CN1440229A - 具有可调sepic变换器的灯的驱动设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及灯的、尤其是低压气体放电灯的新型驱动设备，其中采用SEPIC变换器从交流供电电压把存储晶体管充电。在此，以调节量的形式把所述的SEPIC变换器调节到一个输出量，其中改变其工作频率。优选地，在此只改变所述SEPIC变换器的开关晶体管的导通时间而不改变关断时间。

Description

具有可调SEPIC变换器的灯的驱动设备
技术领域
本发明涉及一种用于给灯供电的电子驱动设备，且所述的灯被供给交流电压。
背景技术
这一方面包括用于单个灯的驱动设备，而另一方面还包括可能给多个灯供电的驱动设备。
在许多这种驱动设备中，必须由交流电压给一个存储电容充电，并由该电容给随后的电路部件供给直流电压。为此对所述的通常在两个极性之间振荡的交流电压进行整流，并将其作为单极性交流电压施加给所述的电容。但这有一个重大的缺点，即只有当所述交流电压的瞬时电压值大于电容上的电压时才由该交流电压给电容充电。于是会在供电交流电压的电压最大值附近导致短时间的脉冲充电冲击。该冲击充电电流包含有一种规则的且不允许的强烈谐波谱。为了进行校正(所谓的功率因数校正(PFC))而采用了特殊的变换电路。
这种变换电路的已知结构形式被称为升压器或升压调节器。这种例子可以参见WO 96/03017。该解决方案具有的优点是效率较好，并且能较便宜和简单地实现。但它一方面具有以下缺点，即根据原理它只能产生大于供电交流电压幅值的直流电压。另一方面，该变换器会产生较强的无线电干扰。但起决定性作用的是由原理所决定的存储电容直流电压的下限值，在该电容及由其供电的后随电路部件所需的耐压性方面，该下限值是一种非常大的干扰，由此在电路费用方面也是非常大的干扰。
相反，在所谓的SEPIC变换器的情况下，给所述存储电容充电的直流电压可以在较宽的界限内任意调节，尤其还可以小于供电交流电压的电压幅值。另一方面该变换原理需要更多的器件。在SEPIC变换器情况下，所谓的间歇运行是非常重要的，其中设于该变换器中的两个电感的单个充电和放电阶段是通过无电流的时间分隔开的。所述的SEPIC变换器通常由一个频率固定的调节电路来控制。没有必要通过占空比来跟踪所需的耗电形式。因此，SEPIC变换器的控制电路原则上要比上述升压调节器简单。
所述的两种电路方案对本领域技术人员来说是惯用的，因此在此不再详述。但对于SEPIC变换器的作用方式，可以补充地参考本发明的以下说明。
发明内容
本发明基于的技术问题在于，为具有SEPIC变换器的灯提供一种改善的电子驱动设备。为此，根据本发明规定，所述的电子驱动设备具有：一个存储电容；一个SEPIC变换器，用于在以基本为交流电压形状的工作频率跟踪所述驱动设备的电流消耗的过程中从交流电压把所述的存储电容充电到一个直流电压；一个用于把所述SEPIC变换器调节到一个输出量的调节电路，其特征在于，所述的调节电路在调节时改变所述SEPIC变换器的工作频率。
本发明的改进方案由从属权利要求给出。
本发明的主要方面在于，不是频率固定地控制所述驱动设备的SEPIC变换器，而是以调节量的形式改变其工作频率以调节到所述SEPIC变换器的一个输出量。该输出量譬如可以是所述SEPIC变换器的被用来给存储电容进行充电的输出电压。但原则上也可以考虑所述变换器或其后随电路部件的其它输出量。
通常，在调节时改变占空比，但频率保持不变。例如，在供电电压幅值下降(电网电压波动)时加大所述SEPIC变换器的开关晶体管的导通时间和缩小关断时间，其中总周期保持不变。由此，尽管电网电压波动也可以实现恒定的输出电压。
但本发明人的出发点还在于：频率固定地控制开关晶体管，在驱动设备的与线路有关的干扰方面是非常不利的。因此根据本发明，所述开关晶体管的工作频率在调节输出量时被改变，使得与线路有关的干扰在时间过程中被分布到某个频率范围。
在此有利的是，改变所述SEPIC变换器的开关晶体管的导通时间。也即由此可以通过改变开关晶体管的导通时间和由此改变工作频率来是实现所述的调节。另外还优选地使所述开关晶体管的关断时间保持恒定。这另外还有个优点，即所述的关断时间可以如此地优化，使得能确保本发明的有利的间歇运行。于是，导通时间优选地为(单个的)调节量。
间歇运行的前提条件是，在SEPIC变换器的电感的充放电脉冲之间有一个无电流的、哪怕是短的阶段(在与存储电容相串联的二极管中)。放电脉冲属于开关晶体管的关断时间。由于在正常情况下被调节到一个恒定的输出电压，所以放电特性没有较大的波动，以至于用于确保间歇运行的关断时间可以被调节到一个随时间不变的最佳值。
于是应该如此地选择该最佳值，使得关断时间尽可能地小，但还能确保间歇运行。在最有利的情况下，人们称之为准瞬态运行，本发明优选地如此地选择该运行，使得在开关晶体管的新导通阶段之前，所述关断时间结束处的无电流时间最高达周期时延-也即SEPIC变换器的工作频率的倒数-的10％。
另一方面，利用开关晶体管的导通时间可以如此地匹配电感的充电过程，使得因电网电压或类似的干扰而使充电条件发生变化时，仍然还可以提供一个基本恒定的输出量，尤其是输出电压。
由此，除了在频率固定的控制电路中避免与线路有关的干扰之外，通过最优化关断时间能最佳地“利用”电感。对于导通时间，可以选择一个依赖于最低允许的供电电压和灯的最大值。
所采用的调节电路优选地是数字式的，并且时间离散地调节SEPIC变换器。在该情形下，调节过程之间的间隔优选地为至少供电交流电压的半个周期，在此可以参见本发明人于2001.1.24的在先申请“具有SEPIC变换器的灯的驱动设备”。该申请的申请号是10110239.9。
简言之，此处利用了SEPIC变换器的如下性能，即在间歇运行中，在导通时间和关断时间之间的、不考虑调节到输出量的恒定占空比的情况下可以实现足够好的功率因数。也就是说在该情形下占空比不是跟踪瞬时的电网电压，而只是以调节量的形式根据所述的输出量进行调节。因此，至少一半电网周期的时间离散调节的调节间歇是足够的。利用这种调节间歇不能跟踪所述的供电交流电压。优点在于对调节电路的要求较低，由此可能实现节省。
本发明的一种有利的应用情况在于，为多种灯类型提供一个电子驱动设备。这种驱动设备具有可编程的控制电路，该控制电路具有存储这些灯类型的工作参数的存储器。该可编程的控制电路尤其还包含有所述SEPIC变换器的控制电路用的调节电路，并使该变换器与灯的相应参数相匹配，也即通过考虑灯阻抗而譬如调节到所需的输出电压。于是，譬如可以针对关断时间、可选导通时间的范围、以及频率，并根据与所述驱动设备所检测的或在开始工作时通知该驱动设备的特定灯类型相匹配的参数来实现所述SEPIC变换器的控制电路。此时尤其有利的是，在利用新接入的灯开始工作时，由驱动设备自动地识别该灯。
另外优选的是，所述的驱动设备在工作开始时自动地在通常的器件波动范围内判断特定的参数，其中所述的参数是由所装配的器件预给定的。由此，可以便宜地满足器件选择的要求，同时确保精确的最佳运行。这一点还适用于多类型驱动设备和只设计用于某个灯类型的驱动设备。
最后，所述的驱动设备在许多情况下还具有一个振荡器，该振荡器优选地由同一个调节电路进行控制，该调节电路还控制所述的SEPIC变换器。尤其是，整个驱动设备可以由单个的数字IC进行控制。
优选的应用范围在于低压气体放电灯的驱动设备。此时采用的振荡器优选地是由上述IC进行外部控制的半桥振荡器。
附图说明
下面借助实施例来详细讲述本发明的各个方面。在此公开的单个特征也可以按本发明思想进行其他组合。为慎重起见，在工作方法上以同样的方式来理解上述和下面的说明。
图1示出了本发明驱动设备的简要框图，以及
图2以时间图的形式示出了图1的开关晶体管的导通时间和关断时间。
具体实施方式
在图1中以实施例的形式给出了本发明的驱动设备。从左边可以看到，供电交流电压、例如通常的家用电网电压经二极管整流桥进行整流。由此，在附图中位于上面的导线分支表示整流后的正电位，而下面的则表示整流后的负电位-通常接地。被整流后的交流电压形成了SEPIC变换器的输入，该SEPIC变换器具有线圈(电感)L1和L2、电容C1、整流二极管D1和开关晶体管T1，并由调节电路RS进行调节。在右边示出的SEPIC变换器的输出端上，也即并联于存储电容C2连接了负载RI，该负载被供给了由电容C2所提供的直流电压。负载RI涉及通常的半桥振荡器，它具有两个用于产生高频交流电压的开关晶体管，利用该高频交流电压可以运行低压气体放电灯。由于这种电路是现有技术并且通常是已知的，所以在此仅仅用电阻示出了该负载。
电容C2被用作存储电容，且必须由SEPIC变换器从被整流的交流电压充电到尽可能恒定的直流电压。在此，来自电网的电流消耗尽可能无干扰地跟踪电网电压的正弦曲线。
通过所述开关晶体管T1的交变的开关工作，线圈L1在导通状态从被整流的电网电压被充电到某个电流，并且在开关晶体管T1的关断状态被放电到电容C1。同样，线圈L2在开关晶体管T1的导通状态被充电，并且在关断状态被放电到存储电容C2。(需要注意二极管D1的极性。)在该情形下，如果开关晶体管T1的关断时间足够地长，则产生一种所谓的间歇运行，由此使整流二极管D1中的电流降到0。此时，电容C1基本平均地被充电到瞬时整流供电电压的值。由此再次得出，存储电容C2在关断时间内只利用由线圈L2产生的感应电压被充电。因此，通过相应的占空比-也即导通时间和关断时间之间的比值-，并通过考虑负载RI，基本上可在电容C2上调节出任意的直流电压，该电压可以小于电网电压的幅值。于是，存储电容C2不必是耐压非常高的电容。电容C1在某种程度上负责两个线圈L1和L2之间的去耦合，使得通过线圈L1产生的电压不会加到瞬时的电网电压上-与升压调节器相反。
所述的导通时间和关断时间共同给出了周期时延，并由此给出了工作频率，该工作频率通过开关晶体管T1的开关运行并由此通过调节电路RS给定。典型的工作频率位于几十kHz~约200kHz。
在图2中给出了开关状态。在此，dTs表示导通时间，d’Ts表示关断时间。两者相加成周期时延Ts，该周期时延从时间点T0延伸到时间点T2。在时间点Tt开关晶体管T1断开，并由此终止导通时间并开始关断时间。上面多次提到的间歇运行的特征在于，至少在关断时间d’Ts结束处，也即在图2所示的时间点T2前的不远处，整流二极管D1将产生无电流的状态。优选地，该无电流状态尽可能地短，在该情形下位于周期长度Ts的5-10％的范围。
从图1可以看出，调节电路RS具有四个接线端，其中两个从整流桥的输出端抽取被整流过的电网电压。另一个接线端测量输出电压，也即给半桥振荡器供电的存储电容C2上的电压。第四个接线端控制开关晶体管T1的控制电极，该开关晶体管涉及MOSFET或IGBT。在该情形下，调节电路RS以调节量的形式调节所述开关晶体管T1的开关运行，使得存储电容C2上的输出电压为恒量。根据本发明，所述的调节量为所述的导通时间dTs，换句话说是关断时间d’Ts为恒定时的周期时延Ts。
在此，所需的输出电压作为调节量是通过整个驱动设备的控制电路来预给定的，所述的控制电路还负责所述半桥振荡器的运行。该控制电路具有用于不同灯类型的参数组，在接通灯时通过识别灯类型和读出相应的参数来设置所述的参数组。相应地，由所述的调节电路选择一个适合于该灯类型的输出电压。另外，在此可以考虑不同的电网输入电压，以便总共涉及一个宽范围输入的驱动设备。
通过所示的抽取整流电网电压，调节电路RS可以限制最大输出的功率。另外，为所述具有调节电路RS的控制电路使用一种所谓的微控制器(可编程的控制电路)，其中，可以较简单地实现以调节量的形式利用周期时延Ts或导通时间dTs进行调节。
由于SEPIC变换器运行具有很大程度的频率恒定性，所以产生较大的调节间歇(与升压调节器中的频率跟踪相反)，从而由微控制器承担的计算费用相当地小。
本发明的优点一方面在于，在电网供电时规则地出现的电网电压波动会产生工作频率或工作周期时延Ts的相应匹配，由此在频率中调制所述驱动设备的与线路有关的干扰。
如果瞬时电网电压幅值下降，导通时间dTs便相应地延长，以便在线圈L1和L2中实现同样的电流。相反，在电网电压幅值上升的情况下增大导通时间dTs。此时，位于关断时间d’Ts内的放电时间基本保持恒定。
由于与线路有关的干扰或其频移被减小，所以用于去干扰的总费用被降低。由此可以满足有关的标准并同时实现节省。
另外，关断时间d’Ts被最优化为固定量，其中显然可以考虑灯类型的相应的参数组，尤其是考虑所需的输出电压和负载RI的阻抗。也即，通过以调节量的形式调节到输出电压，两个线圈L1和L2的放电过程在关断时间d’Ts期间将经历恒定的条件。由此可以“很紧俏地”、也即以准瞬态的工作方式来设置所述的间歇运行。在这方面，线圈L1和L2不必把规格设计得过大。
在图1所示的两个线圈的耦合对于本发明是没有多大意义的，它属于在优化SEPIC变换器时的普通措施。这种耦合尤其被用于无线电去干扰，在此不再讲述其细节。

Claims (10)

1、用于灯的电子驱动设备，该驱动设备被设计用来提供交流电压，并具有：
-一个存储电容(C2)；
-一个SEPIC变换器(L1，L2，C1，T1，D1)，用于在以基本为交流电压形状的工作频率跟踪所述驱动设备的电流消耗的过程中从交流电压把所述的存储电容(C2)充电到一个直流电压；以及
-一个用于把所述SEPIC变换器调节到一个输出量的调节电路(RS)，
其特征在于，所述的调节电路(RS)在调节时改变所述SEPIC变换器(L1，L2，C1，T1，D1)的工作频率。
2、按权利要求1的驱动设备，其中，在调节SEPIC变换器(L1，L2，C1，T1，D1)时，改变所述SEPIC变换器(L1，L2，C1，T1，D1)的开关晶体管(T1)在所述工作频率周期内所出现的导通时间(dTs)。
3、按权利要求2的驱动设备，其中，在调节SEPIC变换器(L1，L2，C1，T1，D1)时，所述SEPIC变换器(L1，L2，C1，T1，D1)的开关晶体管(T1)在所述工作频率周期(Ts)内所出现的关断时间(d’Ts)保持不变。
4、按上述权利要求之一的驱动设备，其中，为准瞬态地运行所述的SEPIC变换器(L1，L2，C1，T1，D1)，利用在所述工作频率的周期(Ts)内所出现的最大分别为周期时延(Ts)的10％的无电流时间来设计所述的驱动设备。
5、按上述权利要求之一的驱动设备，其中，所述的调节电路(RS)是一种数字电路，且所述SEPIC变换器(L1，L2，C1，T1，D1)的工作频率的调节是时间离散地进行的。
6、按权利要求5的驱动设备，其中，所述时间离散的调节的调节间歇至少与所述交流电压的半周期一样大。
7、按上述权利要求之一的驱动设备，该驱动设备适合于多种灯类型，并且具有一个可编程的控制电路，所述控制电路具有含所述灯类型的工作参数的存储器，其中所述可编程的控制电路还一同包括所述用于调节所述SEPIC变换器的调节电路。
8、按权利要求7的驱动设备，该驱动设备被如此地设计，使得在开始工作时根据所装器件(L1，L2，C1，C2，T1，D1)的各个参数来进行自动的初始设置。
9、按权利要求7或8的驱动设备，具有一个振荡器，该振荡器由所述可编程的控制电路控制，并由所述的存储电容(C2)供给直流功率。
10、按上述权利要求之一的驱动设备，被设计用于给低压气体放电灯供电。
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