CN1489290A - 带有改进的驱动电路的电源的运行电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运行电路中开关晶体管(T)的驱动电路的电源，尤其用于灯。电源通过具有电位隔离电容器(C2)、两个整流二极管(D1、D2)和储能电容器(C1)的激励电路提供，并且与开关晶体管(T)的基准电位无关。

Description

带有改进的驱动电路的电源的运行电路

技术领域

本发明涉及含有由驱动器电路驱动的开关晶体管的负载的运行电路。

本发明从而尤其涉及，但是不是唯一地涉及灯的运行电路。

背景技术

运行电路一般地含有至少一个开关晶体管，所述的晶体管在逆变器的情况下连接负载方的连接线以周期方式上提供电压。因此必须驱动开关晶体管，就是说考虑其功能在其控制连接线上提供适当的电压。这以一般也适用于所谓的电流控制的开关晶体管，譬如双极晶体管。

开关晶体管由一般地称为驱动电路的开关电路部分驱动。这种表达不加限制地在下文中用于任何类型的开关晶体管的驱动器。

驱动器电路本身相应地需要适当的供电电位。在此常常地使用储能电容器，用于储存运转驱动电路的电能。因此，该储能电容器必须用适当的电位供电。

取决于开关晶体管的电路状况，在提供驱动电路或其储能电容器的供电电位的这种情况下会发生问题。这在其一个连接端连接到运行电路的供电电位，而其另一个连接端连接到负载方(这就是所谓的侧高驱动电路)的称为高开关晶体管的情况下尤其是这样。在此情况下表达句“负载方”还意味着间接地连接负载，例如经过中间接入的电感器、二极管及诸如此类。

发明内容

本发明基于说明用于运转具有高开关晶体管的运行电路的技术问题，其中使用带有改进了电源的驱动电路。

为此目的，本发明针对用于运转具有开关晶体管用的电路，所述开关晶体管在一方连接到供电电位，而其另一方(在上述的意义上)连接到负载方，并且其驱动连接端可以至少暂时地在供电电位与开关晶体管的负载方连接端上的电位之间的电位范围之外被驱动，所述电路还具有驱动电路用于驱动控制连接端和储能电容器用于以供电电源向驱动器电路供电；其特征在于，激励电路用于从负载方连接端处电位无关的交流电源电位对储能电容器充电，带有连接到储能电容器的连接端的同方向连接的两个整流二极管的串联电路，还带有连接到整流二极管为一方和交流电源电位为一方的之间的抽头上的电位隔离电容器。

从而本发明的基本思想是用其电位可以保持完全与开关晶体管的负载方连接端无关的交流电源电位为储能电容器供电。为此在激励电路中使用电位隔离电容器。经过此电位隔离电容器，把交流电源电位右边到同方向连接的两个串联的整流二极管之间的中间抽头上，从而所述电位使连接在整流二极管的相对地布置到中间抽头的连接端之间的储能电容器同方向地充电。在这种情况下，储能电容器在电位方面与驱动电路有利的参考电位相关。这就是说尤其是还与在运行电路的工作过程中波动的电位相关。从而，例如，如果用FET(埸效应晶体管)作高开关晶体管，并且其源极连接端连接在负载方，那么该驱动器电路就由激励电路用其电位与开关晶体管的源极电位无关的交流电源电位运转。

由于，例如在逆变器的情况下，开关晶体管的负载侧连接端在(内部的)地电位与逆变器的电源电位之间波动，所以可能经激励电路用额定电源电位对驱动电路供电，即使在负载方连接端基本上处在电源电位的开关状态下。这种驱动电路的电源电位可以例如是用于其它驱动电路，或者运行电路中和在其电路附近的逻辑电路的电位，尤其是其量值显著小于(就是说接近于地)逆变器的电源电位的电位。从而激励电路提供一种就电位而言特别地简单，并且就时间而言可以独立于运行电路的相应工作相位的，为储能电容器供电的能力。

这就避免了，尤其是由现有技术公知的使用相当特殊的对储能电容器充电有利的电位关系的工作相位的必要性。下面参阅示例性实施形式，以进行更加详细的说明。然而当然本发明可以，可能出于其它原因，用特定方式时间协调地使运行电路工作。

本发明的一个优选的应用是用于切换带有FET输入的开关晶体管，就是说，是实际的FET，尤其是MOSFET，或者说是所谓的IGBT(绝缘栅双极晶体管)。与纯的双极晶体管相反这些晶体管要求相应高的相对该晶体管的基准地电位的导通电压。

在此称为第一电阻的保护电阻可以设在电位隔离电容器与其交流电源电压之间。这可以用于尤其是防止提供交流电源电压的输出，例如MOSFET的栅极，受到相对高的电流，相对高的电流可发生在开关晶体管的基准地电位，即尤其是在负载方连接端上，其电位快速改变的时候，并且，电位隔离电容器二端电位的突然改变使其输出端显现输出电流脉冲。保护电阻利用与电位隔离电容器共同形成的RC常数缓冲这种电流脉冲衰减。

而且优选地在所述的交流电源电压与电位隔离电容器之间设有电位箝位，以进行阻抗退耦。这可以通过一方面用两个同向串联的，并且其中间抽头位于交流电源电位与电位隔离电容器之间的整流二极管进行，同时把在此称为第二电阻的电阻设在该中间抽头与电位隔离电容器之间。此外，还可以在该中间抽头与电位隔离电容器之间设置另一个保护电阻。另一方面，可以使用带有齐纳二极管的电路，所述的齐纳二极管箝位在交流电源电位方的电阻(称为第二电阻)与电位隔离电容器之间的线路点。在此情况下也可以在箝位点与电位隔离电容器之间设其它的保护电阻。

可以用相当不同的方式得到交流电源电位。在许多情况下，这样的交流电源电位本来是现成的，或者可以借助于未使用的门不太复杂地产生。例如还可能使用其它开关晶体管的驱动电位，例如在升压变换器中。

如果激励电路的交流电源电位较高，可能值得借助于限压元件保护储能电容器。这尤其可以是与储能二极管并联，并且从而与整流二极管形成的串联电路并联的齐纳二极管。然而，该交流电源电位不应当高到在这种齐纳二极管中造成破坏性的高功耗。请参阅图示的示例性实施形式。

一般地，本发明还针对任何所希望的负载的运行电路，但是尤其针对灯运行电路，就是说灯的电子镇流器。不同的灯类型在此情况下是相关的。一方面，它们可以是例如卤素白炽灯的电子镇流器。但是尤其优选的是充气放电灯的镇流器。这在一方面称为低压充气放电灯的逆变器。

然而，在另一方面，本发明针对高压放电灯的镇流器。在这类镇流器中，使用例如在全桥电路中的所谓高开关晶体管，所述的全桥电路有高压放电灯并且以不同极性以脉冲方式提供给灯相当恒定的电源电位。应当避免因为单向运转出现的问题，例如色移、不均匀地电极损耗及类似等等。其次，在高压放电灯的镇流器的情况下，常常使用降压变换器或者其它的振荡器以产生灯电感器所需要的交流电压电源，并且它们同样地含有高晶体管。

这两种应用还可以相互结合地出现在高压放电灯的镇流器中。

下面使用一个现有技术的例子的特定图示和使用两个不同变形的示例性实施形式更加详细地说明本发明。在此过程中揭示的各个特征可以在其它的组合中对本发明有重要意义。

附图说明

图1是常规的带有半桥的逆变器电路示意图。

图2是常规的带有降压变换器和全桥的运行电路的示意图。

图3是图2所示的开关晶体管的常规驱动器电路示意图。

图4示出图2和图3所示的开关晶体管的根据本发明的驱动器电路。

图5示出图4所示电路的根据本发明的箝位变例。

图6示出图4所示电路的根据本发明的箝位第二变例。

具体实施方式

图1示出灯L的运行电路的第一个例子，准确地说是具有两个开关晶体管HS1和HS2的半桥电路。在图1中所示的电路但是结合开关晶体管HS1的驱动器电路(还要进一步说明)，形成了本发明的示例性实施形式。在此电路中，开关晶体管HS1对于本发明而言是“高”的，就是说它连接在例如400V的电源电位与半桥的中间抽头之间。该中间抽头经常规的灯电感器D连接到负载上，也就是连接到灯L上。所述负载再经电容器K连接到装置内的地电位上。放电灯L尤其可以是低压放电灯，其中一般地使用按此原理构成的电子镇流器。电容器K的灯电感器D的功能公知的，在本文不不需要详细说明。总体上该电路是高度持简化了的，并且只用于图示对于本发明有重要性的开关晶体管HS1的位置。这是因为，相反地，第二开关晶体管HS2对于本发明而言是“低”的，在此例中连接把装置内的接地点连接到负载方中间抽头上。

在运行过程中，通过开关晶体管HS1和HS2的交替开关工作，该中间抽头处的电位在，本例中的，400V的电源电位与地之间往复地切换，从而得到大约，典型地，25至50KHz工作频率的放电灯L的电源。

重要之处在于：开关晶体管HS1在其控制连接端，尤其是在本发明优选的MOSFET晶体管的栅极，需要相关于负载方源极量级大约为10V的电压以进行可靠接通。这就是驱动电路的任务，其常规的实施形式较详细地示于图3中。在运行电路中由适当的驱动电路驱动的开关晶体管称作外部控制的开关晶体管。这些装置因此称为外部控制的逆变器和振荡器。

首先，在图3中，右下方所示的二极管需要看作是被图1的下开关晶体管HS2取代了。所示的晶体管T就对应图1的晶体管HS1。必须在其栅极连接端与源极连接端之间产生前面提及的驱动电压。这是通过使用标示为V并且包含示于右方的方框V中的放大器的驱动电路进行的。对该放大器的供电涉及开关晶体管T的源极连接端处的电位，并且通过储能电容器KB提供。图3中所示的储能电容器KB有时称为自举电容器。该储能电容器必须充电至适当的电压。这是通过使用本来设在运行电路中为各种逻辑电路供电的约15V的直流电压Ue进行的。然而这是相对于装置的接地点的。从而只有在低开关晶体管HS2闭路，并且上开关晶体管HS1基本上在装置内的接地电位时才能得到适当的电压。此时，储能电容器KB经二极管D从直流电源电压Ue充电。当开关晶体管HS2开路并且上开关晶体管HS1或者T闭路以后，在开关晶体管HS1或者T的源极连接端的电位基本上升到400V的电源电位时，这时反向偏转的二极管D上的电位隔离使图3上部的储能电容器KB连接端上的电压移动，从而尽管在源极连接端上的电位移动了，驱动电路V所需要的供电电压还像以前那样可以得到。然而出于前面说明过的原因，充电阶段限制到在中间抽头有适当的低电压的时候。取决于开关晶体管的开关工作所要求的时钟脉冲频率，储能电容器必须能够储存在足够长的时间上驱动电路所需要的能量。

图2中示出另一个常规的开关电路图。这是关于高压放电灯L的示意性运行电路，所述的高压放电灯L连接在示于图2的右方并且由开关晶体管VS1至VS4构成全桥。在此例中，以开关晶体管VS1和VS4为一方而VS2和VS3为另一方连接在一起，从而在上方的线路上产生的约100V的电压可以用交替的极性施加在高压放电灯L上。出于前面说明了的原因，这对于高压灯是有意义的。以开关晶体管VS1和VS3为一方而VS2和VS4为另一方构成如图1中所示的半桥。

全桥用的约100V的电源电位由在图2中未标示的电容器提供。该电容器经同样没有标示但是进行与图2中所示的灯电感器相似的功能的灯电感器充电。该灯电感器通过上开关晶体管S和也示于图3中的下二极管连接到降压变换器的中间抽头上。该二极管用于取代图1中所示的开关晶体管HS2，并且当开关晶体管S开路时提供电流。降压变换器的切换原理是显而易见的，在此不需要详细说明。它使用约400V的电源电位，这与图1中的相应的电源对应，以与图1中所示的半桥的类似方式产生全桥和高压放电灯L用的交流电源电压。需要降压变换器频率的交流电源电压以运转灯电感器，所述的灯电感器在此例中还用于因放电灯造成的负性差分电阻的特征性稳定。然而由降压变换器提供的交流电压通过前述电容器再次平滑，从而施加到高压放电灯L的基本上是直流的电压。由于有内部共振的风险，由全桥发出的高压放电灯的供电的工作频率一般地都不显著地高于1kHz，就是说它远小于图1所示的半桥的额定工作频率。

图2中所示的带有开关晶体管S的降压变换器转而再从含有图2的开关晶体管S左边所示的部件，即电感器、二极管、另一个开关晶体管和电解电容器K2，的升压转换器提供的约400V的基本上恒定的直流电压供电。该升压变换器是一种功率因数校正电路，并且基本上用于从被整流的供电电源产生在很大程度上恒定的直流电压，而同时从供电系统吸取很大程度上是正弦波的电流。图中未详细示出的整流器和滤波器连接在此之前。该包括升压变换器的电路，在实际上也以与图1中所示的半桥中左方的形式相似的形式出现。但是，对本发明这没有其它的重要意义。

一方面，图2中的运转电路通过晶体管S在图1中的开关晶体管HS1的可比较位置上示出另一个高开关晶体管。然而，虽然全桥的开关晶体管VS1和VS2在本发明的意义上也是高的，但是却是相对于不同的电源电位。图3中所示的驱动器电路在每种情况中都可以使用这三个开关晶体管S、VS1、VS2产生。以上对于晶体管HS1所作的陈述也以相同的意义施用于这三个晶体管。

图4示出根据本发明的为驱动电路供电的方案。这是基于与图3所示相同的开关晶体管T、相同的实际驱动器电路V(没有电源)和相同电源电位Ue。但是，与储能电容KB对应的是储能电容C1，它是因为可以设计得比储能电容器KB小得多而不同地标示出。该电容器经连接其两个连接端上的由两个整流二极管D1和D2形成的串联电路充电，两个整流二极管D1和D2形成的串联电路的中间抽头连接到电位隔离电容器C2上。电位隔离电容器C2由两个整流二极管D1和D2箝位到相应的导通电压，例如0.7V，从而低于此正和负的导通电压总是都经二极管向储能电容器C1放电。其另一个连接端经保护电阻W连接到交流电源电位Up。该保护电阻W相应于称作第一欧姆性电阻。总体上这产生了与源极连接端电位无关地为储能电容器C1充电的激励电路，所述的源极连接端连接在储能电容器C1的下连接端上。激励电路经电位隔离电容器C2把交流电压耦合到储能电容器C1。两个二极管D1和D2在此例中保证总是单极地进行充电，不论注入的交流电压脉冲的相应数学符号如何。因为电位隔离电容器C2产生纯的交流电压耦合，而在同时提供直流的隔离，储能电容器C2没有对交流电压电位Up的导电连接。从而可以连续地并且与源极连接端电位状态完全无关地，从而以其自己的电位，对之充电。因此不再有需要对运行电路的有利的切换阶段的限制。然而，该储能电容器还可以设计得成小得多的充电和存储时间，并且从而可以设计得较小和较便宜。

可以设置例如击穿电压15V的限压齐纳二极管D6以保护驱动电路V。从而可以使用，例如，图2的升压晶体管的漏极电位或者其它不必特殊产生本身过大电位作为交流电源电位Vp。

而且这为以任何所希望的速度切换开关晶体管T而不危及驱动器电路V提供了自由度。

对于高压放电灯会出现特殊问题。在高压放电灯的情况下，图2所示的全桥也以相对低的频率工作在所述高压放电灯的特定工作状态。

在这样的工作状态下，图3的自举电容器KB必须在一个完整的时间长度上存储驱动电路V所需要的能量，例如在高压放电灯的起动过程的情况下和在高压放电灯的起动时所谓直流阶段过程中，这个时间长度可以相应于秒的数量级。因此自举电容器KB应当具有相当大的电容量，例如在数十个微法拉的量级。考虑到有关工作温度、寿命和耐压的其它要求，这可能会导致相当的的元件成本。而且，在此例中，二极管D必须具有适于约400V的电源电压的耐压。

相反地在图4所示的电路中可以用较小的储能电容器C1，因为基本上，它可以连续地充电。即使考虑以用于电位隔离电容器C2的附加成本，个方案也明显有利的多。

在图4中称为第一欧姆性电阻W的电阻保护一般地用于提供交流电源电位Up的MOSFET的栅极，或者保护其它的输出级不受到过大的电流浪涌，所述的过大的电流浪涌可能是由于开关晶体管T的源极连接端上突然的电位改变经电位隔离电容器C2注入。为了确保开关晶体管T的切换不以过“硬”的方式发生，可以在驱动电路W与晶体管T的棚极连接端之间连接一种图4中未示出的电阻中，并且，与相应的晶体管电容一起，这确保了稍微“软”一些的切换沿。而且，可以在开关晶体管T与驱动器电路V的电源连接(与所述晶体管相连接)连接保护电阻，以保护驱动电路V。

在图5和图6中示出了交流电源电位Up与电位隔离电容器C2之间的电路线路的二个变例。这也涉及箝位二极管进行箝位的电路部分。图5所示的变例中为此目的使用两个串联的整流二极管D3和D4，它们的中间抽头经相应的电阻R1或者R2连接到交流电压电位Up或者电位隔离电容器C2。考虑到二极管D3和D4的导通电压，从而中间抽头被箝位在例如-0.7V到+15.7伏之间的电位上。在此电阻器R1用于确保前面说明过的电流浪涌不经C2流向产生交流电源电位Up的输出级，而是经二极管D3和D4流走。电阻R2在其一侧形成两个箝位二极管D3和D4的限流器。因为电位箝位意味着电阻器R1的电阻值可显著地小于图4中所示的电阻W，不会过度地限制交流电源电位Up提供的电流。

该电路可以有利地固有地是前面已经说明了的MOSFET栅极的组成部分。

第二个变例示于图6中，用一个齐纳二极管D5代替两个整流二极管D2和D4作为电位箝位。

图5中用两个箝位二极管D3和D4的变例优于图6中所示的变例。因为这可以基本上将图5中的二极管D3的上连接端连接成，使得把能量回馈到直流电源电压Ve。与此相反，流过齐纳二极管D5的浪涌电流基本上被转换成为电能损失。

Claims (10)

1.用于运行负载(L)的电路，

具有开关晶体管(HS1、VS1、VS2、S、T)，所述的的开关晶体管在一侧连接到电源电位而其另一侧为负载侧，并且其控制连接端(G)可以至少有时在电源电位与开关晶体管(HS1、VS1、VS2、S、T)负载方连接端的电位之间的电位范围以外被驱动，

所述电路还具有驱动电路(V)用于驱动控制连接端(G)以及储能电容器(C1)用于通过电源向驱动器电路(V)供电；

其特征在于，

激励电路(W、C2、D1、D2)用于从与负载方连接端处电位无关的交流电源电位(Up)对储能电容器(C1)充电，具有连接到储能电容器(C)的连接端的同方向连接的两个整流二极管(D1、D2)的串联电路，还具有其一侧连接到整流二极管的中间抽头而其另一侧连接到交流电源电位(Up)的电位隔离电容器(C2)。

2.如权利要求1所述的电路，其中，开关晶体管(HS1、VS1、VS2、S、T)具有FET输入端(G)。

3.如权利要求1或2所述的电路，其中，在电位隔离电容器(C2)与交流电源电压(Up)之间设有欧姆性的电阻器(W)。

4.如权利要求1或2所述的电路，其中，为了进行阻抗退耦合，第二欧姆性的电阻器(R1)经过两个串联的整流二极管(D3、D4)之间的中间抽头把交流电源电压(Up)连接到电位隔离电容器(C2)。

5.如权利要求1或2所述的电路，其中，第二欧姆性的电阻器(R1)将交流电源电压(Up)与电位隔离电容(2)进行连接，其中将用于电位箝位的齐纳二极管(D5)连接于所述第二欧姆性电阻(R1)与电位隔离电容器(C2)之间的连线。

6.如以上权利要求之一所述的电路，其中，所述电路将灯作为负载(L)。

7.如以上权利要求6所述的电路，其中，所述电路将高压放电灯作为负载(L)。

8.如权利要求7所述的电路，其中，开关晶体管(VS1、VS2)是含有高压放电灯(L)的全桥电路(VS1-VS4)的部分。

9.以上如权利要求之一所述的电路，其中，开关晶体管(T、S)是降压变换器电路的一部分。

10.以上如权利要求之一所述的电路，其中，限压元件(D6)与整流二极管(D1、D2)的串联电路并联，并且限压元件(D6)还与储能电容(C1)的连接端并联。

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