CN1568124A - 具有波峰因素校正的电子式安定器 - Google Patents

具有波峰因素校正的电子式安定器 Download PDF

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Abstract

由于公知技术中，低成本的具有波峰因素电流修正的高功率因素的电子式安定器，不具有波峰因素电流修正的功能，导致产生高波峰因素而影响灯管的使用寿命。本发明提供一低成本的具有波峰因素校正的电子式安定器，根据电压回馈讯号，通过由变化操作频率即可简单地控制灯管电流以达到波峰因素电流修正的功能。

Description

具有波峰因素校正的电子式安定器
技术领域
本发明是有关于电子安定器，特别是有关于具有波峰因素校正的电子式安定器。
背景技术
日光灯(Fluorescent Lamp)的灯管电流波峰因素(Crest Factor，C.F.)的定义是指使用电子安定器对日光灯管点灯时，灯管电流包封所产生的峰值电流除以电流有效值(电流的root means quare值-RMS值)而求得的比值。但一般的交流电流的波形内隐藏了许多的高频振动，造成实际状况的波峰因素会高于1.414的理想值。而此波峰因素的数值大小对灯管的寿命有直接并且攸关的冲击，绝大多数的灯管厂商建议此一数值最好小于1.7，过高的数值容易造成灯管黑化，降低灯管的使用寿命。
世界各国普遍性地要求电子式安定器有较高的功率因素(Power FactorCorrection，PFC)，以提高电子式安定器的功率产生的效率。但额外增加的功率设备会增加电子式安定器的制造困难度及提高电子式安定器的成本，而这些成本上的负担大部分都会转嫁到使用者身上。
因此对许多电子式安定器的工程师而言，主要的任务就是开发出具有成本效益的功率因素校正的方法。
功率因素校正电路有两种基本的类型：一种是主动式功率因素校正电路；另一种是被动式功率因素校正电路。
图1显示了一种传统的主动式功率因素校正电路，其中10代表桥式整流器(Bridge Rectifier)。此电路使用了升压型拓朴电路(Boost Topology)与高频切换场效电晶体，可以操作于连续电感电流或临界传导模式(CricalConduction Mode)的变频模式，其中在开始一新的充电周期之前，电感L1允许释放能量至零。此电路可以完全满足谐波的要求，因此可达到高的功率因素。此类型的功率因素校正电路能达到高达99％的功率因素。然而，由于需要控制器PFC、电感L1、高速功率场致电晶体Q1以及快速恢复二极管D1，导致其材料成本(Material Cost)相当高。
被动式功率因素校正电路仅使用被动零组件，因此其成本低于主动式功率因素校正电路。图2显示了简单的LC被动式功率因素校正电路。此类型电路操作在低频率(50赫兹或60赫兹)，并使用了并使用了硅钢片叠制电感(PFC Choke)L1以及电容C1作为低频率操作的低通或带通滤波器架构(Low Pass or Band Pass Filter Configuration)。不幸的，由于电路操作于低频率，其LC电路需要大的电感值及电容值，尤其是电感L1的物理性尺寸及重量都相当的大，并且在使用时会产生扰人的蜂鸣声。因此，虽然被动式功率因素校正电路可达到不错的性能表现，但目前此类型电路较少被采用。
目前有需多低成本的功率因素校正电路，例如：具平坦电路的功率因素校正电路(Valley Fill PFC Circuit)。图3(A)显示了可达到高功率因素(93％-95％)的具平坦电路的功率因素校正电路。在此电路中，经整流的交流输入的每半周期，滤波电容C1、C2以串连形式通过二极管D2进行充电，而充电至一半的交流尖峰电压(假设二极管是理想二极管，二极管上无跨压)。当电容C1、C2均已经充电至一半的交流尖峰电压后，仅有在直流线路的电压随着正弦波形下降到一半的交流尖峰电压以下才会由电容C1、C2提供输出电流。在输出电流的过程，电容C1和C2以并联的状态来提供负载电流，一直到整流的交流电压值于下一个周期时再度高于电容的电压，理想下(假设电容的电容量很大，电容放电后电压无下降)，此值为一半的交流尖峰电压值，而直流输出的电压波形为如图3(B)所示。经由简单的计算可得知，在随着时间轴变化的正弦波形的数值低于最大值的一半的时间为全部时间的37％左右，此值也就是电容的工作周率(Duty Cycle)值。在剩下的63％的电容闲置(Idle)时间，则由经整流的交流输入来直接提供。这样的架构可以大幅增加功率品质及功率因素。但，具平坦电路的功率因素校正电路最大的缺点即是有很大的涟波电压(Ripple Voltage)，约为交流输入电压的一半。任何使用这样的电子式安定器，若不修正灯管电流将导致相当大的波峰因素值。大部分使用于日光灯的电子式安定器的半桥式场效电晶体(MOSFET)驱动器或控制器虽然成本低，但不具有调整灯管电流的功能。在大部分的情况下，决定了时序电容(timing capacitor)和电阻后，驱动器的操作频率就被定下来了。场效电晶体驱动或使用低成本的控制器的电子式安定器，其灯管的电流都未经调整。因此当直流链(DC bus)电压有变化时，灯管电流也会随着直流电压涟波(DC ripple)变化。这有可能使灯管电流的波峰因素值超过1.7而造成减少灯管的使用寿命。因此，对不具电流调整能力的低成本安定控制器而言，并不适合使用具平坦电路的功率因素校正电路。图4(A)显示了一个使用具平坦电路的功率因素校正电路的典型电子式安定器，其中20代表半桥式场效电晶体驱动器(Half-BridgeMOSFET Driver)，30代表灯管，图4(B)显示了灯管30的电流波形。由于并未修正灯管电流，其灯管电流的波峰因素将很容易就高过1.7。
发明内容
鉴于上述的发明背景中，公知技术低成本的高功率因素的电子式安定器，由于不具有波峰因素电流修正的功能，导致产生高波峰因素而影响灯管的使用寿命。或者具有波峰因素电流修正的功能的高功率因素的电子式安定器的成本相当的高。
本发明的主要目的是提供了简单且低成本的具有波峰因素校正的电子式安定器，使具有在高直流电压涟波下有波峰因素校正的功能，以有效地延长灯管的使用寿命。
本发明的另一目的是利用电子式安定控制器校正电流波峰因素，以降低灯管电流的波峰因素。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有波峰因素校正的电子式安定器，包含：
一全波整流电路，用以整流一交流输入电压成一整流电压；
一转换器，将该整流电压转换成一输出交流电压；
一功率因素校正电路，连接于该全波整流电路与该转换器之间，用以提高该全波整流电路的功率因素；
一电压讯号产生器，连接于该功率因素校正电路与该转换器之间，以提供一电压讯号；
一控制器，连接于该电压讯号产生器与该转换器之间，根据该电压讯号以输出一切换讯号至该转换器；
一LC震荡电路，包含一震荡电感及一震荡电容，该震荡电路连接于该转换器及一萤光灯管之间；
其中当该整流电压升高时，该转换器根据该切换讯号提高该输出交流电压的一震荡频率，使流过该震荡电感的电流受到抑制，而当整流电压降低时，该转换器根据该切换讯号降低该震荡频率，使流过该震荡电感的电流的下降幅度减少。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的全波整流电路是为桥式整流电路。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的转换器是为半桥式直流/交流转换器。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的半桥式直流/交流转换器包含两个场效电晶体。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的功率因素校正电路是为一平坦电路。此时特别指适用于用于荧光灯管的一种具有波峰因素校正的电子式安定器。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的平坦电路包含至少两个电容及三个二极管，使该两个电容之一电容跨压低于该整流电压时，使该两个电容以串联形式进行一充电过程，于该两个电容之一电容跨压高于该整流电压时，该两个电容以并联形式进行一放电过程。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的电压讯号产生器是为一串联电阻电路。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的控制器通过以高于该LC震荡电路的一共振频率来进行预热过程。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的控制器通过以接近该LC震荡电路的该共振频率来启动该萤光灯管。
所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其中上述的切换讯号的范围为50k赫兹到80K赫兹。
综上所述，本发明是利用电压回馈讯号来调整电子式安定器的操作频率通过由变化操作频率即可简单地控制灯管电流。因此可以通过由简单且低成本的电子式安定控制器，使电子式安定器具有在高直流电压涟波下有波峰因素校正的功能，以有效地降低灯管电流的波峰因素并延长灯管的使用寿命。
附图说明
图1是公知技术中主动式功率因素校正的电路示意图；
图2是公知技术中被动式功率因素校正的电路示意图；
图3(A)及图3(B)是公知技术中具平坦电路的功率因素校正的电路示意图及其输出电压波形；
图4(A)及图4(B)是公知技术中具平坦电路的功率因素校正电路的电子式安定器示意图及其灯管电流波形；
图5是本发明的一较佳实施例的电子式安定器的电路示意图；
图6是本发明的具有波峰因素校正的电子式安定控制器的方块图；
图7是本发明的电子式安定器的灯管电流波形。
具体实施方式
本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例施行，且本发明的范围不受限定，其以之后的专利范围为准。
再者，为提供更清楚的描述及更易理解本发明，图式内各部分并没有依照其相对尺寸绘图，某些尺寸与其他相关尺度相比已经被夸张；不相关的细节部分也未完全绘出，以求图式的简洁。
对电子式安定器而言，最有成本效益的拓朴电路图为半桥式LC共振电路(Half-Bridge L-C Resonant Circuit)。图5显示了本发明使用具平坦电路的功率因素校正电路的半桥式LC共振电子式安定器的一较佳实施例，其中40代表一个低成本的具有波峰因素校正的电子式安定控制器。电阻R1提供电压Vdd作为控制器40的正电源电压。电阻R2、R3串联，以分压的方式在点A提供一分压作为控制器40的电压反馈讯号VFB，也可以用任何电压讯号产生器来提供此电压回馈讯号VFB，但以串联电阻电路所形成的电压讯号产生器的成本为最低。此电路的后半段则是由两个高压场效电晶体Q1、Q2所组成的半桥式DC/AC转换器，通过由控制器40的控制端点Hi、Lo使两个高压场效电晶体Q1、Q2在不同时间点切换，便可将DC转换为AC电源来驱动灯管30。具有波峰因素校正的电子式安定控制器40使用最少的零件来达到灯管启动(Lamp Ignition)及灯管电流限制。在这拓朴电路，通过将切换频率操作到接近共振槽L、C4的共振频率，以使LC共振电路可以启动灯管30。在启动之后，L可以作为灯管的电流限制元件。电感的阻抗正比于操作频率。所以，当直流链的电压升高时，电压反馈讯号VFB的电压也跟着提高，控制器40收到直流链电压升高的讯号时，会提高高压场效电晶体Q1、Q2的切换速率，通过由提高操作频率即可提高电感的阻抗而达到抑制电流的效果。相反地，当直流链的电压降低时，电压反馈讯号VFB的电压也跟着降低，控制器40收到直流链电压降低的讯号时，会降低高压场效电晶体Q1、Q2的切换速率，通过降低操作频率即可降低电感的阻抗而使灯管电流下降幅度减缓。因此，通过变化操作频率即可简单地控制灯管电流。
图6显示了具有波峰因素校正的电子式安定控制器的简单方块图。电压Vdd为控制器的正电源电压，由能带参考电路50来调整输入电压的高低，电压Vdd过高时，齐纳二极管D4导通以限制电压，电压Vdd过低时，由低电压锁定电路60防止电压过低时的误动作。为由高电位驱动器80及低电位驱动器100来提供切换讯号Hi、Lo。由讯号Vs、Hi及Lo作为半桥场效电晶体(如图5的Q1、Q2)的驱动讯号。预热启动控制120以高于LC震荡电路的共振频率来进行预热后于以接近共振频率的操作频率来启动灯管。保护逻辑控制器130为公知技术的保护逻辑控制器，以保护安定器有误动作时关闭安定器。电压控制震荡器110接受电压反馈讯号VFB，以产生震荡频率输入控制逻辑电路90。准位转换电路70用以转换控制逻辑电路90的控制讯号的电位成驱动电压的电位。上述的各功能电路50、60、70、80、90、100、110、120以及130都可以使用公知技术中的功能电路。
本发明基于直流电压涟波的电压反馈VFB来调整灯管电流，以达到较低的波峰因素值。直流链的电压升高时，R2及R3的串连电阻上的跨电压升高，所以经由A点输入的反馈电压VFB也会升高，此时电压控制器震荡器110提高操作频率。因此电感L的阻抗也随之增加而抑制灯管电流。相反地，当直流链的电压降低时，R2及R3的串连电阻上的跨电压降低，所以经由A点输入的回馈电压VFB也会降低，此时电压控制器震荡器110降低操作频率以舒缓灯管电流下降幅度。经调整频率后的输出电流波形为如图7所示，在电流较高及较低的部分都已被消去，因此可以有效降低波峰因素值。本发明的较佳变频率范围为50k赫兹到80k赫兹。利用此方法，系统可以轻易降低波峰因素值使其小于1.7。
与公知技术相比，本发明有许多特征是公知技术所没有的。如图6所示的安定器系统是相当低成本的解决方法。在此电路中并不是以后级的灯管电流反馈的方式来控制灯管电流，相反地，是利用前级的直流链的电压反馈VFB作为一控制讯号来调整灯管电流。公知的电流反馈一般需要再将灯管电流(交流电)的回锁讯号转换成直流电压回馈讯号，需要额外的元件来取得电流的回馈讯号并转成电压讯号。因此电压回馈讯号相较于电流反馈，除成本低外，也更容易取得与使用。控制器40取得直流链的回馈电压VFB并且调节操作频率来调整灯管电流以降低波峰因素。另外，与公知的具有调整灯管电流功能的电子式安定器不同的是本发明不需要一个昂贵的封闭回路式(Close-Loop)控制系统。本发明的主要目的是减少灯管电流的波峰因素值，而不是要严谨控制灯管电流的电流大小，所以并不需要昂贵的闭回路控制系统。由于这是一个开放回路式(Open-Loop)系统，并不需要如封闭回路般需去注意不稳定的问题。
许多传统半桥式场效电晶体驱动器或低成本安定器控制器的供应厂商建议以非连续的方式来解决此问题。而这种解决方法需要额外的部分来提供对波峰因素校正的阶梯式操作频率的改变。但，这种非连续式的系统，其成本更高，且性能表现也不甚令人满意。另一方面，本发明的系统为集成电路，并基于电压回馈来提供灯管电流的线性连续调整的可靠解决方法。因此，本发明提供了一个低成本且更高性能的可靠解决方法。

Claims (10)

1、一种具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，包含：
一全波整流电路，用以整流一交流输入电压成一整流电压；
一转换器，将该整流电压转换成一输出交流电压；
一功率因素校正电路，连接于该全波整流电路与该转换器之间，用以提高该全波整流电路的功率因素；
一电压讯号产生器，连接于该功率因素校正电路与该转换器之间，以提供一电压讯号；
一控制器，连接于该电压讯号产生器与该转换器之间，根据该电压讯号以输出一切换讯号至该转换器；
一LC震荡电路，包含一震荡电感及一震荡电容，该震荡电路连接于该转换器及一萤光灯管之间；
其中当该整流电压升高时，该转换器根据该切换讯号提高该输出交流电压的一震荡频率，使流过该震荡电感的电流受到抑制，而当整流电压降低时，该转换器根据该切换讯号降低该震荡频率，使流过该震荡电感的电流的下降幅度减少。
2、根据权利要求1所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的全波整流电路是为桥式整流电路。
3、根据权利要求1所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的转换器是为半桥式直流/交流转换器。
4、根据权利要求3所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的半桥式直流/交流转换器包含两个场效电晶体。
5、根据权利要求1所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的功率因素校正电路是为一平坦电路。
6、根据权利要求5所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的平坦电路包含至少两个电容及三个二极管，使该两个电容之一电容跨压低于该整流电压时，使该两个电容以串联形式进行一充电过程，于该两个电容之一电容跨压高于该整流电压时，该两个电容以并联形式进行一放电过程。
7、根据权利要求1所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的电压讯号产生器是为一串联电阻电路。
8、根据权利要求1所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的控制器通过以高于该LC震荡电路的一共振频率来进行预热过程。
9、根据权利要求1所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的控制器通过以接近该LC震荡电路的该共振频率来启动该萤光灯管。
10、根据权利要求1所述的具有波峰因素校正的电子式安定器，其特征在于，其中上述的切换讯号的范围为50k赫兹到80K赫兹。
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