CN1061208C - 气体放电灯的单晶体管镇流器 - Google Patents

Abstract

用于对气体放电灯供能的一个电路包括一个功率因数校正电感器，它耦合到整流的、脉动交流电源。一个储能电路接到该功率因数校正电感器，和一个开关接在该功率因数校正电感器与该储能电路之间的一个节点上。一个谐振电路耦合该储能电路到该气体放电灯。

Description

气体放电灯的单晶体管镇流器

本发明涉及驱动气体放电灯的电路。

激励气体放电灯的电子镇流电路包括一个整流器，用以将低频、交流(“AC”)电源变换为直流(“DC”)电源；一个升压器，用以提升DC电源的电压；以及一个逆变器(通常是半桥路)，用以将该DC电源变换为很高频率(在24KHz的数量级)的AC电源。

这种类型的电路能够实现高功率因数和低的总谐波失真(THD)，还具有变暗(din)能力。

可是，这种电路要求三个晶体管和许多其它元件。在布局上很难制成低成本的集成电路。其结果是，镇流器比磁镇流器昂贵得多。

为了减少元件的数量业已做了大量的努力，可是，元件数量的减少至今需有昂贵的高压集成电路(IC)或者牺牲功率因数、THD和变暗能力为代价。

为此，现在需要一种激励气体放电灯的电路，它利用常规的价廉IC、用少量元件制造、且保持高功率因数、低THD和变暗能力。

图1示出用于一种激励气体放电灯的电路的原理图。

图2．1示出一种直接耦合无箝位储能电路。

图2．2示出一种变压器耦合的无箝位储能电路。

图2．3示出一种直接耦合的储能电路，其中箝位电感器已紧密地耦合绕组。

图2．4示出一种变压器耦合的储能电路，其中箝位电感器已紧密地耦合绕组。

图2．5示出一种直接耦合储能电路，其中箝位电感器松驰地耦合绕组。

图2．6示出一种变压器耦合的储能电路，其中箝位电感器松驰地耦合绕组。

为了利用常规的价廉的集成技术以允许减少元件数量，功率开关装置应由信号进行控制，这些信号接近它们电位电平共同的电路。与常规晶体管半桥路相对比，常规晶体管半桥路具有一个晶体管，其基极或栅极相对于地为高电位，这需要昂贵的电平偏移电路。在本发明中，用以给气体放电灯加电的电路包括耦合到整流的、脉动的AC电源的一个功率因数校正电感器。一个储能电路连接到该功率因数校正电感器，和一个开关，连接到该功率因数校正电感器与该储能电路之间的连接点。一个谐振电路将该储能电路接到气体放电灯。

这种电路可提供0．996的功率因数，总谐波失真为5．6％，三次谐波失真为2．7％和灯电流波峰因数为1．27。该电路使用其源极或发射极接地的单个晶体管。由于避免了电平偏移，该电路是经济的，而且容易使用低成本集成技术制造。

图1示出本发明的单晶体管镇流器电路。该电路的基本部分是：脉动的AC全波整流电源10，功率因数校正电路100，振荡器200驱动的开关202，储能电路300，谐振电路400和箝位电路500。端子22和24接到低频AC电源和60Hz、120V AC电源线。整流二极管12、14、16、18将输入的正弦波形变换为在公共端28与正端26之间的一个全波的、脉动的AC整流电压。电容器20防止该电路工作漏泄到电源线的高频噪声，并且起着功率因数校正电路的低阻抗电流源的作用。还可包括一个小电感的网络以便进一步降低对所需电平的噪声。

开关电路200包括用以驱动开关202的振荡器204。振荡器204以恒定频率振荡，虽然可通过调制与输入电源线同步的频率得到管电流和功率因数特性的一些改善。

开关202有两个开关端子。一个开关端子接到公共节点28。另一个开关端子接到节点302。节点302是功率因数校正电感器104与储能电路300之间的连接点。因此节点302以振荡器204确定的频率周期地接到公共端子28。该开关可包括任何类型的高频器件，如双极晶体管、场效应晶体管、可控硅、绝缘栅双极晶体管或真空管器件。

开关202通过功率因数校正电感器104和二极管102在节点206接到全波AC整流电源。二极管102被定向使得功率不返回到电源10。

当开关202接通时，电流随时间通过功率因数校正电感器104线性地建立，以正比输入电压的电流对它充电。

功率因数校正电感器104存储的能量与流过它的电流的平方成正比。因此当由开关202周期地转换时，这个电感器使能量从正比于该电压的平方的电源中取出，正如从连接一个晶体管得到的一样。因此从电源线得到的电流与该电压同相并且正比于该电压，得到好的功率因数。

在图1所示的实施例中，储能电感器320有一个初级绕组314和箝位绕组316。初级绕组314和箝位绕组316具有类似的物理特性。初级绕组314具有第一和第二初级绕组端子。

初级绕组314的第一初级绕组端子接到开关202。初级绕组314的第二初级绕组端子接到存储电容器310。该存储电容的另一端接到公共端208。

当开关202接通时，电源从存储电容器310通过初级绕组314流出。这个电源以通过功率因数校正电感器104的电流相同的方式线性地建立。按照这种方式，能量从电容器310转移到初级绕组314。

为了解该电路的工作，假定存储电容器310和辅助电容器318以相同的电压供能。当开关202接通(即闭合)时，端子302接地。端子324接正电位，该正电位是低于公共端的相同电压，因为端子326是高于它。在箝位绕组316中建立电流，其幅度与在初级绕组314中建立的电流相同。由于节点324比节点326更负，二极管312是反向偏置的，并且在开关202接通时不导通。

在开关202的接通周期结束时，开关202断开。(为此目的，高的开关速度是希望的以便取得良好的效率。控制和增强固态开关的开关速度的方法在电源电子学的文章中描述。)开关202断开时，节点302上的电压随着流过功率因数校正电感器104、初级绕组314和箝位绕组316的电流继续流过而上升。当该电压足够使二极管312正向偏置时，节点302上的电压被箝位在等于电容器310、电容器318和正向偏置二极管312上的电压之和的一个电位(高于公共端28)。流过功率因数校正电感器104、初级绕组314和次级绕组316的电流随时间而减小，直到它们达到零为止，这时来自功率因数校正电感器104、初级绕组314和次级绕组316中电流的能量已转移到电容器310和318。由于电荷已从该电源线获得，在电容器318和310上的电压随着开关202循环通与断而继续增加，除非能量由于谐振电路和放电管的作用而从该系统被排除。

由于初级绕组314是跨接在电容器310上，而次级绕组316是跨接在电容器318上，故变压器的作用迫使这两个电容器在它们上面具有相同的电压。

节点302上的电压由一个方波组成，当开关202接通时它交替地为零，和当开关202断开时两倍于电容器310上的电压。因此在输出绕组322上的电压也是方波。

节点306、308是储能电路的输出端子。谐振电路400由串联的电感器404和电容器402组成，它放置在输出绕组322的两端以便耦合来自该系统的能量。谐振电路400经过输出绕组322与储能电路感性耦合。

电感器404和电容器402在稍微低于开关202转换频率的一个频率谐振。放电灯502、504放置在电容器402两端，使得AC电流流过第三绕组322、电感器404和流过放电灯502、504。

在电容器310上电压上升越高，流过放电灯的电流越大；从电容器310接收附加的功率直到达到平衡为止。该电路的功率电平通过改变电感器104的电感进行调节。较小的电感器104的电感产生更多的功率，反之亦然。

在该电路的工作中，节点302上的电压由储能电路300箝位，以使在输入线路电压是最高时，能量存储在存储电容器310中。在电源线电压是低的或零时，该能量从储能电容器310取出并且变换为绕组314和316中的电流。由于存储电容器310以刚好低于该电源线路的峰值的电压运行，在节点302提供给功率因数校正电感器的电压大约是该电源线峰值的两倍。当振荡器204以50％的占空度运行时，对于该系统提供给AC电源线的阻抗，这产生一个接近1的功率因数。

上述电路的工作有许多优点，在考虑其工作时这些优点是很明显的。能量存储在电容器310中，该电容器正常地以刚好稍小于电源线的峰值的电压工作。与许多其它镇流电路相比较这是有利的，其它镇流电路要求储能电容器工作在相当高于电源线峰值的电压。与利用两个或三个晶体管的(它们用于可比拟校正功率因数镇流器)相比，该电路的整个工作仅利用一个功率晶体管。在小于50％占空度下运行振荡器204，光输出可能是暗淡的，但同时仍保持良好的功率因数。

在图1中，当电流流过绕组314和316时，储能电路300或者在电容器310中以静电能量存储能量，或者在储能电感器320中作为磁能存储能量。在工作中，能量在这两个形式之间恒定地互变。

虽然在图1中表示一个特定型式的储能电路，可以有几个不同的型式。如果在应用中灯管不需要与电输出绕组322提供的电路公共端子绝缘，则直接耦合可能是满意的。

如果灯是永久性连接的，可能不需要箝位。在这种情况下，储能电路300具有图2．1中所示的非常简单的形式，只由一个储能电容器334和具有绕组338的电感器336组成。没有箝位，传送到灯的能量明显地波动，但该电路仍然在过零线流出存储在电容器334中的能量。直接耦合有优点，一些电流可直接地从功率因数校正电路100流动并且流入谐振电路400，根本不流过任何储能电路。这得到大的效率。一个自耦变压器绕组可加到绕组338，如果希望的话，可提供增加的输出电压。利用直接耦合，隔DC电容器必须与灯串联地加上，以防止直流流过该灯。

为了使灯与该输入隔离，或者为了输出电压，一个输出绕组340可加在图2．1的电路；如图2．2所示的。

在灯被拿掉的情况下，在希望减少灯电流中的波动和箝位开关电压时，需要一个箝位绕组。这样做的一个方式如图2．3所示。箝位绕组350具有与初级绕组352相同的圈数。初级绕组352和箝位绕组354紧密地耦合，通常采用双线绕制技术。当在绕组350、352上的电压等于储能电容器356上的电压时，箝位二极管358变为正向偏置。电荷通过箝位二极管358和箝位绕组350转移到储能电容器356。箝位绕组350与箝位二极管358串联，它们组合后再与储能电容器356并联。

这样，箝位绕组350的存在限制了绕组352上的电压超过储能电容器356上的电压。如果需要隔离，可加上一个输出绕组360，如图2．4所示。

图2．3和2．4所示的电路要求具有高可靠性且要小心地制造，因为绕组314和316的导线必须极靠近在一起以得到良好的磁耦合，和远离以得到良好的电压绝缘。如果它们不是足够靠近，则在节点302上的电压不是满意地箝位，导致高压尖峰加到开关202。电压尖峰要求更昂贵的更高的电压开关或者昂贵的缓冲器电路。

另一方案，如果使用图2．5中所示的箝位电路，则储能电路中的电感器上的绕组可以松驰地耦合在一起。

初级绕组370具有第一和第二初级绕组端子，第一初级绕组端子接到储能电容器376，而第二初级绕组端子在节点302上接到开关202。箝位绕组374具有第一和第二箝位绕组端子，第一箝位绕组端子接到电路公共点28，而第二箝位绕组端子通过二极管312接到第一初级绕组端子。辅助电容器372在节点302上接在第二箝位绕组端子和开关202之间。谐振电路400与开关202并联。

在这个电路中，初级绕组370上的电压在电容器372上被箝位；而箝位绕组374上的电压在电容器376上被箝位。因此，如果两个绕组370、374之间存在任何漏电感时，能量“返回”到电容器372和376。当直接地耦合到该放电灯时这个配置是特别希望的，因为储能电感器100以未被储能电路300处理的能量的大部分直接地驱动该灯。

由于这个原因，变压器378可以相当小和便宜。但是，灯对电源线的隔离是必不可少的，可加上一个输出绕组382，如图2．6所示。输出绕组382接到谐振电路400。这个特性导致用于变压器320的铁心比变压器378稍大些。

在本发明的优选实施例中，灯是变压器耦合的，如图1所示。电容器20的值为0．22μF，电感器104为1mH，绕组314和316各具有3．25mH的电感，电感器310是47μF／250V，电感器404是3．35mH，电容器402是6．8nF(毫微法)。工作频率是33KHz，工作在120V60Hz电源线。功率因数是0．996，总谐波失真是5．6％。灯电流波峰因数为1．27。在该开关上的峰值电压为320V。两个4英尺T8灯以60瓦的输入功率电平、177毫安的电流电平驱动。

通常在电子镇流电路中设有许多具体的保护措施。例如，通过使用在电感器104、320、404的任一个上的辅助绕组，可提供驱动通常在许多日光灯中使用的灯丝。小电容器通常与灯502、504相关地放置以便于启动。这里表示了两个灯，但是相同的原理可应用于驱动很多的灯。在这里谐振电感器404表示为一个电感器，尽管它经常需要的，它与电容器402相似，它是在一个以上的部分里存在。这里所示的灯是串联驱动的，但是其它配置如与一个以上的谐振电感绕组并联也是可能的。感应EMI(电磁干扰)抑制电路可加在镇流器的前端以改善EMI性能。此外各种EMI抑制电路可加在开关202以改善其EMI性能。

本发明的一些改变和修改对于本领域技术人员毫无疑问是很明显的。下面的权利要求书应该解释为覆盖落入本发明的真正精神和范围内的这些改变和修改。

Claims (4)

1．一种驱动至少一个气体放电灯(502)的镇流电路，包括：

一个脉动的交流整流电源(10)；

一个功率因数校正电路(100)包括一个功率因数校正电感器(104)，耦合到该电源(10)；

一个储能电路(300)，连接到该功率因数校正电感器(104)；

一个开关电路(200)包括一个开关(202)和一个振荡器(204)，其中该开关(202)耦合在该功率因数校正电感器(104)与该储能电路(300)之间的节点上；

一个谐振电路(400)，耦合到该储能电路(300)和气体放电灯(502)之间。

其特征在于：

功率因数校正电路(100)进一步包括一个二极管(102)，它与该功率因数校正电感器(104)串联，和被定向以阻止功率从储能电路(300)返回到该电源(10)。

2．根据权利要求1的电路，其特征在于，谐振电路(400)是感应耦合到储能电路(300)。

3．根据权利要求1的电路，其特征在于，储能电路(300)包括一个储能电感器和一个储能电容器(310)，该电容器连接到电路公共端，该储能电感器有一个初级绕组(314)和一个输出绕组(322)，其中：

初级绕组(314)连接到开关(202)和储能电容器(310)之间，该电容器连接到电路公共端。

4．根据权利要求3的电路，其中储能电感器进一步包括一个箝位绕组(316)耦合到储能电容器(310)和电路公共端之间。

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