CN104041192A - 电子镇流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于操作气体放电灯的电子镇流器，其包括(i)整流桥电路；(ii)功率因数补偿(PFC)网络，其包括通过包含电感器、二极管和电容器的电路充电的电解电容器；和(iii)开关逆变器电路，其将整流的DC电压转换成高频电流AC电压。该电子电路具有开关，其接通上述使PFC电路不断消耗来自于网络的能量的元件，而电解电容器，通过电感器和二极管，保持连接至整流桥的电压，即使电感器没有能量存储。逆变器由具有相对恒定电压和无噪的存储电容器供电，其允许逆变器给发光负载正常供电。

Description

电子镇流器
技术领域
本发明涉及用于气体放电灯——例如荧光灯——的电子镇流器。
背景技术
气体放电灯，例如，荧光灯，通常包括它们的电路中的镇流器，其除了产生电灯的启动条件之外，也用于限制到达负载的电流。初始电压或启动电压高于可持续性电压；在供电网络和电灯负载的最协调和最合适的处理的情况下，镇流器必须被设计成能处理各种事件，保持到负载的最大可能的功率传递。放电灯的阻抗在断路条件时趋向于无穷大值，但是，一旦当电灯中的气体被电离时产生电弧，就会使阻抗变化，直到电灯启动，其中，其阻抗趋向于零，所以限流器元件集成在网络和灯管之间，而这正是镇流器所执行的任务。
电子镇流器典型地包括为了将交流电(AC)的电压变换为直流电(DC)的电压的整流器，和用于过滤DC电压的滤波电路。滤波电路通常包含蓄能电容器。电子镇流器也经常使用升压电路来增强DC电压的量级。此外，镇流器使用功率因数补偿的方法以减少镇流器电流输入的总谐波失真。这些电路通常包括开关逆变器，以将DC电压转换成高频AC电压，并且包括谐振电路，其具有用于将高频AC电压耦接至放电灯的电极的相对高的阻抗。
用于气体放电灯的电流的质量的一个重要指标是电灯两端的电流的电流波峰因数(CCF)。理想的是具有低CCF，因为高CCF可导致在电灯端部的灯丝的退化和随之而来的碳化，而且随后会减少其使用寿命。通常，在镇流器电路中的相对大的电容器用于最小化DC电压的波动，但是这会使电路产生某些缺陷。只要电压电平超过AC电压的瞬时值，电容器就会放电，并因此使电容器只在线电压的每半个周期中的相对短时间内充电。因此，现有技术中的镇流器在短时间内获得相对大的电流量，并同时给电容器充电。这导致了扭曲的输入电流波形，其结果是不需要的总谐波失真(THD)的谐波和水平。
在AC电源系统中，电流或电压波形可被表示为基频和一系列谐波。这些谐波具有是电流或线电压的基本频率的倍频的某个频率。更具体地，AC波中的失真具有是基本频率的整数倍的分量。优选输入电流镇流器的总谐波失真(THD)低于33.3％，以避免在三相电源系统中中性线过热。在大多数情况下，理想的是镇流器具有低于20％的镇流器的输入电流的总谐波失真。
减少镇流器的输入电流的总谐波失真(THD)和提高镇流器的功率因数的一种方式包含在公知的功率因数校正电路的使用中。该方法具有某些缺陷，包括由组件数量过多造成的镇流器的复杂性、高成本、以及高消耗。减少镇流器的输入的总电流谐波失真(THD)的另一种方式为使用尝试填补整流器和逆变器之间产生的信号的谷值的电路。这种类型的电路的缺陷是它们可具有更大的震荡，这将导致电流波峰因数(CCF)的增加，将缩短电灯的使用寿命。
发明名称为“具有高功率因数的电子镇流器”的US2010/0039038号美国专利申请描述了提供电子镇流器的现有技术的实例，该电子镇流器试图提供功率因数和提高的谐波失真(THD)。该专利公开了针对E型逆变器形成的逆变级使用开关元件的电路。当开关元件开始振荡时，流过电感L1的电流尝试阻止电流的变化，因为该元件趋向于使电流流通过逆变器电路和二极管D1。这种电路往往当电容器放电时寻求电容器的临时充电，以便保证电解电容器C4的充电。在这种情况下，在开关元件的开路半周期中，电容器C2两端没有电压，允许C2放电至零，其通过在一个半周期中使用电容器，产生更大的不稳定性。在该电路中，给出的电容器在单一的半周期中，该电路不允许过滤净偏差，这使得该电路具有高波动。这限制了功率的值，而事实上，所述的电路配备着26瓦电源灯运行。
发明名称为“单开关电子调光镇流器”的美国6,784,622号专利文献，公开了一种具有逆变器电路的镇流器，该电路包括具有多个次级绕组的变压器，其中一个次级线圈用于重新提供存储电容器的高频率级的输出，以便减轻谷值。次级绕组由电子开关控制，其同时与逆变器电路共享连接。初级绕组由属于具有次级绕组的单元的开关控制，该次级绕组直接连接线圈42上的节点936、电容器44和逆变器。其中一个变压器通过电阻器58连接至二极管54，以给电容器48充电。通过连接至二极管54的电阻器58给电容器48充正电，并且其放电通过连接至电路的二极管52从位于二极管840的阴极的节点来执行。该电路排布在电容器的充电和放电周期中是无效率的，因为电容器位于一个半波周期上，因此其在半周期释放电压至零，其此时是断开的。电容器48允许降低部分谷值和来自于整流桥的波的振荡，但是谐波失真(THD)的电平显著上升。
因此，需要在技术上提供设计解决方案，其提供更高的效率、更低的THD和更低的功率因数。
发明内容
本发明公开了一种用于使气体放电灯工作的电子镇流器，其在其优选实施例中包括，(i)用于将交流电AC输入电压转换成直流DC的整流电压的整流电路；(ii)功率因数补偿(PFC)网络，其包括通过包含电感器、二极管和电容器的电路加载的电解电容器(或其它的储能装置)；和(iii)开关逆变器电路，其将直流电流的整流电压转换成高频交流电，其具有连接到放电灯的电极。该电子电路具有开关元件，其接通上述使PFC网络随电源电压波不断消耗功率的元件，而电解电容器，通过电感器和二极管，保持连接至整流桥的电压，即使电感器没有能量存储。一旦开关闭合，将不影响电容的充电，因为其通过在此情况下反向极化的二极管隔离；当开关打开时，电感器通过电容器上的二极管释放存储的能量，该电容器已经被充电至接近电桥电压的电压电平。功率因数补偿(PFC)网络可选择地控制电容器和电感器的充电，导致网络能量的永久和谐波的消耗。逆变器由具有相对恒定电压和无噪的存储电容器供电，其允许发光负载被正常供电。
镇流器进一步包含用于检测负载电路中的电灯的存在的电路。传感器是低阻值的电阻器，其中，产生电压降，以识别发光负载的值。该控件用于测量低阻值电阻器的电压电平和，根据该负载，可根据系统需要处理占空比。因此，本发明的电子镇流器可在具有最大功率传递和更高效的情况下运转多于一个气体放电灯。
附图说明
图1是本发明的电子镇流器的一实施例的简化的方框图。
图2是本发明的优选实施例的电路图。
图3是本发明的优选实施例的一改型的电路图。
图4是本发明的优选实施例的一改型的电路图。
具体实施方式
参照图1，示出了本发明的电子镇流器1的电子级的简化的方框图。镇流器1包括连接至网络、通常AC电压在50Hz或60Hz频率的整流电路2。
无论何时说装置被连接、耦接、相对于电流耦接或其可被连接至另一个装置，这意味着该装置可直接通过导线连接，或作为一种替代，通过另一个装置连接，例如，但不限于，电阻器、二极管、导体装置，并且该连接可以是串联或并联的。
回到图1，整流电路2将AC输入电压转换成全波整流电压。整流电路2连接至功率因数补偿(PFC)网络3。功率因数补偿(PFC)网络3在电路的一个组件的负载上产生延迟作用，以允许缓和整流波的波谷。PFC网络3的输出端进而连接至逆变器电路4。逆变器电路4将DC电压转换成高频整流AC电压。逆变器电路4的输出端本质上是提供一种高频正弦电压，和用于启动放电灯5的电压增益。
电路1包括遍布于发光负载的电流5上的一系列传感器6和PFC网络3上的传感器8，其提供信息给负载电流的控制电路7，以调节输出功率。
参照图2，示出了本发明的一实施例的具有各种PFC网络的原理电路图。该电路是由AC电压源供电的，其由整流桥BR1整流。示出的整流信号具有附图标记20，并且可以观察到，其响应具有非常深的波谷的正弦波信号。第一个PFC级，由电容器C3定义，其并联至电感器L6，L6还串联至二极管D1，以及连接至电解存储器和滤波电容器C4。该实施例的电子电路由开关元件Q1切换，其允许控制网络PFC。附图中的元件的值和引用仅是说明性的。其可被修改，以优化各种设计参数。
应该理解的是，在负载上产生PFC延迟作用的网络，可包含电感器L2和通过二极管D2连接在电解电容器C4和开关元件Q1之间的二极管D1，并以相同的方式在负载或下一个PFC级上产生延迟作用。
在第一振荡相中，其中开关元件Q1打开，有从整流桥的正节点至第一PFC级(电容器C3、电感器L6、二极管D1和电解电容器C4)的电流。在第二振荡相中，当开关元件Q1闭合时，来自于整流桥BR1的正节点的电流通过电感器L2、二极管D2和开关元件Q1接地。一旦开关元件Q1打开即流经电感器L2的电流，趋向于持续流过它，因为电感器L2在磁场中存储了足够的功率，以保证没有电流流过二极管D2，反之，其流过由电容器C3、电感器L6和二极管D1形成的电路，因此加载电解电容器C4。
开关元件Q1可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但也可以是双极面结型晶体管(BJT)，或者是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其它常见的可控导电装置。
在第一PFC网络(电容器C3、电感器L6、二极管D1和电解电容器C4)中，电容器C3和电感器L6的配置，与其闭合和打开开关元件Q1的时刻相比，在电解电容器C4的作用上产生延迟，因为电容器C3(在电场中)和电感器L6(在磁场中)在短时间内交替存储能量。电子元件的这种配置，与相同的电容器C4初充电作用相比，趋向于及时补偿电解电容器C4的放电作用。由于电抗元件L6、C3和二极管D1产生的补偿，在它们的各自的场(电和磁)中，这随时在电解电容器C4上提供连续的电源。
L6和C3元件，针对C4上的负载，在开关Q1的作用中引入延迟或相位差，其是滤波器中防止振荡的基本要素之一。如上所述，当开关元件Q1打开时，电感器L2通过D1放出C4上存储的电量，而使电路永久连接。当负载需要电功率时，该延迟允许电路暂时提供功率稳定性；尤其是电感器L2和整流器BR1提供负载容量给电容器C4，并因此供给电路的需求。这产生了放电灯的输出电压的更高的稳定性；提供更低的波动，并提供轻微的谐波，所有这些具有单个开关元件Q1的作用。与示出的具有附图标记20的BR1的正节点中的输出信号相比，该效果可体现在示出的具有附图标记21的PFC电路的输出节点中，其示出了更平滑的滤波后信号。
由于PFC提供了延迟，本发明的电路允许多个PFC网络级的处理，该PFC网络级具有它们各自的逆变器电路并且同时只有一个开关Q1。并且，可设置附加的L-C分支，其具有不同电力负载的、以串联或并联的不同放电灯，设置开关元件Q的尺寸以满足新的等效网络的要求。应计算RC值，以便谐波响应是最低的，而功率因数是最高的。在大多数情况下，新的级的尺寸需要将电解电容器C4设置到较低的值，并且在第二级中使用具有较高的值的第二电解电容器C7(下面的图2)，寻找谐波失真和功率因数接近1的较低水平。
图2中示出的实施例具有两个PFC级。第一个级通过具有存储和滤波电解电容器C4的连接点串联连接至第二个级。第一个级提供由电感器L4、L5、二极管D5和电容器C7组成的校正电路(升压型电路)的预滤波的电压。在第二个级中，电感器L5在二极管D5的正极上作用中产生新的延迟，补偿相比于之前的级的响应。该配置利用单个开关元件的允许处理两个不同的级：i)PFC网络，和ii)逆变器电路。并且，本领域技术人员可观察到，开关元件可作用在附加的级，其促进滤波、功率因数补偿和改进谐波响应。
当本发明说明电路的一部分是升压型电路时，应该理解的是，其对应于经过电感器并且由半导体开关切换的整流桥。在图2示出的电路的第二个级中，当开关Q1闭合，通过电感器L4产生电流，通过L5，开关Q1使电解电容器C7充电。一旦开关Q1打开，L4中的剩余电流在其磁场中提供通过其传递至逆变器电路的剩余能量。第二PFC级的配置，与开关元件Q1闭合和打开时间相比，提供电解电容器C7的作用的延迟。该元件的配置及时补偿相对于相同的电容器C7的初充电的电解电容器C7的放电作用。以和第一级PFC中的延迟相同的方式，在第二级中，电抗元件L4和二极管D4随时在电解电容器C7上提供连续的功率，换言之，在PFC电路上产生相对于C4中具有更低的波动的DC状态，并提供更好的稳定性。从由附图标记22表示的电容器C7的连接节点中可知，其中，示出的信号与出现在之前的点21的相比具有更浅的波谷。
本发明的另一个特征是电路永不断电，而是该电路在DC状态下永久连接。即，在开关元件Q1的切换中，电路将总是由以下方面电支持：i)当开关还没有进入振荡时的整流电路，和ii)由于在开关闭合之后的PFC网络的L-C配置，开关随后被打开。在开关Q1不运行的时间间隔中，电容器C4从全波桥式整流器BR1通过电感器L6和二极管D1被预加载。更具体地，电解电容器C4接收对应于全波桥式整流器BR1的正节点的电压值的DC电压值。因此，当开关Q1闭合时，由于二极管D1，电容器C4具有不受开关Q1闭合影响的负载。并且当开关Q1打开时，电解电容器C4仍然接收串联的元件L6-C3的电支持。其允许电路减少谐波的电平并提供更高的功率。
继续参照图2，连接至第二PFC网络的输出的末级，包含在串联的电容器C2和L1中，其提供高频电压以运行一个或多个放电灯。在本实施例中，R7表示放电灯并且R3表示检测电阻，其将提供负载信息给控制电路，这将在之后描述。高频电压可显示在由附图标记23表示的放电灯R7上。
本发明的电路提供的优点在于，在负载或放电灯被移除的事件中，不会有消耗，因为该电路仅需要电灯的两个端子的连接，而不是现有技术中的四个端子。如果打破放电灯的灯丝，该电灯不会熄灭，而是仍然开启，因为该灯丝在电路中不是必要的通路。这也提供了通过改变在启动时间中增加的负载的输出电压增加占空比的可能性，并且在一段时间后，通过修改占空比或频率信号或二者的结合，该电压降低到维持电压。
本发明的电路提供了传统的控制模块，其用于监测系统中的电灯的存在，检测负载阻抗，并因此提供了启动和稳定所需的电压。该控制模块可基于程序作出决定，以通过规定的或编程的时间增加占空比，以保证放电灯的启动。一旦控制模块因为电流传感器检测到启动，其调节占空比和/或频率至符合传输给电灯的最大功率的稳定的状态。控制模块可配置为称为“位移调制”的模式，这只不过是脉冲宽度和频率的变化。
该控制模块可以是具有编程功能、模拟和数字输入和输出的任何类型的电子控制器。优选地，控制模块可包含在称为PSoC等级3或5的集成的电路中或SmartFusion(智能融合)集成的电路中。该模块，基于负载的电流反馈信号、通过开关Q1的电流和电解电容器C4上的输入电压，作出是否已经开启电灯的决定。在图2中示出的一优选实施例中，该控制模块可将占空比从22％改变为66％，以启动电灯，并且甚至可以改变为开关Q1的栅极供电的振荡器的频率，以促进该启动。在本实施例中，稳定频率近似55kHz，并且稳定状态的占空比在22％和33％之间。频率变化完成，以便放电灯R7上的输出电压达到稳定水平，或针对不同的电灯的标准自动调谐。
如前所述，控制模块可增加占空比，并且也改变频率，以增加负载上的输出电压和将其接通。该模块根据检测阻抗变化的稳定负载电压允许任何类型的电灯的启动，以便可修改该占空比，以及可增加或减少负载电压支持上的输出电压。当与其运行参数进行比较时，如果通过检测电阻R4的电流对应于一组电压范围，该控制模块可以确定存在什么类型的负载。
控制模块分析通过传感器元件R4的负载电流和电解电容器C4两端的电压，并且基于这些反馈的值，通过调节电压和改变占空比，来确定输出功率，尽量不使电流波形变形，以便不增加系统的谐波。如果控制模块暂时不能读出负载的存在，该模块将增加占空比，并且甚至可改变足够的频率以产生启动。刚感测到的传感器元件R4，就会因为电流的增加发送启动信号，并且控制模块会针对系统对占空比和频率作出必要的调整，以支持或稳定正常的运行。之后，控制模块将用于电灯的启动的占空比和频率的设置与保存在模块中的信息进行比较，并确定连接至电路的电灯是什么类型(例如，电路可确定电灯是否对应于32瓦的组T8、或17瓦的T8电灯、或40瓦的电灯F40T12等)，作出必要的调整，以针对连接的每种类型的负载优化电压、谐波补偿(THD)和功率因数的值。
参照图3，描述了本发明的电路的另一个实施例，其中，电感器TR1的存在是用于扩增和电路保护(反激式)的目的。电解电容器C4从整流桥BR1的正节点隔离，允许当开关元件Q1闭合时，产生通过L2、D2、开关Q1和地到桥的正节点的通路。在另一个半周期中，当开关Q1打开时，电解电容器C4通过D1充电并通过电路放电，禁止通过反向极化的二极管D1放电。在相反级中，电容器C3代表用于在负载上进行信号滤波的目的元件，但是可选地可能或可能不会与负载并联。此外，镇流器电路检测电灯R7的状态(开/关)，其通过R5串联。如果检测到任何代表电灯点亮的电流，电路通过R5和控制单元，在短期内快速增加占空比，以便使电灯通电以及改变阻抗特性，使电流被增加和由R5检测到，以将信号传输给控制单元。之后，控制模块将占空比降低至允许电压减少至稳定点的级别。
当开关Q1打开和闭合时，出现剩余电流，其允许电解电容器C4上的电压增加，基于电路处理的占空比产生电压倍增。在在占空比很低时，控制模块给出使电容器放电的时间。相反地，如果占空比很高(例如大于66％)，电路不允许电容器的完全放电。当使用高占空比时，C4的电压也高。当每个谐振电路分支中的电压近似为零时，每个电抗两端的电压会很高，并允许电灯启动。一旦电灯启动，分支离开谐振状态，并产生耦接的变化，以便产生稳定的电压。
参照图4，示出了本发明的电路的另一个实施例。在该电路中，电阻器R6和R8是低阻值电阻器，其产生低的电压降的值，以检测电灯R7上的电流。它们读取可发生在负载电压中的变化。整流桥的正节点连接至开关的漏极。二极管D3以阻止电路通过逆变桥的方式反向连接。该逆变器具有如开关元件一样的开关Q1，其通过二极管D2与电路的其它部分隔离。该配置是E类逆变器，其具有与负载R7并联的电容器C6，通过其设置过滤涡流并改进电路的响应。
应该理解的是，本发明不限于上面所描述和说明的实施例。本领域技术人员将理解到，在不脱离本发明的主旨的情况下可进行多种变化和修改，本发明的主旨仅由权利要求所限定。

Claims (16)

1.一种用于操作放电灯的电子电路，其特征在于，包含：
a-连接至AC电源的整流桥；
b-连接至整流桥的输出的功率因数补偿(PFC)网络，其包含存储和滤波的电容器；
c-连接至PFC网络的输出的逆变器，其包含开关元件；
d-控制模块，其接收和处理来自于放电灯电流以及存储和滤波的电容器上的电压的电流信号，以便控制开关元件；
其中，PFC网络和逆变器共享开关元件；和
其中，存储和滤波的电容器在DC状态下永久地连接至整流桥。
2.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，该电路具有多个共享相同的开关元件的PFC网络。
3.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，该电路具有多个共享相同的开关元件的逆变器。
4.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，PFC网络包含电感器和二极管，该二极管连接在存储和滤波的电容器之间并通过另一个二极管连接至开关元件。
5.根据权利要求4所述的电子电路，其特征在于，PFC网络进一步包括补偿电路。
6.根据权利要求4所述的电子电路，其特征在于，补偿电路是电解电容器。
7.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，负载与逆变器的输出串联。
8.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，逆变器是反激式逆变器电路。
9.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，逆变器是谐振E类逆变器。
10.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，开关元件是晶体管。
11.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，逆变器电路是谐振逆变器。
12.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，开关元件、放电灯以及存储和滤波的电容器连接至作为电流传感器运行的低阻值电阻器。
13.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，整流桥通过二极管从存储和滤波的电容器隔离。
14.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，开关元件的切换效果增加了存储和滤波的电容器的电压充电。
15.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，存储和滤波的电容器在开关元件打开时总是接收正电压。
16.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，放电灯是荧光灯。
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