CN1154198A - 电路装置 - Google Patents

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Abstract

一种带有相位控制变暗装置的变暗镇流器，特别是一个双向三端闸流晶体管变暗装置包括一个带有高阻抗的EMI滤波器以避免当灯所表现的负载低时在相位控制交流波形的低导通角下由于谐振引起的滤波器中的过电压和峰值电流。镇流器还包括一个开关模式型的DC-DC转换器，它保证EMI滤波器加载并且防止双向三端闸流晶体管变暗装置的误触发和防止与变暗镇流器一起工作的灯的闪烁。

Description

电路装置
本发明涉及一个电路装置，用于操作放电灯和适合于和一个相位角度变暗装置一起使用，该电路装置包括：
主输入端，用于接收由一个相位角度变暗装置输出的相位控制的交流主电压输出；
整流装置，与所述主输入端连接，将相位控制的交流电压转化为第一直流电压；
滤波装置用于抑制高频谐波，所述的滤波装置包括电容装置和电感装置，所述的电容装置包括一个和所述滤波装置输入端相连的第一电容，
镇流器装置用于给放电灯供电，
一个DC-DC转换器用于连接在所述滤波装置的输出端和所述镇流器的输入端之间，用于将所述第一DC电压转换为所述的镇流器的输入端之间的第二DC电压，所述DC-DC转换器还包括一个电感元件，一个单向元件，一个开关元件和使开关部件在高频下导通和截止的控制电路。
这种电路装置从USP5,101,142可以了解。电子变暗镇流器，例如在USP5,101,142中描述的电路装置在商业上是可得到的，其中，气体放电灯，典型为荧光灯的变暗对交流电源线的输入的相位角度控制敏感。相位角度控制涉及交流正弦电源线电压的每半周削去一部分。一种普通型相角控制器，已知的一般是前相变暗装置，在过零后立刻削去或截断每半周的一部分。前相变暗装置的一个例子是双相三端闸流晶体管变暗装置，另一个类型是反相变暗装置，通常称为电子变暗装置，它在过零以后立刻通过半周的部分并在过零前截断半周的部分。在两种形式中，在半个周期被截断的该部分或角度是可调的。
各种变暗镇流器是已知的，它使用一个和主电源的输入端分开的变暗输入端，并且通常是三线变暗镇流器。这种镇流器的例子如JP-116698，DGM9014982和U.S.4,797,599所公开的。白炽灯一般被变暗只使用来自相位控制变暗装置的两条线，即公共引线和载有相位控制信息的热变暗引线。上述三线镇流器是不方便的，当安装一个荧光镇流器和用荧光灯取代白炽灯时，一个附加的线路从相位控制变暗装置(一般为墙上安装)引出到镇流器(一般为顶棚安装)。这造成很大的劳动力消耗和不利于被市场所接收。
两线变暗镇流器从安装的观点看更有吸引力。例如从US专利4,392,086(Ide等)和U.S.专利5,192,69(Qin)。如使用无变暗的镇流器，希望具有EMI滤波器防止在镇流器所产生的高频分量进入电源线。
U.S.专利4,449,897(Sairanen)公开了在两线变暗镇流器中EMI滤波器和相位控制变暗装置之间的相互作用问题。Sairanen的镇流器具有一个EMI LC滤波器，它包括一个扼流圈和连接在全波桥式整流器的输入端的第一滤波电容器，和一个在整流器输出端连接的第二、大尺寸电解滤波电容器。电解电容器除了滤波功能外还提供电能给灯电路。Sairanen公开了如果灯去掉或灯电路几乎不吸收能量，则两个滤波电容器的电压可以升高到一个危险的值。Sairaen公开了当电解滤波电容器没有完全加载时，滤波电容器上的过电压是由于扼流线圈和第一滤波电容器的谐振频率高于主频率引起的。这导致在相位角度控制器的输出电压下EMI滤波器的振荡。这个振荡反过来产生负线电流引起开关部件，如在相位控制变暗装置中的双向三端闸流晶体管，不起作用。在相位控制交流主电压的每半周期所经历的时间在相位控制变暗装置中由RC网络的时间常数来控制。EMI滤波器的振荡可以在主线路上产生电压，它加在变暗装置的RC网络中引起开关部件的失效。
这个失效反过来引起灯的闪烁。为了克服这个问题，Sairanen的发明包括一个当大尺寸的电解电容器没有完全加载时，例如当灯电流在低电流值时切掉第一滤波电容器的开关部件。Sairanen的发明还公开了另一种方案由一个人为负载例如PTC电阻将第一滤波电容器从电路中去掉。
Sairanen的解决方案的缺点是将第一滤波电容器从电路中去掉使得EMI滤波器失效，从而在镇流器工作期间在电源线中引入高频干扰。
因此，本发明的目的是提供用于放电灯的并且适合于和相位角度变暗装置使用的电路装置，它包括滤波装置，其中在相位受控交流主电压下EMI滤波器的振荡基本被抑制。
根据本发明在开头段中所描述的电路装置是用于这个目的，其特征在于，所述控制电路包括使在DC-DC转换器中的开关部件在相位受控交流主电源电压的幅值基本为零期间在高频下导通和截止。
因为在DC-DC转换器中的开关部件连续切换，滤波器装置在所有时间都加载，而且，在每半周的相当大部分期间相位受控交流主电源电压基本为零。人们发现这个负载很大程序上用来抑制EMI滤波器和相位受控交流主电压的振荡。
滤波装置最好包括一个在所述整流装置的输出端之间连接的第二电容器。在灯操作期间，第二电容器的作用是一个滤波电容器和一个储能电容器。当相位控制交流主电压基本为零时，该第二电容器通过在DC-DC转换器中的开关部件的连续切换而放电。
根据本发明的电路装置的实施例可以获得好的结果，其中DC-DC转换器包括一个上转换器(up-converter)。
控制装置最好包括控制所述开关部件导通和截止的时间间隔的装置，以这种方式由相位控制交流主电压提供的电源电流直接正比于所述相位控制交流主电源电压。这样所带来的优点是电路的功率因数较高，这样电路装置给带有电路装置灯提供最大功率。
控制电路最好包括控制开关部件导通和载止的时间间隔的装置，以这种方式第二直流电压的平均值基本不变。
将带有电路装置的灯变暗可以使电路装置进一步包括根据相位受控交流主电压的相位角产生变暗信号的装置和根据所述变暗信号通过所述镇流器控制提供给放电灯的电能的量。人们发现如果电路装置的变暗装置以这种方式构成的话，灯的光输出可以在大范围内控制。
滤波装置最好这样选择从而在第一电容上出现的最大电压幅值小于所述镇流器输入端之间的平均电压幅值，该电压幅值与相位受控交流主电压的相位角无关。在如此选择电路装置的情况下，在该滤波装置下的相位受控的交流主电源电压的振荡被进一步抑制。其结果，由该振荡产生负电路电流的机会进一步减少，相位变暗装置中开关部件误触发的机会减小。
本发明的实施例将参照附图进一步加以解释。
在图中，图1是一个外部双向三端闸流晶体管变暗装置和根据本发明电路一起使用的电路图；
图2是根据本发明的电路装置的电路框图；
图3是如图2所述的电路装置中的电路一部分的详图。
图1表示相位控制变暗装置的例子。相位控制器带有连接在电源线1″的一个双向三端闸流晶体管214。一个由可变电阻216和一个电容218组成的串联电路和双向三端闸流晶体管214并联用于在任意选定的相位导通角下触发双向三端闸流晶体管214。两端交流开关200连接在可变电阻216和电容218之间的一个节点和双向三端闸流晶体管214的栅极之间。通过改变可变电阻216的电阻，相位控制器将一个其相位角被控制的电压提供给镇流器输入端1′，2′。
在图2所示的荧光灯控制器包括主输入端1′和2′用于接收相位角度变暗装置输出的相位控制交流主电源电压。主输入端连接到EMI和双向三端闸流晶体管阻尼滤波器“A”，该滤波器“A”连接到全波桥式整流器“B”的输入端，“A”和“B”一起在其输出端将AC电源线路电压转换为经整流、滤波的直流电压。DC-DC转换器或预调节电路“ C”包括有用于功率因数校正以及增加和控制来自整流电路“ B”的直流电压的电路，该直流电压提供给一对直流导线RL1、RL2之间。电路“D”是镇流器电路用于控制灯的操作和包括一个DC-AC转换器或逆变器。一个放电灯La连接到电路“D”。“E”是一个装置用于根据相位控制AC主电源电压的相位角。装置“E”的输入端分别连接到镇流器输入端1′和2′。装置“E”的输出端连接到用于控制提供给灯La的电能的量的装置上，该装置包括在电路“ D”中但没有示于图2中。
滤波器A(图3)包括第一和第二扼流线圈L1和L2，其每一个的第一端通过输入线1，2连接到各端1′和2′并且第二端连接到包括二极管D1-D4的全波桥式整流器B的输入节点12，17。熔断器F1串联在扼流线圈L1和输入端1′之间。瞬时-冲击-抑制金属氧化物变阻器V1跨接线路1，2。变阻器在线电压下几乎不导通但在高压下导通以保护镇流器防止高瞬时冲击电压。整流器通过节点13、18在一对直流导线RL1，RL2分别提供全波整流输出电压。二极管D2的阴极和二极管D1的阳极在节点17和线路2连接，并且二极管D4的阴极和D3的阳极节点12和线路1连接。二极管D2和D4的阳极在节点18与直流导线RL2连接。二极管D1和D3的阴极在节点13与直流导线RL1连接。对于在端子1′和2′的120V、60Hz交流输入，在导线两端RL1和RL2的两端桥式整流器输出一个脉冲的120Hz直流峰值为170V的电压。桥式整流器的输出也可以载有来自外部相位控制变暗装置的相位控制信息。
串联电容C1和C2，其中点接地，每一个具有一个相当小的电容值并且形成一个共同模式滤波器，它防止镇流器来的高频分量进入电源线。扼流线圈L1、L2和电容C3、C4形成EMI滤波器，它在线路频率下具有低阻抗而在很高的镇流器工作频率下具有高阻抗以减小EMI返回到电源线路。EMI滤波器的操作将连同接口装置和预调节电路更详细地说明。
预调节电路C(图3)包括一个集成电路(IC)控制芯片U1的主要部件，在该例子中，一个Linfinity LX1563，一个变压器T1形式的升压电感器，一个储能电容器C10和一个升压开关Q1，它们一起形成一个开关模式电源(SMPS)。控制器U1控制开关Q1的切换以控制(i)从电源线路来的电流的功率因数和(ii)增加电容C4两端的直流电压到电容C10两端的直流母线电压以及端子Z2和Z4两端的电压到300V DC。
升压电感器T1包括一个初级线圈52，其一端连接到节点13而另一端连接到二极管D6的阳极。二极管D6的阴极连接到预调节电路C的输出端80。二极管D6的阳极也连接到金属氧化物半导体场效应晶体管开关Q1的漏极，其源极通过电阻R13接地。开关Q1的控制栅通过电阻R10连接到IC U1的管脚(管脚7)的“输出”。“输出”管脚在升压开关Q1的控制栅提供一个脉冲宽度调制信号以控制其切换。乘法器输入“MULT_IN”管脚(管脚3)连接到电阻R5和R6之间的节点上并且在导线RL1上检测由电阻R5和R6构成的分压器分压的全波整流交流电压。分压电压是在IC U1的乘法器级的一个输入。乘法器的另一个输入端在内部并且是内部误差放大器的输出和一个内部参考电压的差。乘法器级的输出通过影响开关Q1的切换定时来控制变压器T1初级的峰值电感电流。电容C6和电阻R6并联并作为一个噪声滤波器。
“ VIN”管脚(管脚8)通过线路端子Z5从逆变器电路E的输出接收IC U1的输入电压。由于逆变器的输出是高电平，旁路电容C30提供一个稳定电压。“VIN”管脚通过电阻R8也连接到电阻R5和R6之间的节点上。这给MULTIN管脚提供一个小的偏移电压，它们将参考EMI输入滤波器详细进行描述。升压扼流线圈T1的次级绕组54其一端接地，另一端通过电阻R11连接到IDET管脚(管脚5)。IDET管脚检测次级绕组54上的反馈电压，该电压与通过初级绕组52的电感电流的过零有关。GED管脚(管脚6)通过线路65和导线RL2和地相连。C.S.管脚(管脚4)通过检测R13到R12的电压降来检测通过升压开关Q1的电流。一个滤波电容器C8连接在导线RL2和C.S.管脚之间，滤去任何在截止到导通的切换状态下由开关Q1的漏-源极电容引起的可能出现的电压冲击。包括电阻R14和R15的第二分压器连接的导线RL1和RL2之间。“INV”管脚(管脚1)通过电阻R9连接到电阻R14和电阻R15之间的节点上并且检测预调节级的输出电压。“COMP”管脚(管脚2)连接到IC U1的内部误差放大器的输出。由电阻R7和电容C7组成的反馈补偿网络将COMP管脚连接到INV管脚，从而提供内部反馈和进一步控制开关Q1。
来自输入滤波器的输出13的全波整流正直流电压(可以载有变暗遥控器的相位控制信息)，进入导线上的RL1的预调节电路到电阻R5和R6的分压器和升压扼流线圈T1。在引线44对直流分量进行分压给乘法器输入端MULT_IN管脚建立一个基准电压。
当开关Q1导通时，通过变压器T1的初级绕组52和开关Q1的电流引起电阻R13两端的电压降，它通过电阻R12有效地提供给输入CS.。在管脚C.S.的电压代表峰值电感电流并且和内部乘法器级输出的电压进行比较，这个乘法器输出电压与整流交流线电压和IC U1内部的误差放大器的输出乘积成正比。当在管脚C.S.检测的峰值电感电流超过乘法器输出电压，开关Q1关闭并且停止导通。此时储存在初级绕组52的能量被转换并且存储在升压电容C10，引起通过初级绕组52的电流下滑。当初级绕组52失去能量，通过绕组52的电流达到零并且升压二极管D6停止导通。在这一点上，开关Q1的漏极和源极间的电容和初级绕组52的组合形成LC振荡电路，该电路引起开关Q1的漏极电压达到谐振电压。该谐振电压由IDET管脚通过次极绕组54检测。当谐振电压摆向负极，IC U1使开关Q1接通，使其导通。这个开关Q1的导通，截止在整流输入的整个周期和在进入输入整流器交流电压频率的约几百倍高频下出现。通过绕组52的电感电流具有一个高频分量，它由输入电容器C4滤波，产生一个和交流线路电压同相的正弦波输入电流。总的来说，预调节级使镇流器看上去对电源的阻抗大以保持高功率因数。
对于120VAC输入，没有相位切除，在输出侧80的电压，即缓冲电容器C10的正极侧是带有小的变化的直流分量的约300V电压。它是提供给镇流器级D的电压，特别是，提供给转换器E。输出电压调节通过在INV管脚的内部误差放大器，对来自由电阻R14和R15组成的分压器的成比例输出的电压的检测来完成。内部误差放大器将分压输出的电压和内部参考电压比较并且产生一个误差电压。该误差电压控制乘法器输出的幅值，它调节绕组52的峰值电感电流和负载及线路的变化成比例，从而对于电路D保持一个良好的调节输出电压。
根据本发明的电路装置的区别特征是EMI滤波器的设计和预调节电路的偏移特性。LC滤波器提供抑制电磁干扰(EMI)并且包括相等大小的扼流线圈L1和L2并且电容C2和C4(图3)。在典型的镇流器应用中，LC滤波器是通过
Figure A9619049300111
选择适当极点频率。因此，L和C的乘积决定极点频率。总的来说，电感值选择得小和电容值选择得大从而在EMI滤波器中使电感器的物理尺寸为最小。对于约8KHz的极频，选择的值为L＝800μH和C＝0.5μF。
外部双向三端闸流晶体管变暗装置的适当操作要求LC滤波器随着预调节器引入的负载充分衰减。没有适当的加载，在EMI滤波器中出现的振荡可以引起双向三端闸流晶体管变暗装置中双向三端闸流晶体管不适当触发。滤波器的不适当衰减还引起扼流线圈L1，L2上过量的峰值电流和在逆变器的输入端的过电压(达到线路峰值的两倍)。
防止不适当的双向三端闸流晶体管的触发所要求的加载通过选择带有较高特性阻抗的LC滤波器来减小。特性阻抗与
Figure A9619049300112
有关，从而和标准的设计观点相违背，感抗相对容抗大。因此，在图3中，电感L1和L2作得相当大并且电容C4和C3相当小。通过使用粉末制的铁芯获得一个小尺寸的电感L1和L2。
对EMI滤波器阻抗进行选择，从而EMI滤波器的峰值超调量小于在最坏线路情况下直流母线电压的平均值。由于超调量可以引起在变暗装置中双向三端闸流晶体管误触发负向电流，这是防止双向三端闸流晶体管误触发的临界点。另外，预调节器只能当整流输入的峰值小于由预调节器产生的DC母线电压时才能正常地控制功率因数和直流母线电压。此外，大于DC母线的峰值超调量给电路部件加力。在选择阻抗时，EMI滤波器的“Q”由 和K＝1/2Q。滤波器超调量“V超调量”是由峰值滤波器电压“Vopk”-峰值输入电压“Vinpk”，而且由下式给出：
    V超调量＝exp[-πK/(1-K2)0.5]＝exp[-π/(4Q2-1)0.5]
在图3中，L1和L2是一个E75-26(磁)芯，电感为2.3mH和饱和电流高于2.0A。为了抑制EMI电容C4和C3共同地被选为0.147μF，在滤波器中产生一个特性阻抗
Figure A9619049300122
为188欧姆。R是由预调节器(对于60W负载和120V线路)呈现的正常阻尼电阻，在本实施中等于240欧姆，对本滤波器，Q＝1.28和在最坏线路设计情况下产生一个V超调量为1.26×187V 这将大大地小于280-300V的直流母线电压。相反，对于上面给出的标准滤波器，特性阻抗
Figure A9619049300124
欧姆，Q＝6，V超调量为330V正好在直流母线电压以上。这导致双向三端闸流晶体管的误触发。
通过使预调节器在输入电压的过零点附近有一点非线性而使衰减进一步改善。选择的IC(Linfinity LX1563)具有这个非线性，它显示出在乘法器输入M_IN管脚在低电压下对升压开关Q1相对增加接通的时间。
然而对于所有的变暗值来说，仅通过使预调节器连续和可靠地工作所产生的衰减是完全适当的，即使输入电压很低或零时，正如当双向三端闸流晶体管变暗装置的双向三端闸流晶体管截止时的情况。这是通过提供给MULTIN管脚一个偏移电压来实现的。
当双向三端闸流晶体管截止时，对于120Hz的整流线路电压的那部分输入电压为零。输入电容C4两端的电压将紧随整流输入电压。在没有偏移电压的情况下，MULTIN管脚将检测电容C4两端的成比例的电压。开关Q1的切换由与MULTIN管脚处电压有关的峰值电感电流来决定。开关频率和Q1导通的持续时间在整流直流电压的峰值下最大并且随着该电压的减小而减小。当MULTIN管脚的电压为零或接近于零，正如双向三端闸流晶体管截止的情况，由于峰值电感电流保持一个较小值以跟随输入或MULTIN电压，IC U1欲保持开关Q1达到很大程度的截止。对于双向三端闸流晶体管截止的较长一段时间期间，甚至有开关完全断开的期间。然而，当开关Q1截止，对于电容C4没有放电通路。在没有放电通路的情况下，电容C4不能跟随整流线路电压，换句话说，C4两端的电压将保持。
通过在IC U1的MULTIN管脚提供一个小的电压偏移(125mV)，当整流电压为零或接近零时开关Q1保持导通的整个持续时间增加并且避免切换有时停止。这使得滤波电容器C4充分放电，使电容C4两端的电压紧跟整流相控电压。因此，预调节器使LC EMI滤波器在整个线路周期中具有良好的抗负载阻尼并且使双向三端闸流晶体管变暗装置均匀触发。
在图3所示的实施例中，偏移电压由预调节电路的电阻R8来实现。当逆变器工作时，逆变器提供一个电压给Vin管脚。电阻R8流出一个小电流到电阻R5和电阻R6之间的节点，它给MULTIN管脚提供偏压。在MULTIN管脚处检测的总电压包括偏移电压并且当双向三端闸流晶体管截止时等于偏移电压。因此，当双向三端闸流晶体管截止时，IC U1将在高频下连续切换开关Q1，给电容C4呈现一个电阻性负载。在没有使用这个偏移的情况下，预调节器在双向三端闸流晶体管处于截止的情况下对于某个相位角和灯功率组合不给LC滤波器加载，这将有时会引起双向三端闸流晶体管的误触发并且引起灯输出的闪烁。

Claims (7)

1.一个电路装置，用于操作放电灯和适合于和一个相位角度变暗装置一起使用，该电路装置包括：
主输入端，用于接收由一个相位角度变暗装置输出的相位控制的交流主电压；
整流装置，与所述主输入端连接，将相位控制的交流电压转化为第一直流电压；
滤波装置用于抑制高频谐波，所述的滤波装置包括电容装置和电感装置，所述的电容装置包括一个和所述滤波装置输入端相连的第一电容，
镇流器装置用于给放电灯供电，
一个DC-DC转换器用于连接在所述滤波装置的输出端和所述镇流器的输入端之间，用于将所述第一DC电压转换为所述的镇流器的输入端之间的第二DC电压，所述DC-DC转换器还包括一个电感元件，一个单向元件，一个开关元件和使开关部件在高频下导通和截止的控制电路，
其特征在于所述控制电路包括在相位控制交流主电源电压的幅值基本为零的时间间隔内，使在DC-DC转换器中的开关部件在高频下导通和截止的装置。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述滤波装置包括一个在所述整流装置的输出端之间连接的第二电容器。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，DC-DC转换器包括一个上转换器。
4.根据权利要求1，2或3所述的电路装置，其特征在于，控制电路包括控制开关部件导通和截止的时间间隔的装置，从而由相位控制交流主电源电压所提供的电源电流直接和所述相位控制交流主电源电压成正比。
5.根据前面所述的一个或多个权利要求所述的电路装置，其特征在于，控制电路包括控制开关部件导通和截止的时间间隔的装置，从而第二直流电压的平均幅值基本为常量。
6.根据前面所述的一个或多个权利要求所述的电路装置，其特征在于，滤波装置是这样选择使得在第一电容器上的电压幅值的最大值小于所述镇流器输入端之间电压的平均幅值，该镇流器输入端之间的电压平均幅值和相位控制交流主电源电压的相位角无关。
7.根据前面所述的一个或多个权利要求所述的电路装置，其持征在于，电路装置进一步包括根据相位控制交流主电源电压产生一个变暗信号的装置和根据所述变暗信号通过镇流器控制供给放电灯的电能的量的装置。
CN96190493A 1995-03-31 1996-03-14 电路装置 Expired - Fee Related CN1098616C (zh)

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