CN1205161A - 电路装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的电路装置,包括用于驱动放电灯(LA)的DC/AC转换器,该DC/AC转换器配有:用于将DC/AC转换器连接到DC电压源上的输入端(K1,K2);连接到输入端上并至少配有一个开关元件(S)的开关电路(A),该开关元件有控制电极(Sa)和主电极(Sb),在主电极和控制电极之间有控制电路(B),该控制电路带有用于为开关元件产生控制信号的部件(Tb)和第一去耦容性部件(Cd)的串联电路,并且当控制电极和主电极之间有第一极性的电压,且该电压值超过阈值(Vt)时,开关元件导通,至少包括感性部件(Ta)和用于与放电灯相连的输出端(K3,K4)的负载支路(E),经开关电路(A)给该负载支路供电,其特征在于控制电路(B)包括用于在控制电极(Sa)和主电极(Sb)之间产生极性与第一极性相反的DC电压分量(Vdc)的部件(I)。根据本发明的电路装置的开关元件在短占空度的情况下也能快速切换。

Description

电路装置
本发明涉及一种电路装置，该电路装置包括用于驱动放电灯的DC／AC转换器，该DC／AC转换器配有：
用于将DC／AC转换器连接到DC电压源上的输入端；连接到输入端上并至少配有一个开关元件的开关电路，该开关元件有控制电极和主电极，在主电极和控制电极之间有控制电路，该控制电路带有用于为开关元件产生控制信号的部件和第一去耦容性部件的串联电路，并且当控制电极和主电极之间有第一极性的电压，且该电压值超过阈值时，开关元件导通；至少包括感应部件和用于与放电灯相连的输出端的负载支路，经开关电路给该负载支路供电。
这种电路可从US-P4748383获知。在已知电路装置中开关电路A包括与上述开关元件串联的另一开关元件，并且负载支路中包括变压器的初级绕组。用于产生控制信号的部件由变压器的次级绕组构成。开关元件由控制信号周期性地交替切换到导通和非导通状态。然而只要开关元件的控制电极和主电极之间的电压值与阈值稍有不同，开关元件就处于过渡状态，在该状态时开关元件中有高损耗。因此需要尽可能快地通过阈值，从而使在导通和非导通状态之间的切换尽快发生。同时为降低开关损耗，需要占空度，即开关元件处于导通状态的时间比例相对较短，例如30％。控制信号的幅度的增加确能使得更快地通过阈值，但它同时还导致占空度增加。
本发明的目的是提供一种开篇中所述类型的电路装置，在其中开关元件能够快速切换，但同时开关元件的占空度还可相对较短。
根据本发明，为此目的，开篇中所述类型的电路装置的特征在于控制电路包括用于在控制电极和主电极之间产生极性与第一极性相反的DC电压分量的部件。参照下述，这些部件还作为用于产生DC电压分量的部件。
DC电压分量的出现使得有可能增加控制信号的幅度而不增加占空度。更高的幅度导致更快地通过阈值，从而使开关元件更快切换。
根据本发明的电路装置的DC／AC转换器可以不同方式构成。例如，全桥电路，在其中在输入端之间开关元件与另一开关元件一起构成串联电路，在输入端之间包括一个另一开关元件和另一附加开关元件以构成附加开关电路，而负载支路的第一端在开关元件和另一开关元件的共同接点处，第二端在另一开关元件和另一附加开关元件的共同接点处。
另一方面，DC／AC转换器可为半桥电路，包括一个单独的开关电路，同时负载支路配有第二去耦容性部件，且负载支路的第二端连接到输入端上。在完全半桥电路中，第二去耦容性部件包括第一去耦容抗，该容抗的一侧同时还用做负载支路的第二端，与此同时第一和第二去耦容抗在输入端之间构成附加串联电路。在不完全半桥电路中，没有第二去耦容抗，且第一去耦容抗可在负载支路的任何位置提供。
也可在全桥电路的情况下在负载支路中有第二去耦容性部件，以便保证通过负载支路的净电荷位移等于零。为防止灯中金属的迁移，对于金属蒸汽放电灯例如低压汞放电灯这是重要的。
在另一实施例中，根据本发明的电路装置的DC／AC转换器配有E级转换器形式的单独开关电路。但最好按半桥电路构成DC／AC转换器，因为在其中可使用具有相对低的击穿电压的开关元件。全桥电路也可提供这种优点，但有需要许多元件的缺点。根据本发明的电路装置的开关元件最好为FET结构。
用于产生控制信号的部件例如是外部信号源。或者DC／AC转换器可以是一个自振荡电路。这一改进的一个实际的实施例的特征在于DC／AC转换器配有变压器，该变压器的初级绕组被包括在负载支路中，其次级绕组构成用于为开关元件产生控制信号的部件。
一种有吸引力的实施例的特征在于用于产生DC电压的部件包括第一击穿元件、第一单向元件和缓冲容性元件的串联电路，该串联电路对用于产生控制信号的部件进行分路，同时第一击穿元件在第一单向元件的导通方向上具有击穿电平，所述用于产生DC电压的部件还包括对缓冲容性元件进行分路并具有第一和第二电阻支路的第一电压分压器，同时第一电压分压器的一个电阻支路与第一击穿元件和第一单向元件一起构成串联电路，该串联电路对第一去耦容性部件进行分路。这一实施例具有开关元件的占空度基本上与控制信号的幅度无关的优点。
一种优选实施例的特征在于用于产生DC电压的部件包括击穿部件，该击穿部件具有第一极性的第一击穿电平，和极性与第一极性相反的第二击穿电平，同时第二击穿电平的绝对值高于第一击穿电平的绝对值，而且控制信号的幅度高于第一击穿电平的绝对值。这一实施例具有可用较少的元件实现用于产生DC电压的部件的优点。击穿部件例如可由齐纳二极管构成，该二极管同时还可起保护开关元件的控制电极以防过高电压的作用。
上述实施例的一种有益的改进的特征在于控制信号的幅度低于击穿电平的绝对值之和的一半。在这种情况下击穿部件的损耗微乎其微。
应注意US-P5341068公开了一种带有DC／AC转换器的电路装置，该转换器具有带有开关元件的开关电路，其中在开关元件的控制电极和主电极之间有击穿部件，对于该部件来说第二击穿电平的绝对值确实高于第一击穿电平。然而在该电路装置中在变压器的次级绕组和开关元件之间没有第一去耦容性部件。关于击穿元件仅说明了它们起保护开关元件以防过高电压的作用。控制信号的幅度是未知的。
根据本发明的电路装置的另一实施例的特征在于用于产生DC电压分量的部件包括在控制电极和主电极之间的第一电阻元件和第二单向元件的串联电路，该第二单向元件在控制电极和主电极之间具有第一极性电压时导通，同时用于产生DC电压分量的部件还包括电压限制部件，用于限制在控制电极和主电极之间极性与第一极性相反的电压。
电压限制部件例如由击穿部件构成。然而，该实施例一种有益的改进的特征在于电压限制部件由在控制电极和主电极之间包括第二电阻元件的支路构成。这种改进在需要高稳定性的灯电流幅度的情况下尤其重要。
当第二电阻元件在控制电极和具有第一极性电势的导体之间延伸时，这种改进是有益的。这样在用于根据本发明具有E类转换器的电路装置中时，控制电路可同时起到用于起振的启动电路的作用。
根据本发明给出一个电路装置，其中DC／AC转换器按半桥电路构成，同时开关电路具有另一开关元件，该元件带有控制电极和与开关元件串联的主电极，在另一开关元件的控制电极和主电极之间还有控制电路，该控制电路带有用于产生控制信号的部件和第一去耦容性部件的串联电路，这时另一开关元件的控制电极连接到第二电压分压器的第一和第二电阻支路的共同接点上是有益的，该第二电压分压器被连接到输入端上。这里第二电压分压器起启动器电路的作用。最好第二电压分压器的电阻支路具有相同的电阻值。由此实现该另一开关元件以与开关元件有相同的占空度切换，而在另一开关元件的控制电路中不需要额外的部件。这时开关元件按照上面在为较低频率例如低于100kHz设计的那种电路装置的实施例中，参照E级转换器所描述的那样构成是有益的。
或者，根据本发明的电路装置可配有例如在US-P4415838中所述的启动器电路。其中所述启动器电路特别是包括在输入端之间的电阻和电容的串联电路，和在开关元件的控制电极和电阻和电容的共同接点之间的双向击穿元件。
下面将参照附图更详细地说明本发明电路装置的这些和其它方面，其中：
图1展示本发明电路装置的第一实施例，
图2作出控制开关元件的电极和主电极之间的电压(V)的变化曲线，其为时间(t)的函数，
图3展示第二实施例的细部，
图4展示第三实施例的细部，
图5展示第四实施例，
图6展示该实施例一种改进形式的细部，以及
图7展示第五实施例。
图1所示为驱动放电灯LA设计的电路装置包括配有第一和第二输入端K1、K2的DC／AC转换器，该K1和K2用于将DC／AC转换器连接到DC电压源上。DC／AC转换器还配有连接到输入端上的开关电路A，该开关电路A有一开关元件S，该开关元件S有控制电极Sa和主电极Sb。开关元件S通过其主电极Sb连接到第一输入端K1上。开关电路A有一其主电极Sb’连接到开关元件S的另一主电极Sc上的另一开关元件S’。开关元件S’的另一主电极Sc’连接到第二输入端K2上。开关元件S在主电极Sb和控制电极Sa之间包括控制电路B，该控制电路B有用于为开关元件产生控制信号的部件Tb和第一去耦容性部件Cd的串联电路。当在控制电极Sa和主电极Sb之间有其值超过阈值Vt的第一极性的电压时，开关元件S导通。
DC／AC转换器还配有负载支路E，通过开关电路A对它供电。负载支路中包括变压器的初级绕组Ta，该初级绕组Ta同时还构成了感性部件。负载支路另外还有用来连接放电灯LA的输出端K3、K4，和第二去耦容性部件Cdd。无极灯LA的线圈L1a被连接到输出端K3、K4上。工作期间，线圈L1a产生高频磁场，由此在放电室V内部维持放电。容性元件Ct并联在输出端K3、K4上，与灯的线圈L1a一起形成谐振电路，使灯点燃。负载支路连接到开关电路A的P点和输入端K1上。用来产生开关元件S的控制信号的部件由变压器的次级绕组Tb构成。容性部件Cr与次级绕组Tb一起形成谐振电路。
控制电路B还包括部件I，用来在正常工作时，在控制电极Sa和主电极Sb之间产生具有与第一极性相反的极性的DC电压分量。
在所示实施例中，部件I包括由齐纳二极管构成的第一击穿元件Z1、由二极管D1构成的第一单向元件、和由电容Cb构成的缓冲容性元件的串联电路。齐纳二极管Z1的阳极连接到变压器的次级绕组Tb的第一端Tb1上。齐纳二极管Z1的阴极连接到二极管D1的阴极上，从而在该二极管的导通方向上齐纳二极管具有击穿电压。二极管D1的阳极连接到电容Cb的第一侧Cb1上。电容的第二侧Cb2连接到变压器次级绕组的第二端Tb2上。部件I还包括与电容并联并具有第一和第二电阻支路Ra、Rb的第一电压分压器。齐纳二极管、二极管和第一电压分压器的第一电阻支路Ra一起构成与第一去耦容性部件Cd并联的串联电路。
所示电路装置的DC／AC转换器被构成为半桥电路，在该电路中开关电路A包括具有控制电极Sa’和主电极Sb’的另一开关元件S’，它与开关元件S串联，此外另一开关元件S’在其控制电极Sa’和主电极Sb’之间还有控制电路B’，该控制电路B’具有用于产生控制信号的部件Tb’和第一去耦容性元件Cd’的串联电路，另一开关元件的所述控制电极Sa’被连接到第二电压分压器的第一和第二电阻支路Rc、Rd的共同接点Q上，该第二分压器被连接到输入端K1、K2上。
工作情况如下。当DC电压被加到输入端上时，在另一开关元件S’的控制电极Sa’和主电极Sb’之间产生电压差，从而使另一开关元件S’进入导通状态。结果，电流通过变压器的初级绕组Ta流进负载支路E。该电流在变压器的次级绕组Tb、Tb’中产生电压，将开关元件S带入导通状态，并使另一开关元件S’转入非导通状态。这使初级线圈Ta中的电流反向，从而在次级线圈Tb、Tb’中出现感生电压，这再次将开关元件S带入非导通状态，而另一开关元件S’进入导通状态。这样完成一个周期，并且周期性重复，从而给负载支路E供以交变电流。
在每个周期中，当第二绕组Tb的第一端Tb1相对于第二端Tb2的电压值呈现出低于随齐纳二极管Z1的击穿电平而增大的电容第一侧Cb1相对于第二侧Cb2的电压时，包括齐纳二极管Z1、二极管D1、和电容Cb的串联电路开始导通。因此在工作期间电容Cb上的电压可用于测量变压器次级绕组Tb上呈现的电压的最小值。通过第一电压分压器Ra、Rb，在第一去耦容性部件Cd上产生与Cb上电压成比例的DC电压分量Vdc。从而通过感应进次级绕组Tb的AC电压和由部件I产生的DC电压分量Vdc的叠加形成控制电极Sa和主电极Sb之间的电压差。
图2中的连续曲线1表示非根据本发明的电路装置的开关元件的控制电极和主电极之间的电压差变化曲线，其中没有用于产生DC电压分量的部件I。选择控制信号的幅度A1和开关元件的阈值Vt使得开关元件具有30％的占空度。图2还以虚线示出了根据本发明的电路装置中电压差的变化曲线2。在根据本发明的电路装置工作期间，控制电极Sa和主电极Sb之间的电压差含有极性与第一极性相反的DC电压分量Vdc。这里同样选择开关元件的阈值Vt和控制信号的幅度A2使得开关元件的占空度为30％。从图2显示出在给定相同的占空度的情况下，电压差在根据本发明的电路装置中比在非根据本发明的电路装置中更快地通过阈值Vt，从而开关损耗更小。
借助第二电压分压器Rc、Rd，在另一开关元件S’的控制电极Sa’处的平均电压被保持在预定值。结果另一开关元件的占空度被设置为与开关元件的占空度相配合的值。与预定值相比，另一开关元件的占空度的增加会同时引起P点平均电压的增加，从而使另一开关元件的控制电极和主电极之间的平均电压差降低。由此抵消另一开关元件的占空度的增加，从而保持占空度的预定值。如果第二电压分压器的电阻支路具有相同的电阻值，开关元件的占空度也会呈现相同的值。
图3展示根据本发明的电路装置的第二实施例。在所示的该实施例中，部件I包括击穿部件，在这里由齐纳二极管Z2和Z3构成。Z2具有第一电压极性的6．2V的第一击穿电平V1。Z3具有绝对值大于第一击穿电平的第二击穿电平V2，在此为18V，极性与第一极性相反。控制信号具有10V的幅度A2，大于第一击穿电平值。控制信号的幅度A2小于击穿电平V1、V2的绝对值之和(24．2V)的一半。在所示电路装置中，部件I按如下工作。在次级绕组Tb中产生的控制信号经第一去耦容性部件Cd到达击穿部件Z2、Z3。由于控制信号的幅度A2大于第一击穿电平值V1，因此只要经过去耦容性部件Cd的信号峰值超过第一击穿电平V1，第一齐纳二极管Z2就处于导通状态。由此DC电压分量Vdc在去耦容性部件Cd上累积，并被叠加在控制信号上。当DC电压分量Vdc呈现出与控制信号减去第一击穿电平V1的幅度相应的值时，击穿电平V1不再被超过。
图4展示根据本发明的电路装置的第三实施例。在该实施例中用外部信号源E构成用于产生控制信号的部件。部件I包括在开关元件S的控制电极Sa和主电极Sb之间所包含的第一电阻元件R1和第二单向元件D2的串联电路。当在控制电极Sa和主电极Sb之间获得第一极性电压时，第二单向元件D2导通。部件I还包括电压限制部件VB，用于限制具有与第一极性相反的极性的控制电极和主电极之间的电压。电压限制部件VB由包括控制电极Sa和主电极Sb之间的第二电阻元件R2的支路构成。控制信号经第一去耦容性部件Cd到达控制电极Sa。在开关元件S的控制电极Sa和主电极Sb之间的电压具有第一极性期间，第二单向元件D2导通，电流可流过第一电阻元件R1和第二电阻元件R2。在该电压具有相反极性期间，电流只可流过第一电阻元件R1。结果DC电压分量叠加在控制信号上。
在图5所示的第四实施例中，部件I仍包括开关元件S的控制电极Sa和主电极Sb之间的第一电阻元件R1和第二单向元件D2的串联电路，当控制电极和主电极之间出现第一极性电压时，该第二单向元件D2有电流流过。这里电压限制部件VB由控制电极Sa和主电极Sb之间的支路构成，该支路不仅包括第二电阻元件R2，而且还包括要被连接到输入端K1、K2上的DC电压源。第二电阻元件R2在控制电极Sa和由第二输入端K2构成的导体之间延伸，并具有第一极性的电势。灯LA的电极E11、E12连接到负载支路的输出端K3、K4上。同样在这一实施例中，变压器的初级绕组Ta构成感性部件。
图5所示电路装置按如下工作。当电压加到输入端K1、K2上时，电流流过电路R2、D2、R1，由此在开关元件S的控制电极Sa和主电极Sb之间产生第一极性电压。选择电阻元件R1、R2的电阻值使得所述电压值低于开关元件S的阈值Vt。结果开关元件仍保持非导通状态。经过第二电压分压器Ra、Rb，在另一开关元件S’的控制电极Sa’和主电极Sb’之间产生第一极性并具有高于阈值Vt的电压，使该另一开关元件开始导通，电流流经变压器的初级绕组Ta。由此在开关元件S的控制电路B的次级绕组Tb中产生第一极性电压，在另一开关元件S’的控制电路B’的次级绕组Tb’中产生极性与第一极性相反的电压。这样由于在开关元件S的控制电极Sa和主电极Sb之间已有第一极性的DC电压分量，源于次级绕组Tb的小幅度的电压就将足以把开关元件S带入导通状态。另一开关元件S’呈现非导通状态。这导致流过负载支路的电流反向，在变压器的次级绕组Tb、Tb’中再次产生电压，这又再次将开关元件S带入导通状态，将开关元件S’带入非导通状态。振荡的产生引起附加的脉动直流分量，瞬时流过电路Tb、Cd、D2、R1。由此在开关元件S的控制电极Sa和主电极Sb之间累积极性与第一极性相反的DC电压分量Vdc。当后者增加到使第二单向元件D2仅在每个周期的短时间间隔期间导通的程度时DC电压分量的累积停止，并且在该时间间隔期间通过该单向元件D2传导的总电荷与在整个周期期间由流过R2的电流提供的电荷平衡。
图6展示该实施例一种改进形式的细部。在这种改型中，用一对齐纳二极管Z4、Z5保护开关元件S的控制电极Sa。齐纳二极管Z4同时还构成第二单向元件。
图7展示根据本发明电路装置的第五实施例。这里DC／AC转换器是E级转换器，在第一和第二输入端K1、K2之间该转换器的开关元件S与感性部件L1串联连接，而负载支路E的第一端在开关元件S与感性部件L1的的共同接点P处，第二端连接到第一输入端K1上。负载支路E配有包括自感L2和初级绕组Ta的感性部件，和与具有线圈L1a和灯室V的无极灯LA相连的输出端K3、K4。槽路电容器Ct连接在第二输出端K4和变压器初级绕组Ta之间。负载支路E还有在自感L2和点P之间的第二去耦容性部件Cdd。负载支路E还包括容性部件Cz，与开关元件S并联，以便使后者切换时不带电压。控制电路S包括用于产生控制信号的部件，该部件由变压器的次级绕组Tb构成。次级绕组Tb与容性部件Cr一起构成谐振电路。
图7所示电路装置按如下工作。当DC电压加到输出端K1、K2上时，电流流过电路R2、R1、D2，从而在开关元件S的控制电极Sa和主电极Sb之间产生第一极性电压。选择电阻元件R1、R2的电阻值使得该电压值正好高于开关元件S的阈值Vt，以使后者导通。这导致流过变压器的初级绕组Ta的电流方向反向。由此在变压器的次级绕组Tb中产生电压，该电压使控制电极和主电极之间的电压下降到阈值以下。在转换器振荡的同时DC电压分量在去耦容性部件Cd上累积。一旦其增加到使第二单向元件D2仅在每个周期的短时间间隔期间导通的程度，DC电压分量vdc的增加就停止，并且在该时间间隔期间通过第二单向元件D2传导的总电荷与在整个周期期间由流过R2的电流提供的电荷平衡。

Claims (9)

1．一种电路装置，包括用于驱动放电灯(LA)的DC／AC转换器，该DC／AC转换器配有：
用于将DC／AC转换器连接到DC电压源上的输入端(K1，K2)；
连接到输入端上并至少配有一个开关元件(S)的开关电路(A)，该开关元件有控制电极(Sa)和主电极(Sb)，在主电极和控制电极之间有控制电路(B)，该控制电路带有用于为开关元件产生控制信号的部件(Tb)和第一去耦容性部件(Cd)的串联电路，并且当控制电极和主电极之间有第一极性的电压，且该电压值超过阈值(Vt)时，开关元件导通，
至少包括感应部件(Ta)和用于与放电灯相连的输出端(K3，K4)的负载支路(E)，经开关电路(A)给该负载支路供电，
其特征在于，控制电路(B)包括用于在控制电极(Sa)和主电极(Sb)之间产生极性与第一极性相反的DC电压分量(Vdc)的部件(I)。
2．如权利要求1的电路装置，其特征在于，用于产生DC电压的部件(I)包括第一击穿元件(Z1)、第一单向元件(D1)和缓冲容性元件(Cb)的串联电路，该串联电路对用于产生控制信号的部件(Tb)进行分路，同时第一击穿元件在第一单向元件的导通方向上具有击穿电平，所述部件(I)还包括对缓冲容性元件进行分路并具有第一(Ra)和第二(Rb)电阻支路的第一电压分压器，同时第一电压分压器的一个(Ra)电阻支路与第一击穿元件和第一单向元件一起构成串联电路，该串联电路对第一去耦容性部件(Cd)进行分路。
3．如权利要求1的电路装置，其特征在于，部件(I)包括击穿部件(Z2，Z3)，该击穿部件具有第一极性的第一击穿电平(V1)，和极性与第一极性相反的第二击穿电平(V2)，同时第二击穿电平(V2)的绝对值高于第一击穿电平(V1)的绝对值，而且控制信号的幅度(A2)小于第一击穿电平(V1)的绝对值。
4．如权利要求3的电路装置，其特征在于，控制信号的幅度(A2)小于击穿电平(V1、V2)的绝对值之和的一半。
5．如权利要求1的电路装置，其特征在于，部件(I)包括在控制电极(Sa)和主电极(Sb)之间的第一电阻元件(R1)和第二单向元件(D2)的串联电路，该第二单向元件在控制电极和主电极之间具有第一极性电压时导通，同时部件(I)还包括电压限制部件(VB)，用于限制在控制电极和主电极之间极性与第一极性相反的电压。
6．如权利要求5的电路装置，其特征在于，电压限制部件(VB)由在控制电极(Sa)和主电极(Sb)之间包括第二电阻元件(R2)的支路构成。
7．如权利要求6的电路装置，其特征在于，第二电阻元件(R2)在控制电极(Sa)和具有第一极性电势的导体(K2)之间延伸。
8．如前面任何一个权利要求的电路装置，其特征在于，DC／AC转换器配有变压器，该变压器的初级绕组(Ta)被包括在负载支路(E)中，其次级绕组(Tb)构成用于为开关元件(S)产生控制信号的部件。
9．如前面任何一个权利要求的电路装置，其特征在于，开关电路(A)具有另一开关元件(S’)，该元件带有控制电极(Sa’)和与开关元件(S)串联的主电极(Sb’)，在另一开关元件(S’)的控制电极(Sa’)和主电极(Sb’)之间还有控制电路(B’)，该控制电路带有用于产生控制信号的部件(Tb’)和第一去耦容性部件(Cd’)的串联电路，并且另一开关元件的控制电极(Sa’)连接到第二电压分压器的第一和第二电阻支路(Rc，Rd)的共同接点(Q)上，该第二电压分压器被连接到输入端(K1，K2)上。
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