CN101909396A - 一种电子镇流器及其过压钳位保护方法 - Google Patents

一种电子镇流器及其过压钳位保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电子镇流器及其过压钳位保护方法，通过钳位与谐振电感器磁耦合的耦合电感器两端的电压，来实现过压保护。该电子镇流器的过压保护响应速度快，而且安全系数高，布线容易，抗干扰能力强。

Description

一种电子镇流器及其过压钳位保护方法
技术领域
本发明涉及一种电子镇流器，尤其涉及一种电子镇流器及其过压钳位保护方法。
背景技术
气体放电灯，如荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等，通常需要电子镇流器提供交流驱动电压以使其正常工作。一般地，电子镇流器以电网或电池作为供电电源，将接收到的交流电网电压或直流电池电压转换为一直流输入电压，再通过逆变电路将该直流输入电压转换为所需的交流驱动电压。
气体放电灯在不同的工作阶段需要的驱动电压不同，其在点火阶段需要较高的驱动电压(根据灯的特性和应用场合的不同由几百伏到几万伏不等)，而在稳态下的工作电压则比较低(例如小于200伏)。气体放电灯的端电压不能过高，以免造成灯及其他元器件的损坏。常用的过压保护方法为采样气体放电灯的端电压并产生一电压采样信号。若该电压采样信号大于一预设值，则判断为存在过电压情况，并采取相应的过压保护措施，例如关闭逆变电路。由于采样电路和过压保护电路造成的延时，采用该方法的电子镇流器响应速度慢。此外，该方法需要高压电容器或高压电阻器来进行采样，其印刷电路板高压部分的面积大，安全系数低，且对器件间的安全绝缘距离有较高要求，不利于电子镇流器的小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种响应速度快且安全系数高的电子镇流器及其过压钳位保护方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电子镇流器，包括：电压变换电路，其输出端提供被调节的直流输入电压；逆变电路，电耦接至所述电压变换电路，包括至少一个开关，通过所述至少一个开关的导通与关断将所述直流输入电压转换为开关电压；谐振电路，电耦接在所述逆变电路与气体放电灯之间，包括第一电容器、第二电容器和第一电感器，将所述开关电压转换为交流驱动电压以驱动气体放电灯，其中所述第一电容器和第一电感器串联耦接至所述气体放电灯，所述第二电容器与所述气体放电灯并联；第二电感器，与所述第一电感器磁耦合；以及钳位电路，并联连接至所述第二电感器，将所述第二电感器两端的电压限制至小于或等于一阈值。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种电子镇流器的过压钳位保护方法，包括：通过电压变换电路提供被调节的直流输入电压；通过逆变电路将所述直流输入电压转换为开关电压；通过包括第一电感器、第一电容器和第二电容器的谐振电路将所述开关电压转换为交流驱动电压以驱动气体放电灯，其中所述第一电容器和第一电感器串联耦接至所述气体放电灯，所述第二电容器与所述气体放电灯并联；将第二电感器磁耦合至所述第一电感器；以及通过钳位电路将所述第二电感器两端的电压限制至小于或等于一阈值。
本发明采用上述结构的电路和/或上述方法，通过钳位与谐振电感器磁耦合的耦合电感器两端的电压来实现过压保护，无需高压电容器或电阻器来进行采样，其过压保护响应速度快，而且电子镇流器的印刷电路板高压部分的面积小、安全系数高、布线容易，且抗干扰能力强。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
图1为本发明电子镇流器的框图；
图2为本发明电子镇流器的第一实施方式的电路图；
图3为本发明电子镇流器的第二实施方式的电路图；
图4为本发明电子镇流器的第三实施方式的电路图；
图5为本发明电子镇流器的过压钳位保护方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
图1为本发明电子镇流器的框图，包括电压变换电路101、逆变电路102、谐振电路103、以及过压钳位保护装置，其中过压钳位保护装置包括耦合电感器Lcouple和钳位电路104。电压变换电路101接收来自于电网或电池的交流或直流输入电压Vin，并将其转换为直流输入电压Vdc。电压变换电路101可包含整流桥、直流/直流变换电路、交流/直流变换电路中的一个或者其中几个的组合。逆变电路102电耦接至电压变换电路101，包括至少一个开关，通过该至少一个开关的导通与关断将直流输入电压Vdc转换为开关电压Vsw。逆变电路102可采用任何直流/交流变换拓扑结构，例如全桥拓扑结构、半桥拓扑结构等。
谐振电路103电耦接在逆变电路102和气体放电灯之间，将开关电压Vsw转换为交流驱动电压Vout以驱动气体放电灯。谐振电路103包括串联电容器Cs、电感器L和并联电容器Cp。串联电容器Cs和电感器L与气体放电灯串联耦接，并联电容器Cp与气体放电灯并联。在图1中，串联电容器Cs串联连接在逆变电路102的一个输出端和电感器L的一端之间，并联电容器Cp和灯并联连接在电感器L的另一端和逆变电路的另一个输出端之间。但本领域技术人员可知，串联电容器Cs、电感器L和并联电容器Cp之间也可采用其他连接方式。
耦合电感器Lcouple与电感器L磁耦合。耦合电感器Lcouple与电感器L两端的电压呈比例关系，该比例关系由二者的绕线匝数决定。钳位电路105并联连接至耦合电感器Lcouple，将耦合电感器Lcouple两端的电压钳位至一阈值Vth，即，使该电压限制至小于或者等于阈值Vth。耦合电感器Lcouple两端的电压钳位阈值Vth与钳位电路104的结构、钳位电路104的组成器件的参数、耦合电感器Lcouple与电感器L的匝比等相关，一般可根据实际保护设计方案及要求经过多次试验来确定。
由于串联电容器Cs、并联电容器Cp与电感器L处于谐振状态，当电感器L两端电压的幅值也增大，灯两端电压的幅值增大，反之亦然。因而通过钳位耦合电感器Lcouple两端的电压，可钳位电感器L两端的电压，从而使灯两端的电压得到限制。本发明无需高压电容器或电阻器进行采样，因而过压保护响应快，且电子镇流器的印刷电路板高压部分的面积小、安全系数高，布线容易，抗干扰能力强。
为了简化起见，以下各实施方式的电路图中均不再示出电压变换电路101。图2为本发明电子镇流器的第一实施方式的电路图，其中逆变电路202采用半桥拓扑结构，包括串联连接的开关S1和S2。钳位电路204包括背靠背连接的TVS(瞬态电压抑制，Transient Voltage Suppressor)二极管D1和D2。TVS二极管D1和D2的阳极电耦接在一起，阴极分别电耦接至所述第二电感器L的两端。
TVS二极管是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。TVS二极管具有响应时间快、瞬态功率大、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。
图2中，若电子镇流器发生过压，使电感器L两端的电压突然增大，导致耦合电感器Lcouple两端的电压也突然增大。由于ZVS二极管D1和D2的作用，耦合电感器Lcouple两端的电压被迅速钳位至ZVS二极管的击穿电压与导通电压(相比前者可忽略)之和，从而电感L两端的电压也被钳位，使电子镇流器和气体放电灯均得到快速的保护。
逆变电路202采用基于开关频率调制的输入平均电流控制。电流采样电路205包括电连接在开关S2与地之间的采样电阻器Rsense以及由电阻器和电容器组成的滤波电路。电流采样电路205输出的电流采样信号Isense代表流过电感器L电流的平均值。误差放大器ERR_AMP的同相输入端接收参考电压Ref，反相输入端电连接至电流采样电路205以接收电流采样信号Isense，输出端提供补偿信号COMP。压控振荡器206电耦接至误差放大器ERR_AMP的输出端，根据补偿信号COMP调节其输出的控制信号CTRL的频率。该控制信号CTRL的占空比通常为50％。开关S1的门极电耦接至压控振荡器206以接收控制信号CTRL。非门NOT1的输入端电耦接至压控振荡器206以接收控制信号CTRL，输出端电耦接至开关S2的门极。扫频电路207电耦接至压控振荡器206，在点火阶段调节控制信号CTRL使开关S1和S2的开关频率从一较高值(大于谐振电路的谐振频率)逐渐降低，从而在灯两端产生高电压以将其点亮。
为了限制流过ZVS二极管D1和D2的电流，可在该两个ZVS二极管构成的回路中串联一电阻器。
图3为本发明电子镇流器的第二实施方式的电路图，其中逆变电路302也采用半桥拓扑结构。钳位电路304包括由二极管D3～D6组成的全桥整流电路。该全桥整流电路的输入端电耦接至耦合电感器Lcouple的两端，输出端电耦接至一直流总线。该直流总线可提供基本恒定不变的直流电压。该直流总线可来自于电子镇流器内部，例如由电压变换电路的输出或电子镇流器的辅助电源所提供，也可能来自于电子镇流器外部。
图3中，若电子镇流器发生过压，使电感器L两端的电压突然增大，导致耦合电感器Lcouple两端的电压也突然增大。由于二极管D3～D6组成的全桥整流电路的作用，耦合电感器Lcouple两端的电压被钳位至直流总线上的直流电压与两倍的二极管导通电压(相比前者可忽略)之和，从而电感L两端的电压也被钳位，使电子镇流器和气体放电灯均得到充分的保护。
图4为本发明电子镇流器的第三实施方式的电路图，其中逆变电路采用全桥拓扑结构，钳位电路304包括由二极管D7和D8组成的全波整流电路。该全波整流电路的输入端电耦接至耦合电感器Lcouple的两端，输出端电耦接至电压变换电路的输出端，即逆变电路的输入端。
图4中，若电子镇流器发生过压，使电感器L两端的电压突然增大，导致耦合电感器Lcouple两端的电压也突然增大。由于二极管D7和D8组成的全波整流电路的作用，耦合电感器Lcouple两端的电压终被钳位至直流输入电压Vdc与二极管导通电压(相比前者可忽略)之和，从而电感L两端的电压也被钳位，谐振能量被回馈至直流母线，使电子镇流器和气体放电灯均得到快速的保护。
图3和图4所示的电子镇流器也可使用与图2所示相同的压控方式和扫频点火方法。此外，为了限制流过图3和图4中整流电路的电流，还可将一电阻器串联连接至该整流电路。
图5为本发明电子镇流器的过压钳位保护方法的流程图，包括步骤A～E。
步骤A，通过电压变换电路提供被调节的直流输入电压。
步骤B，通过逆变电路将该直流输入电压转换为开关电压。
步骤C，通过谐振电路将开关电压转换为交流驱动电压以驱动气体放电灯，其中该谐振电路包括第一电感器、第一电容器和第二电容器。第一电容器和第一电感器串联耦接至气体放电灯，第二电容器与所述气体放电灯并联。
步骤D，将第二电感器磁耦合至第一电感器。
步骤E，通过钳位电路将第二电感器两端的电压限制至小于或等于一阈值。
在一个实施方式中，钳位电路包括第一TVS二极管和第二TVS二极管，该两个TVS二极管的阳极电耦接在一起，阴极分别电耦接至第二电感器的两端。为了限制流过第一和第二TVS二极管的电流，还可将一电阻器与该两个TVS二极管串联。
在另一个实施方式中，钳位电路包括整流电路，该整流电路的输入端电耦接至第二电感器，输出端电耦接至一直流总线。该直流总线可能来自于电子镇流器内部，例如由电压变换电路的输出或电子镇流器的辅助电源所提供，也可能来自于电子镇流器外部。该整流电路可为全桥整流电路或全波整流电路。为了限制流过整流电路的电流，还可将一电阻器串联连接至该整流电路。
在一个实施方式中，该过压钳位保护方法还包括：采样逆变电路的输入电流，并产生与该电流相关的电流采样信号；将参考电压与该电流采样信号的误差进行放大积分，得到补偿信号；以及根据该补偿信号产生控制信号以调节逆变电路的开关频率。
在一个实施方式中，该过压钳位保护方法还包括在点火阶段调节控制信号使逆变电路的开关频率由高到低变化。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种电子镇流器，包括：
电压变换电路，其输出端提供被调节的直流输入电压；
逆变电路，电耦接至所述电压变换电路，包括至少一个开关，通过所述至少一个开关的导通与关断将所述直流输入电压转换为开关电压；
谐振电路，电耦接在所述逆变电路与气体放电灯之间，包括第一电容器、第二电容器和第一电感器，将所述开关电压转换为交流驱动电压以驱动气体放电灯，其中所述第一电容器和第一电感器串联耦接至所述气体放电灯，所述第二电容器与所述气体放电灯并联；
第二电感器，与所述第一电感器磁耦合；以及
钳位电路，并联连接至所述第二电感器，将所述第二电感器两端的电压限制至小于或等于一阈值。
2.如权利要求1所述的电子镇流器，其中所述钳位电路包括第一瞬态电压抑制二极管和第二瞬态电压抑制二极管，所述第一瞬态电压抑制二极管和第二瞬态电压抑制二极管的阳极电耦接在一起，阴极分别电耦接至所述第二电感器的两端。
3.如权利要求2所述的电子镇流器，其中所述钳位电路还包括一电阻器，与所述第一瞬态电压抑制二极管和第二瞬态电压抑制二极管串联。
4.如权利要求1所述的电子镇流器，其中所述钳位电路包括：
整流电路，电耦接至所述第二电感器，对所述第二电感器两端的电压进行整流，所述整流电路的输出端电耦接至一直流总线。
5.如权利要求4所述的电子镇流器，其中所述整流电路的输出端电耦接至所述电压变换电路的输出端。
6.如权利要求5所述的电子镇流器，其中所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。
7.如权利要求5所述的电子镇流器，其中所述钳位电路还包括一电阻器，与所述整流电路串联。
8.如权利要求1至7中任一项所述的电子镇流器，还包括：
电流采样电路，电耦接至所述逆变电路，采样所述逆变电路的输入电流，并产生与该电流相关的电流采样信号；
误差放大器，其同相输入端接收参考电压，其反相输入端电耦接至所述电流采样电路以接收所述电流采样信号，其输出端提供补偿信号；以及
压控振荡器，电耦接至所述误差放大器的输出端，根据所述补偿信号产生控制信号，以调节所述至少一个开关的开关频率。
9.如权利要求8所述的电子镇流器，还包括：
扫频电路，电耦接至所述压控振荡器，在点火阶段调节所述控制信号使所述开关频率由高到低变化。
10.一种电子镇流器的过压钳位保护方法，包括：
通过电压变换电路提供被调节的直流输入电压；
通过逆变电路将所述直流输入电压转换为开关电压；
通过包括第一电感器、第一电容器和第二电容器的谐振电路将所述开关电压转换为交流驱动电压以驱动气体放电灯，其中所述第一电容器和第一电感器串联耦接至所述气体放电灯，所述第二电容器与所述气体放电灯并联；
将第二电感器磁耦合至所述第一电感器；以及
通过钳位电路将所述第二电感器两端的电压限制至小于或等于一阈值。
11.如权利要求10所述的过压钳位保护方法，其中所述钳位电路包括第一瞬态电压抑制二极管和第二瞬态电压抑制二极管，所述第一瞬态电压抑制二极管和第二瞬态电压抑制二极管的阳极电耦接在一起，阴极分别电耦接至所述第二电感器的两端。
12.如权利要求11所述的过压钳位保护方法，其中所述钳位电路还包括一电阻器，与所述第一瞬态电压抑制二极管和第二瞬态电压抑制二极管串联。
13.如权利要求10所述的过压钳位保护方法，其中所述钳位电路包括：
整流电路，电耦接至所述第二电感器，对所述第二电感器两端的电压进行整流，所述整流电路的输出端电耦接至一直流总线。
14.如权利要求13所述的过压钳位保护方法，其中所述整流电路的输出端电耦接至所述电压变换电路的输出端。
15.如权利要求13所述的过压钳位保护方法，其中所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。
16.如权利要求13所述的过压钳位保护方法，其中所述钳位电路还包括一电阻器，与所述整流电路串联。
17.如权利要求10-16中任一项所述的过压钳位保护方法，还包括：
采样所述逆变电路的输入电流，并产生与该电流相关的电流采样信号；
将参考电压与所述电流采样信号的误差进行放大积分，得到补偿信号；以及
根据所述补偿信号产生控制信号以调节所述逆变电路的开关频率。
18.如权利要求17所述的过压钳位保护方法，还包括：
在点火阶段调节所述控制信号使所述开关频率由高到低变化。
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