CN101978590A - 双极电源控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制具有双极结型晶体管的变流器的电路，通过在变压器上使用控制绕阻，为双极结型晶体管提供基极驱动。该控制器能够控制所述控制绕阻的电流，因此其可以改变所述电流的电流方向或停止振荡。所述电路可以提供单向短路以防止变换电流方向，而且还可以提供一初始功率脉冲来控制所述变流器的启动或运行。

Description

双极电源控制器
技术领域
本发明涉及一种开关式电源，特别是指一种自激振荡变流器(自激振荡功率变换器)。本发明尤其适用但不仅限于荧光灯照明镇流器。
背景技术
双极结型晶体管(BJTs，Bipolar Junction Transistors)因其较低的成本，常被用作开关式电源(SMPSs，Switched Mode Power Supplies)的开关。使用双极结型晶体管的开关式电源通常被设计为利用电感器和电容器进行自激振荡，除了在启动开关式电源时以外，无需外部控制其开/关。在所述开关式电源中，包含有绕阻的变压器与双极结型晶体管负载电流串联，并通过副绕阻提供双极结型晶体管基极电流。所述开关式电源能够作为电子镇流器应用于荧光灯照明。
图1为基于双极结型晶体管的自激振荡电子镇流器2的基本组成的电路原理图。将双极结型晶体三极管4、6串连在一起，以便在电压线路10和12之间形成一中间点8。将负载绕阻14连接在中间点8和负载16之间。将激励绕阻18、20分别连接到双极结型晶体三极管4、6的基极引出端，并将它们缠绕在负载绕阻14的铁芯上，以使这三个环绕在所述铁芯周围的绕阻起到变压器的作用。图1示出的实心点表明所述三个绕阻彼此之间以通常的方式在铁芯上的定位。所述双极结型晶体管与续流二极管22、24并联，并允许负载电流在所述双极结型晶体管已切换、但电流还未被换向的期间流动。可选地是，所述续流二极管可以与双极结型晶体管4、6的基极相连接。所述负载16包括电抗性的、电容性的和/或电阻性的元件。所述电路通常是由负载16与低电压线12和/或高电压线10之间的线路组成的。所述电路的一般改型还包括与各个双极结型晶体管串联的电阻的使用，以便在高强度电流环境下帮助关闭双极结型晶体管4、6。其他电路包括与双极结型晶体管4、6基极串联的电阻，以便控制振荡频率。
一般地，通过向双极结型晶体管6的基极提供大电流以便能够快速、彻底地将其启动，来完成所述电路的启动。完成上述启动常用的手段为使用双向开关二极管，在此不再赘述。当双极结型晶体管6被触发时，中间点8处的电压迅速达到低电压线12处的电压，使电流流经负载16。随着上述过程的发生，电流流经负载绕阻14并离开该处实心点，引起激励绕阻20中的电流流向其实心点，从而向双极结型晶体管6的基极提供更多的电流以使其处于接通状态。与此同时，激励绕阻18中的电流流向其实心点，因此引导电流远离双极结型晶体管4的基极，以使其处于关闭状态。
随着流经负载绕阻14的负载电流的增大，磁化电流也同样增大，导致激励绕阻20中的电流不会像所述负载电流那样迅速增大。这意味着双极结型晶体管6的基极电流也不会像所述负载电流那样迅速增大。最终，负载电流与基极电流之比将超过双极结型晶体管6的增益，这将引起双极结型晶体管6开始关闭。随着双极结型晶体管6的关闭，其流经电流被限制，因此流经负载绕阻14的电流开始穿过续流二极管22。负载电流开始减弱，最终换向，从而使负载绕阻14中的电流改变方向。此时，激励绕阻20中的电流从双极结型晶体管6的基极流出，激励绕阻18中的电流流向双极结型晶体管4的基极，从而使双极结型晶体管4开始从所述负载流向所述高电压线10传导电流。最终，像关闭双极结型晶体管6一样，关闭双极结型晶体管4，经过所述负载的电流再一次换向，接着双极结型晶体管6又开始传导。
上述自激振荡发生在取决于上述元件属性的某一频率上，例如所述电路中的电感，电阻和晶体管。然而，很难准确控制上述元件的容许偏差，且所需费用颇高。这样，会产生不同电路间对于所需任务或高或低的、不可预计的自激振荡发生频率。
近年来，对于电子镇流器做出的一个普通改变，是由对双极结型晶体管的应用转移至对场效应晶体管(FET，Field Effect Transistor)的应用。由于场效应晶体管是由电压激活的，而非电流，因此相对于双极结型晶体管，场效应晶体管能够提供更大范围的控制。因此，场效应晶体管已经广泛应用于紧凑型荧光灯(CFL，CompactFluorescent Lamp)的集成镇流器中。正是由于易于控制，使得紧凑型荧光灯产品具有经改进的启动特点和较长的使用寿命。然而，场效应晶体管要比双极结型晶体管昂贵，这就使场效应晶体管的应用增加了紧凑型荧光灯的制造成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能够较好控制应用在自激振荡变流器中的双极结型晶体管的装置及方法。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种控制器，其用于控制以双极结型晶体管作为开关的变流器，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，所述控制器具有电流控制元件，所述电流控制元件包括：第一、第二控制绕阻线路，用于与所述负载和激励绕阻磁性耦合的控制绕阻的连接；第一、第二双向电子开关，彼此于所述第一、第二控制绕阻线路间串联设置；以及，与所述第一双向电子开关并联的第一二极管。
优选地是，在所述第一、第二双向电子开关与其各自的控制绕阻线路之间，设置有电通道，且所述电通道没有设置二极管。所述第一、第二双向电子开关允许所述控制器在所述控制绕阻两端建立一个双向短路。由于所述控制绕阻磁性耦合于所述激励绕阻，这使其可在所述激励绕阻中建立有效的短路。因此，如果所述双极结型晶体管在启动状态下，可以使电流从其基极流出。二极管具有内部电压降。如果所述电通道上的二极管形成双向短路，则所述控制绕阻两端的最低电压至少为所述二极管的电压降。因此，在所述激励绕阻两端的电压低于所述二极管两端的电压降时(假设控制绕阻与激励绕阻之间的匝比为1∶1)，所述激励绕阻中建立的有效短路不会发生。即便是所述激励绕阻两端的电压高于所述二极管两端的电压降，也会降低关断的效果。同样，在所述控制绕阻两端的双向短路通道上的二极管需要较高的控制绕阻与激励绕阻的匝比，以便建立具有低压短路能力的有效短路。然而，增加匝比会产生与所述绕阻有关的较大量的漏电感，因此所述短路占用的传导时间越长，其效率就越低。所以，不用二极管可以使一个高效的短路不需要过多的绕阻。
优选地是，所述控制器包括用于控制所述第一、第二双向电子开关的控制单元。例如，所述控制单元可以有选择地将所述第一、第二双向电子开关全部闭合，以便在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供双向短路，从而使所述控制绕阻两端短路。
优选地是，所述控制单元可以有选择地断开所述第一双向电子开关，并闭合所述第二双向电子开关。以便在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供单向短路(经过所述第一二极管)，从而使所述控制绕阻两端短路。此短路按照与上述双向短路相似的方式，在所述激励绕组中建立一有效的单向短路，所以在同一时间只允许电流流向或流出所述双极结型晶体管的基极。在所述变流器具有两个半桥接的双极结型晶体管的情况下，所述双极结型晶体管各自激励绕组的每个极性与另一个相反。在如此配置情况下，之前建立的所述单向短路在不允许电流从其中一个双极结型晶体管的基极中流出的同时，防止电流流向另一个双极结型晶体管的基极。
可选地是，所述控制单元可以将所述第一、第二双向电子开关全部断开，以便电动断开所述第一、第二控制绕阻线路，从而移除来自于所述变流器控制器的所有控制输入。这种能力可使所述控制器适于用在自激振荡变流器(SOPC，Self-oscillating Power Converter)。自激振荡变流器是一种利用穿过所述负载绕阻的电流触发凭借激励绕阻作为其开关的所述双极结型晶体管。所述激励绕阻与所述双极结型晶体管的基极相连接。自激振荡变流器可以包括，例如两个或四个半桥接或完全桥接于两条电源线之间、位于所述负载周围的双极结型晶体管。每个双极结型晶体管都有其自己的激励绕阻，该激励绕阻与双极结型晶体管的基极相连接，并与负载绕阻磁性耦合，所述负载绕阻与负载串联。自激振荡变流器一旦被启动，例如，通过触发其中一个带有双向开关二极管的双极结型晶体管，流经所述负载绕阻的电流在所述激励绕阻中产生足够大的电流，以接通其中一个所述双极结型晶体管。在这一阶段中，穿过负载绕阻的电流在负载电流穿过的所述双极结型晶体管的激励绕阻中产生电流，从而闭锁该双极结型晶体管。由于所述负载电流增加了，在所述负载绕阻中充当磁化电流的比例增加了，导致流向导电双极结型晶体管的基极电流不如集电器射极电流增加的快。结果，双极结型晶体管所需的增益要多于其能够提供的增益(此现象会发生在由所述绕阻构成的变压器饱和前后)，然后双极结型晶体管开始关闭。负载电流可以穿过续流二极管，最终导致基极电流进一步减少直至双极结型晶体管关闭。在所述负载电流最终变换了电流方向之后，流经所述负载绕阻的电流改变了方向，引起电流向相反方向流入所述激励绕阻，接通这一对双极结型晶体管中的另一个。由于通过所述负载绕阻的电流增加了，闭锁该双极结型晶体管并完全关闭了之前触发的双极结型晶体管。假设上述的一对双极结型晶体管为完全相同的两个元件，那么这对双极结型晶体管中的占空比大体上为50∶50。
一旦所述自激振荡变流器已经启动并允许连续不受控制的振荡，即允许自激振荡变流器自激振荡，则所述控制器电动断开控制绕阻，允许所述控制绕阻“后退一步”。毫无疑问地，可以在任意时候恢复对所述自激振荡变流器的控制，或者在自激振荡变流器启动后为避免其失控运行，可以继续对其进行控制。
有益地是，所述控制器的电流控制元件进一步包括第三双向电子开关，其设置于第一电源线路和所述第一控制绕阻线路之间。这样设置允许电流流经所述控制绕阻，从而在所述激励绕阻中产生相应的电流。这样做，所述控制器可以通过所述激励绕阻中流向一个或多个双极结型晶体管基极的电流，启动自激振荡变流器类型的变流器。无论在何种情况下，这种方法都允许所述变流器促进双极结型晶体管的接通，如果流经负载的电流不足以引起自激振荡，上述方法对驱动变流器是很有帮助的。在使用上述方法驱动接通了一个双极结型晶体管的同时，凭借这两个双极结型晶体管绕阻的不同极性驱动闭合这其中的另一个双极结型晶体管。这种方法对强制快速改变变流器中电流的方向很有帮助。
优选地是，所述控制单元可以用于控制第三双向电子开关，以在所述第一电源线路与第一控制绕阻线路之间设置一可选连接线路。
有益地是，所述控制器的电流控制元件进一步包括第四双向电子开关，其设置于所述第一电源线路和所述第二控制绕阻线路之间。这样设置允许所述控制器可选择地从另一方向传递流经所述控制绕阻的电流，所述另一方向是与第三双向电子开关闭合时电流流动的方向相比而言的。所述控制器使用第四双向电子开关通过改变上述两个双极结型晶体管的接通顺序，即先接通在上述过程中后接通的双极结型晶体管，可以从相对于使用第三双向电子开关启动变流器的另一方向，启动所述变流器。
优选地是，所述控制单元可以用于控制所述第四双向电子开关有选择地在所述第一电源线路和第二控制绕阻线路之间设置连接线路。
代表性地设置所述控制单元有选择地闭合第三或第四双向电子开关，以控制所述控制绕阻中的电流方向。这样做，可以使所述控制器通过慎重驱动所述双极结型晶体管接通或关闭，来完全控制自激励振荡变流器中的振荡。也可以在启动变流器时，所述控制器使电流从任何一方向上流经所述负载。
所述控制器包括设置于所述第一双向电子开关和第二双向电子开关之间的第二电源线路。这样一来，从所述第一电源线路流出的电流可流经所述控制绕阻到达第二电源线路，反之亦然。这样设置，需要在闭合第三或第四双向电子开关以提供电流时，闭合第一、第二双向电子开关其中之一，但是要防止从某一电源线路流出的电流，不经过所述控制绕阻便流入其他电源线路中。上述4个开关同样可以用来放掉施加于电源线路的所有剩余功率，比如过电压，经过所述控制绕阻将其传递给双极结型晶体管。这样的配置意味着，只要第一和第二开关打开，则第三和第四开关可以被关闭以在控制绕组两端形成双向短路，前提是只要开关是双向的。
可选地是，所述控制器进一步包括与所述第二双向电子开关并联的第二二极管。所述第二二极管需要与第一二极管阴极对阴极或阳极对阳极设置，以避免在控制绕阻两端产生持续单向短路。所述控制单元可选地闭合第一双向电子开关，并断开第二双向电子开关，从而在所述控制绕阻的两端提供一经过所述第二二极管、与前述单向短路方向相反的单向短路。允许控制器通过持续不断地防止电流流向其中一个双极结型晶体管的基极，对自激励振荡变流器施加有力的控制，从而使其保持关闭状态，就此使其降低振荡频率。
根据本发明第二方面提供的一种用于控制以双极结型晶体管作为开关的变流器的控制器，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，所述控制器具有电流控制元件，该电流控制元件包括：第一、第二控制绕阻线路，用于与负载和激励绕阻磁性耦合的控制绕阻的连接；以及第一双向电子开关，以场效应晶体管的形式设置于所述第一、第二控制绕阻线路之间，用于在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供不包括二极管的双向短路。
上述配置允许所述控制器在前述的控制绕阻两端提供简单、有效的双向短路。在自激振荡变流器中，该短路允许电荷从双极结型晶体管的基极流出，然后关闭双极结型晶体管，从而引起电流转换方向。然后，可以通过断开第一双向电子开关移除所述短路，从而使经过转换方向的负载电流打开其中的一个双极结型晶体管。可选择地，可以维持所述短路，以便停止自激振荡变流器中的振荡。
优选地是，所述电流控制元件进一步包括第二双向电子开关，其设置在第一电源线路和所述第一控制绕阻线路之间。这样配置具有先前描述的允许所述控制器激励或初始化自激振荡变流器的振荡的优点。
根据本发明第三方面提供的一种用于控制以双极结型晶体管作为开关的变流器的控制器，该双极结型晶体管的基极与激励绕阻连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，所述控制器具有电流控制元件，该电流控制单元包括第一、第二控制绕阻线路，用于与负载和激励绕阻磁性耦合的控制绕阻的连接；第一双向电子开关，其设置于所述第一、第二控制绕阻线路之间，用于在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供双向短路；以及第二双向电子开关，其设置于第一电源线路和所述第一控制绕阻线路之间。
优选地是，在所述第一双向电子开关和每个第一、第二控制绕阻线路之间，设置有电通道，所述电通道在该位置没有设置二极管。这会产生一个非常有效的、带有前述有益效果的闭合所述第一双向电子开关的双向短路。
本发明第二或第三方面中描述的所述控制器进一步包括用于控制所述第一、第二双向电子开关的控制单元。
优选地是，所述控制单元可以控制所述第一双向电子开关有选择地闭合，以便在所述第一、第二控制绕阻线路中提供双向短路，因此该双向短路跨接在连接于所述第一、第二控制绕阻线路之间的控制绕阻的两端。
优选地是，所述控制单元可以控制所述第二双向电子开关有选择地在第一电源线路和第一控制绕阻线路之间提供一连接线路，从而使所述控制器能够初始化附加的自激振荡变流器中的振荡，并激励在其中的一个双极结型晶体管。
有益地是，所述电流控制元件进一步包括第三双向电子开关，其耦合在所述第一电源线路和所述第二控制绕阻线路之间。这使所述控制器可以激励所述变流器中的其他双极结型晶体管。
优选地是，所述控制单元可以控制所述第三双向电子开关有选择地在第一电源线路和第二控制绕阻线路之间提供一连接线路。
有益地是，所述电流控制元件进一步包括第四双向电子开关，其与所述第一双向电子开关串联设置在所述第一、第二控制绕阻线路之间；以及第一二极管，其与所述第一双向电子开关并联。这使所述控制器可以在所述第一、第二控制绕阻线路之间，以之前描述的方式建立经过所述第一二极管的单向短路，同时通过闭合第四、第一双向电子开关来保持建立双向短路的性能。
优选地是，设置所述控制单元可以控制所述第一、第四双向电子开关，以有选择地断开第一双向电子开关并闭合第四双向电子开关，以便在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供经过所述第一二极管的单向短路。该短路具有前述的、可以避免电流从自激振荡变流器中的第一双极结型晶体管基极中流出，同时避免电流流入该自激振荡变流器中的第二双极结型晶体管基极的有益效果。
有益地是，所述电流控制元件可以进一步包括第二二极管，其与所述第四双向电子开关并联。该二极管必须与第一二极管对应设置(阳极对阳极或阴极对阴极设置)，以避免产生持续单向短路。所述控制器可以在与经过所述第一二极管建立的短路相反的方向上，建立经过所述第二二极管的单向短路。因此，所述控制器可以颠倒上述情况，避免电流流向自激振荡变流器中的第一双极结型晶体管的基极，以及从该自激振荡变流器中的第二双极结型晶体管基极流出。
优选地是，设置所述控制单元来控制所述第一、第四双向电子开关，以有选择地闭合第一双向电子开关并断开第四双向电子开关，以便于在第一、第二控制绕阻线路之间，提供经过所述第二二极管单向短路。
所述第二控制器具有第二电源线路，该连接耦合在所述第一、第二双向电子开关之间，以通过所述电流控制元件将所述电路与第一电源线路接通。当选择适当的开关配置时，上述设置具有防止绕过所述控制绕组而短路的优点(已详述过)，并且，上述设置还允许所述电流控制单元充当分路调节器。
本发明上述控制单元具有一个或多个电压传感线路，所述电压传感线路与所述电流控制单元中的其中一个所述开关电性耦合，使所述控制单元可以用于测量流经所述开关的电流，即与通过由所述绕阻构成的变压器，流经所述变流器负载的电流有关。利用这一信息，所述控制器能够对所述变流器中的工况作出反应，以保持其最佳工况。例如，如果附加的自激励振荡变流器的振荡过缓，那么所述控制器能够强制电流更频繁地变换电流方向。所述控制器通过在所述控制绕阻两端提供双向短路实现上述目的，以便将所述自激励振荡变流器中的双极结型晶体管关闭。可选地，所述控制器可以在所述控制绕阻两端建立单向短路，以防止电流流向双极结型晶体管的基极将其激活(让电流随便地流走)，从而关闭双极结型晶体管。以类似的方式，如果所述自激励振荡变流器振荡过快，可以使用单向短路来避免在阻抗电流从激活的双极结型晶体管流出的同时，打开一个闲置的双极结型晶体管，因此需要延长所述振荡。所述控制器还可以检测出已停止的振荡或者在所述负载电流不足以启动自激振荡时，提供激励电流穿过所述控制绕阻来调整负载电流的不足。最后，所述控制器还可以检测出过载工况，并在所述控制绕阻两端建立和维持双向短路，以关闭所有双极结型晶体管，并停止振荡。
优选地是，所述控制单元基于一个或多个电压传感线路上的电压来控制所述开关。
根据本发明第四方面提供的一种变流器的控制方法，所述变流器，所述变流器以双极结型晶体管作为开关，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，通过控制磁性耦合于所述激励绕阻的控制绕阻，对所述变流器进行控制。所述方法包括：在所述控制绕阻的两端有选择地提供双向短路，所述双向短路没有二极管。
根据本发明第五方面提供的一种变流器的控制方法，所述变流器以双极结型晶体管作为开关，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，通过控制磁性耦合于所述激励绕阻的控制绕阻，对所述变流器进行控制。所述方法可以有选择地在所述控制绕阻的两端设置双向短路；在所述控制绕阻的两端设置单向短路；以及，在所述控制绕阻的两端不设置电通道。
优选地是，所述第四和第五方面提供的方法进一步包括通过向所述控制绕阻提供额外的电流，来变更所述激励绕阻中的电流，以控制所述控制绕阻中的电流。
优选地是，所述双向开关为场效应晶体管。所述控制器的整体具体表现为一种集成电路。
参照下列附图及具体实施例，对本发明进行详细介绍。
附图说明
图1为自激振荡电子镇流器的电路原理图；
图2为本发明带有自激振荡电子镇流器的控制器电路原理图；
图3为本发明第一控制方法中的波形示意图；
图4为本发明可选控制方法中的波形示意图；
图5为本发明另一个控制方法中的波形示意图；
图6a、6b为本发明可选电流控制元件的电路原理图。
具体实施方式
图2示出了本发明第一实施例所述的控制器26。控制器26与控制绕阻28相连接，控制绕阻28旋绕在与变压器的铁芯相同的铁芯上，所述变压器由负载绕阻14和激励绕阻18、20构成。较有代表性地，上述绕阻的匝比分别为15∶2∶5∶5。控制绕阻28可以使所述控制器改变激励绕阻18、20中的电流，从而控制双极结型晶体管4和6的切换。
控制器26具有控制单元30，用于提供切换控制信号来控制金属氧化物半导体场效应晶体管32、34、36和38。控制单元30与金属氧化物半导体场效应晶体管32、34、36和38的栅电极相连。金属氧化物半导体场效应晶体管32、34和36、38分别为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管和P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。下文中将以开关来称呼作为开关来使用的金属氧化物半导体场效应晶体管。尽管优选金属氧化物半导体场效应晶体管作为开关来使用，但可使用其他等效的电子开关来替代它们，尤其是集成电路环境中优选金属氧化物半导体场效应晶体管作为开关来使用。这些开关构成电流控制元件39，并使控制器26控制电流流入控制绕阻28，转而使所述控制单元30控制所述自激振荡电子镇流器2的振荡。
举例说明，通过闭合开关32和34，控制器26在控制绕阻28的两端建立短路，使电流向任一方向流动。这一过程使激励绕阻14、18、20有效地短路，随之在双极结型晶体管4和6的基极和发射极之间产生低阻抗通道，随之而来的是将双极结型晶体管4和6全部关闭。该短路同样会使双极结型晶体管4和6的基极集电极秸产生续流二极管的作用，尽管可以仍然保留图1示出的二极管22和24，但实际上已经不需要这些二极管了。最初，这一短路会引起流入负载的电流改变方向，但是如果这一短路持续了多个共振周期，则所述振荡将停止。金属氧化物半导体场效应晶体管在其接通状态下具有一与其相关的低电压降。仅有两个与上述可舍弃的二极管和其他晶体管耦合的金属氧化物半导体场效应晶体管，存在于这一短路中，这意味着没有PN结电压降，因此，即便是在双极结型晶体管4或6的基极和发射极之间存在的小电压，也将通过开关32和34被有效地短路。
二极管40和42使控制器26可以控制流经控制绕阻28的电流方向。举例说明，仅靠闭合开关34在控制绕阻28的两端，产生经过二极管40的单向短路。这一短路可以避免电流从双极结型晶体管4的基极流出并流向双极结型晶体管6的基极，从而避免在启动双极结型晶体管4的同时再启动双极结型晶体管6。闭合开关34同样会在双极结型晶体管4处产生一有效的发射极-基极的短路，该短路可使双极结型晶体管4的基极集电极秸，充当与图1示出的二极管22相似的续流二极管。
这一技术手段可使控制器26减少所述电子镇流器的振荡，例如，在所述振荡失控地增加时，对于这种情况，这一技术手段无疑是有益的。仅闭合开关32，可在另一方向上产生一经过二极管42的、与上述单向短路相似的单向短路。
当开关34闭合时，如果控制绕阻28与激励绕阻18的匝比足够高，比如本实施例中为3∶1，显示在控制绕阻28上的双极结型晶体管4的基极-发射极的电压，将远远大于二极管40两端的有效电压降。这意味着，所述二极管两端的正向电压降将不能防止双极结型晶体管4一直处于打开状态。同样的原理应用在开关32闭合且电流流经二极管42时。
电流控制元件39包括开关32、34、36和38以及二极管40、42，其连接在电源节点44和46之间。在具有代表性的集成电路应用中，电流控制元件39可以提供电动势，比方说3.3V的电动势，指定电源节点44为3.3V，电源节点46为0V。在电源节点44和46的两端提供电动势，意味着控制器26可以在控制绕阻28中产生电流，从而，控制激励绕阻18、20中的电流，并向双极结型晶体管4和6的基极供电。控制器26因此可以被用来启动自激振荡电子镇流器2的振荡，而不需要额外的电路元件，例如出现在其他电子镇流器中的双向开关二极管。在闭合开关36和34的情况下，流入控制绕阻28的电流，使来自双极结型晶体管6的电流流入激励绕阻18、20并流向双极结型晶体管4；启动双极结型晶体管4并保持双极结型晶体管6处于闭合状态。在闭合开关32和38的与之相反的情况下，电流在与上述电流方向相反的方向上流动，以启动双极结型晶体管6而关闭双极结型晶体管4。在上述两种情况下，如果一个正被启动的双极结型晶体管已经处于工作状态，那么，引起的电流流动会增加双极结型晶体管基极处的激励电流并减少双极结型晶体管的饱和电压。这种激励性能同样可以允许所述控制器通过持续地激励双极结型晶体管4和6，使自激振荡电子镇流器2即便在负载电流过低难以维持振荡时保持振荡。这对于需要可变电源的应用来说是相当有帮助的，比方说可调光电子节能灯。当上述技术手段用于在每个周期中帮助激励双极结型晶体管时，不必在每个周期中都提供一个激励脉冲。采用上述技术手段，在每n个周期，只需激励一次双极结型晶体管。同样地，采用上述技术手段并不必须激励全部的双极结型晶体管。
由上，开关32和34可以用来提供控制绕阻28的双向/单向短路，并且可以联合开关36和38，向上述双极结型晶体管提供激励电流。对于所属技术领域的技术人员显而易见的是，开关36和38同样可以用来提供双向短路，并可以联合开关32和34，以提供激励电流。当将开关32、34、36和38全部断开时，控制绕阻28被隔绝，自激振荡电子镇流器2以其固有频率振荡。当上述技术手段用于，例如荧光灯上时，是特别有用的，上述技术手段将在自激振荡电子镇流器2达到其固有振荡频率之前的预热和点亮期间，提供控制自激振荡电子镇流器2的功能。控制器26能够在任何时候重复控制所述振荡，例如在检测过载时。
控制单元30通过使用上述的不同技术手段，可以启动自激振荡电子镇流器2中的振荡，控制该振荡的频率乃至停止所述振荡。在启动所述振荡后，如果负载电流足够大的话，可以仅仅通过使用开关32和34便可控制该振荡的工作频率。控制单元30不但能够缩短振荡周期，以提高振荡频率，而且可以延长振荡周期或推迟下一次振荡的开始时间，以降低振荡频率。
控制单元30可以使用完全开路控制，靠使用如同压控振荡器一样简单的器件来确定振荡频率；或者，使用直接从外部传感器收到的输入反馈，来监视自激振荡电子镇流器2，或通过监视控制绕阻28，推断出自激振荡电子镇流器2的工况。
图2示出了传感线路48和50，可以通过控制绕阻线路节点上的电流和电压，向控制单元30提供信息。传感线路48和50可以通过控制绕阻28感应到自激振荡变流器中发生了什么。传感线路48和50可以用来检测在开关32、34、36和38两端的、与控制绕阻28中的电流有关的电压。可以在相关的金属氧化物半导体场效应晶体管的漏源电阻两端测出所述电压，也可以在与金属氧化物半导体场效应晶体管串联的电阻(未示出)两端测出所述电压，例如，在金属氧化物半导体场效应晶体管34和电源节点46之间。
控制单元30的传感功能可以使其检测出控制绕阻28中的电流何时变换电流方向，所述电流与自激励振荡电子镇流器2中的电流几乎同时变换电流方向。上述用来转换所述电流方向的信息，可以被控制单元30用来检测何时解除所述工况，比如说，解除短路。举例说明，当开关32和34被闭合了一段时间，传感线路48和50可以使控制单元30检测出由于自激励振荡电子镇流器2的振荡逐渐停止，所述电流何时变小。
当控制绕阻或开关32和34其中一个(当另一个开关闭合时，断开的开关两端的电压)的两端电压过零时，表明所述镇流器中的电流变换了一次电流方向，可以通过传感确定所述振荡的周期及频率。该技术手段可使控制单元30检测出在比控制器26要求的频率要高的频率上的振荡，该振荡可以在调谐电感器饱和时，或由所述镇流器控制的荧光灯未能点亮时发生。控制单元30能够感应到控制绕阻28两端电压的功能，可以使其计算出有多少电流经过所述负载。控制单元30通过使用上述功能，可以实现很多用途，例如，检测过载，限制供应电流超过最大值，或确保供应电流大于最小值。可同时通过在自激励振荡电子镇流器2中的两个电阻，来简化负载电流的计算，所述电阻包括于：与双极结型晶体管4和6的发射极串联，并存在于由激励绕阻18和20分别形成的基极驱动回路中。
控制单元30还具有外部输入端52(不是主要部件)，用于提供额外的传感信息或控制输入。来自传感线路48、50和外部输入端52的任何一个输入，都可以用来设置控制器26。例如，控制单元30可以使用其检测到的任意一个针脚处的电阻或电压，比如控制绕阻线路处的，将控制器26设置为测试模式，或设置荧光灯控制器中的预热时间。
本实施例中的控制器26可以实现多种不同的控制方法。图3示出了一种“最全面”的控制方法，其可以非常严格地控制自激励振荡电子镇流器。图3除了示出了流经负载绕阻14(显示为Ires)的电流和双极结型晶体管4和6之间的中间点电压(显示为Vmid)以外，还示出了开关32、34、36和38的控制信号。图示中的信号为高电平时，表示“接通”。因为开关36和38是P沟道金属氧化物半导体器件，所以上述信号与实际的驱动信号相比可以被认为是被反相过的。
该曲线图以所述变流器的关闭状态开始，假设Vmid大约为所述变流器正相电源的一半，或者双极结型晶体管6的两端电压很大。然后由控制单元30将开关32和38闭合一段由所述控制器确定的时间，这段时间大约500纳秒长或直到断开开关34为止。在开关32和38一直闭合时，由电流控制元件39向控制绕阻28提供电流，并由控制绕阻28通过感应在激励绕组18和20中产生电流。特别如前所述，由感应产生出的激励绕阻20中的电流，流向双极结型晶体管6的基极(启动双极结型晶体管6)，并在激励绕阻18的两端产生电势，对双极结型晶体管4的基极加偏压，以避免电流流经双极结型晶体管4。当双极结型晶体管4开始进入关闭状态时，没有电流流入激励绕阻18。此时，会引起电流流经双极结型晶体管6和负载绕阻14。负载绕阻14中的电流会在激励绕阻20中通过感应产生电流，以闭锁双极结型晶体管6。
然后，可以断开开关38，留下开关32以提供控制绕阻28的、经过二极管42的单向短路。所述单向短路可阻止双极结型晶体管4的启动，哪怕所述负载电流变换电流方向。在经过由所述控制单元30确定的一段时间之后，闭合开关34，以在控制绕阻28两端提供双向短路。这样就会在双极结型晶体管4保持关闭状态的同时，关闭双极结型晶体管6，并且使所述负载电流流经由双极结型晶体管4的基极集电极秸或单独的二极管(未示出)所形成的续流二极管。然后，Vmid升高至供高电压线10处的电压，所述电流最终变换了电流方向。大约在此时，断开开关32，在控制绕阻28中剩下的单向短路将使双极结型晶体管6保持关闭状态。由于此时所述电流正在相反的方向上，流入负载绕阻14，在激励绕阻18中通过感应产生的电流，流向所述双极结型晶体管4的基极，以启动双极结型晶体管4。
图3示出了开关36在此时也接收到了闭合脉冲。这段时间大约500纳秒长或直到断开开关32为止。由于开关36和34闭合，电流流经控制绕阻28，由此通过感应产生激励绕阻18中的电流，流向双极结型晶体管4的基极，激励绕阻20中的电流从双极结型晶体管6的基极中流出。如果所述振荡在此时已经开始，那么闭合开关36对所述振荡几乎没有影响。然而，如果所述振荡在此时由于某种原因还未开始，比如，最初假设Vmid不正确，并且很低，那么所述脉冲将以类似的方式闭合开关38，以使激励电流进入双极结型晶体管4的基极。在这种情况下，启动双极结型晶体管4的第二个启动脉冲开始振荡。
然后，再一次断开开关36，剩下开关34，以便在控制绕阻28的两端提供经过二极管40的单向短路，使双极结型晶体管6保持关闭状态。在经过了另一段由控制单元30确定的时间后，闭合开关32，以再一次提供双向短路，在双极结型晶体管6保持关闭状态的同时，将双极结型晶体管4关闭，使所述电流再一次变换电流方向。闭合或断开开关36、38，重复上述循环。当振荡已开始后，就不再需要使用开关36和38了，尽管使用它们是保持振荡处于低负载功率所必须的。
例如，如果自激振荡电子镇流器2的输入电压过低，以至于不能适当地激励所述负载，那么控制单元30可通过保持开关32和34保持闭合，使自激振荡电子镇流器2保持关闭状态。这种操作模式对于过载情况，例如短路或为了避免闪烁而突然切掉电源，也同样有效。
如果自激振荡电子镇流器2停止振荡，例如，如果荧光灯负载未能点亮，或向电阻负载提供一未经调节的交流电，好比卤素照明变压器中的供给所述变流器的功率，每8(60Hz交流电)或10(50Hz交流电)毫秒下降至接近于0，那么则需要重启所述振荡。控制单元30可以检测出振荡减弱，并通过使用开关36和38申请更多的启动脉冲，来重启振荡。
开关36和38同样可被用来调节提供给控制器26的电压。通过在开关32和38断开，开关34闭合的同时，闭合开关36，将提供给控制器26的过剩功率转向输入至双极结型晶体管4的基极。同样地，通过在开关34和36断开，开关32闭合的同时，闭合开关38，将提供给控制器26的过剩功率转向输入至双极结型晶体管6的基极，以改善所述变流器2的性能。在这种情况下，电流控制元件39充当分路调节器。在集成电路实施中，可不需要单独的、类似于齐纳稳压器件的电压调节器，由于功率消散在集成电路的外部，因此可以避免由此类器件产生的热量带来的问题。由于省掉了器件的数量，便节约了制造集成电路的成本。消散集成电路外部的功率，可以帮助减少芯片输出的热量。为了使电流控制元件39具有上述功能，在开关36闭合时，不必断开开关32，或者当开关38闭合时，不必断开开关34。尤其是在将额外功率转移至双极结型晶体管的基极已不足以降低输入电压时，在开关32和34闭合时，可以些许地闭合开关36和38，以进一步地降低所述电压。优选地，可以使用两个开关36(未示出)和两个开关38(未示出)，用一组开关36和38来提供调节，用另一组来为控制绕阻28提供电流。
通过测量将开关32和34都闭合所需要的时间，可以检测出自激励振荡电子镇流器2的频率与其固有共振频率之间的接近程度。如图3所示，开关32和34的控制信号重叠，并且表明自激励振荡电子镇流器2中的电流，其变换电流方向所需要的时间。因为自激励振荡电子镇流器2的频率接近于其固有共振频率，所以重叠时间减少。控制单元30可以利用上述信息，实现很多目的。例如，可以确保自激励振荡电子镇流器2所需要的频率不会降至其固有共振频率以下，如果负载是荧光灯，并且该荧光灯未能点亮，便会出现上述情况(自激励振荡电子镇流器2所需要的频率降至其固有共振频率以下)。上述信息可以使控制单元30找到忽略其所处工况下的共振频率，以及因部件公差引起的两个自激振荡电子镇流器之间合理的差异。因此，可以在预热过程中调节振荡频率，以使所述振荡频率接近于共振频率，并且，可以检测并设置一个供电源等使用的最低振荡允许频率。
上述控制方法以及图3示出了最有效的开关32和34的接通持续时间。当然，也存在着一些使用显著缩短了的开关32和34的接通持续时间，来控制振荡的、效果差一些的控制方法。图4示出了一种控制方法，其特征是所有的开关都具有明显缩短了的接通持续时间。将开关32和38闭合一段由控制单元30决定的时间，以启动自激励振荡电子镇流器的振荡。流经负载绕阻14的电流增大，引起激励绕阻20中的电流增大，由此闭锁了双极结型晶体管6。然后断开开关32和38。经过一段由控制单元30决定的时间后，闭合开关32和34，以在控制绕阻28两端提供双向短路，并关闭双极结型晶体管6。当负载电流变换了电流方向并过零时，再次断开开关32和34，以启动双极结型晶体管4。再经过一段由控制单元30决定的时间后，再次闭合开关32和34以变换电流方向，并持续循环上述步骤。
图5示出了第三种控制方法，该控制方法具有开关32和34的最短接通持续时间。开关38和32启动双极结型晶体管6，并以正常的方式启动振荡。经过一段由控制单元30决定的时间后，闭合开关34，以使双极结型晶体管6中的激励电流停止，当所述激励电流改变电流方向(过零)时，再断开开关34。启动双极结型晶体管4，并在经过一段由控制单元30决定的时间后，闭合开关32，以使双极结型晶体管4中的激励电流停止。在所述激励电流变换电流方向后，再次启动双极结型晶体管6，并持续循环上述步骤。有一些控制方法，其开关32和34的开关时间在图3、4和5所示出的时间的之间，同样可以起到上述作用。
本发明的实施，不需要能够向双极结型晶体管4和6提供激励脉冲的设备。图6a示出了一个可选的电流控制元件39，其中去除了开关36，当然也可以去除其他开关。对于该实施例，除了仅能通过启动双极结型晶体管4或6来启动振荡之外，上述所有的控制方法都有效。图6b示出了第三个实施例，该实施例移除了开关32，并只控制控制绕阻28的一侧。该实施例允许执行一个与图4所示方法相似的控制方法。使用控制绕阻28与激励绕阻18和20之间缩小的匝比，以避免触发固定于集成电路中的静电保护电路。
上述实施例提供了一个控制器，以及荧光灯电子镇流器的控制方法。然而，上述的原理可以很容易地应用在其他基于双极结型晶体管的自激振荡变流器的控制上，比如，用于控制紧凑型线性荧光灯上的可调光固定镇流器，冷阴极荧光灯镇流器，卤素照明变压器，以及其他一些直流-直流、交流-直流的变流器。上述原理可以用来控制全桥接、半桥接设置，以及共振拓扑；可适用于相位共振转换器，该相位谐振转换器包括两个带有锁定频率和相移的控制器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (40)

1.一种控制器，用于控制以双极结型晶体管作为开关的变流器，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，所述控制器具有电流控制元件，其特征在于，所述电流控制元件包括：
第一、第二控制绕阻线路，用于与所述负载和激励绕阻磁性耦合的控制绕阻的连接；
第一、第二双向电子开关，彼此于所述第一、第二控制绕阻线路之间串联设置；以及，
与所述第一双向电子开关并联的第一二极管。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，在所述第一、第二双向电子开关与其各自的控制绕阻线路之间，形成有电通道，且所述电通道没有设置二极管。
3.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述控制器还包括用于控制所述第一、第二双向电子开关的控制单元。
4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述控制单元可以有选择地将所述第一、第二双向电子开关全部闭合，以便在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供双向短路。
5.根据权利要求3或4所述的控制器，其特征在于，所述控制单元可以有选择地断开所述第一双向电子开关，并闭合所述第二双向电子开关，以便在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供一经过所述第一二极管的单向短路。
6.根据权利要求3、4或5所述的控制器，其特征在于，所述控制单元可以有选择地将所述第一、第二双向电子开关全部断开，以便断开所述第一、第二控制绕阻线路。
7.根据权利要求3、4、5或6所述的控制器，其特征在于，所述电流控制元件包括第三双向电子开关，该开关耦合在第一电源线路和第一控制绕阻线路之间。
8.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述第三双向电子开关由所述控制单元控制，以便有选择地在第一电源线路和第一控制绕阻线路之间设置连接。
9.根据权利要求7或8所述的控制器，其特征在于，所述电流控制元件还包括第四双向电子开关，该开关耦合在第一电源线路和第二控制绕阻线路之间。
10.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，所述第四双向电子开关由所述控制单元控制，有选择地在第一电源线路和第二控制绕阻线路之间提供一连接。
11.根据权利要求10所述的控制器，其特征在于，所述控制单元有选择地闭合所述第三或第四双向电子开关，以控制所述控制绕阻中的电流方向。
12.根据权利要求7～11中的任意一项所述的控制器，其特征在于，在所述第一、第二双向电子开关之间，耦合有第二电源线路。
13.根据权利要求3～12中的任意一项所述的控制器，其特征在于，所述电流控制元件还包括第二二极管，该第二二极管与所述第二双向电子开关并联，并且其电流导向与所述第一二极管相反，用于防止电流同时流经所述第一、第二二极管；所述控制单元有选择地闭合所述第一双向电子开关，并断开所述第二双向电子开关，以便在控制绕阻线路之间提供一经过所述第二二极管的单向短路。
14.根据权利要求1或2所述的控制器，所述电流控制元件还包括第二二极管，该第二二极管与所述第二双向电子开关并联，并且其电流导向与所述第一二极管相反，用于防止电流同时流经所述第一、第二二极管。
15.一种控制器，用于控制以双极结型晶体管作为开关的变流器，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，所述控制器具有电流控制元件，其特征在于，所述电流控制元件包括：
第一、第二控制绕阻线路，用于与所述负载和激励绕阻磁性耦合的控制绕阻的连接；
第一双向电子开关，以场效应晶体管的形式设置于第一、第二控制绕阻线路之间，用于在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供一不包括二极管的双向短路。
16.根据权利要求15所述的控制器，其特征在于，所述电流控制元件还包括第二双向电子开关，该第二双向电子开关设置于第一电源线路和第一控制绕阻线路之间。
17.一种控制器，用于控制以双极结型晶体管作为开关的变流器，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，所述控制器具有电流控制元件，其特征在于，所述电流控制元件包括：
第一、第二控制绕阻线路，用于与所述负载和激励绕阻磁性耦合的控制绕阻的连接；
第一双向电子开关，设置于所述第一、第二控制绕阻线路之间，用于在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供双向短路；以及，
第二双向电子开关，设置于第一电源线路和所述第一控制绕阻线路之间。
18.根据权利要求17所述的控制器，其特征在于，在所述第一双向电子开关与第一、第二控制绕阻线路之间，形成有电通道，且所述电通道没有设置二极管。
19.根据权利要求15～18中的任意一项所述的控制器，其特征在于，所述控制器还包括用于控制所述第一、第二双向电子开关的控制单元。
20.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，所述控制单元可以控制所述第一双向电子开关有选择地闭合，以便在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供双向短路。
21.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，所述控制单元可以控制所述第二双向电子开关有选择地在所述第一电源线路和第一控制绕阻线路之间提供一连接。
22.根据权利要求19、20或21所述的控制器，其特征在于，所述电流控制元件还包括第三双向电子开关，该开关耦合在第一电源线路和第二控制绕阻线路之间。
23.根据权利要求22所述的控制器，其特征在于，所述第三双向电子开关由所述控制单元控制，有选择地在第一电源线路和第二控制绕阻线路之间提供一连接。
24.根据权利要求22或23所述的控制器，其特征在于，所述电流控制元件还包括：
第四双向电子开关，耦合在所述第一双向电子开关和第二控制绕阻线路之间；
第一二极管，与所述第一双向电子开关并联。
25.根据权利要求24所述的控制器，其特征在于，所述控制单元可以有选择地断开所述第一双向电子开关，并闭合所述第四双向电子开关，以便在所述第一、第二控制绕阻线路之间提供经过所述第一二极管的单向短路。
26.根据权利要求24或25所述的控制器，其特征在于，所述电流控制元件还包括第二二极管，该第二二极管与所述第四双向电子开关并联，并且其电流导向与所述第一二极管相反，用于防止电流同时流经所述第一、第二二极管。
27.根据权利要求26所述的控制器，其特征在于，所述控制单元有选择地闭合所述第一双向电子开关，并断开所述第四双向电子开关，以便在第一、第二控制绕阻线路之间提供经过所述第二二极管的单向短路。
28.根据权利要求24～27中的任意一项所述的控制器，其特征在于，所述电流控制元件还包括第二电源线路，其耦合在所述第一、第二双向电子开关之间。
29.根据权利要求3～13或19～28中的任意一项所述的控制器，其特征在于，所述控制单元包括一个或多个电压传感线路，所述电压传感线路与所述电流控制单元中的其中一个所述开关电性耦合，用于测量流经所述开关的电流。
30.根据权利要求29所述的控制器，其特征在于，所述控制单元基于一个或过个所述电压传感线路两端的电压，来控制所述开关。
31.一种变流器的控制方法，所述变流器以双极结型晶体管作为开关，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，通过控制磁性耦合于所述激励绕阻的控制绕阻，对所述变流器进行控制，其特征在于，所述方法包括：在所述控制绕阻的两端有选择地提供双向短路，所述双向短路没有二极管。
32.一种变流器的控制方法，所述变流器以双极结型晶体管作为开关，所述双极结型晶体管的基极与激励绕阻相连接，所述激励绕阻磁性耦合于携带有所述变流器负载电流的负载绕阻，通过控制磁性耦合于所述激励绕阻的控制绕阻，对所述变流器进行控制，其特征在于，所述方法可以有选择地设置以下之一：
在所述控制绕阻的两端设置双向短路；
在所述控制绕阻的两端设置单向短路；以及，
在所述控制绕阻两端不设置电通道。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其特征在于，通过向所述控制绕阻提供额外的电流，更改所述激励绕阻中的电流，以控制所述控制绕阻中的电流。
34.根据权利要求1～30中的任意一项所述的控制器，其特征在于，所述双向开关为场效应晶体管。
35.一种集成电路，其特征在于，具体实现了权利要求1～30中的任意一项所述的控制器。
36.一种集成电路，其特征在于，可以用来实现权利要求31～33中的任意一项所述的控制方法。
37.一种变流器，其特征在于，包括权利要求1～30中的任意一项所述的控制器。
38.一种变流器，其特征在于，可以实现权利要求31～33中的任意一项所述的控制方法。
39.一种控制器，其特征在于，用于控制上述或如图2～6中任意组合的变流器。
40.一种控制方法，其特征在于，用于控制上述或如图2～6中任意组合的变流器。
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