CN105636261A - 用于发光二极管的浪涌保护 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种用于保护照明器免于高浪涌电压的浪涌保护装置。该浪涌保护装置包括并联阻抗元件(510、520)，并联阻抗元件(510、520)位于驱动器(120)与发光二极管模块(130)之间的连接(150、155)中以将由差模浪涌和/或共模浪涌产生的电流引导至接地，以免损坏发光二极管模块(130)中的发光二极管元件(170)。还可以在驱动器(120)与并联阻抗元件(510、520)之间设置串联阻抗元件(710、720)。

Description

用于发光二极管的浪涌保护

技术领域

本发明涉及对发光二极管的浪涌保护，更具体地涉及在照明器中实施对这种二极管的浪涌保护。

背景技术

发光二极管(LED)照明器经常承受来自不同来源的高浪涌电压。这些浪涌电压可以通过雷击、通过在将连接于与LED照明器相同的网络上的电感负载进行接通/切断的期间的瞬变现象、或通过重型工业机器产生。

此外，在一些情况下，浪涌电压可以通过静电电荷产生，该静电电荷积蓄在照明器体上并且能够设法经由照明器壳内的LEDs和LED驱动器放电到干线连接线。LED对高压浪涌特别敏感并且即使在LED驱动器没有明显损坏的情况下也可能被损坏。其结果是，由于LED的管芯被高压破坏，一组LED内即便不是全部也会有一些LED短路。

这种高浪涌电压可以为差模或共模中的任一种，在差模情况下，高压出现在干线电源上，即在干线电源的相线与中性线之间；在共模情况下，干线电源的相线和中性线两者经历相对于地线的高压瞬变。差模和共模浪涌的组合也是可能的。

为了保护照明器免于高浪涌电压，保护部件经常被设置在照明器的输入路径中，即设置在干线电源与驱动器之间，该驱动器被用于所连接的发光二极管模块，并且保护部件经常包括金属氧化物变阻器(metaloxidevaristor，MOV)或气体放电管(gasdischargetube，GDT)或两者的组合。由于这些保护部件被连接在相线与中性线之间并吸收电流高达几kA的浪涌的能量，因此这些保护部件相对高效地克服了差模浪涌。由于驱动器最易受到差模浪涌的影响，因而这种保护部件用于对驱动器提供良好的保护。

然而，对于共模浪涌而言问题是不同的。根据设计照明器所依据的IEC保护等级的不同而存在两种情况。在I级照明器的情况下，保护接地(protectiveearth，PE)连接的存在使得保护部件能够被连接在相线与PE之间或被连接在中性线与PE之间。这些保护部件用于提供针对共模浪涌的良好保护。此外，当保护部件短路时，插入在输入端与保护部件之间的串联保险丝会切断电路。

在II级照明器的情况下，不存在PE连接，并且出于电气安全原因，在干线电源的相线和中性线与照明器外壳之间不允许任何连接。这意味着，对于II级照明器，只能使用不同的保护部件。尽管如此，这并不意味浪涌不能找到回到接地的可靠回路，这是由于回路无意间可以通过照明器的安装于与接地直接接触的金属杆上的金属框架或壳体提供。

在WO-A-2014/029772中，能够将雷击的电平维持在从照明器框架到接地的电气路径内的绝缘构件被提供用于将LED照明器与接地隔离。在没有返回电流的情况下，不会对照明器造成损坏。这在照明框架被安装于玻璃纤维或水泥杆上时是可能的，但是在照明框架安装于金属杆上时是难以实现的。

此外，考虑因静电高压对LED的潜在危险也是重要的，静电高压的建立可以是因为在雷雨期间高度带电云的存在导致照明器框架带电。在该情况下，也有利于避免LED与照明器框架之间的任何高压差。

发明内容

因此，本发明的目的是对作为对高浪涌电压最敏感的部件的LED提供浪涌保护。

本发明的另一个目的是提供一种低成本易执行的手段以针对共模浪涌和差模浪涌改进对照明器LED的保护。

根据本发明的一个方面，提供了一种浪涌保护装置，所述浪涌保护装置被配置为保护照明器，照明器包括：金属框架、至少一个发光二极管模块和至少一个驱动器，该至少一个发光二极管包括电路板，所述至少一个驱动器被配置为将干线电压转换以用于所述至少一个发光二极管模块，每个驱动器和每个发光二极管模块安装于框架上，每个驱动器和与该驱动器相关联的发光二极管模块之间有点连接，浪涌保护装置包括至少一个并联阻抗元件，所述至少一个并联阻抗元件位于电连接与框架之间，电连接位于每个驱动器和与该驱动器相关联的发光二极管模块之间，每个并联阻抗元件包括电容器、电阻器和基于半导体的部件中的至少一者。

通过在驱动器和该驱动器相关联的发光二极管模块之间的电连接与框架之间设置至少一个并联阻抗元件，由与浪涌而产生的高电流经由框架被重新引导至接地而不会影响发光二极管模块中的发光二极管。将领会的是，对发光二极管模块的LED+接线和LED-接线中的每一者设置至少一个并联阻抗元件。

有利地，通过使用电容器、电阻器和基于半导体的部件，能够提供可靠且相对廉价的解决方案以用于发光二极管模块和该发光二极管模块连接的的发光二极管的浪涌保护。具体地，通过使用电容器和电阻器，不存在电容器和电阻器持续工作的阈值，并且任何浪涌将分流到框架以及进而到接地。

在一个实施方式中，所述至少一个并联阻抗元件安装于所述至少一个发光二极管模块的所述电路板上。

在另一个实施方式中，所述至少一个并联阻抗元件位于驱动器与发光二极管模块之间的接线盒中。

在一个实施方式中，所述至少一个并联阻抗元件包括电容器。每个电容器包括具有预定的电气安全特性的X-电容器或Y-电容器任一者。所述电容器可以具有介于10nF与1000nF之间的电容值。

在又一个实施方式中，所述至少一个并联阻抗元件包括电阻器。所述电阻器可以包括介于1MΩ与10MΩ之间的电阻值。

在又一个实施方式中，所述至少一个并联阻抗元件包括基于半导体的部件，基于半导体的部件具有低于发光二极管模块与框架之间的绝缘电压的触发电压。基于半导体的部件可以具包括齐纳二极管或半导体瞬变抑制器。

另外，至少一个串联阻抗元件可以位于所述至少一个驱动器与所述至少一个并联阻抗元件之间。

在一个实施方式中，所述至少一个串联阻抗元件包括电感器。

在又一个实施方式中，所述至少一个串联阻抗元件包括共模滤波器。共模滤波器可以包括两个耦合的电感器。

附图说明

为了更好地理解本发明，现将以示例的方式参照附图，在附图中：

图1示出典型的户外LED照明器的示意图；

图2类似于图1，但示出了差模浪涌经过照明器的传播；

图3类似于图1，但示出了共模浪涌经过照明器的传播；

图4示出了在照明器的输入端使用保护部件的示意布局；

图5类似于图1，但示出了用于根据本发明的LED元件的浪涌保护部件；

图6类似于图5，但示出了在浪涌电压的情况下流经浪涌保护部件的电流；以及

图7类似于图5，但示出了用于根据本发明的LED元件的另一浪涌保护部件。

具体实施方式

将针对具体实施方式并参照特定附图对本发明进行描述，但本发明并不限于此。所描述的附图仅是示意性的而非进行限制。在附图中，出于示例目的用，若干元件的尺寸可能放大而未按比例绘制。

照明器通常由通过安全接地(PE)接线连接于接地的金属框架组成。这是I级照明器的情况(IEC保护等级)。在照明器不配备有PE接线的情况下，照明器被称为II级装置。尽管如此，这并不意味着没有返回地面的可能，这是由于金属框架可以与金属杆接触，金属杆与地面的接触又相当好。然而，地面在提供电气安全方面不是如此可靠，却非常有利于返回浪涌电流。

首先参照图1，示出了典型的户外照明器100。照明器100包括金属框架110，LED驱动器120和LED模块130安装在金属框架110上。金属框架110具有透明或透镜部分140，透明或透镜部分140与LED模块130对准，从而由LED模块提供的光可以指向至要被照明器100照亮的适当范围或区域。

如文中使用的术语“金属框架”意在不仅指的是照明器外壳或壳体内的安装有照明器的部件的框架，也指的是照明器外壳或壳体。在许多实施方式中，金属框架包括照明器外壳或壳体。

LED驱动器120包括彼此绝缘的初级侧120A和次级侧120B(未示出)，初级侧连接到干线电源160，次级侧借助电气接线150、155连接到LED模块130，一个电气接线连接到LED+线(未示出)，另一个电气接线连接到LED-线(也未示出)。如所示，干线电源160具有相线160L和中性线160N。金属框架110正如以上所述的I级照明器的情况那样具有PE接线。

对于II级照明器(未示出)，不存在PE接线且框架110经由金属框架110和金属杆或天线竿(未示出)连接于地线，金属框架安装于金属杆或天线竿上。

根据LED驱动器的类型的不同，LED驱动器120的初级侧120A与次级侧120B之间的绝缘能够维持有限的高压以防止浪涌到达LED驱动器120的次级侧120B。

LED模块130包括在电路板180上以图案排列的多个LED元件170，电路板包括LED+线和LED-线，LED+线和LED-线用于连接至如以上所述的电气接线150、155中的相应电气接线上。将容易领会的是，LED元件170可以根据期望的照明要求在电路板180上以任何适合的图案排列。

LED模块被安装在散热器190上以用于对当照明器100打开时由LED元件170产生的热量进行耗散。

如上所述，相线和中性线160L、160N以干线电压馈给LED驱动器120的初级侧120A，干线电压通常包括大约230V的交变电压(至少在欧洲大陆)。次级侧120B对干线电压进行变压以为LED模块供给DC电流(和电压)，尤其将DC电流(和电压)提供至安装有LED元件170的电路板180。

如上所述，LED驱动器120在大部分时间内提供了其初级侧或电路120A与其次级侧或电路120B之间的电气绝缘，该电气绝缘可以承受如上所述的一些高压浪涌。然而，对所有LED驱动器却不适用，需要为LED模块130提供额外的浪涌保护。

LED元件170和安装有LED元件170的电路板180通过设置在电路板180与散热器190之间的绝缘层185与照明器100的金属框架110隔离。

图2示出了在图1所示的照明器100的相线与中性线160、L160N之间产生的差模浪涌的传播。之前在图1所述的照明器100的元件具有相同的附图标记，且不会在这里再描述。

在该情况下，高压被主要施加至LED驱动器120的初级侧120A中的部件(未详细示出)上。这些部件可以包括电磁兼容性(EMC)电容器、共模滤波器、整流桥和开关晶体管。

在大多数如上所述的情况下，LED驱动器120的输入端会是这种具有输入路径210和返回路径220的浪涌200的受害者，并且LED驱动器120的初级侧120A与次级侧120B之间的绝缘可能足以保护LED元件170。尽管如此，如果这种差动式浪涌如由输入路径230和返回路径240所指示的那样传播到次级侧120B并在电路板180上的LED+接线与LED-接线(未示出)之间引起高浪涌电压250，这种相差动式浪涌也能够破坏LED元件170和安装有LED元件170的电路板本身。

图3示出了在图1所示的照明器100的相线与中性线160L、160N两者上产生的相对于接地的共模浪涌的传播。之前在图1所述的照明器100的元件具有相同的附图标记，且不会在这里再描述。

因为初级侧120A与次级侧120B之间的绝缘屏障经常被一些EMC电容器(例如以300指示，这些EMC电容器提供了到LED模块130的高速流通)旁路，因此由于共模浪涌可以经由LED驱动器120传播，这种情况对LED元件170更危险。

此外，用于II级照明器的LED驱动器也与照明器100的金属框架110隔离，不会提供任何到接地的内部回路。因此，命中LED驱动器120的初级侧120A(输入端)的浪涌电压几乎完全被输送至次级侧120B(输出端)，并且随后如由箭头310指示的那样通过接线150、155被输送至LED模块130，直到在安装有LED元件170的电路板180上出现如以320和330指示的电压击穿为止。

由于散热器190倾向于是导电且导热的，所以电流如由箭头340A、340B、340C、340D、340E、340F指示的那样从如以320、330示出的电压击穿通过绝缘层185(同样被浪涌电压破坏)到散热器190进入到安装有散热器190的金属框架110中。电流在金属框架110中汇合且随后如由箭头350所指示的那样沿着金属框架110经由PE接线165流动至接地。共模浪涌就是这样返回至接地的，即经由金属框架110及其PE接线165。

对于II级照明器，共模浪涌经由框架与安装有框架的金属杆或天线竿之间的机械连接被输送至接地。

尽管示出了经由散热器190到达金属框架110的六条电流路径，将领会的是，这是单纯示例的方式，根据电路板180上的击穿区域和/或LED元件170的故障可以产生任意数目的通过散热器的电流路径。

此外，安装有LED元件170的电路板180经常包括以散热为目的的大铜皮区域。这些大区域产生相对较大的电容，该相对较大电容可以使得高速浪涌能够通过并且产生通过LED元件170的有害电流。

另一方面，当照明器100的金属框架110上积蓄有静电电荷时，或当局部地面由于如以360指示的局部雷击而经历突然的电位升高时，金属框架110与相线和中性线160L、160N之间的电压将分别足够高，以使得浪涌由于框架110与干线电源线160之间的数KV的电势差通过PE接线返回。在框架与相线和中性线160L、160N之间将发生电压击穿，从而流经LED元件和LED驱动器120。

如上所述，对于I级照明器，可以为共模浪涌提供保护部件。在图4中示出示意性图例400，图4示出了这种保护部件的位置。

在图4中，干线输入端410分别包括相线接线端和中性接线端410L、410N和PE接线410PE，并且被连接到如图1所示的LED驱动器120的初级侧120A的输入端420上。输入端420处的接线端分别标记为420L、420N和420PE，且每个接线端经由如所示的导线接线430L、430N和430PE连接至接线端410L、410N和410PE中的相应接线端上。

示出了在相线和中性线接线430L、430N中的相应一者中的串联保险丝440、450。还示出了保护元件460、470、480，保护原件460、470、480如所示那样分别位于相线接线430L与PE接线430PE之间；中性线接线430N与PE接线430PE之间；以及相线接线与中性线接线430L、430N之间。

如上所述，保护元件460、470、480可以包括金属氧化物变阻器(MOV)、气体放电管(GDT)或MOV与GDT的组合。

串联保险丝440、450连同保护部件460、470、480一起工作并且当保护部件460、470、480短路时可作用以切断电路，即切断到照明器的干线电源。

然而，在这些保护部件460、470、480工作以保护LED驱动器120时，这些保护部件460、470、480在其启动之前可能不足以防止对至少一部分的电路板180和安装在电路板之上的至少一些LED元件170的破坏。

因此，为了避免对LED元件170的破坏，一个好的方法是确保在安装有LED元件170的电路板180与照明器100的金属框架110之间不会产生任何危险电压。

在图5中所示的照明器，除了增加了根据本发明的保护部件的以外，与图1的照明器100相同。并联阻抗元件510、520被插入在电连接150、155(位于LED驱动器120与LED元件170所连接的电路板180上的LED+线和LED-线之间)中的每一者与照明器500的金属框架110之间。

在共模浪涌的情况下，这些并联阻抗元件510、520为浪涌电流提供了经由照明器500的金属框架110到接地的直接返回路径。这些并联阻抗元件510、520还可以用于，在作为暴风雨前兆的云中或者在暴风雨中建立静电期间，避免照明器500的电路板180与金属框架110之间建立的任何静电电荷和静电高压。

由于LED驱动器120比LED元件170更耐受高浪涌电压，所以当LED元件170被破坏时，LED驱动器120通常倾向幸免于这种高浪涌电压。另外，LED驱动器120还能够吸收由并联阻抗510、520递送的任何静电电荷，从而防止任何静电放电流动至LED元件170。这在图6中更加清楚地示出。

在图6，示出照明器500在干线输入端160处具有浪涌电压600。浪涌电压600如由箭头610指示的那样通过LED驱动器120的初级侧120A(输入端)并且如由箭头620指示的那样几乎完全被输送至次级侧120B，并如由箭头630、640指示的那样经由次级侧120B流动到接线150、155中。不同于如以上参照图3描述的浪涌电压对LED元件170造成损坏，电流如由箭头650、660分别指示的那样经由并联阻抗元件510、520被引导到金属框架110中并如由箭头670、680、690指示的那样经由PE接线165被引导到接地。

在LED驱动器120的输入端处的共模浪涌和差模浪涌两者还可以在电路板180上分别通过接线150、155连接到LED驱动器120的次级侧120B上的LED+线与LED-线之间产生高压。两个并联阻抗元件510、520有效地减小该高压。在该情况下，两个并联阻抗元件510、520的作用似乎是在LED+线和LED-线(即，跨过接线150、155和框架110)之间串联连接。

还能够限制浪涌电流并通过如图7所示在并联阻抗元件510、520的前方插入串联部件来加强驱动器保护。

在图7中，示出了与图5所示的照明器类似的照明器700，但其中在LED驱动器120与并联阻抗元件510、520之间的接线150、155中的各接线中增加了串联阻抗元件710、720。这些串联阻抗元件710、720另外还减小了电路板180和LED元件170与金属框架110之间的电压并且在浪涌的情况下用作限流器，而同时对由LED驱动器120提供至LED元件170的DC电流没有影响。

在一个优选实施例中，并联阻抗元件510、520和/或串联阻抗元件710、720位于安装有LED元件170的电路板180上。替代性地，这些阻抗元件可以用在接线盒(未示出)上，该接线盒位于LED驱动器120的次级侧120B与安装有LED元件170的电路板180之间的任何地方。在另一个替代方式中(也未示出)，在并联阻抗元件510、520位于电路板180上的情况下，串联阻抗元件710、720可以处在位于LED驱动器120的次级侧120B与电路板180之间的接线盒中。

选择并联阻抗元件的类型对提供有效保护来说至关重要，并且这种并联阻抗元件可以包括例如电容器、电阻器和基于半导体的部件中的一者，基于半导体的部件比如是齐纳二极管和半导体瞬变抑制器，但不限于此。

如果并联阻抗元件510、520包括电容器，则该电容器将与LED驱动器120的初级侧120A与次级侧120B之间的变压器的初级-次级寄生电容(primarytosecondaryparasiticcapacitance)(在图3和图6中示出为300)一同形成分压电桥，只要并联电容值显著大于LED驱动器120中的变压器的初级侧与次级侧120A、120B的寄生电容值，则分压电桥显著地减小LED驱动器120的输出端处的共模电压。由于这些并联电容器有效地放置为跨过绝缘层(LED模块130中的层185)，因此选择适用于例如该应用类型的电容器至关重要，比如X-电容器(可连接在相线和中性线之间)和/或Y-电容器(可连接在相线与接地之间)等的线路滤波器电容器，X-电容器和Y-电容器已被规定为满足国际安全要求。10nF与1000nF之间的电容值是适合的，并且已发现大约100nF的电容值提供良好的结果。

如果并联阻抗元件包括电阻器，可以使用这些电阻器以避免金属框架110与接线150、155之间建立的可能产生破坏性放电的任何静电电压，接线150、155位于LED驱动器120与电路板180上的LED+线和LED-线之间。这种电阻器的典型电阻值在1MΩ与10MΩ的范围内，从而保护电路板180与关联的LED元件170之间相对于金属框架110的电气绝缘的安全性。

如果并联阻抗元件包括基于半导体的部件，这些半导体部件将在预定的电压下触发，并且重要的是确保触发电压显著地低于电路板180与相连的LED元件170相对于金属框架110的固有绝缘水平。

当然，根据保护需要的不同，并联阻抗元件可以包括电容器、电阻器和基于半导体的部件的任意结合。

串联阻抗元件710、720可以包括电感器，电感器对高速浪涌提供较高的阻抗，同时对馈给电路板180和相连的LED元件170的DC电流几乎透明。

此外，共模滤波器可以由两个耦合的具有合适电感值的电感器(未示出)构成。

将容易领会的是，由并联阻抗元件(和可能存在的串联阻抗元件)限定的浪涌保护装置可以通过如以上参照图4描述的在干线电源160与LED驱动器120的初级侧120A之间设置串联保险丝和保护元件来实施。

已参照包括有单个LED模块和单个LED驱动器的照明器对本发明进行了描述。然而，将容易领会的是，LED驱动器可以驱动照明器内的多于一个LED模块。另外，在照明器中可以存在多于一个LED驱动器，所述多于一个LED驱动器用于驱动一个或更多个LED模块。在照明器中存在多于一个LED模块的情况下，在相应的LED驱动器与每个LED模块之间的接线中，并联阻抗元件可以被放置为跨过每个LED模块。

尽管已参照具体实施方式对本发明进行了描述，将容易领会的是，其它实施例也能够防止在浪涌电压期间损坏照明器的LED元件。

Claims (15)

1.一种浪涌保护装置，所述浪涌保护装置被配置为保护照明器，所述照明器包括：金属框架、至少一个发光二极管模块和至少一个驱动器，所述至少一个发光二极管模块包括电路板，所述至少一个驱动器被配置为将干线电压转换以用于所述至少一个发光二极管模块，每个驱动器和每个发光二极管模块安装于所述框架上，每个驱动器和与该驱动器相关联的发光二极管模块之间有电连接，所述浪涌保护装置包括至少一个并联阻抗元件，所述至少一个并联阻抗元件位于所述电连接与所述框架之间，所述电连接位于每个驱动器和与该驱动器相关联的发光二极管模块之间，每个并联阻抗元件包括电容器、电阻器和基于半导体的部件中的至少一者。

2.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述至少一个并联阻抗元件安装于所述至少一个发光二极管模块的所述电路板上。

3.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述至少一个并联阻抗元件位于所述驱动器与所述发光二极管模块之间的接线盒中。

4.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述至少一个并联阻抗元件包括电容器。

5.根据权利要求4所述的浪涌保护装置，其中，每个电容器包括具有预定的电气安全特性的X-电容器或Y-电容器中的一者。

6.根据权利要求5所述的浪涌保护装置，其中，每个电容器具有介于10nF与1000nF之间的电容值。

7.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述至少一个并联阻抗元件包括电阻器。

8.根据权利要求7所述的浪涌保护装置，其中，所述电阻器具有介于1MΩ与10MΩ之间的电阻值。

9.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述至少一个并联阻抗元件包括基于半导体的部件，所述基于半导体的部件具有低于所述发光二极管模块与所述框架之间的绝缘电压的触发电压。

10.根据权利要求9所述的浪涌保护装置，其中，所述基于半导体的部件包括齐纳二极管。

11.根据权利要求9所述的浪涌保护装置，其中，所述基于半导体的部件包括半导体瞬变抑制器。

12.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，还包括至少一个串联阻抗元件，所述至少一个串联阻抗元件位于所述至少一个驱动器与所述至少一个并联阻抗元件之间。

13.根据权利要求12所述的浪涌保护装置，其中，所述至少一个串联阻抗元件包括电感器。

14.根据权利要求12所述的浪涌保护装置，其中，所述至少一个串联阻抗元件包括共模滤波器。

15.根据权利要求14所述的浪涌保护装置，其中，所述共模滤波器包括两个耦合的电感器。