CN1073556A - 具有串并联谐振的频率调制转换器 - Google Patents

Abstract

具有串并联谐振的频率调制转换器具有一串联 在直流电压负极和电感器第1端间的晶体管，电感器 第2端连接到变压器的初级。转换器包括分别接在 晶体管发射极和收集极之间的并联支路上的第一谐 振电容器(C₁)和一整流二极管。第2谐振电容器 (C₃)接在电压源的电极之间，以串联方式经二极管与 电感器连接。变压器、电感器和电容器(C₁、C₃)对晶 体管形成串并联形式的RCL谐振器。该转换器适 用于驱动电阻或电感负载，包括气体放电管。

Description

本发明涉及一种具有串并联揩振的频率调制转换器，特别适用于驱动包括气体放电管在内的任何电阻或电感负载，其中晶体管类型的转换开关被用来串联连接在直流电源的负电极和电感器第一端之间;而一脉冲发生器电路被设置在该电压源和已被用作一脉冲发生器电路的晶体管控制极之间;其中电感器的第二端连接到该变压器初级绕组。

近些年来可以看到由于功率转换器的实际尺寸明显降低而增加了工作频率。通常的准方波脉冲转换器相对于例如20KHZ的转换而言，现在达到的工作范围上限可实现大约0.5MHZ。这就允许最重要的无源功率元件如磁元件和电容的尺寸明显降低。但是，当用于更大部分脉冲宽度调制转换器时，这些转换器在功率半导体器件中具有高的转换损耗，导致效率的降低，并因此而需要更多的冷却。从而减小了降低转换器实际尺寸的可能性。

例如当提供功率于气体放电管时，为增加功率转换器处理过载或大的负载变化的能力，已建议采用特殊的电路结构作为监视器或避免开关晶体管饱和，这从例如PCT    WO90/01248和GB-PS1378465申请中可明显看出。

在愈加高的频率上，一种功率转换的更有效方法是基于所谓的“零电流转换”，其中被使用的正弦电压可由并联或串联连接的LC-谐振回路产生，这样的转换器被称为“谐振转换器”。使用正弦电压的优点是该功率半导体器件的损耗明显降低，如果转换发生在零交叉处的话。该谐振转换器的缺点是，在给定的功率电平处该峰值电流比调制转换器的脉冲宽度大许多倍。利用传导电阻较低的半导体器件，增加工作频率到1MHZ以上，这无论如何是可能的，这样的功率密度会达到1W/cm³以上。

对于这种转换器的使用，现在已知有一种集成电路形式的频率调制控制，可用于超过1MHZ的范围。标志为LD405的该集成电路可从Gennum公司、Burlington、ontario、canada获得。在一频率调制转换器中这一控制电路的使用在该Gennum公司的LD405应用记录中加以描述，标题为“在一种125W谐振型电源中使用的LD405”在该公司说明的结尾介绍了这种谐振电路，其原理实施电路表示在附图1中。该电路包括一电感L、电容C、电阻R和负载R_L，在电感L之前有一例如晶体管形式的转换开关S，它的作用是提供来自电源V的直流给一串联谐振回路LC。该负载R_L的电阻从该回路泄漏电流，一旦该谐振过程终止，该开关S打开，并且从源S到负载R_L的功率转换被截止。在给定的一时间周期之后，该开关S再次闭合，该过程被重复。该转换频率可以改变，这样，在负载R_L中消耗的平均功率也被改变。

这种工作模式的谐振转换器的一种实用实施例具有两个转换开关，其中每一个处理该谐振循环的一个相应周期，该开关采用MOS场效应晶体管，其自身由相应的MOSFET级驱动。已表明的实施例的输出级采用肖特基整流二极管。

但是，利用这一在先技术的谐振转换器实施例，对于在该揩振电压中完全避免谐波是困难的，而且要在每半个周期中取得对称化的相同能量值也是困难的，在该功率转换和该肖特基输出二极管中最终仍然存在实质性损耗。此外被提供的该Rc网络还与该功率开关并联，以便阻尼电压瞬态现象，而这些阻尼电路导致附加损耗，因此，效率降低至少25%，即使输出级没有采用整流二极管，该损耗大约在16%左右。

如上所讨论的通常所述的转换器和同一类型的现有技术的装置，其电容器用电感器直接并联连接，该开关同电压源串联连接。另外，该负载将也可从被制成为变压器的谐振电路中取得能量。在先技术的这些装置，由于该谐振的能量容量的限制，通常很难计算和实现。如果从LC电路泄漏太多的能量，该频率会发生变化，并且它必须采用复杂的电子控制装置，以便控制该转换开关的转换，这样来维持该电路的谐振状态。在这样的电路中如果过载上升，该晶体管的转换电流会不可控地增加，并且如果该晶体管断开，这可能导致该转换器瞬变而遭受无可挽救的损坏。问题是该保护晶体管的控制装置在有效时间内没有工作，从而该晶体管，即开关承受着非正常的负载，如已经述及的，实质性损耗仍然存在，这样，在不使用整流输出的情况下，转换器的效率不多于84%。本发明的目的是提供一种谐振电路而没有上述的以及其他的缺点。依照本发明所实现的该频率调制转换器包括分别设置在该晶体管电荷发射极和电荷收集极之间的第1和第2并联支路中的第一谐振电容器和整流二极管;第二谐振电容器和电压流电极并联，并经由该二极管与电感器串接;该变压器、电感器和电容器对该晶体管构成一以串并联工作方式的RCL谐振器，并具有分别由该电感电压或该电容电压之间的相互关系可确定的品质因素;和该电源电压以及连接在变压器第一次级绕组端之间的负载，该负载以串联方式与电感器相连接。从从属权利要求中可以看出明显的进一步的特点和优点。

参考附图，下面将对本发明作进一步详细讨论。

图1是已经论述的现有技术中并联谐振器的基本电路;

图2是相应本发明并使用具有冷阴极气体放电管的具有串并联谐振的调制转换器的基本电路图;

图3是图2中使用的具有热阴极气体放电管的一种不同的转换器的截面图;

图4a-c分别表示在该转换器的电感器端测量的在输出处于标准负载，输出为短路情况下不在同的传导状态和负载条件下的一个周期的电压曲线图;

图5是相应于本发明并应用于驱动热阴极气体放电管的该频率调制转换器的具体实施例;

图6是在图2电路中提供的该变压器的具体实施例的细节。

在图2中、第一谐振电容器C₁并联在作为转换开关运行的晶体管2的电荷发射极和电荷收集极之间;该负载R_G与电感器L串联，该电感器L分别与晶体管2和电容器C₁相连接;第二谐振电容器C₃并联于电压源的电极并通过二极管D₂与电感器L相连接，该二极管D₂还以并联支路的形式连接在晶体管2的电荷发射极和电荷收集极之间;进而变压器T的初级绕组P连接到电感器L，这样，变压器T、电感器L和电容器C₁、C₃构成对晶体管2以并联形式运行的RCL谐振器，并具有如已知的由电感电压U_L或电容器电压

和 以及电源电压U的相互关系所确定的品质因素。负载R_G连接在如所述的与电感器L相串联的变压器T的第一次级绕组S₁的端点之间。谐振器的尺寸可以根据视在功率的需要方便地这样来确定，即在该揩振器运行频率选定的情况下，该谐振器或谐振回路的尺寸可根据比所需要的视在功率大30%来确定。该晶体管Q被控制在确定的不受负载改变的频率处。

现在对相应于本发明的转换器的运行加以更详细的解释。当该晶体管Q由近似的方波脉冲所控制的晶体管导通时，电流通过电感L和变压器T，从而存在磁化。该电感器L由一线圈和一磁芯例如具有空气隙的铁氧体制成。当该晶体管Q终止导通时，电感器L的逆感应使由容器C₁或C₃充电。电容器C₃的电容量无论如何是远大于电容器C₁的电容量并以相反的极性也被充电。该变压器T现在用和通过晶体管Q所接收的极性相同的全部电流馈入，当电容器C₁的电压达到极大值时，电流的方向翻转并且该电容器C₁对电感器L和变压器T放电。从而，电流的方向再一次被翻转，电感器L把二极管D₂和变压器T的能量泄放给电容器C₃’。晶体管Q再次导通并且这一过程将被重复。

这一过程可由4个阶段描述。在阶段1中，晶体管Q导通，电流以I_A方向通过变压器T流动。在阶段2中，晶体管终止导通，但事实上由于电感器L的工作如“储能电路”的作用一样，电流仍然按I_A方向流动（图2）通过变压器T，而电容器C₁在同一时刻由于电感器L的逆感应而放电。在阶段3中，来自电感器L的逆感应终止，并且电容器C₁放电，该放电电流按I_B方向（图2）通过变压器T₁向电容器C₃流动，而电感器L被“填满”;在阶段4中，电感器L经由二极管D₂、电容器C₃及变压器T被“排空”，直到晶体管Q再次导通。

应注意到，晶体管Q可在该二极管D₂导通并从而处于零电流电压状态的每一时刻被转换。来自电感器L的负的逆感应电压U_L’也附加到电源电压U并提供给变压器T的初级绕组P，而电容器C₃由U和U_L’这两者放电。

来自次级绕组S₁并送到负载R_G的泄放能量在同一阶段并不如在初级绕组P中发生，从而只有谐振能量的一部分可以被利用。如果相应本发明的该转换器是使用在通常的气体放电灯中，这会在该电流和电压之间提供极好的关系。

如果该晶体管Q仅仅作为给变压器T注入能量的注入装置来运行的话，由于相位移，该二极管D₂已经可以在瞬间释放该晶体管，使它再次转换到上述的阶段4，因此，相应于本发明的转换器获得了很高的效率。当二极管D₂导通时如果该晶体管转换到该谐振的负相位中，那么该转换损耗被完全消除，而当晶体管Q被断开时，电压源由电容器C₁提供，从而该晶体管Q仅仅用维持该电感器L中的电感曲线特性所必须的电压运行。

如果该第一次级绕组S₁被短路，那么该变压器T的阻抗降到零并在电感器L和变压器T之间引起相位移。然后全部能量都用于维持谐振。该转换器的能量损耗被减少到“零”。那就是说，该转换器在任何方面的电路短路都是安全的。

如果负载R_G从该次级绕组S₁中移去，那么，该变压器的阻抗会增加，频率会降低，以及由于该晶体管Q在不正常时间内被转换而导致电流损耗增加。为预防这种情况，在变压器中使用第二次级绕组S₂并与整流器桥相连接，以便对该电压源的正极和负极分别恢复一部分能量。在这一方法中，该变压器T中总是有一确定的最小阻抗。该谐振器将在给定的频率范围内运行，并且能量经由如图2所示的整流器桥B₁在电压电源和次级绕组S₂之间循环。

依靠次级绕组S₂校正电压量的作用，该自激振荡的损耗可减至最小，并且可设置一种检测器（未示出）对负载R_G可能的故障发生警报，例如一种故障气体放电管，以便断开被连接到晶体管Q的控制电极的脉冲发生器电路，从而使晶体管Q终止对该谐振器的再注入。

如果在变压器T的次级一侧使用热阴极气体放电管作为负载的话，这如图3所示能简单地实现，由至少一个电容器C₅通过在气体放电管中的电极K₁、K₂，连接次级绕组S₁的两端。

如人们已知的，具有热阴极的气体放电管必须由电极的予热装置来启动，以便使管中的气体充分电离并使放电产生。这可由次级绕组S₁和匹配于具有加热状态阴极K₁、K₂的变压器T的谐振频率的电容器C₅来完成。这种匹配可由经验确定或由测量并附加到该阻抗中的阴极加热电阻来确定，如果电极K₁、K₂被充分加热，该阻抗就太低了，而来自次级绕组S₁的大部分电流被用于加热阴极。仅当出现用于谐振的条件时，该电压增加到点燃该电极的电平。当电极K₁、K₂之间正建立起放电时，电容器C₅就不再作为谐振电容器，但无论如何它提供了一定的灼热电压以保证该电极被加热，这是由于前者的阻抗同频率相比是太低了。只要降低电源电压能使光线暗淡这是又一个优点。

相应于本发明的该转换器也可以使用没有滤波的脉动直流电直接驱动具有如新欧洲规范的要求的COS中高达0.95的功率因数且不用相位补偿的气体放电管。如果频率为60KHZ，该电容量C₁选定例如为0.005μF，电容器C₃为0.22μF，但在100KHZ时，电容器C₁被选定为0.003μF，电容器C₃为0.15μF。此外，在电极之间阴极材料对传输波长的条件表示当前气体放电管的长度在30到35KHZ运行频率是最佳值。

相应本发明的转换器在实践中如何运行，参照图4a-c都可很容易理解。

图4a和4b说明电感器L两端测量的感应电压U_L的特性曲线，图4a和4b所涉及的电压是U_L的平均峰一峰值。图4a和4b中该电压的整个周期是脉冲t₁，而晶体管在t₂导通。在图4a中位于次级绕组S₁的负载是标准的，该电压是低的（在这里为0.6U_L），而由于能量泄漏，t₁是短的（在这里为0.15t₁）。在图4b中次级绕组被短路，该电压增加（在这里达1.3U_L），同样，由于能量泄漏，t₂同样是短的。

图4c表明在不同负载条件谐振电压的一个周期。F₁表明该标准的正弦特性;曲线F₂表明的是当变压器T挪用能量的情况;曲线F₃是当次级绕组S₁被短路的情况。在负的半周中，即在周期T_D中的所有期间自激二极管导通。无论什么负载条件，Q在周期

导通。如果能量通过变压器T泄漏，Q运行在周期

，则该系统是处于自我控制的状态。如果次级绕组S₁被短路，晶体管Q在周期

中导通，能量没有更多地泄漏到变压器T，那么在负半周里，电感器L传输较大部分能量返回到电容器C₃。

相应于本发明的频率调制转换器的具体实施例将参照图5加以描述，在该图中的参数标号并不与图2、3中那些相应元件完全等同，它所表示的是相应于本发明的更基本的实施例。

如图15所示，桥式整流器B₂传送来自交流源的直流电压，该电压在电容器C₂、C₃中滤波，经由二极管D₁₂，在实施例中表示的一脉冲发生器电路包括一具有由六个门A₁-A₆构成的反相输出的以斯米特触发器电路形式构成的双稳态多谐振荡器。脉冲发生器电路的电压由齐纳二极管Z整流并由电容器C₄滤波。该实施例的该脉冲发生器电路通过电阻器R₆、二极管D₁及可变电阻R_P（所示为电阻器R₅）提供一非稳态的多谐振荡器电路，这样，通过电阻器R₅和R₆和电器C₅就可提供对所要求的基本频率和脉冲宽度的调谐。门A₁的输出传送近似方波的脉冲并控制近似并联的A₃-A₆四个门的输入。相同门的各自的输出也以并联形式连接并送到用作开关的晶体管Q的控制极。如果使用普通的双极型晶体管，控制输入当然是该晶体管的基极，但如果使用MOS场效应晶体管，该控制电极当然是和栅极等同的。相应于本发明的转换器可以方便地由集成自激二极管来实现，那样，整流器二极管D₂和在图2中的第2并联支路可以去掉。

当晶体管Q导通时，激磁电流被传送到电感器L和变压器T的初级绕组P，该谐振过程被启动。该谐振频率的精细调节可通过可变电阻R_P进行。

变压器T的次级绕组S₁传送电压和电流给负载，这如结合图2更详细讨论过的那样。在图5中，在变压器T中进一步设置了第3绕组S₃，如果后者是一气体放电管的话，它被用来增加负载的电离电压，以便在极低的温度下保证可靠点燃，如图所示，它的第1端与气体放电管的电极相连接，它的第2端接地。

如在图6中详细表示的，在实施例中的变压器T由E型芯变压器构成，它用于MHZ范围内的高频频率，该芯和绕组可以由例如具有介质薄膜的铁氧体片和喷涂在该膜上的绕组制成。但是用在例如频率在30-100KHZ的非通常应用范围内的E型芯变压器仍然提供非常密实的结构。进而如图5实施例中所示明的，该电感器L和变压器T的初级绕组P构成一整体。

连接于桥式整流器B₁的次级绕组S₂的尺寸是这样选定的，使通过桥B₁中的整流二极管D₇-D₁₀所获得的直流电压低于C₂和C₃两端正常运行的电压，电阻器R₁₀和R₁₁对该电容器20构成一分压器，以便在脉冲发生器电路之前给出所要求的确定时间周期值，并通过二极管D₅断开非稳态多谐振荡器。如果在A₁的信号是低的，则门A₃-A₆的输出也低。借助电容器C₂₀通过电阻器R₇和R₈确定断开时间间隔，在某一确定的时间之后，反相放大器A₂的输入也变低并且它的输出变高，这样多谐振荡器再次被触发。但是，利用现有技术的用另一种方法来实现这一可靠的功能是可能的，在这里，所表明的该电路仅仅相应于本发明的转换器的一个示例性的实例，而并没有在任何方面限制本发明的范围。

相应于本发明转换器的基本点是，在图5实施例中的谐振电容器C₁是作为并联电路的9个电容器C₅a-C₅m（未示出）的体现，在该频率的半个周期期间，它仅作为谐振电容器。用于再充满谐振回路，即电感器上L的该谐振频率的第2个半周期是利用C₁经电容器C₃放电提供的，按照这种连接，在技术上这是熟悉的，即回扫振荡器（fly-back oscillators）由于在第1回扫能量中从谐振回路已经抽取了能量，这样，下一个半周期接收较低的能量值，从而该振荡器倾向于给出不对称的频率特性。为使变压器T作为一个对称的负载运行，从而图2中的谐振电容器C₁在第2个半周期期间必须接收较多的电荷。这一作用由经由二极管D₂与电感器L以串联形式相连接的，并且在与第1个半周期相等的电压电平上已经存有电荷的电容器C₃来完成。借助于谐振电容器C₃的校正计算和相配的电源电压U的作用，该变压器将在两个半周期中馈送相同的能量。但是，在谐振器的每个半周期中提供了对称的能量。在变压器T中使用空气隙，使得该谐振器提供一种近似完美的正弦电压而没有直流分量加偏的变压器初级续组P。

由于电感器L的电感的校正选择值和变压器T的阻抗，以及对电容器C₁和C₃的校正电容值，再加上相配的电源电压U，它可能达到开关损耗完全被抵消的非常高的效率，而由于在该电感分量中电流和电压之间的相位移，该晶体管Q仅仅工作在该电路电流的极小部分，实际上该晶体管Q可以认为是电压开关，相对于谐振的正负周期它能调节谐振电路到零，从而该晶体管能消除该谐振器倾向衰减的趋势并维持给定的频率，而当晶体管Q没有导通时，电流主要由电感器L提供。在变压器T中也可以单个配合的空气隙来实现负载R_G的特性，从而空气隙可以有效地用于控制电感L和电容C₁的能量泄漏。变压器T的校正量和使用的空气隙可以使得当在晶体管Q所确定的频率范围内由S₁的完全短路导致该谐振器的完全谐振。

最后必须提到，对于本技术领域的精通技术的人员明显是，该脉冲发生器也可以不用非稳态多谐振荡器，用另一种方法加以相应地实现，例如非稳态多谐振荡器可由数字频率合成器代替。当使用非稳态多谐振荡器时，该频率只能在10-15%的范围内得到控制，一数字频率综合器可以驱动相应于本发明的转换器使频率范围从AF域延伸到100MHZ甚至更宽的范围，而所产生的频率可以容易地加以控制超过倍频程或更多。该转换器也可以在HF和VHF中应用需要高的，稳定的和对称化的谐振电压的那些地方，再则，这也是显然的，即在该脉冲发生器电路中的所有元件，如肖特基触发器门A₁-A₆和晶体管Q也可以方便地集成在一芯片上。利用相应于本发明的频率转换器，其变压器损耗，脉冲发生器电路的损耗，在谐振电感器中的能量损耗和在输入端上的桥式整流器的损耗等等均受到限制，总的损耗可以保持在50%或更少，这样相应于本发明的转换器的具体实施例中达到97%量级的效率。

Claims (11)

1、具有串并联谐振的，特别是用于驱动其中包括气体放电管的任何电阻或电感负载R_G的频率调制转换器，其中，用晶体管构成的一转换开关(Q)串接在直流电源的负极和一电感器(L)的第一端之间；其中，在该电流和晶体管(Q)的控制极之间设置有一脉冲发生器电路，在那里该电感器(L)的第2端被连接于一变压器(T)的一初级绕驵，其特征在于：

该频率调制转换器包括分别设置在晶体管(Q)的电荷发射极和电荷收集极之间的第1和第2并联支路上的第1谐振电容器(C₁)和一整流二极管，第2谐振电容器C₃设置在该电压源的电极两端，通过二极管(D₂)与电感器(L)相串接，变压器(T)、电感器(L)和电容器(C₁，C₃)组成RCL谐振器，和晶体管以串并联方式工作，并具有分别由电感器电压(U_L)或电容器电压(U_c1和U_c3)和该电源(U)之间的相互关系所确定的品质因数，该负载(R_G)被连接在该变压器(T)中的第一次级绕组(S₁)的两端之间，这样，该负载(R_G)是与电感器(L)相串联连接。

2、根据权利要求1的频率调制转换器，其特征在于，晶体管（Q）是一具有内部自激二极管的MOS场效应晶体管，从而在第2并联支路中的整流二极管（D₂）被取消。

3、根据前述权利要求的频率调制转换器，其特征在于，该脉冲发生器电路包括一非稳定多谐振荡器。

4、根据权利要求1或2的频率调制转换器，其特征在于，该脉冲发生电路包括一数字频率合成器。

5、根据前述任何权利要求的频率调制转换器，其特征在于，在该变压器（T）中的次级绕组的阻抗是在标准负载（R_G）下调谐到该谐振器的品质因数。

6、根据权利要求5的频率调制转换器，其特征在于，如果负载（R_G）的瞬时值小于标准负载，那么该负载（R_G）用补偿负载来平衡。

7、根据权利要求6的频率调制转换器，其特征在于，设置在变压器的次级绕组（S₂）两端之间的桥式整流器（B₁）用于平衡该负载（R_G），该桥式整流器（B₁）被连接到电压源的电极之间，这样，变压器（T）的初级绕组（P）的阻抗就低于给定的最大值。

8、根据前述的任一权利要求的频率调制转换器，其特征在于，该电容器（C₁）限制该由电感器（L）通过晶体管（Q）所产生的逆感应脉冲电压。

9、根据前述任何一权利要求的频率调制转换器，其特征在于，该电容器（C₃）具有比电容器（C₁）大若干倍的电容量，从而被用于电源电压（U）的滤波。

10、根据前述任何一权利要求的频率调制转换器，其特征在于，为驱动热阴极气体放电管，第1次级绕组（S₁）的两端，经由该气体放电管的电极（K₁，K₂）连接于一电容器（C₅），该次级绕组（S₁）和该电容与在电极（K₁，K₂）加热状态下的变压器（T）的谐振频率相匹配。

11、根据权利要求10的频率调制转换器，其特征在于，为驱动热阴极气体放电管，作为阴极（K₁，K₂）运行的电极进而连接到该变压器（T）的第3次级绕组（C₃）两端中之一端。

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