CN1363984A - 用于基于三端双向可控硅开关的控制器电路的电子功率转换器 - Google Patents

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Abstract

一种以基于三端双向可控硅开关的控制器可工作的镇流器电路。该镇流器电路(100)包括与相关的基于三端双向可控硅开关的电路(110)可操作地连接以将交流电流转换为直流电流的整流器(115),耦合到该整流器(115)的电容器组件(137),在该整流器和电容器组件(137)之间的第一连接(150),耦合到该整流器(115)以将直流电流转换为交流电流的转换器(153),耦合到该转换器以控制该转换器(153)的栅极驱动装置,耦合到该转换器(153)的电阻－电感电路(163),以及在该电容器组件(137)和电阻－电感电路(163)之间的第二连接(165)。该转换器(153)在电阻－电感电路(163)中引起交流电流。

Description

用于基于三端双向可控硅开关的控制器电路的 电子功率转换器
技术领域
本发明涉及一种电路，具体地说，涉及一种与基于三端双向可控硅开关的电路相容的转换器电路。
技术背景
在许多应用场合中都广泛地使用白炽灯。通常，即使在所选择的环境中白炽灯使用电力网电压或线电压的功率，仍然希望较低的电压。例如，彩色再现特性和光束控制都是利用低压灯的显著的优点。然而，因为灯丝的额定电压的缘故，低压灯要求比线电压更低的电压。实例性的线电压是大约120伏特，但某些灯丝比如在MR16灯中的灯丝的额定电压仅有大约12伏特。因此，低压灯要求转换器以将线电压降低到与该灯丝的要求相匹配。
虽然低压灯比高压灯具有更好的光学质量，但是在商用领域(例如饭店、商业公司等)还并没有广泛地采用。这其中的一个原因在于许多商用公司还是希望可调光的(dimmable)灯。例如，许多饭店在午餐的时间里希望灯发出更亮的光线以适应工作餐的需要而在晚宴的时间里则希望能够使光线昏暗以满足更私人化的气氛。
为了在传统的灯插座中使用低压灯，本领域公知的是在已有的照明设备中放置带有较小的整体式电子转换器的灯。然而，常规的电子转换器并不容易与在用户、零售店、饭店、酒店、照明市场中普通流行的在商业上可购买的各种各样的基于三端双向可控硅开关的电路相兼容。普通的三端双向可控硅开关的控制电路包括通过光学传感器、运动传感器、占用率检测器和定时器控制器启动的固态开关和壁式调光器。
已经应用共模扼流圈和电阻器来衰减由基于三端双向可控硅开关的相位调光器电路所引起的振荡。虽然这种方法提供了调光的能力，但是它带来了其它的问题。首先，灯的外部轮廓尺寸限制了转换器电路的尺寸。例如由于50mH的电感器是相当大的元件，因此使用它并不实用。此外，通过引入附加的(即，无光线产生的)负载来对在调光器电路中的电阻电容(RC)元件进行放电，因此该电阻器损害了该电路的效率。
再一方法是设计一种用于低压灯的定制的可调光的转换器电路。然而，这种方案失去了许多已有的可用的调光器电路的优点。此外，如果定制的设计要求调光器电路与灯为一体，则每个灯必需单独调光。这样就不能通过传统的调光器电路来对灯进行调光，而传统的灯通常具有控制整个照明设备的能力，而不是仅控制单个灯。因此，需要更多的时间和劳力来将灯调暗，而且在整个公司中灯的调暗程度不统一。
因此，需要一种能够与在商业上可购买的基于三端双向可控硅开关的电路相兼容的转换器电路。
发明内容
公开了一种高频电子功率转换器，这种高频电子功率转换器允许通过基于三端双向可控硅开关的电路将低压灯连接到标准的用户主交流电压上。
本发明的实例性的实施例涉及一种以基于三端双向可控硅开关的控制器可工作的镇流器电路。该镇流器电路包括与相关的基于三端双向可控硅开关的电路可操作地连接以将交流电流转换为直流电流的整流器、耦合到该整流器的电容器组件、在该整流器和电容器组件之间的第一连接、耦合到该整流器以将直流电流转换为交流电流的转换器、耦合到该转换器以控制该转换器的栅极驱动装置、耦合到所述转换器的电阻-电感电路，以及在该电容器组件和电阻-电感电路之间的第二连接。该转换器在电阻-电感电路中引起交流电流。
附图概述
附图1所示为体现本发明的一种转换器电路的示意图；
附图2所示为体现本发明的第二转换器电路的示意图；
附图3所示为体现本发明的第三转换器电路的示意图；
具体实施方式
参考附图，现在描述本发明的几个实施例。在整个说明书中相同的参考标号表示相同的元件。
在附图1的实施例中镇流器或转换器电路100包括耦合到基于三端双向可控硅开关的控制器110的交流电源105。该交流电源通常是标准用户主电压或线电压。基于三端双向可控硅开关的控制器110通常是在用户、零售店、饭店、酒店照明市场中流行的在商业上可购买的相位可控制的三端双向可控硅开关调光器，比如General ElectricCompany(通用电器公司)的白炽光调光器，零件号码为DIT261M5。基于三端双向可控硅开关的控制器电路还可以是能够控制灯的接通-切断操作的固态开关，比如微暗到渐亮控制器。
基于三端双向可控硅开关的控制器110耦合到整流器115，比如全波桥式整流器，该整流器115将交流电流转换为直流电流。电磁干扰(EMI)滤波器120优选插入在基于三端双向可控硅开关的控制器110和桥式整流器115之间。EMI滤波器120抑制了来自附近的电器的EMI。EMI滤波器包括电阻125、电容器130和电感器135，其中如附图1所示电容器和电阻串联连接，电感器耦合在基于三端双向可控硅开关的控制器110和整流器115之间。
桥式整流器115并联连接到电容器组件137。电容器组件137包括电容器140和145，这两个电容器是标准的半桥。桥式整流器115通过第一或直接电连接150连接到电容器组件137。例如，在半桥电容器140和145之间的连接节点N1上用跳线连接适当地互连桥式整流器115。将连接节点N1保持在大约一半的总线电压VBUS上的半桥电容器140和145并联连接到直流到交流转换器153上。
包括第一和第二开关155和160的直流到交流转换器153将从桥式整流器115的输出中接收的直流电流转换为交流电流。交流电流由电阻-电感电路163通过在附图1中所示为去耦电容器的第二或电容性连接165接收。电阻-电感电路163包括具有初级绕组175和次级绕组180的高频变压器170和在附图1中所示为灯的负载185。该灯可以是任何数量的低压灯比如一种低压白炽灯。
在下述意义上第一和第二开关155和160彼此互补：第一开关155可以是如图所示的n-沟道增强型器件而第二开关160是p-沟道增强型器件，或者通称为MOSFET开关。第一和第二开关155，160每个都分别具有相应的栅极(或控制端)G1或G2。从第一开关155的栅极G1到源极(参考端)S1的电压控制该开关的导通状态。类似地，从第二开关160的栅极G2到源极S2的电压控制该开关的导通状态。如附图所示，源极S1和S2在公共节点N2上连接在一起，栅极G1和G2在公共控制节点N3上互连。栅极G1和G2可以连接到栅极电阻187和189以防止栅极至源极谐振超过额定值并提高转换器电路100的可靠性。第一和第二开关155和160的漏极D1和D2分别连接到总线导体190和参考导体195。为方便将参考导体195示为地线。在总线导体190和参考导体195之间存在直流总线电压VBUS。
直流到交流转换器153连接到栅极驱动电路，该栅极驱动电路包括驱动电感器200、第二电感器205和隔直电容器210。栅极驱动电路连接到三个启动电阻211、212和213。正如大家所熟悉，启动电阻211、212和213和第一开关155一起形成了自启动电路。
双向电压钳位215以与栅极驱动电路并联的关系设置在公共节点N3和公共节点N2之间。双向电压钳位215优选由背对背齐纳二极管217，218组成。双向电压钳位215对第一和第二开关155和160的栅极至源极额定电压的正和负漂移钳位以使不超过开关的栅极至源极最大额定值。
缓冲电容器220优选连接在连接节点N1和公共节点N2之间以在第一和第二开关155和160都切断的空载时间间隔期间保护第一和第二开关155和160不超过最大的栅极至源极额定电压。转换器电路100还可以包括跨接在直流总线上的栅极或堵塞(swamp)电容器225。栅极电容器225支持在线电压的零交叉之后的转换器工作。
转换器电路100进一步可以包括串联连接在桥式整流器115和桥式电容器140之间的示为电感器的第二EMI滤波器230以进一步抑制在桥式整流器115的输出上的EMI。根据所采取的其它的EMI控制措施，比较理想的是在高频变压器170的次级绕组180和在半桥电容器140和150之间的节点N1之间可以具有第三连接235。在直接电连接对产品的性能有害的应用场合中第三连接还可以是电容性连接。
转换器电路100工作如下。桥式整流器115将电源105的交流电流转换为直流电流。第一和第二开关155和160通过自谐振转换电路153以高频率交替地切换以驱动高频变压器170的初级绕组175。高频变压器170的次级绕组180驱动负载185。应用电容性连接165来使高频切换从低频线去耦。半桥的中点电压引向该线以提供返回到负载185的低频电流通路以维持与基于三端双向可控硅开关的控制器110的兼容性。在该电路输入上的EMI滤波器120和高频变压器170的次级绕组180都引向半桥的中点电压以有助于进一步抑制EMI。
自启动电路形成了从源输入的通路以启动电感器动作。一旦交流电源105通电通过电阻211、212和213对隔直电容器210开始充电。在这个时刻，在隔直电容器210上的电压为零。在启动过程中，由于隔直电容器210的充电的时间常数相当长，因此高频变压器170的初级绕组175和驱动电感器200基本上短路。一旦总线开始通电，例如利用相等值的电阻211、212和213在公共节点N2上的电压大约为总线电压VBUS的三分之一。在电阻211、212和213之间的公共控制节点N3上的电压是总线电压VBUS的一半。这样，隔直电容器210从左到右增加带电直到它达到第一开关155的栅极至源极电压的阈值电压(例如2-3伏特)。在这一点上，第一开关155切换到导通模式，然后产生由第一开关155输送到高频变压器170的初级绕组175的电流。高频变压器170的次级绕组180驱动负载185。接着，在变压器170中所得的电流以上文所描述的方式产生第一和第二开关155和160的再生控制。
在转换器电路100的稳态工作的过程中，在第一和第二开关155和160之间的公共节点N2的电压大约为总线电压VBUS的1/2。在公共控制节点N3上的电压也为总线电压VBUS的1/2，因此在稳态工作的过程中隔直电容器210不再充电并产生接通第一开关155的另一启动脉冲。隔直电容器210的容抗比驱动电感器200和第二电感器205的感抗小得多因而隔直电容器210不干扰电感器200和第二电感器205的工作。
栅极驱动电路的驱动电感器200相互耦合到高频变压器170的初级绕组175以在其中引起与交流负载电流的瞬时变化率成比例的电压。驱动电感器200在一端进一步连接到公共节点N2。驱动电感器200给栅极驱动电路的工作提供驱动能量。利用与隔直电容器210和公共控制节点N3串联连接的第二电感器205调节在公共控制节点N3和公共节点N2之间出现的栅极至源极电压的相位角。
转换器电路100继续以低线状态运行并且当基于三端双向可控硅开关的控制器110触发时迅速地重新启动。提供一种电流通道，该电流通道允许基于三端双向可控硅开关的控制器110的电阻-电容器(RC)网络放电并提供基于三端双向可控硅开关的控制器110的可靠工作。应用无源EMI滤波器120，该EMI滤波器120限制线电流并衰减由基于三端双向可控硅开关的控制器110的启动可能引起的振荡。因此，转换器电路100可与在商业上可购买的很多种基于三端双向可控硅开关的控制器兼容。
下面为应用120伏特线电压的转换器电路100的实例性元件的值：
齐纳二极管215  10伏特-1/4瓦
全波桥式整流器115的二极管  1N4006
栅极电容器225  100毫微法拉，200伏特
半桥电容器140，145  100毫微法拉，100伏特
去耦电容器165  100毫微法拉，100伏特
栅极电阻器187，189  10欧姆
EMI滤波电容器130  100毫微法拉，200伏特
隔直电容器210  100毫微法拉，25伏特
缓冲电容器220  680皮法拉，200伏特
启动电阻211，212，213  270千欧姆
EMI滤波电阻125  100欧姆
此外，第一开关155可以是IRFU214，n-沟道MOSFET，而第二开关160可以是IRFU9214，p-沟道MOSFET，Segundo California的International Rectifier Company出售这两种器件。
附图2所示为体现本发明的第二转换电路250的示意图。第二转换器电路250以与上文所描述的附图1的转换器电路100相同的方式起作用。在第二转换器电路250和转换器电路100之间的主要差别在于直流电连接150和电容性连接165的位置。如在附图2中所示，转换器电路250的电容性连接165位于在连接节点N1和桥式整流器115之间，同时直流电连接150位于在连接节点N1和初级绕组175之间。因此，直接电连接150和电容性连接165的位置与在附图1中的位置相反。
附图3所示为体现本发明的第三转换器电路300的示意图。同样，除了在附图1中的在桥式整流器115和节点N1之间的直接电连接150以外，第三转换器300以与在附图1个转换器电路100相同的方式起作用并应用相同的元件。在转换器电路300中，以在附图3中示为第二去耦电容器的电容性连接305替换直接电连接150。这个电容性连接305替换转换器电路100的直接电连接，这对于较小性能波动比如降低在灯中的峰值灯丝电压比较理想。因此，转换器电路300具有两个电容性连接165和305而不是如在上文中所描述的转换器电路100中的一个电容性连接和一个直接电连接。
总之，本发明提供了一种有效利用带有可商用的基于三端双向可控硅开关的控制器的集成电路元件的方式。该电路足够小以使它容易集成在灯壳体本身内，由此提供了一种容易更新已有的白炽灯照明设备的低压灯。这种转换器还可以给灯丝在高的频率下提供低电流峰值因数，这有助于延长灯的寿命。
此外，由于在本领域熟练的人员很容易作出许多改进和变型，因此本发明并不限于上文所描述的具体结构和工作。因此所有的适合的改型和等效方案都落在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种以基于三端双向可控硅开关的控制器可操作的镇流器电路，包括：
(a)整流器，该整流器配置成与相关的基于三端双向可控硅开关的电路可操作地连接以将交流电流转换为直流电流；
(b)耦合到所述整流器的电容器组件；
(c)在所述整流器和所述电容器组件之间的第一连接；
(d)耦合到所述整流器以将直流电流转换为交流电流的转换器；
(e)耦合到所述转换器以控制该转换器的栅极驱动装置；
(f)耦合到所述转换器的电阻-电感电路，所述转换器在电阻-电感电路中引起交流电流；以及
(g)在所述电容器组件和所述电阻-电感电路之间的第二连接。
2.权利要求1的镇流器电路，其中基于三端双向可控硅开关的控制器是一种调光器。
3.权利要求1的镇流器电路，其中基于三端双向可控硅开关的控制器是一种固态开关。
4.权利要求1的镇流器电路，进一步包括并联连接到所述转换器以支持该转换器的工作的第一电容器。
5.权利要求1的镇流器电路，其中该电容器组件包括在连接节点上连接在一起的第二和第三电容器。
6.权利要求1的镇流器电路，其中第一连接是直接电连接。
7.权利要求1的镇流器电路，其中第一连接是电容性连接以对高频切换进行去耦。
8.权利要求1的镇流器电路，其中第二连接是直接电连接。
9.权利要求1的镇流器电路，其中第二连接是电容性连接以对高频切换进行去耦。
10.权利要求1的镇流器电路，其中第一和第二连接都是电容性连接以对高频切换进行去耦。
11.权利要求1的镇流器电路，其中电阻-电感电路包括变压器和灯。
12.权利要求1的镇流器电路，进一步包括在电容器组件和变压器的次级绕组之间的第三连接。
13.权利要求1的镇流器电路，进一步包括耦合到转换器的启动电路。
14.权利要求1的镇流器电路，进一步包括耦合在相关的基于三端双向可控硅开关的电路和整流器之间的电磁干扰滤波器。
15.权利要求1的镇流器电路，进一步包括与整流器和电容器组件串联耦合的电磁干扰滤波器。
16.权利要求1的镇流器电路，其中所述转换器包括由交流电流流经的公共节点在总线导体和参考导体之间串联连接的第一和第二开关，所述第一和第二开关每个都包括控制节点和参考节点，在控制节点和参考节点之间的电压决定了所述开关的导通状态。
17.权利要求16的镇流器电路，进一步包括耦合在控制节点和公共节点之间的电压钳位电路。
18.一种使用基于三端双向可控硅开关的控制器运行负载的方法，包括：
(a)使用整流器将交流电流转换为直流电流；
(b)使用电容性连接对高频切换进行去耦；
(c)使用转换器将直流电流转换为交流电流；
(d)使用耦合到转换器的栅极驱动装置控制所述转换器的工作；以及
(e)在耦合到转换器的电阻-电感电路中引起交流电流。
19.权利要求18的方法，其中所述电容性连接是在整流器和电容器组件之间。
20.权利要求18的方法，其中所述电容性连接是在电容器组件和电阻-电感电路之间。
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