CN108419349A - 低电磁干扰的全桥高频驱动电路、电子镇流器和照明设备 - Google Patents

低电磁干扰的全桥高频驱动电路、电子镇流器和照明设备 Download PDF

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CN108419349A CN201810127183.1A CN201810127183A CN108419349A CN 108419349 A CN108419349 A CN 108419349A CN 201810127183 A CN201810127183 A CN 201810127183A CN 108419349 A CN108419349 A CN 108419349A
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叶跃明
陈云辉
徐志望
陈振佳
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    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters

Abstract

本申请公开了一种低电磁干扰的全桥高频驱动电路、电子镇流器和照明设备，该低电磁干扰的全桥高频驱动电路包括全桥逆变电路和高频谐振电路，该全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中第一开关管和第三开关管串联之后并联于直流电源两端，第二开关管和第四开关管串联之后并联于直流电源两端；高频谐振电路包括串联的第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容，其中第二谐振电容耦接于第一谐振电感和第二谐振电感之间，第二谐振电容两端连接有输出线。通过上述方式，本申请能够降低电子镇流器输出线对外界环境的电磁干扰。

Description

低电磁干扰的全桥高频驱动电路、电子镇流器和照明设备
技术领域
本申请涉及照明技术领域，特别是涉及一种低电磁干扰的全桥高频驱动电路、电子镇流器和照明设备。
背景技术
随着现代化农业的快速发展，利用高强度放电(High Intensity Discharge，HID)灯源对植物的进行智能生长补光在国内外得到了广泛的推广。针对大棚植物生长补光的需求，一些照明公司相继推出大功率的植物照明HID双端灯源，并要求相应的电子镇流器的输出工作频率大于100KHz。传统电子镇流器是基于高频电力电子技术研制而成，采用开关电源拓扑结构，存在巨大的电磁谐波、高频噪声及辐射干扰，往往对周围环境及网络造成电磁噪声污染。特别是随着输出驱动频率与功率的提高，在大功率电子镇流器中，这种电磁噪声干扰会剧烈增强。在应用终端现场，大批的大功率电子镇流器聚在大棚中或配电房中一起同时工作，所产生的电磁噪声污染则更为严重。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种低电磁干扰的全桥高频驱动电路、电子镇流器和照明设备，能够解决传统电子镇流器电磁噪声干扰严重的问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种低电磁干扰的全桥高频驱动电路，包括：全桥逆变电路和高频谐振电路；全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中第一开关管一端耦接直流电压的正极和第二开关管一端，第一开关管另一端耦接第三开关管一端，第三开关管另一端耦接直流电压的负极，第二开关管另一端耦接第四开关管一端，第四开关管另一端耦接直流电压的负极；高频谐振电路包括串联的第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容，其中第二谐振电容耦接于第一谐振电感和第二谐振电感之间，第二谐振电感另一端耦接于第二开关管和第四开关管之间，第一谐振电感或第一谐振电容另一端耦接于第一开关管和第三开关管之间，第二谐振电容两端连接有输出线。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种电子镇流器，至少包括如上所述的全桥高频驱动电路。
为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是：提供一种照明设备，包括：光源和如上所述的电子镇流器，光源耦接于该全桥高频驱动电路的第二谐振电容两端连接的输出线之间。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请的部分实施例中，低电磁干扰的全桥高频驱动电路包括全桥逆变电路和高频谐振电路；全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中第一开关管一端耦接直流电压的正极和第二开关管一端，第一开关管另一端耦接第三开关管一端，第三开关管另一端耦接直流电压的负极，第二开关管另一端耦接第四开关管一端，第四开关管另一端耦接直流电压的负极；高频谐振电路包括串联的第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容，其中第二谐振电容耦接于第一谐振电感和第二谐振电感之间，第二谐振电感另一端耦接于第二开关管和第四开关管之间，第一谐振电感或第一谐振电容另一端耦接于第一开关管和第三开关管之间，第二谐振电容两端连接有输出线。通过上述方式，本申请在连接输出线的第二谐振电容两端各串联有一个谐振电感，利用谐振电感可以将全桥逆变电路输出的高频方波电压进行滤波，从而使得该输出线两端电压的高次谐波分量减少，进而降低电磁噪声干扰。
附图说明
图1是本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第一实施例的电路结构示意图；
图2是图1中部分节点的信号时序图；
图3是本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第二实施例的电路结构示意图；
图4是本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第三实施例的电路结构示意图；
图5是本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第三实施例中包含第一衰减子电路和第二衰减子电路详细电路的电路结构示意图；
图6是本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第四实施例的电路结构示意图；
图7是本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第四实施例中还包含尖峰吸收电路和噪声衰减电路的电路结构示意图；
图8是本申请电子镇流器一实施例的结构示意图；
图9是本申请照明设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第一实施例包括：全桥逆变电路101和高频谐振电路102。
全桥逆变电路101包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，其中第一开关管Q1一端S1耦接直流电源UBUS的正极和第二开关管Q2一端S2，第一开关管Q1另一端A耦接第三开关管Q3一端S3，第三开关管Q3另一端N耦接直流电源UBUS的负极，第二开关管Q2另一端B耦接第四开关管Q4一端S4，第四开关管Q4另一端N耦接直流电源UBUS的负极。
高频谐振电路102包括串联的第一谐振电感LS1、第二谐振电感LS2、第一谐振电容CS和第二谐振电容CP，构成CLCL高频谐振电路。其中第二谐振电容CP耦接于第一谐振电感LS1和第二谐振电感LS2之间，第二谐振电感LS2另一端耦接于第二开关管Q2和第四开关管Q4之间，第一谐振电感LS1或第一谐振电容CS另一端耦接于第一开关管Q1和第三开关管Q3之间，该第二谐振电容CP两端out1和out2连接有输出线。
其中，该输出线两端用于连接负载，例如HID灯源，以向负载输出驱动电压。
具体地，在一个应用例中，结合图2所示，开关管Q1～Q4可以采用MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管)，例如图1中的NMOS管，则该开关管Q1～Q4中每个开关管的一端是源极和漏极其中一端，另一端是源极和漏极中另一端。其中，开关管Q1～Q4的开关频率大于100kHz。该第一谐振电容CS电容值、第二谐振电容CP的电容值、第一谐振电感LS1和第二谐振电感LS2的电感值可以根据电路所需的谐振频率和负载所需的电压而定，例如，第一谐振电容CS电容值可以为0.22uF/630V，第一谐振电感LS1和第二谐振电感LS2的电感值可以为48uH等，此处不做具体限定。
其中，该第一开关管Q1和第四开关管Q4同步，并与第二开关管Q2和第三开关管Q3互补，即Q1和Q4同时导通同时截止，Q2和Q3同时导通同时截止，且Q1和Q4导通时，Q2和Q3截止，而Q2和Q3导通时，Q1和Q4截止，从而将直流电源UBUS输出的直流电压转换为交流方波电压。
例如图2所示，在前半个周期0～T时间内，Q1和Q4的驱动电压Ugs_Q1和Ugs_Q4为Udrive，Q2和Q3的驱动电压Ugs_Q2和Ugs_Q3为0，此时Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，则电流经过Q1、高频谐振电路102和Q4后到达N点(工作地)，因此Q1和Q3间的A点电压为电源电压UBUS，Q2和Q4之间的B点电压为0。在后半个周期T～2T时间内，Q1和Q4的驱动电压Ugs_Q1和Ugs_Q4为0，Q2和Q3的驱动电压Ugs_Q2和Ugs_Q3为Udrive，此时Q1和Q4截止，Q2和Q3导通，则电流经过Q2、高频谐振电路102和Q3后到达地N点，因此Q1和Q3间的A点电压为电源电压0，Q2和Q4之间的B点电压为UBUS。Q1～Q4的驱动电压周期性变化，从而可以将该直流电压UBUS转换为交流方波电压，输入到高频谐振电路102两端。当Q1～Q4的开关频率与该高频谐振电路102中元件的固有谐振频率一致时，即该交流方波的频率与该高频谐振电路102的固有谐振频率一致时，该高频谐振电路102产生谐振，且由于该第二谐振电容CP两端耦接有第一谐振电感LS1和第二谐振电感LS2，由电感的特性可知，A点或B点的输入的方波经过第一谐振电感LS1或第二谐振电感LS2后，高次谐波分量会被第一谐振电感LS1或第二谐振电感LS2滤除，电压波形的斜率变小，从而使得输出的电压变成近正弦波，即第二谐振电容CP两端输出的电压为近正弦波，例如图2中out1点和out2点相对于N点的电压Uout1_N和Uout2_N，其中Uout1_N和Uout2_N的峰值均为Uo。因此，负载(如HID灯源)两端的电压均为近正弦波，其高次谐波分量减少，电压斜率变小，电压产生突变的可能性下降，从而可以极大减少电磁噪声干扰。
该高频谐振电路102还可以整定电压和电流的波形，使得开关管Q1～Q4开通前电压先降为零或者关断前电流先降为零，即大电压和大电流不能同时出现，从而实现开关管的软开关控制，大大减少了开关应力和功率损耗，提高了全桥驱动的效率。
在其他应用例中，该谐振电感LS1和谐振电感LS2的位置也可以互换，该谐振电感LS1和第一谐振电容CS的位置也可以互换，该第一谐振电容CS也可以连接在B点和谐振电感LS2之间，或者谐振电感LS2和第二谐振电容CP之间，只要保持输出线两端各连接一个谐振电感即可。
本实施例中，在连接输出线的第二谐振电容两端各串联有一个谐振电感，利用谐振电感可以将全桥逆变电路输出的高频方波电压进行滤波，从而使得该输出线两端电压的高次谐波分量减少，进而降低电磁噪声干扰。此外，该高频谐振电路采用两个谐振电感串联的方案，可以使得每个谐振电感的体积都较少，可以分散热量，散热效果好。
相对于现有在电子镇流器输入输出的两端增加EMI抑制器或者EMI滤波电路来减小传统HID电子镇流器的EMI电磁干扰，本申请的电路结构简单，成本较低。
在其他实施例中，该低电磁干扰的全桥高频驱动电路还可以包括尖峰吸收电路，以吸收开关管关断时产生的电压尖峰。
具体如图3所示，本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第二实施例与本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第一实施例的结构类似，不同之处在于，本实施例的低电磁干扰的全桥高频驱动电路进一步包括：四个尖峰吸收电路103a～103d，每个尖峰吸收电路均并联于第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4两端(源极和漏极)。
其中，该尖峰吸收电路103a～103d可以采用相同结构的元件，例如都采用电容，或者都采用并联的电容和二极管等，也可以采用不同的元件，此处不做具体限定。
具体地，在一个应用例中，如图3所示，每个开关管，包括Q1～Q4，源极和漏极之间均并联一个吸收电容，如图3所示的C1～C4。以开关管Q1为例，在开关管Q1关断时，若没有该吸收电容C1，该开关管Q1漏极和源极之间的电压会直接从0变为较高的电压，变化很大，且由于开关管的开关频率很高，该电压变化也会很快，会产生电压尖峰dv/dt，容易产生电磁噪声污染和增加开关损耗。本实施例中，在每个开关管Q1～Q4的源极和漏极之间均并联一个吸收电容后，该吸收电容(如C1)会在开关管(如Q1)关断时，吸收该尖峰电压，从而可以减少电路的差模和共模干扰。
在其他实施例中，该低电磁干扰的全桥高频驱动电路还可以包括噪声衰减电路，以进一步降低共模干扰。
具体地如图4所示，本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第三实施例与本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第一实施例的结构类似，不同之处在于，本实施例的低电磁干扰的全桥高频驱动电路进一步包括：噪声衰减电路104，该噪声衰减电路104的第一端D1耦接于第一开关管Q1和第三开关管Q3之间，噪声衰减电路104的第二端D2耦接于第二开关管Q2和第四开关管Q4之间，噪声衰减电路104的第三端D3耦接于外壳地。
可选地，该噪声衰减电路104具体可以包括第一衰减子电路1041和第二衰减子电路1042，该第一衰减子电路1041一端是噪声衰减电路104的第一端D1，第二衰减子电路1042一端是噪声衰减电路104的第二端D2，第一衰减子电路1041另一端和第二衰减子电路1042另一端耦接作为噪声衰减电路104的第三端D3。
其中，该噪声衰减电路通常采用吸波电感和安规电容(如Y电容)的组合电路，可以对共模噪声干扰起到滤波作用，从而衰减共模噪声干扰，减少EMI(Electro MagneticInterference，电磁干扰)电磁干扰。
该第一衰减子电路1041和第二衰减子电路1042的结构可以相同，也可以不同，此处不做具体限定。
具体地，在一个应用例中，结合图5所示，该第一衰减子电路1041包括第一电感L1、第一电容C5和第二电容C7，其中第一电感L1和第一电容C5串联，第二电容C7与串联后的第一电感L1和第一电容C5并联。类似的，该第二衰减子电路1042包括串联的第二电感L2、第三电容C6和第四电容C8，其中第二电感L2和第三电容C6串联，第四电容C8与串联后的第二电感L2和第三电容C6并联。在其他应用例中，该第一电感L1和第一电容C5的位置可以互换，该第二电感L2和第三电容C6的位置也可以互换，此次不做具体限定。
其中，该第一电感L1和第二电感L2是吸波电感，该第一电容C5、第二电容C7、第三电容C6和第四电容C8均是Y电容，但该第一电容C5和第二电容C7的规格不同，该第三电容C6和第四电容C8的规格也不同，则第一衰减子电路1041和第二衰减子电路1042均是LC多频段高频共模噪声干扰衰减电路。
第一衰减子电路1041的一端连接在开关管Q1和Q3之间，一端连接外壳地，从而可以利用吸波电感L1和Y电容C5和C7，将开关管Q1和Q3桥臂中点A点产生的高频方波造成的多频段高频共模噪声干扰吸收和滤除，可以使得该多频段高频共模噪声干扰迅速衰减，达到减少EMI电磁干扰的目的。同理，该第二衰减子电路1042的一端连接在开关管Q2和Q4之间，一端连接外壳地，从而可以利用吸波电感L2和Y电容C6和C8，将开关管Q2和Q4桥臂中点B点产生的高频方波造成的多频段高频共模噪声干扰吸收和滤除，可以使得该多频段高频共模噪声干扰迅速衰减，达到减少EMI电磁干扰的目的。
本实施例的低电磁干扰的全桥高频驱动电路同样可以包括该尖峰吸收电路，具体可以参考本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第二实施例的结构，此次不再重复。
在其他实施例中，该低电磁干扰的全桥高频驱动电路还可以将外壳地和工作地相连，形成共模噪声返回路径，从而进一步衰减共模噪声干扰，进一步减少EMI电磁干扰。
具体如图6所示，本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第四实施例的结构与本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第一实施例的结构类似，不同之处在于，本实施例的低电磁干扰的全桥高频驱动电路进一步包括：噪声吸收电路105，该噪声吸收电路105的第一端E1耦接高频谐振电路102的输出线，该噪声吸收电路105的第二端E2耦接直流电源UBUS的负极N点(工作地)，该噪声吸收电路105的第三端E3耦接外壳地。
具体地，该噪声吸收电路105包括第三电感L3、第五电容C9、第六电容C10和第七电容C11，该第三电感L3与第七电容C11串联，并耦接于噪声吸收电路105的第二端E2和第三端E3之间，该第五电容C9耦接于第二谐振电容CP一端out1和外壳地之间，第六电容C10耦接于第二谐振电容CP另一端out2和外壳地之间。
其中，该第三电感L3是吸波电感，第五电容C9、第六电容C10和第七电容C11可以是Y电容，从而将该工作地(N点)通过该吸波电感L3和电容C9、C10和C11与外壳地相连，形成全桥驱动电路101对外壳造成的共模噪声的返回路径，并将谐振电感LS1和LS2滤波后的高频近正弦波电压的高次谐波分量再次吸收衰减，其中该吸波电感L3可以将共模噪声中的高频谐波分量吸收并以热量形式消耗掉，从而可以有效的减少共模噪声，降低电子镇流器输出线两端对外界环境的EMI电磁干扰，创造良好的电磁环境。
本实施例中，该低电磁干扰的全桥高频驱动电路还可以包括尖峰吸收电路和噪声衰减电路中至少一个，例如图7中同时包括噪声吸收电路、尖峰吸收电路和噪声衰减电路，从而更好的降低电子镇流器对外界环境的EMI电磁干扰，该尖峰吸收电路和噪声衰减电路具体可以参考本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第二和第三实施例的结构，此处不再重复。
如图8所示，本申请电子镇流器60一实施例至少包括：全桥高频驱动电路601，其中，该全桥高频驱动电路601用于向负载(如HID灯源)输出驱动电压，以驱动该HID灯源发光，其具体结构可以参考本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第一至第四任一实施例的电路，此处不再重复。
本实施例中，该电子镇流器60还可以根据实际需求进一步包括输入滤波整流电路、功率因素校正电路等其他电路结构，此处不做具体限定。
本实施例中，该电子镇流器的全桥高频驱动电路在连接输出线的第二谐振电容两端各串联有一个谐振电感，利用谐振电感可以将全桥逆变电路输出的高频方波电压进行滤波，从而使得该输出线两端电压的高次谐波分量减少，进而降低电磁噪声干扰。
如图9所示，本申请照明设备80一实施例包括：光源801和电子镇流器802。其中，该电子镇流器802的结构可以参考本申请电子镇流器实施例的结构，此处不再重复。
其中，该电子镇流器802包括全桥高频驱动电路(如图8所示的601)，用于向该光源801输出驱动电压，以使得该光源801发光。
下面以本申请低电磁干扰的全桥高频驱动电路第一实施例为例，结合图1所示，该光源801连接于该电子镇流器802中低电磁干扰的全桥高频驱动电路的第二谐振电容CP两端连接的输出线out1和out2之间。其中，该光源801是HID灯源。
具体地，该电子镇流器802中的低电磁干扰的全桥高频驱动电路以全桥逆变电路能将高压直流电源UBUS转换为高频交流输出电压，并通过该输出线out1和out2输出该高频交流输出电压，从而驱动HID电源801。同时，由于该输出线out1和out2两端均连接有一个谐振电感(LS1和LS2)，全桥逆变电路输出的方波经过第一谐振电感LS1或第二谐振电感LS2后，高次谐波分量会被第一谐振电感LS1或第二谐振电感LS2滤除，电压波形的斜率变小，从而使得输出的电压变成近正弦波，即第二谐振电容CP两端输出的电压为近正弦波，电压变化平缓，从而可以极大减少电磁噪声干扰，电磁环境得到改善。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低电磁干扰的全桥高频驱动电路，其特征在于，包括：全桥逆变电路和高频谐振电路；
所述全桥逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中所述第一开关管一端耦接直流电源的正极和所述第二开关管一端，所述第一开关管另一端耦接所述第三开关管一端，所述第三开关管另一端耦接所述直流电源的负极，所述第二开关管另一端耦接所述第四开关管一端，所述第四开关管另一端耦接所述直流电源的负极；
高频谐振电路包括串联的第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容，其中所述第二谐振电容耦接于所述第一谐振电感和所述第二谐振电感之间，所述第二谐振电感另一端耦接于所述第二开关管和所述第四开关管之间，所述第一谐振电感或所述第一谐振电容另一端耦接于所述第一开关管和所述第三开关管之间，所述第二谐振电容两端连接有输出线。
2.根据权利要求1所述的全桥高频驱动电路，其特征在于，进一步包括：噪声衰减电路，所述噪声衰减电路的第一端耦接于所述第一开关管和所述第三开关管之间，所述噪声衰减电路的第二端耦接于所述第二开关管和所述第四开关管之间，所述噪声衰减电路的第三端耦接于外壳地。
3.根据权利要求2所述的全桥高频驱动电路，其特征在于，所述噪声衰减电路包括第一衰减子电路和第二衰减子电路，所述第一衰减子电路一端是所述噪声衰减电路的第一端，所述第二衰减子电路一端是所述噪声衰减电路的第二端，所述第一衰减子电路另一端和所述第二衰减子电路另一端耦接作为所述噪声衰减电路的第三端。
4.根据权利要求3所述的全桥高频驱动电路，其特征在于，所述第一衰减子电路包括第一电感、第一电容和第二电容，其中所述第一电感和所述第一电容串联，所述第二电容与串联后的所述第一电感和所述第一电容并联。
5.根据权利要求3所述的全桥高频驱动电路，其特征在于，所述第二衰减子电路包括第二电感、第三电容和第四电容，其中所述第二电感和所述第三电容串联，所述第四电容与串联后的所述第二电感和所述第三电容并联。
6.根据权利要求1所述的全桥高频驱动电路，其特征在于，进一步包括：噪声吸收电路，所述噪声吸收电路的第一端耦接所述高频谐振电路的输出线，所述噪声吸收电路的第二端耦接所述直流电源的负极，所述噪声吸收电路的第三端耦接所述外壳地。
7.根据权利要求6所述的全桥高频驱动电路，其特征在于，所述噪声吸收电路包括第三电感、第五电容、第六电容和第七电容，所述第三电感与所述第七电容串联，并耦接于所述噪声吸收电路的第二端和第三端之间，所述第五电容耦接于所述第二谐振电容一端和所述外壳地之间，所述第六电容耦接于所述第二谐振电容另一端和所述外壳地之间。
8.根据权利要求1所述的全桥高频驱动电路，其特征在于，进一步包括：四个尖峰吸收电路，所述尖峰吸收电路分别并联于所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管两端。
9.一种电子镇流器，其特征在于，至少包括如权利要求1-8任一项所述的全桥高频驱动电路。
10.一种照明设备，其特征在于，包括：光源和如权利要求9所述的电子镇流器，所述光源耦接于所述全桥高频驱动电路的所述第二谐振电容两端连接的所述输出线之间。
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