CN1117782A - 具有两个晶体管和两个变压器的电子镇流器 - Google Patents

具有两个晶体管和两个变压器的电子镇流器 Download PDF

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Abstract

一种功率因数校正的电子镇流器电路使用两个变压器元件。当晶体开关的栅极直接由一个谐振电感器驱动时，感性地耦合电荷泵技术被用于功率因数校正。

Description

具有两个晶体管和两个变压器的电子镇流器
对于电子镇流器电路要求在所有时间上均匀一致(即在灯电流包络中具有低的波动)的方式对气体放电灯提供AC(交流)电源，以使从AC电源线吸取的电流足正弦波并且与线路电压同相。另外，还希望为达到这目的而使用的元件的费用较低。在电子镇流器中使用的最昂贵的元件是变压器或电感器之类的磁性元件。如果该镇流器工作在比AC线路频率高的频率，则通常需要所谓的EMI(电磁干扰)滤波器，以防止电噪声进入AC电源线。为了迫使正弦电流通过气体放电灯，还需要另一个磁性元件，与一个谐振电容器谐振并且产生所需的正弦电流波形。虽然先前描述无功率因数校正的镇流器只使用这样的两个变压器，但为了减少费用，希望有一个使用两个变压器功能的功率因数校正的镇流器。
图1示出使用两个晶体管和两个变压器元件的电子镇流器电路的示例图。
本发明的主题是一种只使用两个变压器元件的、功率因数校正的电子镇流器电路。这个主题是通过使用功率因数校正的电荷泵技术直接由一个谐振电感器驱动开关晶体管的栅极来实现的。这允许该镇流器只使用两个磁性元件装配。为此该镇流器比其它类似的功率因数校正的镇流器价廉。
在图1中，存储电容器10由整流二极管11、12、13和14从AC电源线端子15和16充电。它为半桥路晶体管20和30保持相当恒定的DC(直流)电源。半桥路晶体管20和30交替地导通。开关晶体管的这种安排称为半桥路逆变器。半桥路晶体管20和30从它们的中点驱动一个由谐振电感器40和谐振电容器50构成的串联谐振电路。对于晶体管20和30的控制电极(在这种情况下为栅极)的驱动是从绕在电感器40上的附加的绕组60和70得到的。
为了便于理解该电路的操作，考虑到晶体管20处于“导通”的情况，以使电流从电源连线80向下流动通过晶体管20和谐振电感器40，并且进入谐振电容器50。该电流将以谐振电感器40的电感量所控制的速率来增加。栅极驱动绕组60的极性被设计得可使这个增加的电流在绕组60上产生一个电压，用以驱动晶体管20较硬地导通(on even hard)。最后，因谐振电容器50被充电，故谐振电感器40中的电流停止增加。然后来自绕组60的、正比于通过电感器40的电流的变化率的相应电压变为零，关断晶体管20。然后产生反馈状况，晶体管20的关断产生该电流通过谐振电感器40的负变化率，以使一个负的栅极电压加到晶体管20的栅极，使它硬截止(hard off)，而同时正的栅极电压由绕组70加到晶体管30的栅极，使它硬导通。
按照这种方式，半桥路晶体管20和30的状态从晶体管20导通到晶体管30导通并且再反回来交替地转换。每个连续“导通”周期的持续期间为谐振电感器40与谐振电容器50相组合的谐振周期的四分之一的数量级。为此，以保证振荡发生在高出这些元件的谐振频率很多的一个频率。如果该系统通过在输出绕组90两端连接放电灯72和73加载，则该负载的影响是：在每个晶体管“导通”周期期间，通过电感器40的电流停止增加比它已经进行的更快。换句话说，该系统通过增加其频率来响应负载的增加。由于它已经高于谐振频率工作，则频率增加导致降低在电感器40两端的AC电压幅度和相应降低加到该负载的输出电压。因负载电流增加而使该电压下降，故这个系统驱动具有相当高的输出阻抗的放电灯要迫使一定程度的恒定电流通过灯管，如稳定工作所要求的那样。
当负载去掉时，在电感器40两端电压摆动的幅度随着工作频率趋向谐振而大大地增加。这些振荡的幅度受到箝位二极管100和110存在的限制，它防止在电感器40与电容器50的中心点的电压不致于分别高于或低于电源线80和120。电源线120称为“电路公用线”。这个箝位作用的准确点和数量可利用在电感器40上的抽头点或自耦变压器扩展线来调节，而不是简单地将箝位二极管接到电感器40和电容器50的连接点。
由于在正常工作时电感器40两端的电压包括相当恒定的AC电压，这个电压可用于功率因数校正的目的，如下所述。功率因数校正绕组130放置在与谐振电感器40相同的铁芯上。绕组130用于通过电容器140驱动高频整流桥路，该整流桥路由二极管150、160、170和180构成。通过电容器140驱动的这个高频整流桥路在该电路中起的作用好象它是具有反比于电容器140的值的一个内部电阻性阻抗的浮动电压源。接通功率因数校正绕组130的次数被调节得以使从该浮动电压源来的开路电压等于存储电容器10上的电压，它稍小于AC电源线的峰值电压。为此，当交变电压施加到端子15、16时，由于存储电容器10的电压被浮动电压源的等效串联电压掩蔽，对通过整流二极管11，12，13和14流入的电流的唯一限制是该浮动电压源的内阻抗，它是一个电阻。按照这种方式，从端子15，16流入该电路的电流正比于所加的正弦输入电压，因要求以好的功率因数从AC电源线吸取电流，因此它是正弦的并且与所加的电压同相。
利用刚才叙述的电路工作，当输入AC线电压接近其峰值时，最大电流流过电容器50，以使其全值耦合到谐振电感器40，降低转换频率。这升高了输出电压并且驱动更多的电流通过负载。相反地，当线电压接近零时，几乎没有电流流过电容器140。这样，电容器140不降低该系统的转换频率，导致相当高的频率和相应地较低的输出电压。净结果是：灯电流显示出通过线圈(line cycle)的幅度波动，在高的线电压时具有最大幅度，反之亦然。这个不希望的影响通过与灯270和280串联的限流电容器210抵消。由于电容器的阻抗反比于频率，则当灯电流在峰值线电压是高的时候，伴随这情况的减少频率与电容器210一起起作用，以降低灯电流的增加，甚至一起消除它。净结果是：通过电源线圈(power line cycle)的灯电流保持相当恒定，最多在四倍于电源线频率的频率上有残余的波动。
电容器220与变压器230一起工作，防止由该电路工作引起的高频信号不致传播到AC电源线。缓冲电容器减少在晶体管20和30之间的节点的电压变化率，结果导致平滑该灯电流波形。辅助绕组240、250和260用于按常规方式对气体放电灯的灯丝加热而供电。
按照这些原理所构成的电路，可显示功率因数为0.97，总的谐波失真为17％和灯电流包络的总波动幅度为10％。
权利要求书按照条约第19条的修改
1.一种从AC电源对气体放电灯供电的电路，包括：
第一整流器，耦合到AC电源；
一个半桥路逆变器，它有一对串联的晶体管，每个晶体管有一个控制电极，该对晶体管有一个共用端子；
串联的电感器和谐振电容器，连接在一个电路公共线与该共用端子之间；
该电感器有一个绕组，该绕组感性地耦合到一个功率因数校正绕组，该功率因数校正绕组提供用于功率因数校正的信号，该功率因数校正绕组还耦合到一个高频整流桥路的输入，该高频整流桥路的输出耦合到第一整流器；
两晶体管的控制电极感性地耦合到该电感器；和
一个灯电路，它有该灯和一个串联的限流电容器，该灯电路耦合到该电感器。
2.根据权利要求1的电路，其特征在于，该灯电路感性地耦合到该电感器。
3.根据权利要求2的电路，其特征在于，箝位二极管连接到该电感器，用于防止该电感器上的过大电压摆动。
4.根据权利要求3的电路，其特征在于，该电感器感性地耦合到一个加热绕组，气体放电灯有加热灯丝，该加热绕组耦合到该加热灯丝。
5.一种从AC电源对气体放电灯供电的电路，其特征在于，包括：
第一整流器，耦合到AC电源；
一个半桥路逆变器，它有一对串联的晶体管，每个晶体管有一个控制电极，该对晶体管有一个共用端子；
串联的电感器和谐振电容器，连接在电路公共线与该共用端子之间；
该电感器有一个绕组，该绕组感性地耦合到一个功率因数校正绕组，该功率因数校正绕组提供用于功率因数校正的信号到一个高频整流桥路的输入，该高频整流桥路的输出连接到第一整流器；
两晶体管的控制电极感性地耦合到该电感器；
一个灯电路，它有灯和一个串联的限流电容器，该灯电路耦合到该谐振电容器。
6.根据权利要求5的电路，其特征在于，箝位二极管耦合到该电感器，用于防止该电感器两端上的过大电压摆动。
7.根据权利要求5的电路，其特征在于，该电感器感性地耦合到一个加热绕组，气体放电灯有加热灯丝，该加热绕组耦合到该加热灯丝。

Claims (7)

1.一种从AC电源对气体放电灯供电的电路，该电路具有一个半桥路逆变器，它有一对串联的晶体管，每个晶体管有一个控制电极，这对晶体管有一个共用端子，在电路公共线与该共用端子之间连接串联的电感器和谐振电容器，和具有一个绕组的电感器，其特征在于：该绕组感性地耦合到功率因数校正绕组，该功率因数校正绕组提供用于功率因数校正的信号，和两晶体管的控制电极感性地耦合到该电感器；
一个灯电路，它有一个灯和一个串联的限流电容器，该灯电路耦合到该电感器。
2.根据权利要求1的电路，其特征在于，该灯电路感性地耦合到该电感器。
3.根据权利要求2的电路，其特征在于，箝位二极管耦合到该电感器，用于防止该电感器两端上的过分电压摆动。
4.根据权利要求3的电路，其特征在于，该电感器感性地耦合到一个加热绕组，该气体放电灯有加热灯丝，该加热绕组耦合到该加热灯丝。
5.一种从AC电源对气体放电灯供电的电路，该电路具有一个半桥路逆变器，它有一对串联的晶体管，每个晶体管有一个控制电极，该对晶体管有一个共用端子，在电路公共线与该共用端子之间连接串联的电感器和谐振电容器，和具有一个绕组的电感器，其特征在于：该绕组感性地耦合到功率因数校正绕组，该功率因数校正绕组提供用于功率因数校正的信号，和两晶体管的控制电极感性地耦合到该电感器；
一个灯电路，它有一个灯和一个串联的限流电容器，该灯电路耦合到该谐振电容器。
6.根据权利要求5的电路，其特征在于，箝位二极管耦合到该电感器，用于防止在该电感器两端上的过分电压摆动。
7.根据权利要求5的电路，其特征在于，该电感器感性地耦合到加热绕组，该气体放电灯有加热灯丝，该加热绕组耦合到该加热灯丝。
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