CN1645980B - 用于电子镇流器的压控启动电路的方法与设备 - Google Patents

Abstract

用于照明镇流器的压控启动电路包括第一和第二晶体管(20)、(22)，用于把来自电压源(16)的直流变换成交流以操作灯(10)。该电路包括用于接收母线电压信号的输入部分和用于接收灯负载的谐振负载部分。该镇流器还包括启动部分(24)，它根据检测到的母线电压延迟灯的点燃。

Description

用于电子镇流器的压控启动电路的方法与设备

技术领域

本申请涉及镇流器以及用于气体放电灯的电源电路。发现本申请与电流反馈瞬时和/或快速启动电子镇流器或电源电路一起使用的特殊应用，并特别参照这些进行描述。然而，应该理解，本申请也适用于其它逆变器电路，并不仅仅局限于上述应用。

背景技术

在80年代末与90年代初，照明工业开始从无源功率和谐波校正电路转换为有源功率校正和谐波电路，其形式是与电子灯镇流器结合使用的有源前置调节器。经由有源前置调节器的有源功率因数和谐波校正的优点是，即使在输入线路上仍然有电压变化，母线电压变化实际上也可以减小。该变化的明显作用是光输出的较小变化，即连接到有源前置调节器电路的灯比连接到不具有有源前置调节的电路的灯显示出更稳定的亮度。

虽然使用有源前置调节器已经在某些方面提供了改进的性能，但是当这些前置调节器与快速和/或瞬时启动镇流器或电源电路一起工作时，出现了新的问题。尤其是，在启动过程中采用有源前置调节器的系统要求大量时间以达到稳态工作情况。在该瞬态启动情况期间，比稳态工作电压低的电压通过变换器部分时，可能导致气体放电灯的不希望的工作情况。

在正常工作过程中，也就是稳态情况，有源前置调节器提供预定的DC电压输出，该电压输出值依赖于电路设计和/或被驱动的灯，但是在许多场合会达到500VDC的输出。在瞬态的启动情况期间，输出基本上低于期望的稳态电压情况。因此，当工作在快速和瞬时启动模式时，电压供电不在稳定状态，并在该较低电压处产生不可接受的“预热”或辉光阶段的不希望的结果。瞬时启动灯典型地被规定在辉光放电模式工作非常短的时间周期，大约只是100毫秒。因为由于在这些辉光放电情况期间大量的电极侵蚀导致较长的“预热”阶段会缩短灯的寿命，所以这是一个要求。另外，当在低压(即，非稳态情况)工作时，会出现例如灯闪烁的不希望的明显现象。因此，延迟瞬时启动类型荧光灯的电子镇流器的启动操作直到已经基本上达到预定的DC母线电压为止，被认为是可取的。

在1993年1月5日提出的US专利5,177,408(发明人Marques)中记载了解决该问题的一种具体尝试。该专利公布了用于“瞬时启动”型荧光灯的电子镇流器的时间延迟电路，该荧光灯属于具有由有源电子前置调节器供电的电子变换器的类型。逆变器被描述为电感-电容的并联谐振推挽电路或其它类型的电流反馈功率谐振电路。启动电路可以是电阻器和齐纳二极管，或者是电阻器、电容器和双向开关二极管网络可编程的单结点晶体管电路，该电路连接在前置调节器输出端和逆变器的振荡使能输入端之间。有源电子前置调节器被设计使得需要花费预定的启动时间以达到稳态工作情况。该延迟装置连接在前置调节器和变换器之间。

上述设计也存在缺点。例如，为了使设计和开发费用最少，降低不同产品(即SKU)的数量，简化目录控制，以及满足全球市场需要，具有通用输出能力的镇流器或电源电路已经成为一个关键的卖点。理论上，如果设备能够与世界上不同地区提供的不同标准线路电压协同运行，那么该设备被认为是通用输入设备。例如：美国的标准线路电压是120V，中国是220V，以及欧洲是230V。优选地，通用的设备也能够在工业线路电压下运行，在美国工业线路电压是277V。

然而，上述的US专利5,177,408依靠输入线路电压得到其时间延迟。这意味着为了得到预定的时间延迟，必须考虑设备会在哪种线路电压下工作。因此，这种设备不被认为是通用的输入镇流器或电源。特别是，如果单元被用于120V输入线路，时间延迟会不同于接收230V输入线路的单元。因此，该方法不能充分利用有源功率校正控制的优点。

发明内容

依照本申请的一个方面，提供了一种灯逆变器电路。该灯逆变器电路包括将DC信号转换成AC信号的开关部分。此外，该电路还包括用于接收线路电压信号的输入部分，用于接收灯负载的谐振负载部分，以及根据检测到的电压控制灯点燃的压控启动部分。

依照本申请的另一个方面，提供了一种点燃灯的方法。提供AC线路电压并将其转换成DC母线电压。充电电容器被母线电压充电。双向开关二极管的击穿电压被超过，使双向开关二极管导通，向逆变器电路的振荡提供电流。

依照本申请的另一个方面，提供了一种灯镇流器。该灯镇流器包括开关部分，该开关部分包括第一和第二双极结晶体管。该镇流器还包括用于接收灯的谐振负载部分，用于传送母线电压的功率因数校正电路，以及取决于电压的启动部分，该启动部分直至母线电压上升到预定的阈值才控制点燃灯。

附图说明

本发明可以采取不同元件和元件结构，以及不同步骤和步骤安排的形式。附图只是用于举例说明优选实施例的目的，并不是被理解为对本发明的限制。

图1是灯系统的框图；

图2是包括在图1所示的灯系统中的镇流器逆变器电路的电路图，它具有与逆变器电路的高压侧开关可操作连接的启动部分；

图3是类似于图2的镇流器的电路图，然而启动部分是在逆变器电路的低压侧实现的；

图4a显示了根据本申请的快速启动电子镇流器在一段时序上的母线电压；

图4b提供了根据本申请的快速启动电子镇流器的母线电压相对于启动时间的函数；以及

图5描述了作为母线电压的函数的图2中电容器30的充电电流。

具体实施方式

参考图1，灯电路A包括灯组件10，它可操作地连接到母线电压检测和自激振荡逆变器/启动电路12。灯组件10可以是气体放电灯或多个气体放电灯，例如在特定频率或频率范围工作的线性荧光灯或紧凑型荧光灯。在一个实施例中，逆变器启动电路12连接到功率因数校正(PFC)电路14，例如调节线路电压、校正谐波以及向逆变器启动电路12供电的有源功率因数校正电路。可以理解在可替换的实施例中，PFC电路14可以提供无源功率校正。AC电压源16向PFC电路14提供交流电流信号。电压源16可以传送宽范围的信号。目前在美国，标准的墙上插座提供120VRMS电压。在中国标准线路电压是220V，在欧洲更高，大约是230V。其它电源，例如用于更多工业应用的电源可以传送277V电压或者更高。在一个实施例中，由PFC14产生的母线电压的范围从169V(具有120V输入)到390V(具有277V输入)，或者更大。PFC电路14除了适应较高或较低的输入电压之外，还可以接受在上述范围内的输入线路电压。这种类型的有源和/或无源功率因数校正电路在本领域是众所周知的，因此其工作的详细描述在这里不再介绍。

参考图2，所示的是电流反馈半桥逆变器实施方案中的逆变器启动电路12的详细视图。为了把DC母线信号转换成AC信号，第一晶体管20和第二晶体管22在导通周期和不导通周期之间交替，彼此不同相。即，当第一晶体管20导通时，第二晶体管22不导通，反之亦然。晶体管20、22是逆变器电路12的开关部分的一部分。晶体管的导通周期交替的行为给灯组件10提供AC信号。在图2所示的实施例中，晶体管是双极结晶体管(BJT)，但是可以理解，本申请的概念可以结合到其它逆变器电路中，如本领域所公知的那样。例如，尤其是下面的描述可以利用在半波电流反馈镇流器和推挽型电流反馈电子镇流器中的BJT来实现。

在本实施例中，每个晶体管20、22具有各自的基极(B)、发射极(E)和集电极(C)。每个晶体管的基极到发射极的电压定义了该晶体管的导通状态。即，晶体管20的基极到发射极的电压定义了晶体管20的导电性，以及晶体管22的基极到发射极的电压定义了晶体管22的导电性。在所述的实施例中，当电流开始由PFC电路14提供给逆变器启动电路12时，晶体管20、22都不导通。如下面将详细阐述的，在来自PFC电路14的母线电压达到预定的阈值电压之前，逆变器电路的启动部分24阻止电流被提供到晶体管20、22。启动部分包括齐纳二极管26、二极管28、电容器30以及双向开关二极管32。

电容器34和36上的电位差等效于来自PFC电路14的母线电压。在一个实施例中，电容器34和36的值相等，所以电容器34上的电压与电容器36上的电压相同。与电容器34和36并联的是电阻器38、40和42。电阻器38和40在节点44处构成分压器，并且电流通过分压器38、40被提供到启动部分24。

当首次向逆变器启动电路12供电时，齐纳二极管26和二极管28阻止任何显著的电流通过启动部分24。在开始向逆变器启动电路12供电之后，随着母线电压上升，一部分电路电流给电容器34和36充电，另外的电流给缓冲电容器46充电，以及剩余的电流流过电阻器38、40和42。刚开始，由于母线电压被电阻器38和40分压，齐纳二极管26的击穿电压没有达到，并且齐纳二极管26阻止电流通过启动部分24。逐渐地，来自PFC14的母线电压上升到一个电平，在该电平处节点44的电势高于齐纳二极管26的击穿电压，使齐纳二极管26变为导通，向启动部分24提供增加的电流水平，以及更具体地，向电容器30提供增加的电流水平。在所述的实施例中，齐纳二极管26的击穿电压在64.5V和71.5V之间，并且优选为68V。

一旦齐纳二极管26变为导通(在图2中是由左至右)，电容器30开始充电。在这点，电流被提供给启动部分24，但是双向开关二极管32阻止晶体管20的基极在集电极-发射极方向变为导通。由于母线电压继续上升，电容器30聚集更多电荷，并逐渐达到超过双向开关二极管32的击穿电压的电位。当达到击穿电压时，晶体管20变为导通，其中逆变器启动电路12开始振荡，并在大约0.7秒之后，灯组件10被点燃。

在双向开关二极管32的击穿电压被达到之后，电容器30不再有继续聚集电荷的机会。由于晶体管20在双向开关二极管32击穿之后导通，所以电流直接从节点44流到电容器30。二极管28提供通路允许电容器30每个周期放电一次。现在逆变器启动电路12典型工作，不再有来自启动部分24的其他活动。

继续关注图2，开关晶体管20、22由各自的驱动电路48、50驱动。驱动电路48包含二极管52、电阻器54的组合，并通过线圈58耦合供电。驱动电路50包含二极管60、电阻器62的组合，并通过线圈66耦合供电。灯组件10由逆变器启动电路12通过线圈68和70之间的耦合供电，其中线圈70的主线圈上跨接有电容器72，并被认为是谐振负载元件。

如果在灯启动或突然负载消除期间出现过电压，功率齐纳二极管74和76将箝位电压以保护BJT不会过电压损坏。

继续关注图2，双向开关二极管32的击穿电压选择为用于启动逆变器电路的最优母线电压和灯组件10的点燃电压。在所述的实施例中，双向开关二极管32的击穿电压可以如此选择，使得当母线电压(在电容器34和36上的电压)达到预定值，例如大约390V时，双向开关二极管32达到其击穿电压。换句话说，启动部分24根据选择的双向开关二极管32的击穿电压，检测母线电压何时达到优选的点燃电压。在所示的实施例中，双向开关二极管32的击穿电压在20V和40V之间，优选为大约32V。

可以理解，用于第一晶体管20的上面描述也适用于第二晶体管22。即，如图3所示，在替换的逆变器启动电路12’的实施例中，启动部分24连接到第二晶体管22，并且该第二晶体管22，而不是第一晶体管20，开始振荡。与图2中元件具有相似操作和用途的元件与图2具有相似的编号。

对于快速启动镇流器，点燃电压选择为大约300V或更高。

图4a提供包括本申请逆变器启动电路12的快速启动电子镇流器的时序曲线图。从图中可以看出，该时序包括三个截然不同的过渡。对于120V输入线路，从开启(0)到t₀，母线电压从其启动电压(例如169V)过渡到优选的预热电压(例如390V)。持续时间t₀-t₁是预热时间(例如稳定390V)，以及从t₁到t₂，母线电压上升到其稳定状态(例如500V)。转到图4b，描述的是显示包括逆变器启动电路12的快速启动电子镇流器的逆变器启动时间的曲线图。一起看图4a和4b，强调的是启动时间由电路的母线电压控制。例如，如果母线电压小于300V，灯将花费大约10秒的时间启动，然而，当母线电压是300V或更高，启动时间减小到大约40毫秒。图4b说明了电路的电压相关性，以及强调启动电路的操作不是由时间决定的因素，而是由电压控制的概念。没有预定的时间跟踪振荡开始的激励。相反地，在本设计中，跟踪电路的激励，只要母线电压低于某个值(例如300V)，理想地将不存在振荡以及只有当电压位于或者高于击穿电压(例如300V)时，振荡才开始。因此，显示出电路的启动是由母线电压的值控制的。

现在转到图5，描述的是图2的充电电容器30的工作，它描述了该电容器的两种截然不同的充电速率。充电电容器30通常具有大量的储存能量以用于双向开关二极管32的击穿。如图所示，当母线电压超过300V时，电容器30以非常快的速率开始充电，以及当低于300V母线电压时，电容器30只有漏电流引起的充电。特别的是，当母线电压低于300V时，齐纳二极管26不会变为在其反方向导通，并只允许漏电流80给电容器30充电。当母线电压达到300V之后，电容器30可得到高得多的充电电流82。

在选择阈值电压时另一个考虑因素是启动母线电压。对于120V线路输入，输出母线电压从大约169V上升。对于277V线路输入，输出母线电压从大约390V上升。如前所述，启动时间(图4b)在390V时大约是40毫秒。在灯组件10被点燃以后，母线电压继续上升至稳态工作电压V。因此，一个示例性的点燃电压是390V，由于该电压高于模式过渡所要求的300V，它低于通常的稳态工作电压，并在母线电压达到稳态之前尽快地点燃灯。当然，可以选择较大或较小的点燃电压，例如在一些应用中，基于已知线路电压和逆变器的期望通用性，在启动过程中，母线电压可能出现过冲。

因此，从上述可知，所示(图2和图3)的是与电流反馈半桥逆变器电路结合的新型启动电路的两个实施方案。主母线电压通过三个电阻器分压电路被检测。一部分母线电压供给齐纳二极管和充电电容器。当电压达到预定电平时，齐纳二极管击穿，允许充电电容器进行充电。双向开关二极管接下来被击穿，引起自激振荡逆变器被触发。当第一晶体管导通时，二极管阻止充电电容器进行充电，允许它每半周期进行放电。选择元件值使得齐纳击穿电压至少是双向开关二极管击穿电压的两倍或更高。本发明的可能应用包括通用电气的4ft.和8ft.T12和T18电子灯镇流器。

用于图2和3电路的示例性元件值如下所述：

部件描述    部件序号   额定值

灯组件      10         40W

线路电压    16         120-277V

第一晶体管  20         BJT SPB 11NM60

第二晶体管  22         BJT SPB 11NM60

总线电容器  34         33μf

总线电容器  36         33μf

总线电阻器  38         400k    

总线电阻器  40         620kΩ

总线电阻器  42         1MΩ

齐纳二极管  26         68V

二极管      28         UF4007

电容器         46    1.2nf

充电电容器     30    0.1μf

双向开关二极管       32HT-32

齐纳二极管     74    P6KE440A

齐纳二极管     76    P6KE440A

感应线圈       56    5mh

感应线圈       64    5mh

基极二极管     52    1N5817

基极二极管     60    1N5817

基极电阻器     54    75Ω

基极电阻器     62    75Ω

感应线圈       70    0.85H

感应线圈       68    1.27H

电容器         72    12nf

本发明已经参考优选实施例进行描述。修改和改变将会在阅读并理解前面详细描述的基础上产生。这意味着，本发明被解释为包括在所附的权利要求书或者其等效物的范围内的所有这些修改和改变。

Claims (7)

1.一种灯逆变器启动电路(12)，包括：

把母线电压信号变换成交流信号的开关部分(48、50)；

接收母线电压信号的输入部分(56)；

接收灯负载的谐振负载部分(70、72)；以及

压控启动部分(24)，该压控启动部分根据检测到的电压延迟逆变器启动电路的触发，其中所述压控启动部分(24)包括至少一个充电电容器(30)，该电容器在逆变器启动电路触发之前聚集电荷，以及其中至少一个充电电容器(30)充电到390V的阈值电压。

2.如权利要求1中所述的灯逆变器启动电路(12)，其中开关部分(48、50)包括第一和第二功率晶体管(20、22)。

3.如权利要求2中所述的灯逆变器启动电路(12)，其中晶体管(20、22)是双极结晶体管和场效应晶体管中的一种。

4.如权利要求1中所述的灯逆变器启动电路(12)，还包括：从120V到280V范围的输入AC线路电压源(16)。

5.如权利要求1中所述的灯逆变器启动电路(12)，其中母线电压范围从169V到390V。

6.如权利要求1中所述的灯逆变器启动电路(12)，其中启动部分包括至少一个双向开关二极管(32)，该双向开关二极管的击穿电压决定阈值电压。

7.如权利要求6中所述的灯逆变器启动电路(12)，其中至少一个充电电容器(30)在逆变器启动电路触发之前，充电到击穿电压。

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