主电源的功率。这种电路常常采用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,如果电源提供的电压可以用正弦波来表示,那么如果开关在所有时间内都将负载连接至电源,则提供给负载的功率为最大功率。这样,所述电源的全部能量就都被输送给所述负载了。如果所述开关在每个周期(正的和负的)的一部分时间内关闭,则可以从负载上有效地分离出一定比例的量的正弦波,从而降低提供给负载的平均能量。例如,如果开关在每个周期中打开和关闭各一半时间,则只有一半的功率会被输送给负载。整体效果将是,例如在负载为灯的情况下,平稳的调光动作导致对灯的发光度的控制。
现代的调光电路通常以两种方式——前缘(leading edge)或尾缘(trailing edge)——之一操作。
前缘技术中,调光器电路在每半个周期的前面部分(下文中称为“前缘”)通过所述负载“砍断”或阻断电的传导。尾缘技术中,所述调光器电路在每半个周期的后面部分通过所述负载切断或阻断电的传导。
图1A为前缘调光器的功能示意图,而图1B为后缘调光电路的功能示意图。
在图1A中,代表施加到负载上的交流功率的正弦波的阴影区域表示所述周期中调光器电路让电到达负载的那部分。而阴影区域前面的空白区域则表示周期中被调光器电路阻断的那部分,在该部分中,功率不被施加到调光器电路上。
图1B中描述了相反的(即尾缘)的情形。在这种情形下,位于交流周期开始处的阴影区域表示所述周期中调光器电路让电到达负载的部分。而所述阴影区域后的空白区域表示所述周期中调光器电路被阻断、以至于功率不能被施加给调光器电路的部分。
针对特定的应用场合具体采用以上两种技术中的哪一种将视负载的类型而定。感性负载类型(如铁芯低压照明变压器和小风扇电机)最适合前缘操作模式,其中,当处于非常低的水平时,建立的半周期负载电流停止,从而避免形成不受欢迎的电压尖峰。容性负载类型最适合尾缘操作模式,其中,施加的开始半周期负载电压以非常缓慢的速度从零开始往上升,从而避免形成不受欢迎的电流尖峰。
在实践中,必须选择适当的调光器用于适当的负载。这需要每种类型的调光器常备有多功能性,且具有将不合适的调光器连接至给定负载的风险。
已经开发出被称为“自适应”或“通用”调光器的改进型调光器电路,该电路既可用于前缘模式也可用于尾缘模式。这减轻了每个调光器类型具有多动能性以投合不同负载的需求,且不需要对不同的负载类型采取特定的安装方式。此外,从制造立场来看,只需要制造一个类型的调光器。
通用调光器设计除了用于保持随后的操作模式的非易失性存储元件外,还结合了一种装置,该装置用于初步判断哪种操作模式适合被连接的负载。
发明内容
根据本发明的第一个方面,提供一种感性负载检测电路,其用于检测对输送至负载的功率进行控制的调光器电路上的感性负载的存在;所述检测电路包括:用于控制输送至负载的功率的开关元件,用于控制开关元件的关闭过渡时间的开关元件控制电路,以及用于检测由关闭过渡和感性负载引起的电压振铃的振铃检测电路,其中,所述开关元件控制电路使得所述开关元件在初期的关闭速率比在稳定状态期的关闭速率更快。
在一种实施方式中,初期关闭速率是稳定状态期关闭速率的2倍。
根据本发明的另一个方面,提供一种检测用于调光器电路的感性负载的存在的方法,所述调光器电路具有至少一个开关装置,所述方法包括:使所述至少一个开关装置在初期比在稳定状态期更快地关闭;检测指示感性负载存在的振铃。
在一种实施方式中,使所述至少一个开关装置在初期的关闭速率是其在稳定状态期的关闭速率的2倍。
根据本发明的另一方面,提供一种调光器电路,该调光器电路包括所述第一个方面的感性负载检测电路。
附图说明
下面将参照附图对本发明的各个方面进行详细说明,其中:
图1A和1B展示了调光器电路的前缘和尾缘操作模式之间的区别;
图2展示了根据本发明一个方面的电路布置;
图3展示了关闭过渡时间从初期到稳定状态期的改变;
图4A和4B展示了由于感性负载的存在引起的振铃效应;
图5A和5B展示了由于感性负载的存在和更快的关闭引起的振铃效应。
具体实施方式
一种可用于检测感性负载的存在、从而确定合适的操作模式的技术为调光器终端电压尖峰形成的检测,该检测与连有感性负载的尾缘模式开关装置关闭过渡相关。本发明申请人的题为“用于调光器的负载检测器”的专利申请PCT/AU2006/001882描述了一种特别改进的方法,本说明书在此结合引用该申请中的全部内容。在这一申请中,通用调光器用振铃电压波形检测技术作为判断负载类型的主要手段。
本申请中描述的本发明的一个方面提供了对这种技术的改进。在一个实施方式中,这通过在初期(即在最开始的100-200ms)将关闭过渡时间降低至正常稳定状态值的50%以下来实现。这导致振铃幅度(通常产生于低导通角处)和电压尖峰(通常产生于更高导通角处)成比例的上升。
在一个实施方式中,所述方法改进了检测(主要以尾缘操作模式工作的通用相位控制调光器中的)感性低压照明铁芯变压器负载类型的灵敏度,但是能够检测超过预定幅度的特征负载电压振铃或尖峰的存在,所述特征负载电压振铃或尖峰与每个线电压半周期之内的功率装置关闭过渡有关,并由与感性负载类型的连接以及因此自动改变成前缘模式所引起,借以允许半周期负载电流自然整流为零,避免负载电压振铃或尖峰。
本发明的技术在电压振铃幅度较低的低导通角情形特别有用。
需要的感性负载检测灵敏度水平与铁芯变压器的漏感大小成反比。
用于(以尾缘模式操作的通用调光器中的)功率半导体的每个线电压半周期内的稳定状态关闭过渡时间的选择值在很大程度上取决于限制相关联的线传导电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)发射电平的总体要求。因此,所述相关联的负载电压振铃或尖峰的幅度在受限范围内多少有些与所述功率装置的关闭速率成正比。因此升高的电压大小可以通过临时提高关闭速率来获得,例如,通过一段时间内(例如大约十个线电压周期)提高所述关闭速率大约2倍,以便使感性负载检测灵敏度得到理想的提高。
但通常不希望提高关闭速率,因为这会增大EMC效应,短时间、初期的高EMC发射的产生在长期内无害,因为EMC要求与稳定状态条件的关系更大些。
本领域技术人员将会理解,通常可通过限制从设备栅极端子除去的电荷速率,即电流,来控制绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)功率半导体(调光器电路中常常使用的开关元件)的关闭过渡时间。这常常通过合适地选择驱动电路内的栅极放电电阻值来实现。可以通过合适的电路布置将额外的电阻切换至栅极驱动电路,来临时性地增大所述栅极关闭电流。
图2展示了一个示例性的电路布置,图中,调光器电路10控制在开关S1的驱使下、从有效线路ACTIVE发送至负载LD的功率。控制开关元件Q3和Q4,在本实施例中为SPA20N60C3型MOSFET装置,用于控制发送至所述负载的功率量。由于施加的功率为交流(AC)型,因此每个开关元件Q3和Q4轮流控制不同极性的功率发送,并每隔半个周期从正性切换至负性,这些本领域技术人员都能理解。
供应给调光器10的功率由整流线路电压提供,该整流线路电压由二极管D1、D2、D3和D4提供。电力供应电流源11提供电流给分流稳压器,以建立低压直流母线。
MOSFET栅极驱动闩锁12可触发,以开始用于MOSFET传导的栅极驱动。所述闩锁可被重置,以终止用于MOSFET钝化的栅极驱动。“ON”(打开)输出是开集上拉至用于栅极开启事件的直流母线电压。互补的“OFF”(关闭)输出是开集下拉至用于栅极关闭事件的0V参考电压。导通角时控电路13,起开关元件控制电路的作用(或部分作用),包含线电压过零检测电路和时间控制,可配置用于尾缘或前缘调光器操作模式。
感性负载振铃/尖峰检测电路14感知每个线电压半周期中负载电压振铃或尖峰的存在,其中,调光器10最初以具有感性负载类型的尾缘模式运转,从而导致所述导通角时控电路改变操作至前缘模式。振铃频率由电容C2和感性负载之间的相互作用决定。
题为“用于调光器的负载检测器”的专利文献PCT/AU2006/001882描述了一种示例性电路,该电路能够用于感性负载振铃/尖峰检测电路,该文献在上文有提及并由本说明书将其全文予以引用。
当调光器10以前缘模式工作时,MOSFET整流控制电路15能够检测负载电流过零,以便重置所述MOSFET栅极驱动闩锁。
对于每个半周期,所述MOSFET整流控制电路15只有当所述调光器10处于前缘模式时才在负载电流过零的瞬间关闭所述MOSFET。本发明申请人的题为“调光器电路中的电流过零检测器”的专利申请PCT/AU2006/001883描述了用于这一目的的合适的电路的一个例子,该申请的内容在此全文予以引用。
下面参考图2来描述电路的操作。
在尾缘模式调光器操作过程中,所述MOSFET栅极驱动闩锁12在每个线电压时刻经由导通角时控电路13被触发。在触发之前,“ON”输出具有高阻抗状态,而“OFF”输出具有通向0V参考电压的低阻抗路径。闩锁“ON”输出时至直流母线水平的高过渡导致电流通过电阻R1以激活MOSFET Q3和Q4。
在本半周期传导时间结束时,导通角时控电路13将MOSFET栅极驱动闩锁12重置,导致拉低的“OFF”输出,和具有高阻抗状态的“ON”输出。
在稳定状态调光器操作过程中,栅极放电电流路径经过R2和Q1发射极-基极交汇处。首先在开关S1关闭之后通电,由于C1经由R4的放电提供的驱动电流,晶体管Q2即刻运行大约10个线电压周期。因此,最初的栅极放电电流路径包括R2和R3,从而使MOSFET关闭过渡时间由于启动时间而减少。
图3展示了过渡时间从启动时到稳定状态时的改变。从图中可以看出,例如在最初的10个周期中,所述关闭过渡时间约为20μs,而在稳定状态时,所述关闭过渡时间约为50μs。当然,可以理解的是,这些时间可以根据需求改变。例如,初期的关闭过渡时间的时间选择可在基本瞬时关闭至更高之间变化。相应地,初期的关闭速率至少可为稳定状态值的约150%。类似地,选择用于初期的时间长度或周期数可为1~50个周期或更多。
另外,初期的关闭过渡时间事实上可在后来的周期中改变,从例如10μs、20μs、30μs、40μs上升至稳定状态的50μs。
更快的关闭过渡时间导致更大幅度的电压振铃/尖峰越过调光器线和负载终端。感性负载检测器在若干个连续流逝的线电压周期之后启动前缘模式,其间检测到振铃/尖峰。
图4和5展示了随着关闭过渡时间的改变,从初期至稳定状态期振铃的不同。
图4A和4B展示了随着TE调光器以稳定状态关闭速率关闭时,越过所述调光器的电压。
图5A和5B展示了随着TE调光器在初期以比稳定状态关闭速率更快(例如2倍)的关闭速率关闭时,越过所述调光器的电压。从图中可以看出,初期振铃的幅度大于稳定状态下振铃的幅度。
当然可以理解的是,本发明的技术不限于使用整流控制电路15,例如如果驱动单个开关时。
本领域技术人员将会理解,本发明不限于以上描述的具体用途。本发明不限于与文字描述或附图描绘的特定元件和/或技术特征有关的优选实施方式。可在不脱离本发明原理的基础上做出多种改变。因此,本发明的范围应被理解为包括所有这些改变。
例如,虽然展示了使用IGBT和MOSFET开关装置的情况,但本发明也可同样使用其它开关装置如双极晶体管。
在整个说明书和权利要求书中,除非行文另有需要,否则词语“包括”和“包含”等都应理解为包括一定成分、但不排除其它成分的意思。
本说明书对任何现有技术的引用均不应被视为承认这些现有技术为公知常识。
Claims (5)
1.一种用于检测调光器电路上的感性负载的存在的感性负载检测电路,所述调光器电路用于控制输送至所述负载的功率;所述检测电路包括:用于控制输送至负载的功率的开关元件;用于控制开关元件的关闭过渡时间的开关元件控制电路;以及用于检测由关闭过渡和感性负载引起的电压振铃的振铃检测电路;其中,所述开关元件控制电路使得所述开关元件在初期比在稳定状态期更快地关闭,其中,开关元件在初期的关闭过渡时间小于或等于其在稳定状态期的关闭过渡时间的50%,且所述初期为1~50个周期。
2.根据权利要求1所述的感性负载检测电路,其特征在于:所述初期的关闭过渡时间是稳定状态期关闭过渡时间的50%。
3.一种检测用于调光器电路的感性负载的存在的方法,所述调光器电路具有至少一个开关装置,所述方法包括:使所述至少一个开关装置在初期比在稳定状态期更快地关闭;以及检测指示感性负载存在的振铃,其中,所述开关装置在初期的关闭过渡时间小于或等于其在稳定状态期的关闭过渡时间的50%,且所述初期为1~50个周期。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:使所述至少一个开关装置在初期的关闭过渡时间是其在稳定状态期的关闭过渡时间的50%。
5.一种调光器电路,包括如权利要求1或2所述的感性负载检测电路。
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