CN1312668A - 单开关电子镇流器 - Google Patents

Abstract

提供一种单开关镇流器。该镇流器包括电流源电感器,连接该电感器以接收由电压源供给的直流电压,从而将不规则直流电压转换为供给镇流器的电流。

Description

单开关电子镇流器

本发明涉及用于放电灯的镇流器或电源电路。更具体地说，本发明涉及具有可调占空率的自起动、自激振荡的单开关(singleswitch)镇流器。

先前的电子镇流器设计一般包括两个按次序的开关，以将直流信号转换为用于起动和控制放电灯的高频交流信号。现有的镇流器设计通常还由集成电路驱动，从而增加了电路设计的成本和复杂性。起动放电灯的其它方式包括使用具有辉光瓶(glow bottle)启动器的电阻镇流器。

因此，可以认为，期望提供设计为E级逆变器的改进的电子镇流器，它是可自起动、自激振荡的，并且占空率可调。最好以最少的元件且低成本地构成这样的镇流器。

本发明的示例性实施例提供一种单开关镇流器。该镇流器包括电流源电感器，连接该电感器以接收由电压源供给的直流电压，从而将不规则直流电压转换为供给镇流器的电流。该单开关被构成为E级逆变器，通过正反馈(regenerative feedback)通路将反馈电压提供给该开关。正反馈通路包括变压器的第一绕组、反馈电感器和充电电容器。起动电阻器网络连接在高侧母线和低侧母线之间，以确保在开关开启之前电路达到预定的电压。在开关与低侧母线之间设置一对齐纳二极管，用于控制开关的占空率。开关电容器跨接在开关漏源之间并连接到变压器的第二绕组和谐振电容器上。一旦起动充电电容器，则通过起动电阻器网络充电直到充电电容器到达偏置开关的阈值。一旦开启开关，开关便进入振荡模式直到达到开关模式。并且还提供一种连接在开关的源中的限流电阻器，以致当第一次开启开关时，限制电流，从而避免施加电源时不需要的应力。

图1是按照本发明构思的电子镇流器的示意图；

图2表示图1所示镇流器的电路波形。

图1是具有输入部分10并提供电子镇流器电路12的照明电路A，电子镇流器电路12对灯14供电。灯14是放电灯，在一个实施例中为15W T8荧光灯。

输入部分10包括提供交流线电压的交流电源16。用二极管桥18、20、22和24组成的全波桥式整流器对交流线电压进行转换。利用正或高直流侧母线26和公用或低侧母线28将全波桥式整流器18-24连接到输入电容器30上，输入电容器30对从交流线电压到直流电压的低功率因素转换提供能量储备。

参见镇流器12，第一电感器(也称为电流源电感器)32将输入电容器30两端上不规则的直流电压转换为馈送给镇流器12的逆变器部分的直流电流。电流源电感器32还用作低通滤波器以减小输入交流线电压上的辐射发射(conducted emissions)。这样，电流源电感器32用作镇流器12的恒流源。单开关34被构成为E级公共源放大器，其中，虽然单开关34可以为其它开关元件，但这里可以为MOSFET。设计由第一变压器绕组36和第二变压器绕组38构成的变压器，以便第一变压器绕组36是正反馈通路的一部分，该正反馈通路还包括反馈电感器40和充电电容器42。由电阻器44和46构成的起动电阻器网络被连接为正侧母线26与公共母线28之间的分压器网络。一对齐纳二极管48和50配置于开关34的输入与公共母线28之间。限流电阻器52包含于开关34的源中。开关电容器56跨接于正侧母线26与公共母线28之间，以旁路开关34，从而实现软开关(soft-switching)。第二变压器绕组(也称为谐振绕组)38与谐振电容器58一起形成与灯14的端子连接的调谐电路。稳定电容器(swamping capacitor)60可跨接于开关34两端。

以最佳或次最佳模式进行E级逆变器的开关转换。当开关开启时零开关电压和零dv/dt的条件通常被称为最佳工作模式。任何其它工作模式都被认为是次最佳的。尽管零开关电压对于使开关损失最小来说是至关紧要的，但零dv/dt并不是决定性的。通过开关的本征二极管的某些导通允许逆变器经受母线电压和灯电弧电阻的较大改变。

如图2所示，漏源电压大体为二分之一正弦波62。当开关开启时，开关上的电压为零，而当开关关闭时该电压升到峰值电压Vpk。对于E级逆变器，平均电压Vavg等于母线电压。图2还表示在镇流器12工作期间栅-源电压波形64和通过源电感器32的电流波形66。

对于E级逆变器来说，已知有在开关的占空度(duty cycle)、开关的平均电压和开关的峰值电压之间的关系。利用二分之一正弦波，可知：

avg=Vpk/π

其中Vavg是平均电压和Vpk是峰值电压。

并且， $\mathrm{Vpk}=\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{Vavg}}{2\×(l-D)}=\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{Vb}}{2\×(l-D)}$

其中D等于开关的占空度。

由于Vavg是常数，在这个意义上，它等于Vb(母线电压)，因此它仅仅是输入线电压的函数，通过改变开关的占空率可仅仅改变开关上的电压。特别是，对于线电压的相同平均值来说，当占空率缩短时，开关上的峰值电压将降低，当占空率增加时，开关上的峰值电压将增加。

按200V增量提供适于在E级结构中工作的更高电压的功率MOSFETs。通常，可按比800V开关低得多的成本购买600V的开关，给出相同的Rds(on)。当利用占空率为50％的120V电源线操纵E级逆变器时，需要选择8000V开关以确保安全可靠的工作。230V的电源线需要1200V的开关。

可是，如果占空度降低，那么开关上的峰值电压将降低，可使用较低额定值和不太昂贵的开关进行工作。在本发明中，这可通过按照图1所示的电路调节占空率来实现，图1表示允许进行占空率调节的自起动、自激振荡镇流器12。

当充电电容器42上的电压达到开关34的阈值电压时对开关34加偏置。当电源最初施加于镇流器12上时，充电电容器42通过用于对电路提供衰减的电阻网络44、46的电阻器44充电。特别是，在没有电阻网络46、48的情况下，开关34能够在电路的足够激励之前以不期望的低母线电压起动。将电阻器44和46排列成为具有适当比值的分压器，以便正侧母线26上的电压在起动系统之前达到预定值。在开关34的阈值电压为3伏的一个实施例中，选择电阻器44和电阻器46之间的比值，以便在120V系统中在开关34起动之前母线上的电压将为30-40V。

在系统充电期间，没有电流流动，因此，第一变压器绕组36和反馈电感器40基本上是短路的。

开关34的开启导致构成为具有正反馈的高增益公共源放大器的开关34的激励。通过由第一变压器绕组36、反馈电感器40和充电电容器42构成的正反馈通路提供反馈电流。还附加给反馈通路的是开关34的小信号增益。

在起动初期，构成为公共源放大器的MOSFET开关34按由反馈电感器40和开关34的寄生输入电容确定的频率振荡。通过在开关34的栅极两端附加用作消除(swamp out)寄生成份可变性的电容器60，可控制振荡频率。由于反馈电流是正的(regenerative)，因而振荡的幅值增加，引起开关34以被开关转换的模式工作。当开关34开启和关闭时，周期性的电压施加到由谐振电容器58和第二变压器绕组38构成的调谐电路上。该电压可如图2中的62所示。

当开关34首先导通和放电电容器56放电时，限流电阻器52限制电流。由于电容器56被充电为母线电压，因而提供这种限流特性。当首先开启开关34时，必须使电容器56放电。如果不限制电流，那么会产生对开关34的损伤。限流电阻器52的加入意味着电阻器52上的电压将增加。该电流增加到用电源16不能驱动开关34的那一点。这样，限流电阻器52用于限制电流直到镇流器10起动，保持开关34不过载。

在镇流器电路12中，调节齐纳二极管48和50的电压击穿额定值的选择，可进行占空率的调节。更具体地说，在本实施例中，为了适当地驱动MOSFET开关34，可使用额定为10V的二极管作为二极管48。选择二极管50使其为大于10V的二极管，本发明的占空率可减小50％以下。例如，如果二极管48是10V，二极管50是15V，那么可获得48％的占空率。通过降低占空度，可选择更小额定值的开关34，并由此提供更经济的镇流器结构。应该认识到，这种设计允许较高的电流流过开关34。可是，在这种较高电流和需要使用较高额定值和更昂贵的开关之间的折衷在某些设计中被认为是可接受的折衷。

应该指出，谐振电感器38连接到公共或低侧母线28上。这种设计使变压器绕组36、38最有效同时不需要提供高压隔离。电流源电感器32也连接到低或公共侧母线28上，从而允许通过输入电容器30连接到高直流侧母线26的低阻抗通路。这种设计减小了输入的辐射发射并允许较小尺寸和较低成本的电磁干扰(emi)滤波器。

反馈环路36、40和42的增益决定振荡器是否将按指数规律地增加直到系统达到开关模式。因而，开关34初期按等级A模式工作。这样，假定足够的增益，振荡的幅值增加直到达到开关模式。利用第一变压器绕组36与用于引导开关34栅极的第二变压器绕组38的耦合，可获得自激振荡。与电压馈电转换器不同，本设计是由电感器32和周期性的开关转换引起的电流馈电系统。

对于用在22□f的输入电容器30上储存直流电压的全波桥式整流器18-24所转换的120V交流输入电源供电的镇流器电路12来说，示例性的元件值如下：

电流源电感器32                  5.6mh

MOSFET开关34                    MTDIN60；600V

第一和第二变压器绕组36和38      1mH

36与38之间的匝数比              130/6

反馈电感器40                    560□H

充电电容器42                    22nF

电阻器44                        560K

电阻器46                        56K

齐纳二极管48                    10V

齐纳二极管50                    15V

限流电阻器52                    2欧姆

开关电容器56                    1.5nF

谐振电容器58                    2.2nF

稳定电容器60                    2.2nF

由镇流器12的工作所获得的结果包括下列测量数据：

效率                            87.4％

输入功率                        13.76W

输出(灯)功率                    12.04W

输出(灯)电流                    250.55mA

输出(灯)电                      48.43V

在工作于120V交流的供给15W T8荧光灯的系统中获得上述信息。

应该指出，所述元件值仅仅是为了展示的目的。选择齐纳二极管50使其值不等于10V，可调节开关占空率。根据输入值和所驱动的灯的额定值，还可采用其它元件值。

尽管利用附图参照特定实施例描述了本发明，但本领域的技术人员可进行许多修改和改变。因此，应该理解，所附权利要求书将覆盖落入本发明实质和范围内的所有修改和改变。

Claims (20)

1．一种对灯(14)供电的单开关电子镇流器(12)，该镇流器(12)包括：

构成为E级逆变器的开关(34)，

反馈通路(36,40,42)，被连接以对开关(34)提供正反馈电流，该反馈通路包括变压器(36,38)的第一绕组(36)、反馈电感器(40)和充电电容器(42)；

起动电阻器网络(44,46)，连接到高侧母线(26)和低侧母线(28)，以接收经过整流的直流电压；

电流源电感器(32)，被连接以接收直流电压和产生供给镇流器(12)的直流电流；

连接在开关(34)和变压器(36,38)、电流源电感器(32)之间的齐纳二极管(48,50)；

跨接在开关(34)上并连接到灯(14)的第二绕组(38)的阻塞电容器(56)，其中一旦起动充电电容器(42)便通过起动电阻器网络(44,46)充电直到充电电容器(42)到达偏置开关(34)使之接通的阈值，和一旦开启开关，开关(34)便振荡直到达到开关模式。

2．如权利要求1的电子镇流器，其中选择二极管(48,50)的值，控制开关(34)的占空度。

3．如权利要求1的电子镇流器，其中镇流器(12)是自起动镇流器。

4．如权利要求1的电子镇流器，其中选择电流源电感器(32)，将不规则的直流电压转换成馈送给逆变器的直流电流。

5．如权利要求1的电子镇流器，其中构成电流源电感器(32)，使其用作低通滤波器，以减小输入电压的辐射发射。

6．如权利要求1的电子镇流器，其中选择阻塞电容器(56)的值，以旁路开关(34)，从而提供开关(34)的软起动。

7．如权利要求1的电子镇流器，其中第二绕组(38)和灯电容器(58)构成对灯(14)提供镇流作用的谐振网络。

8．如权利要求1的电子镇流器，还包括跨接于开关(34)的栅极上的稳定电容器(60)，可选择该电容器(60)，以消除开关(34)的寄生电容。

9．如权利要求1的电子镇流器，其中电流源电感器(32)根据电流源电感器(32)的值控制振荡器的频率。

10．如权利要求1的电子镇流器，其中正反馈电流还包括来自开关(34)的增益电流。

11．一种照明系统，包括：

产生交流输入电压的交流输入电源(10)；

被驱动的灯(14)；

接收交流输入电压并将其转换为直流电压的全波桥式整流器(18,20,22,24)；

跨接在全波桥式整流器(18,20,22,24)上的输入电容器(30)，用于储存转换的直流电压；和

跨接在输入电容器(30)、整流器(18,20,22,24)和灯(14)上的单开关电子镇流器(12)，用于对灯供电，该镇流器(12)包括：

电流源电感器(32)，被连接以接收经全波桥式整流器(18,20,22,24)整流的直流电压和将输入电容器(30)上的未整流直流电压转换为供给镇流器的电流；

构成为E级逆变器的开关(34)，

正反馈通路，被连接以对开关(34)提供正反馈电流，该反馈通路包括变压器(36,38)的第一绕组(36)、反馈电感器(40)和充电电容器(42)；

起动电阻网络(44,46)，连接到充电电容器(42)并且还被连接成可接收经过全波桥式整流器(18,20,22,24)整流的直流电压；

齐纳二极管(48,50)，连接在开关(34)、和变压器(36,38)和电流源电感器(32)之间，以控制开关(34)的占空度；

跨接在开关(34)两端并连接到变压器(36,38)的第二绕组(38)的电容器(36)，其中一旦起动充电电容器(42)，便通过起动电阻器网络(44,46)充电直到充电电容器(42)到达偏置开关(34)的阈值，和一旦开启开关，开关(34)便振荡直到达到开关模式。

12．如权利要求11的电子镇流器，其中电流源根据对电流源电感器(32)选择的值控制振荡频率。

13．如权利要求11的电子镇流器，其中正反馈电流还包括来自开关(34)的增益电流。

14．如权利要求11的电子镇流器，其中开关(34)的振荡还受开关(34)的寄生电容控制。

15．如权利要求11的电子镇流器，其中还包括跨接于开关(34)的栅极上的稳定电容器(60)，可选择该电容器(60)，以消除开关(34)的寄生电容。

16．如权利要求11的电子镇流器，其中选择阻塞电容器(56)的值，以旁路开关(34)，从而提供开关(34)的软起动。

17．如权利要求11的电子镇流器，其中第二绕组(38)和谐振电容器(58)构成对灯(14)提供镇流作用的谐振网络。

18．如权利要求11的电子镇流器，其中构成电感器(32)，使其用作低通滤波器，以减小输入电压的辐射发射。

19．如权利要求11的电子镇流器，其中镇流器(12)是自起动镇流器。

20．如权利要求11的电子镇流器，其中选择二极管对(48,50)的值，控制开关(34)的占空度。

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