CN1381158A - 高功率因数电子镇流器 - Google Patents

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Abstract

一种用于高亮度放电灯的电子镇流器,该镇流器将升压变换器和降压变换器的功能组合在一起且将线电压整流与负载转换相组合。这种结构只需要一个控制器,用于控制器的控制信号从与总线电容器串行布置的一个电阻中输出。在这种情况下,通过调节输入降压变换器部分的输入降压电流而取代测量电灯电流来直接控制灯的功率,在断续模式的升压情况下就可得到较高的功率因数。

Description

高功率因数电子镇流器
本发明涉及用于驱动高亮度放电灯的电子镇流器，更具体地说，本发明涉及控制这种电子镇流器的输出功率。
利用低频矩形电流波形来驱动高亮度放电(HID)灯是比较常用的。电子镇流器用于产生电灯所需要的驱动波形并对公用电力线路进行功率因数校正。现有技术中电子镇流器的状况即为图1中所示的三级布局。该布局由用于功率因数校正的升压变换器、用于调节电灯功率/电流的降压变换器及一个转换器组成，该转换器用于将已调节的DC(直流)电压转化为AC(交流)矩形波形。在这种布局中需要两个控制器。在升压变换器中应用一个控制器来调整总线电压Vbus并随着输入电压的正弦波形来确定线电压波形而进行功率因数校正。在降压变换器中应用另一个控制器来调节电灯的电流和功率。这种布局对于电力电子领域中的技术人员来说是公知的。它可简单而明确地检测出其控制变量，因为在电路运行的全部阶段中可对线电压进行整流且被检测的参数可以相同的电位为基准。例如，顺次布置在地线和开关Q2之间的一个简单的电流检测电阻R1可被用于监控直流(DC)电灯电流。但是，这种布局的主要缺陷是由于其多级级联的属性而带来的部件太多及效率较低。如图1所示，已知的三级变换镇流器包括：两个控制开关，一个用于升压变换器而另一个用于降压变换器；及用于控制高亮度放电灯的转换的四个开关Q1-Q4，在该三级变换镇流器中共计有六个开关。
本发明的一个目的为提供一种组合的降-升压功能型电子镇流器，其中，该镇流器中显著地减少了部件的数目。
本发明的另一个目的为提供一种组合的降-升压功能型电子镇流器，其中，该电子镇流器中减少了开关的数目。
本发明的再一个目的为提供一种组合的降-升压功能型电子镇流器，其中，该电子镇流器具有较高的效率。
上述的这些目的及其他目的是在用于驱动高亮度放电灯的电子镇流器中实现的，该电子镇流器具有组合的升压和降压变换器及简单的电流检测技术，其中，所述的电子镇流器包括：与交流(AC)电压源相连的第一终端和第二终端；由第一电感、第二电感及结合点组成一组结构，该结构将高亮度放电灯与所述第一终端相连以与所述交流(AC)电压源相连；一个第一电容器与所述用于连接高亮度放电灯的结合点并列布置；由沿着主体二极管的第一高频开关和与所述第二电感及用于连接高亮度放电灯的所述结合点并列布置的第一低频开关组成的第一组结构；由沿着主体二极管的第二高频开关和与所述第二电感及用于连接高亮度放电灯的所述连接点并列布置的第二低频开关组成的第二组结构，在所述第二高频开关和所述第二低频开关之间具有与地线相连的结合点；由两个二极管组成的一组结构，所述两个二极管之一的阴极与所述第一高频开关和所述第一低频开关的结合点相连，所述两个二极管中的另一个的阳极与所述第二高频开关和所述第二低频开关的结合点相连，所述两个二极管之间的结合点与所述交流(AC)电压源的第二终端相连；由一个电容器和电流检测电阻组成的一组结构，该结构与由两个二极管组成的一组结构相并列布置，其中，穿过所述检测电阻的电流被用于检测所述电子镇流器的输入降压电流以直接控制由所述电子镇流器产生的输出功率。
本发明的电子镇流器将降压和升压功能组合在一起且将线电压整流和负荷转换结合在一起。这种电路布置适用于驱动所需的功率小于200瓦的HID灯。当升压变换器在不连续的传导模式(DCM)下运行时，交流(AC)电流波形在无任何反馈控制的情况下就自然地随交流(AC)电压波形的变化而变化。依据该DCM升压特性而可将电路重新布置为一种形式，此处，升压变换器和降压变换器可分享同样的工作开关。这种布置不仅减少了常用方式中的部件的数目，而且可简化控制。本发明的电子镇流器中只需要一个控制器。该控制器通过调节高频开关的负载周期来调整灯的功率。但是，如果将通用的控制原理应用到该电路中，其中，该电路中灯的功率是通过检测和控制灯的电流来直接调节的，则对灯电流的检测将会变得复杂和昂贵。
本发明的内容是通过对降压变换器的输入功率进行调节而取代常用的对灯电流的调节来直接控制灯的功率。通过一个电流检测电阻就可较容易地检测降压输入电流，所述电流检测电阻策略性地与总线电容器串行布置。该方法起作用在于两个原因：
(1)总线电容器上的电压极性在整个电路的运行中是确定的；
(2)只有一种电流流动形式通过总线电容器。
通常情况下，在常用的降-升压变换器电力供应的三级布局中，在总线电容器内部及外部是很难将升压电流和降压电流分开的。但是，在将降压和升压功能相结合时，在工作开关(在正半线路循环过程中的第二高频开关及在负半线路循环过程中的第一高频开关)断开过程中，升压电流只流入电容器，而在工作开关闭合的过程中，降压电流只流出电容器。因此，进入降压变换器的输入电流可通过简单的电路而被较容易地过滤掉。利用该控制方法，本发明的电子镇流器不仅减少了部件的数目及提高了其动力阶段的效率，且与三级布局的方式相比，该电子镇流器还具有简单的电阻电流检测方法且减少了一个控制器。
参考附图，下面通过对本发明的描述将会明确上述及另外的目的和优点，其中：
图1所示为一种已知的三级变换电子镇流器的示意性框图；
图2所示为连接有示例性控制器的本发明降-升压功能型电子镇流器的示意性框图；
图3A和3B显示了总线电容器电流的波形图；
图4为一个时序图，图中显示了低频和高频开关的转换与交流(AC)输入电压的关系。
图1所示为一种已知的三级变换电子镇流器的示意性框图。交流(AC)电压10被供应至电磁干扰(EMI)滤波器12，然后加在二极管整流桥D1-D4上。从二极管整流桥的输出被施加到升压变换器14上，所述升压变换器14包括由电感L1和第一控制开关S1组成的串行布置。升压变换器14的输出经过第一控制开关S1且由与地线相连的电容器C1形成分路。电压经电容器C1而施加到降压变换器16上，该降压变换器16包括由第二控制开关S2和二极管D5组成一组结构，一个电感L2与第二控制开关S2和二极管D5之间的结合点相连。电感L2和二极管D5的接地端形成降压变换器16的输出端且由电容器C2旁路。从降压变换器16的电感L2的输出被直接施加到转换器18的第一终端上，而自补偿转换器16的接地输出通过电阻R1而施加到转换器18的第二终端上。
转换器18包括：与第一和第二终端相连且平行布置的两组串行布置的转换器开关Q1/Q2和Q3/Q4，其中，一高亮度放电灯20被结合在串行布置的转换器开关的结合点之间。
在该三级变换电子镇流器中，变换器的输出电流由电阻R1检测而变换器的输出电压由电容器C2检测。检测到的这些输出电流和输出电压被用于控制第一和第二可控开关S1和S2。
图2中示意性地显示了本发明的降-升压型电子镇流器。特别地，就如在现有技术中的三级变换电子镇流器那样，输入交流(AC)(线路)电压源10将其输出通过第一终端1和第二终端2施加到电磁干扰(EMI)滤波器12上。EMI滤波器12的一个终端(a)被应用于由第一电感L3、第二电感L4和HID灯20组成的串行布置。灯20连在接点3、4之间。该HID灯20由电容器C3旁路。由沿着其主体二极管BD1的第一高频开关HF1和第一低频开关LF1形成的第一组结构与第二电感L4和HID灯20并行布置。由沿着其主体二极管BD2的第二高频开关HF2和第二低频开关LF2形成的第二组结构也与第二电感L4和HID灯20并行布置，其中，第二高频开关HF2和第二低频开关LF2之间的结合点与地线相连。由两个二极管D6和D7组成的串行结构将第一高频开关HF1和第一低频开关LF1的结合点与第二高频开关HF2和第二低频开关LF2的结合点相连。最后，由电容器C4和电流检测电阻Rs组成的串行结构与由两个二极管D6和D7组成的串行结构并行布置。
第一和第二低频开关LF1和LF2是与输入交流(AC)电压源10同步的。当交流(AC)电压为正时，第一低频开关LF1闭合，而第二低频开关LF2断开。第二高频开关HF2在升压和降压功能中就作为一个有效晶体管而运行。第一高频开关HF1的主体二极管BD1用作为升压二极管和降压二极管。当第二高频开关HF2闭合时，变换器的升压功能能量从线性电压源输送至升压电感L3。升压电感L3的电流路径被限制在线性电压源10、L3、第二高频开关HF2和二极管D7之间。变换器的降压功能将能量从总线电容器C4经第二高频开关HF2和第一低频开关LF1而输送至HID灯20及降压电感L4。当第二高频开关断开时，升压功能将储存在电感L3中的能量经第一高频开关HF1的主体二极管BD1而输送至总线电容器C4。在第二高频开关HF2停止运行过程中，降压功能将储存在电感L4中的能量经第一低频开关LF1和第一高频开关HF1的主体二极管BD1而输送至HID灯20。
当输入电压为负时，第一和第二高频开关HF1和HF2的作用颠倒过来。第二低频开关LF2闭合而第一低频开关LF1断开。与输入正电压时的情况相似，当第一高频开关HF1闭合时，总线电容器C4通过变换器的降压功能而将能量输送至负载及降压电感L4。当第二高频开关HF2断开时，升压电感L3通过变换器的升压功能而将能量输送至总线电容器C4。
因此，在输入电压为正和输入电压为负的情况下，如图2所示，总线电容器C4的正电流总是由升压功能提供的，而总线电容器C4负电流总是由降压功能提供的。
总线电容器C4的电流波形如图3A和3B所示。具体地说，图3A显示了全部时间内的总体电流波形，而图3B详细地显示了图3A中的BBC部分。该图中显示了降压电流和升压电流相分离的情况。由于通过总线电容器C4的降压和升压电流的清晰分离而可利用简单的电阻电流检测技术来提取输入降压电流信息以控制灯的功率。
图2也显示了用于控制本发明的降-升压功能型电子镇流器的电路的一个例子。具体地说，电压经电阻Rs施加到具有极性反转的差动放大器22上，差动放大器22与半波整流器24相连。从半波整流器24的输出即由图3B所示的降压电流所代表的输出施加到倍增器26的一个输入端上。倍增器26的其他输入端接收来自增益放大器29的输出信号，该增益放大器29的输入端与第一高频开关HF1和第一低频开关LF1之间的结合点相连。倍增器26的输出即降压变换器的输入功率被施加到误差放大器30的一个输入端上，该误差放大器30将该输出信号与一参考电压相比较。误差放大器30的输出施加到一脉宽调制器32上，调节后的信号被施加到HF1/HF2选择逻辑电路34的控制输入端上。来自交流(AC)电压源10的输入线电压施加到极性检测器36上，这样，来自该极性检测器36的输出就形成用于驱动第一和第二低频开关LF1和LF2的驱动信号。这些输出也施加到HF1/HF2选择逻辑电路34上。逻辑电路34的输出也作为第一和第二高频开关HF1和HF2的驱动信号。
图4所示为一个时序图，图中显示了第一和第二低频开关LF1和LF2及第一和第二高频开关HF1和HF2的转换与交流(AC)输入电压的关系。
本领域的技术人员可对该申请披露的结构进行多种变化和变更。但是，应认识到：上述实施例只为达到说明的目的而不是作为对本发明的限制。不脱离本发明的精神实质的所有变更均包含在附加的权利要求的范围之内。

Claims (5)

1.一种用于驱动高亮度放电灯的电子镇流器，该电子镇流器具有组合的升压和降压变换器及简单的电流检测技术，其特征在于，所述电子镇流器包括：
用于连接一交流(AC)电压源的第一终端和第二终端；
由第一电感、第二电感及结合点组成的一组结构，该结构将一高亮度放电灯与所述第一终端相连以与所述交流(AC)电压源相连；
一个第一电容器，与所述用于连接高亮度放电灯的结合点并行布置；
由沿着主体二极管的第一高频开关和与所述第二电感及用于连接高亮度放电灯的所述结合点并行布置的第一低频开关组成的第一组结构；
由沿着主体二极管的第二高频开关和与所述第二电感及用于连接高亮度放电灯的所述结合点并行布置的第二低频开关组成的第二组结构，在所述第二高频开关和与地线相连的所述第二低频开关之间具有结合点；
由两个二极管布置成的一组结构，所述两个二极管之一的阴极与所述第一高频开关(HF1)和所述第一低频开关的结合点相连，所述两个二极管中的另一个的阳极与所述第二高频开关和所述第二低频开关的结合点相连，所述两个二极管之间的结合点与所述交流(AC)电压源的第二终端相连；
由电容器和电流检测电阻组成的一组结构，所述电流检测电阻与由两个二极管组成的一组结构并行布置，其中，穿过所述检测电阻的电流被用于检测所述电子镇流器的输入降压电流以间接控制由所述电子镇流器产生的输出功率。
2.根据权利要求1所述的电子镇流器，其中，所述电子镇流器的输出功率是通过改变第一和第二高频开关的占空周期来控制的。
3.根据权利要求1所述的电子镇流器，其中，所述电子镇流器包括一个用于控制所述第一和第二高频开关及所述第一和第二低频开关的控制器。
4.根据权利要求3所述的电子镇流器，其中，所述控制器包括：
与和所述交流(AC)电压源相连的终端相耦合的一个极性检测器，所述极性检测器的第一和第二输出分别形成用于控制所述第一和第二低频开关的控制信号。
5.根据权利要求4所述的电子镇流器，其中，所述控制器还包括：
耦合来用于反向测量所述检测电阻电压的差动放大器；
与所述差动放大器的输出端相耦合的一个半波整流器；
一个倍增器，该倍增器具有与所述半波整流器(24)的输出端相耦合的第一输入端；
与所述第一高频开关和第一低频开关之间的结合点相耦合的一个增益放大器，所述增益放大器的输出端与所述倍增器的第二个输入端相耦合；
一个误差放大器，该误差放大器具有与所述倍增器的输出端相耦合的一个输入端，所述误差放大器将来自倍增放大器的输出信号与一个参考信号相比较；
一个脉宽调制电路，该电路具有与所述误差放大器的输出端相耦合的一个输入端；
一个选择逻辑电路，该选择逻辑电路产生用于所述第一和第二高频开关的高频开关信号，所述选择逻辑电路具有与所述极性检测器的第一和第二输出端相连的输入端及与所述脉宽调制电路的输出端相耦合的一个控制输入端，其中，高频开关信号分别与所述极性检测器的第一和第二输出端上的信号同步，所述开关信号的占空周期是由所述脉宽调制电路的输出来调整的。
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