CN102017811A - 电压馈电程序化启动镇流器 - Google Patents
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Abstract
点灯镇流器(10)包括逆变器部分(12)和谐振部分(14)。在预热阶段期间，灯丝变压器(110)供应预热辉光电流给灯阴极。同样在预热阶段期间，该灯丝变压器提升该逆变器部分(12)的振荡频率到高于该谐振部分(14)的谐振频率的频率。一旦灯阴极充分加热，该灯丝变压器(110)从电路移除并且允许逆变器(12)开始振荡。反馈网络(150)监测高频总线(26)并且提供输入给分路调整器(170)。该分路调整器驱动偏置网络(126)的开关(128)的栅极并且根据该开关(128)的导通状态添加灯丝变压器(110)到电路或将其移除。
Description
该申请涉及Nerone等人的当前在审批中的US申请序列号11/343,335，通过引用将其全文结合于此。
技术领域
本申请涉及电子点灯(electronic lighting)。更具体地，它涉及在电压馈电电子镇流器(voltage fed electronic ballast)中产生低辉光电流以预热灯的阴极。要理解本申请可以应用于其他点灯应用和镇流器，并且不限于前面提到的应用。
背景技术
典型的程序化启动镇流器当其被激活时向附连的电灯提供低辉光预热电流。该预热延长灯的寿命，因为它有助于避免将伴随用冷阴极触发(ignite)该灯的对灯阴极的损坏。典型地，在对灯打火(strike)之前，镇流器将进入由集成电路(IC)(通常高压IC)控制的预热模式。该IC将在谐振之上和之下驱动逆变器，并且因而它将要求电容模式检测以避免对逆变器的MOSFET开关的损坏。如果MOSFET的固有二极管在栅极关断之前变为导通，MOSFET可能被损坏或毁坏。电容模式检测有助于避免该情况。
作为IC控制器的备选，已经使用具有逆变器钳位(clamping)的自振荡模式。该备选趋于缩短灯寿命，因为预热辉光电流太高。目前没有采用非电容模式提供低电流预热信号的可靠方式。
本申请考虑一种新的和改进的电压馈电电子镇流器，其克服上文提及的问题和其他问题。
发明内容
根据一个方面，提供灯镇流器。逆变器部分从DC总线接收直流输入并且将它转换为交流输出。谐振部分从该逆变器部分接收该交流并且将它供应给多个灯。与该谐振部分并联的灯丝变压器在预热阶段提供预热电流给灯(28、30、32、34)的阴极。
根据另一个方面，提供触发至少一个灯的方法。DC总线的信号爬坡(ramp up)至工作电压。该DC总线信号提供给逆变器，其将该DC总线信号转换为AC信号。该AC信号提供给具有特征谐振频率的谐振部分。预热电流提供给具有灯丝变压器的该至少一个灯的阴极。该AC信号的频率提升到大于谐振部分的特征谐振频率的频率，防止AC信号将该至少一个灯点亮。该AC信号的频率降低到特征谐振频率，触发该至少一个灯。预热电流从该至少一个灯的阴极移除。
根据另一个方面，提供对瞬时启动点灯镇流器的改进。灯丝变压器包括一次绕组和第一组二次绕组和第二组二次绕组，该第一组二次绕组提供预热电流给灯的阴极，并且该第二组二次绕组提供附加驱动信号给第一和第二晶体管的栅极驱动电路。
附图说明
图1是根据本申请的描绘电压馈电镇流器的电路图；
图2是在图1中示出的镇流器的继续图。
具体实施方式
参照图1，镇流器电路10包括逆变器电路12、谐振电路或网络14和钳位电路16。DC电压通过从正电压端子20引出的正总线轨(positive bus rail)18供应给逆变器12。该电路10在连接到接地或公共端子24的公共导体22处完成。高频总线26由如下文详细描述的谐振电路14产生。第一、第二、第三到第n个灯28、30、32、34通过第一、第二、第三和第n个镇流电容器36、38、40、42耦合于高频总线26。从而，如果一个灯移除，其他继续工作。设想了任何数量的灯可以连接到高频总线26。例如四个灯在图示的实施例中描绘。
逆变器12包括串联连接在导体18和22之间的模拟上和下，即第一和第二开关44和46，例如两个n沟道MOSFET器件(如示出的)，以激励谐振电路14。要理解还可这样配置例如p沟道MOSFET、其他场效应晶体管或双极结晶体管等其他类型的晶体管。高频总线26由逆变器12和谐振电路14产生并且包括谐振电感器48和包括第一、第二和第三电容器50、52、54和镇流电容器36、38、40、42(其也防止DC电流流过灯28、30、32、34)的等效元件的等效谐振电容。尽管它们确实属于谐振电路的一部分，镇流电容器36、38、40、42主要用作镇流电容器。开关44和46合作以在公共第一节点56提供方波以激励谐振电路14。从开关44和46引出的栅极或控制线58、60连接在控制或第二节点62。每个控制线58、60包括相应电阻65、66。
一般指定68和70的第一和第二栅极驱动电路分别包括第一和第二驱动电感器72、74，其与谐振电感器48是互耦合以在驱动电感器64、66中感生与在谐振电路14中的电流的瞬时变化率成比例的电压的二次绕组。第一和第二二次电感器76、78串联连接到第一和第二驱动电感器72、74和栅极控制线58和60。该栅极驱动电路68、70用于控制相应上和下开关44、46的工作。更具体地，该栅极驱动电路68、70在第一半周期内维持上开关44“接通”而在第二半周期内维持下开关46“接通”。方波在节点56产生并且用于激励谐振电路。第一和第二双向电压钳80、82分别并联连接到二次电感器76、78，各包括一对相反方向的齐纳二极管。该双向电压钳80、82用于将栅-源电压的正和负偏移钳位到由该相反方向的齐纳二极管的额定电压确定的相应限值。每个双向电压钳80、82与相应第一或第二二次电感器76、78合作使得在灯的触发期间谐振电路14两端的电压的基频分量和在谐振电感器48中的AC电流之间的相位角接近零。所述关系允许逆变器12采用自振荡模式工作，其不要求外部IC驱动逆变器12。
串联连接的电阻器84、86与在公共节点56和节点112之间连接的电阻器88合作，用于启动栅极驱动电路68、70的再生运行。上和下电容器90、92与相应第一和第二二次电感器76、78串联连接。在启动过程中，电容器90通过电阻器84、86、88从电压端子20充电。电阻器94将电容器92分流以防止电容器92充电。这防止开关44和46最初同时接通。电容器90两端的电压初始为零，并且在启动过程期间，由于对电容器90充电的相对长的时间常数，串联连接的电感器72和76基本上充当短路。当电容器90充电到开关44的栅-源电压的阈值电压(例如，2-3伏特)时，开关44接通，其引起小偏置电流流过开关44。所得的电流在公共漏极偏置开关44，即A类放大器配置。这产生充分增益的放大器使得谐振电路14和栅极控制电路68的组合产生再生动作，其启动逆变器进入在包括电容器90和电感器76的网络的谐振频率附近的振荡。产生的频率高于谐振电路14的谐振频率，其允许逆变器12高于谐振网络14的谐振频率工作。这产生延迟在公共节点56产生的电压的基波的谐振电流，从而允许逆变器12在触发灯之前采用软开关模式工作。从而，逆变器12开始采用线性模式工作并且转变为开关D类模式。于是，当电流通过谐振电路14累积时，高频总线22的电压增加以触发灯，同时维持软开关模式，通过触发并且进入灯的接通、电弧模式。
上和下电容器90、92与相应第一和第二二次电感器76、78串联连接。在启动过程中，电容器90从电压端子18充电。电容器90两端的电压初始为零，并且在启动过程期间，由于对电容器90充电的相对长的时间常数，串联连接的电感器72和76基本上充当短路。当电容器90充电到开关44的栅-源电压的阈值电压(例如，2-3伏特)时，开关44接通，其引起小偏置电流流过开关44。所得的电流在公共漏极偏置开关44，即A类放大器配置。这产生充分增益的放大器使得谐振电路14和栅极控制电路68的组合产生再生即自振荡动作，其启动逆变器进入在包括电容器90和电感器76的网络的谐振频率附近的振荡。自振荡由于驱动开关44、46的栅极的再生反馈路径而发生。产生的频率高于谐振电路14的谐振频率。这产生延迟在公共节点56产生的电压的基波的谐振电流，从而允许逆变器12在触发灯之前采用软开关模式工作。从而，逆变器12开始采用线性模式工作并且转变为开关D类模式。于是，当电流通过谐振电路14累积时，高频总线26的电压增加以触发灯，同时维持软开关模式，通过触发并且进入灯的接通、电弧模式。
在镇流器电路10的稳态工作期间，在公共节点56为方波的电压大约是正极端子20的电压的一半。曾经在电容器90上存在的偏压减小。工作频率如此使得包括电容器90和电感器76的第一网络96和包括电容器92和电感器78的第二网络98是等效感应的。即，工作频率高于相同的第一和第二网络96、98的谐振频率。这引起栅极电路的适当的相移以允许电流流过电感器48以延迟在公共节点56产生的电压的基频。从而，逆变器12的软开关在稳态工作期间维持。
逆变器12的输出电压通过串联连接的钳位电路16的钳位二极管100、102钳位以限制产生以启动灯28、30、32、34的高电压。钳位电路16进一步包括第二和第三电容器52、54，其基本上彼此并联连接。每个钳位二极管100、102跨接关联的第二或第三电容器52、54。在灯启动之前，灯的电路是断开的，因为每个灯28、30、32、34的阻抗被看作非常高的阻抗。谐振电路14由电容器36、38、40、42、50、52和54和谐振电感器48构成。谐振电路14在谐振附近驱动。当在公共节点56的输出电压增加时，钳位二极管100、102开始钳位，从而防止第二和第三电容器52、54两端的电压改变符号并且限制输出电压到不引起逆变器12部件过热的值。当钳位二极管100、102钳位第二和第三电容器52、54时，谐振电路14变为由镇流器电容器36、38、40、42和谐振电感器48构成。即，当钳位二极管100、102不导通时获得谐振。当灯触发时，阻抗快速减小。因此在公共节点56的电压减小。当镇流器10进入稳态工作时，钳位二极管100、102中断钳位第二和第三电容器52、54。谐振再次由电容器36、38、40、42、50、52和54和谐振电感器48来提供。
连接在公共节点56和总线轨22之间的缓冲电容器104帮助引起开关44、46的软开关。连接在灯28、30、32、34和总线轨22之间的并联DC隔离电容器106、108帮助过滤来自灯驱动信号的任何DC分量。采用上文描述的方式，逆变器12在公共节点56提供高频总线26同时维持开关44、46的软开关模式。因为在高频总线处存在足够允许触发的电压，当点亮剩余的灯时逆变器12能够启动单个灯。
灯丝变压器110跨越图1和2。一次灯丝变压器绕组110a连接在公共节点56和节点112之间。现在参照图2，节点112也出现在图2中。一般，相同的标号标识跨越图1和2的电路中的相同点。另外，图2的电路接地点是负总线轨22，即在图2中的电路接地指示器连接到负总线轨22。灯丝变压器二次绕组110b当工作时提供信号给图2的部件。在公共节点56的信号是AC信号，并且从而AC信号看见由灯丝变压器二次绕组110b提供。二极管114、116、118和120形成用于将由灯丝变压器二次绕组110b提供的AC信号转换为DC信号的全波桥式整流器。电容器122提供对由二次绕组110b提供的信号的滤波。齐纳二极管124通过钳位二次绕组110b两端的电压来提供用于启动目的的保护。
在预热阶段期间，灯丝变压器110由包括连接在灯丝变压器110和负总线轨22之间的开关128、连接在正总线轨18和开关128的漏极之间的二极管130和连接在开关128的栅极和负总线轨之间的齐纳二极管132的偏置网络126来激活。当开关128接通时，它激活灯丝变压器110。灯丝变压器具有附加二次灯绕组110c、110d、110e、110f和110g，其加热灯28、30、32、34的阴极到热离子发射(thermionicemission)可以发生的温度。这典型需要大约0.5秒。
在该时间期间，保持低的灯两端的电压以防止破坏性辉光电流流过灯28、30、32、34直到阴极是热的，这是可取的。要做到这点，逆变器频率在预热阶段增加至高于逆变器负载的谐振频率。在图示的实施例中，附加抽头110h和110i提供在灯丝变压器110上并且分别添加到栅极驱动电路68和70。该附加抽头110h和110i在预热期间提供附加驱动给开关44、46的栅极而不改变谐振电感器抽头72、74的匝数比。该附加驱动允许逆变器频率增加到这样的程度使得在预热阶段期间在灯28、30、32、34的阴极上的辉光电流是10mA或更小。在抽头绕组110h和110i上产生的电压随频率减小到与逆变器12的DC总线18成比例的电压。然后，就在触发之前，灯丝变压器110关闭，并且附加驱动从开关44、46的栅极移除，允许灯电压增加从而实现灯28、30、32、34的非破坏性触发。
在备选实施例中，在开关44、46的栅极处的电压可以通过改变谐振电感器抽头72、74的匝数比增加，但这将引起触发后在灯28、30、32、34的正常工作期间对开关44、46的栅极的过度驱动。
延迟电路134监测DC总线18。该延迟电路134在点136连接到5V电源，其来自功率因数校正(PFC)级(未示出)。该延迟电路134防止逆变器12振荡直到DC总线18达到它的计划值。该延迟电路134包括连接到点136并且采用施密特触发器输入(Schmitt triggerinput)跨接在逆变器142两端的并联电阻器138、140。电容器144设置在电阻器140和负总线轨22之间。晶体管146和148在预热阶段期间使灯丝变压器110b的二次绕组短路。延迟电路134的输出驱动晶体管146和148的栅极。晶体管146、148的漏极连接到灯丝变压器110b的二次绕组的相对端并且晶体管146、148的源极连接到负总线轨22。
反馈电路150连接到高频总线26。高频总线信号由偏压电阻器152阶跃式降低。信号的任何剩余的DC分量由电容器154移除。包括电阻器156和158的分压器减小驱动反馈晶体管160的栅极的电压。该反馈晶体管160的漏极通过二极管114和118连接到灯丝变压器110b的二次绕组的整流输出。该反馈晶体管160的源极通过反向面对的齐纳二极管162连接到负总线轨22。用于驱动反馈晶体管160的栅极所提供的信号的电流在电阻器156和电阻器164之间分割。反馈电路150还包括位于电阻器158和负总线轨22之间的电容器166和与电阻器164并联的二极管168。该电容器166充当低通滤波器并且将反馈晶体管160的栅极驱动信号馈送至分路调整器170。
该分路调整器170在点172连接到来自PFC级的5V电源。来自点172的输入电压由电阻器174和176分割并且提供给OP-AMP178的输入。到OP-AMP178的其他输入从反馈电路150馈通。OP-AMP178在节点180由来自PFC级的15V电源供电，并且基准在负总线轨22。分路调整器170还包括与OP-AMP178并联的电阻器182。OP-AMP178的输出通过电阻器184驱动偏置网络开关128的栅极。分路调整器170监测电弧电流并且保持它低于期望水平。
栅极驱动控制网络186包括与齐纳二极管190和电容器192的并联组合串联的电阻器188。该栅极驱动控制网络连接在节点194的来自PFC级的15V电源和负总线轨22之间。该栅极驱动控制网络186在启动期间的若干线路周期内将晶体管44、46的栅极驱动短路。在图示的实施例中，该栅极驱动控制网络将栅极驱动短路大约100ms。
网络196驱动逆变器控制开关198的栅极。该网络196从在节点200的PFC级接收5V的输入信号。在DC总线18达到期望的工作电压之前，该逆变器控制开关198将下栅极驱动电路66短接到地，这进而防止逆变器12振荡。该逆变器控制开关198的漏极连接到点199(在下栅极驱动电路66中)并且源极连接到负总线轨22。一旦总线电压达到，网络196将逆变器控制开关198变为非导通，允许逆变器12振荡。网络196包括具有施密特触发器输入的放大器202。串联连接在节点200和负总线轨22之间的电阻器204和电容器206控制拖延时间(hold-offtime)。网络196还包括连接在节点200和逆变器控制开关198的栅极之间的电阻器208。逆变器控制开关198正好保持足够长以允许DC总线18达到它的工作电压(大约450V)。
不像大多数电压馈电逆变器那样，本申请在没有校正感测工具的情况下维持非电容模式，在触发前最小化通过灯28、30、32、34的辉光电流，在不利环境条件下通过返送功率来限制部件发热，最小化灯辉纹(lamp striation)并且提供防电弧特征。本申请在触发之前在预热期间提供低的灯辉光电流同时使用自振荡工具。
本发明已经参考优选实施例描述。明显地，当其他人阅读并且理解前面的详细说明时其将想到修改和改动。意图是本发明解释为包括所有这样的修改和改动。
Claims (21)
1.一种灯镇流器，其包括：
用于从DC总线接收直流输入并且将所述直流输入转换为交流输出的逆变器部分；
从所述逆变器部分接收所述交流并且将所述交流供应给多个灯的谐振部分；
与所述谐振部分并联用于在预热阶段提供预热电流给所述灯的阴极的灯丝变压器。
2.如权利要求1所述的灯镇流器，其中所述灯丝变压器包括：
连接到所述逆变器部分和所述谐振部分之间的公共节点的一次绕组；
感应耦合于所述灯丝变压器的所述一次绕组的第一组二次绕组，其应用所述预热电流给所述灯的阴极。
3.如权利要求2所述的灯镇流器，其中所述灯丝变压器进一步包括：
在所述预热阶段期间驱动所述逆变器的晶体管到高于所述谐振部分谐振频率的频率的第二组二次绕组。
4.如权利要求1所述的灯镇流器，其中所述谐振部分供应交流信号给四个灯。
5.如权利要求4所述的灯镇流器，其中所述灯关于彼此采用并联配置。
6.如权利要求1所述的灯镇流器，进一步包括：
监测所述谐振部分的高频总线的反馈电路。
7.如权利要求6所述的灯镇流器，进一步包括：
包括当导通时激活所述灯丝变压器的晶体管的偏置网络。
8.如权利要求7所述的灯镇流器，进一步包括：
从所述反馈电路接收反馈信息并且根据所接收的反馈来驱动所述偏置网络的晶体管的分路调整器。
9.如权利要求1所述的灯镇流器，进一步包括：
防止所述逆变器振荡直到所述DC总线达到工作电压的延迟电路。
10.如权利要求9所述的灯镇流器，其中所述DC总线的所述工作电压大致上是450V。
11.如权利要求1所述的灯镇流器，其中所述预热电流是10mA或更小。
12.一种触发至少一个灯的方法，其包括：
使DC总线的信号爬坡到工作电压；
提供所述DC总线信号给逆变器，其采用自振荡模式工作以将所述DC总线信号转换为AC信号；
提供所述AC信号给具有特征谐振频率的谐振部分；
采用灯丝变压器提供预热电流给所述至少一个灯的阴极；
提升所述AC信号的频率到大于所述谐振部分特征谐振频率的频率，防止所述AC信号将所述至少一个灯点亮；
降低所述AC信号的频率到所述特征谐振频率，触发所述至少一个灯；以及
从所述至少一个灯的阴极移除所述预热电流。
13.如权利要求12所述的方法，其中提供所述DC总线信号给所述逆变器的步骤由监测所述DC总线的施密特触发器拖延直到所述DC总线达到期望工作电压。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述期望工作电压大约是450V 。
15.如权利要求12所述的方法，其中提供预热电流的步骤包括感应耦合至少一个灯丝变压器二次绕组到灯丝变压器一次绕组并且连接所述至少一个灯丝变压器二次绕组到所述至少一个灯的阴极。
16.如权利要求12所述的方法，其中提升所述AC信号的频率的步骤包括添加第一灯丝变压器二次绕组到第一晶体管的栅极驱动电路以及添加第二灯丝变压器二次绕组到第二晶体管的栅极驱动电路，增加施加于所述第一和第二晶体管的栅极的驱动信号。
17.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
用反馈网络监测高频总线；
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：
基于所述高频总线的活动从具有偏置网络的电路移除所述灯丝变压器。
19.如权利要求12所述的方法，其中所述提供预热电流的步骤包括提供10mA或更小的预热电流。
20.一种对瞬时启动点灯镇流器的改进，所述改进包括：
具有一次绕组和第一组二次绕组和第二组二次绕组的灯丝变压器，所述第一组二次绕组提供预热电流给灯的阴极，并且所述第二组二次绕组提供附加驱动信号给第一和第二晶体管的栅极驱动电路。
21.如权利要求20所述的改进，进一步包括：
用于当所述阴极被加热时从所述镇流器移除所述灯丝变压器的监测电路。
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