CN1753595B - 用于驱动至少一个光源的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动至少一个光源的电路装置。充电泵和填谷式电路的组合实现廉价的电源输入的功率因数校正。根据本发明，由充电泵提供的、例如通过扼流圈(L2)延迟的电压(UN2)被输入该填谷式电路中。

Description

用于驱动至少一个光源的电路装置
技术领域
本发明涉及用于从电源网络向光源供给功率的电路装置，该电路装置适用于校正网络侧的功率因数。在下面缩写PFC用于表示功率因数校正，该缩写PFC以英语术语“Power Factor Correction”为依据。
所供给的电源电压具有市电频率。术语“高频的”在下面用于基本上高于市电频率的频率。
背景技术
从文献WO 02/47441(Hu)中公知上述电路装置。在该文献中公开两种PFC技术：充电泵(在文献WO 02/47441(Hu)中称为“单反馈”)和所谓的填谷式电路(Valley-Fill-Schaltung)(在文献WO02/47441(Hu)中称为“双泵”)。在此，从电源电压的角度来看，充电泵被置于填谷式电路之前。此外，充电泵和填谷式电路由相同的高频电压源来供给。
例如从文献US 4,949,013(Zuchtriegel)中公知充电泵。充电泵的主要特征是整流器输出与泵二极管的连接。在所形成的连接点上施加高频电压，该高频电压从负荷电路汲取。在这点上应强调，仅仅整流器输出与泵二极管相连接，因此在WO 02/47441(Hu)中的电路装置的这个部分被称为“单反馈”。
填谷式电路例如从文献WO 90/09087(Skalak)中公知。在此，涉及由两个存储电容器和三个二极管组成的无源PFC电路，该无源PFC电路被连接在两个整流器输出之间。填谷式电路的工作方式的根据在于，经由二极管如此连接存储电容器，以致该存储电容器作为串联电路由电源电压充电，可是作为并联电路由负载放电。
填谷式电路通过将其二极管分离为两个二极管也可以起充电泵的作用。为此在两个通过分离形成的二极管的连接点上施加高频交流电压。在文献US 6,316,883(Cho)中描述这样修改过的填谷式电路。在那里所描述的针对放电灯的操作装置附加地也具有独立的充电泵。这个充电泵从电源电压侧来看被置于填谷式电路之后，由此必需其他的存储电容器。
在WO 02/47441(Hu)中，充电泵被置于填谷式电路之前。因此不需要其他的存储电容器。输入到充电泵中的高频交流电压从输送给修改过的填谷式电路的高频交流电压中被推导出。
能从文献WO 02/47441(Hu)中获悉，利用在那描述的电路装置达到良好的功率因数值。可是，如IEC 61000-3-2的标准另外规定电源电流谐波的极限值。在此区分为汲取直至25W电源电压功率的光源与汲取高于25W电源电压功率的光源。高于25W时要求基本上更高，也就是说，电源电流谐波的幅度必须基本上更小。
文献WO 02/47441(Hu)的主题是具有集成操作装置的紧凑型荧光灯。这样的灯直到从电网吸收的25W的功率是市面上常见的。由于直至25W时相关的对电源电流谐波的标准小，所以在WO 02/47441(Hu)中公开的电路装置在直至25W的情况下实现符合标准的对荧光灯的驱动。
对用于驱动光源的电路装置的要求是多样的。在设计这种电路装置时应考虑以下要求：
·高的网络侧功率因数
·低的从电网吸收的电流的畸变因数(总谐波失真：THD(TotalHarmonic Distortion))
·符合标准的电源电流谐波
·高效率
·低的通过光源的电流的振幅因数
·小无线电干扰
·小成本
·小的几何尺寸
为了以从电网吸收的直至25W的功率来驱动荧光灯，在WO02/47441(Hu)中公开的电路装置描述一种良好的折衷，以便符合上述要求。可是，在高于25W的情况下，遵守相关的电源电流谐波的标准是一个问题。特别地针对荧光灯，灯电流的振幅因数由标准(例如IEC60929)被限制在1.7的最大值上。在从电网吸收的功率高于25W时这个极限值的遵守是一个另外的问题。
在WO 02/47441(Hu)中公开的电路装置的如下的尺寸确定导致电路装置的元件的明显更重的负荷，即即使在从电网吸收的功率高于25W时也遵守关于电源电流谐波的标准。这导致成本的增加、更大的几何尺寸和降低的效率。
如果附加地应遵守按照IEC 60929的灯电流的振幅因数的极限值，那么还会使元件负荷更重。
从还未公开的DE 102004001617.8中公知用于驱动光源的电路装置，该电路装置除了从WO 02/47441(Hu)中公知的特征之外具有连接到负的整流器输出上的充电泵。因此，在这样的电路装置中，充电泵既与正的整流器输出相连又与负的整流器输出相连。由此，即使在从电网吸收的功率高于25W时在元件仅仅少许超载的情况下实现符合标准的电源电流谐波和符合标准的灯电流振幅因数。
最后，参阅同样还未公开的DE 102004001618.6，该DE102004001618.6同样涉及从WO 02/47441(Hu)中公知的电路装置的扩展方案并且承担以下任务，即即使在从电网吸收的功率高于25W时也使得符合标准的灯电流振幅因数成为可能。这通过电路装置来实现，该电路装置除了从WO 02/47441(Hu)中公知的特征之外具有未发挥泵激作用的第二谐振电容器。具有泵激作用的第一谐振电容器和不具有泵激作用的第二谐振电容器提供自由度，利用该自由度能够更好地优化电路装置的特性。
已经证实，在某些灯、特别是HE灯(HE＝高效(High Efficiency))中，尽管这些措施但不能够实现足够低的灯电流振幅因数。首先在低温时甚至存在不稳定的频闪式灯工作的危险。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是，这样扩展基于根据WO 02/47441(Hu)的电路装置的拓扑的、用于驱动至少一个光源的电路装置，使得由此能够减少在驱动灯时得出的灯振幅因数。
这个任务通过具有本发明特征的用于驱动至少一个光源的电路装置来解决。该电路装置包括：具有电源电压输入的整流器，所述整流器在具有市电频率的电源交流电压被施加到其电源电压输入上时在正的整流器输出和负的整流器输出上提供整流过的电源交流电压；第一二极管，所述第一二极管利用其阳极与所述正的整流器输出相耦合而利用其阴极与正母线相耦合；负母线，该负母线被耦合到所述负的整流器输出上；第二二极管、第三二极管、第四二极管和第五二极管，所述第二、第三、第四和第五二极管在所述正母线和负母线之间串联连接，其中所述第二、第三、第四和第五二极管的阴极分别指向所述正母线，并且所述第二、第三、第四和第五二极管的连接点形成以下节点：在所述第二二极管和所述第三二极管之间形成第一节点，在所述第三二极管和所述第四二极管之间形成第二节点和在所述第四二极管和所述第五二极管之间形成第三节点；第一存储电容器和第二存储电容器，其中在所述正母线和所述第一节点之间连接该第一存储电容器，并且在所述负母线和所述第三节点之间连接该第二存储电容器；逆变器，所述逆变器被连接到所述正母线和所述负母线上以供给能量，并且在逆变器输出上相对所述负母线提供逆变器输出电压，所述逆变器输出电压具有高于所述市电频率的逆变器振荡频率；电抗网络，所述电抗网络被连接到所述逆变器输出上并且提供用于连接所述至少一个光源的输出端子，其中所述电抗网络包含具有第一和第二接线的灯扼流圈，和其中所述第一接线被耦合到所述逆变器输出上；泵电容器，所述泵电容器被耦合在所述第二节点和所述正的整流器输出之间，所述电抗网络和所述第二节点之间的耦合，所述电抗网络和所述第二节点之间的耦合在所述第二节点上相对所述负母线引起电压变化，该电压变化具有所述逆变器振荡频率，其中在所述电抗网络和所述第二节点之间的耦合中连接有移相装置，其中所述移相装置被设计来导致所述电抗网络中的耦合点和所述第二节点之间的相位超前了大于90°或滞后。
本发明所基于的认识是，高的灯振幅因数的主要原因是中间电路电压的调制，由此灯负荷电路也被大量完全调制。幸而在泵输入耦合点、亦即第二节点上的电压的包络示出相对的调制。这个高频振荡的相位相对逆变器输出少许偏移。反相性可能是最佳的，以便能够与逆向的包络线组合地利用负荷电路的相对稳定的电压差。通过移相装置，能够有利地影响第二节点上的相位，所述移相装置被设计来导致电抗网络中的耦合点和第二节点之间的相位超前了大于90°或滞后。因此，根据用于制造尽可能大的反向性的花费多少，所述移相装置导致灯振幅因数的明显减小。此外，在利用这样的电路装置驱动的灯中根据类型和设计能够实现灯扼流圈的明显的去负荷。
原则上通过移相装置来滞后相位可以达到目的。可是，如针对本领域的技术人员公开的那样，同样的效果也可以通过以下方式来实现，即通过移相装置实现超前了大于90°。
在要特别廉价地实现的实施形式中，移相装置包括电感，该电感尤其是通过单个电感来实现的。众所周知，通过电感的中间电路能够实现相位滞后，该相位滞后在本情况下已经导致灯振幅因数的明显改善。
优选地，在作为电抗网络中的输出耦合点的逆变器输出和作为输入耦合点的第二节点之间连接移相装置。
有利地，本发明也可以与两个上面已经提及的按照DE102004001617.8和DE 102004001618.6的发明一起、尤其是与其中作为优选实施形式介绍的变型方案组合应用。这样可以规定，所述电路装置具有第二泵电容器和第六二极管，其中第二泵电容器与第二节点和负的整流器输出相连接，而第六二极管在负的整流器输出和负母线之间相连接。
此外可以规定，电抗网络具有第一谐振电容器以及第二谐振电容器；所述第一谐振电容器利用其第一接线与正母线或负母线相连接，并且利用其第二接线与灯扼流圈的第二接线相连接；所述第二谐振电容器利用其第一接线与电抗网络和第二节点之间的耦合相连接，并且利用其第二接线与灯扼流圈的第二接线相连接。
此外优选地，经由电容器将正母线和负母线相互连接。由此在尺寸适当时实现，正母线和负母线在HF方面处于基本上相同的电势。
优选地，这样设计移相装置，使得在最小电源电压的范围内最大化逆变器输出上的电压与第二节点上的电压之间的电压差。其原因在于，所述待驱动的至少一个灯的工作点是在逆变器输出上存在的电压UOUT和在第二节点上存在的电压UN2之间的电压差UDIFF的函数。灯电流IL具有包络线，在该包络线中具有大幅度的相位和具有小幅度的相位基本上正弦地交替。在其中灯电流IL具有大幅度的相位期间，在第二节点上的电压UN2几乎为零，也就是电压差UDIFF＝UOUT-UN2基本上等于UOUT，其中UOUT是逆变器输出上的电压。在其中包络线小的相位中，在UOUT在这个时刻小的期间，UN2大，并且由此电压差UDIFF强烈依赖于第二节点上的电压UN2。现在目标在于，在其中灯电流IL的包络线具有小幅度的相位中也增大电压差UDIFF。这可以通过以下方式来实现，即如此选择在UOUT和UN2之间的相位，以致在尽可能大的时间区域上不是消除而是最大化UDIFF。通过UDIFF现在更小地波动，也减小灯电流振幅因数。
在优选的本发明的应用情况下，光源是具有可加热的螺旋灯丝的气体放电灯，其中在气体放电灯的接线处螺旋灯丝的接线分别与电抗网络的输出端子相连接以及螺旋灯丝的其他各接线经由电容器连接。
最后指出，移相装置可以包含至少一个有源元件，尤其是为了精确地调整所期望的相移。
附图说明
从现在起下面在参考附图的情况下详细说明本发明的实施例。其中：
图1针对具有电极螺旋丝的荧光灯示出本发明的实施例；和
图2示出逆变器输出上的电压UOUT以及第二节点上的电压UN2的时间曲线。
具体实施方式
在下面由字母T表示晶体管、由字母D表示二极管、由字母C表示电容器、由字母L表示扼流圈、由字母R表示电阻和由字母J表示接线，这些字母分别接有数字。
在图1中针对具有电极螺旋丝的荧光灯描述本发明的实施例。接线J1和J2组成电源电压输入。在J1和J2上可连接电源电压。J1和J2与整流器的输入相连接。也还可以在整流器之前连接用于消除无线电干扰的装置。
整流器一般由已知的整流二极管D7、D8、D9和D10的桥式电路组成，这些整流二极管D7、D8、D9和D10在其正的整流器输出POS上和在其负的整流器输出NEG上提供整流过的电源电压。整流二极管必须能够有条件地通过充电泵来高频切换。应用慢的整流二极管也是可能的。但是接着必须在桥式电路和各自的整流器输出之间分别连接快速二极管。
为泵二极管的二极管D1利用其阳极与正的整流器输出POS相连接以及利用其阴极与正母线DCP相连接。正母线DCP和负母线DCN经由电容器C5相互连接。
可选的同样为泵二极管的二极管D2利用其阴极与负的整流器输出NEG相连接而利用其阳极与负母线DCN相连接。如果未装设稍后说明的第二泵电容器C4，那么可以取消这个二极管D2。第二泵电容器C4在电源电流谐波和灯电流振幅因数方面带来进一步的改善，而无需元件的更大的负荷。
在正母线DCP和负母线DCN之间连接四个二极管D3、D4、D5和D6的串联电路，其中这些二极管的阴极分别指向正母线DCP，并且这些二极管的连接点形成以下节点：在二极管D3和二极管D4之间形成节点N1，在二极管D4和二极管D5之间形成节点N2以及在二极管D5和二极管D6之间形成节点N3。
在正母线DCP和节点N1之间连接第一存储电容器C1。在负母线DCN和节点N3之间连接第二存储电容器C2。二极管D3、D4、D5和D6以及存储电容器C1和C2形成填谷式电路。其涉及如在上述文献US6,316,883(Cho)中提及的修改过的填谷式电路。二极管D4和D5组成上面提到的分离的二极管对。在位于二极管D4和D5之间的节点N2上施加从负荷电路中输出耦合的高频电压。由此，在填谷式电路中也以有限程度实现充电泵的作用。也可以将电阻与所述二极管串联，由此能够实现进一步减少电源电流谐波。
在正母线DCP和负母线DCN之间连接两个电子开关T1和T2的串联电路。T1和T2组成半桥式逆变器，该半桥式逆变器在T1和T2的连接点上具有逆变器输出OUT。该半桥逆变器经由正母线DCP和负母线DCN吸出能量。通过交替地接通和断开T1和T2，相对负母线DCN将高频交流电压UOUT施加在逆变器输出OUT上。逆变器的输出电压UOUT具有逆变振荡频率，该逆变振荡频率基本上高于电源电压。在这种情况下，负母线DCN用作参考电势，以定义逆变器的输出电压UOUT。无须限制一般性地，正母线DCP也可用作参考电势。
开关T1和T2在实施例中被实施为MOSFET。可是，也可应用其他的电子开关。在T1和T2的栅极接线上施加控制电压，该控制电压交替地接通和断开T1和T2。这个控制电压由未在图1中示出的控制电路来提供。该控制电路或者可以包含自由振荡的振荡器或者可以由负荷电路来控制，由此形成从现有技术中公知的、自激振荡的半桥式振动器。
在逆变器输出OUT上连接电抗网络，该电抗网络的主要任务是，将逆变器输出OUT的源阻抗匹配到光源Lp的负载阻抗。在实施例中，电抗网络包含灯扼流圈L1以及谐振电容器C52。可选地，如通过点划线表示的那样，可以装设其他的谐振电容器C51和耦合电容器C6。可是这也可以由空载来替代。灯扼流圈L1具有第一接线和第二接线，其中第一接线与逆变器输出OUT相连接。灯扼流圈L1的第二接线一方面与谐振电容器C52的接线相连接，另一方面与输出端子J4相连接。J3和J4形成输出端子，在该输出端子上可连接光源Lp。接线J3与节点N2相连接。在图1中示范性地针对光源示出荧光灯。但是，所述电路装置原则上也可用于驱动其他光源、诸如高压放电灯、发光二极管或白炽灯。为了驱动发光二极管或白炽灯，必要时装设变压器，该变压器将逆变器的输出电压UOUT匹配到由光源所需的电压水平。在图1中示出的荧光灯具有两个电极螺旋丝。电极螺旋丝的接线与接线端子J5和J6相连接。在这些接线端子J5和J6之间装设未示出的电容器。可是，这样的加热电容器对于本发明的原理功能不是必要的。利用本实施形式使得所谓的灯的冷启动成为可能。螺旋灯丝的预热也可以通过其他从现有技术中已知的诸如变压器的装置来实现。在节点N2上施加的高频交流电压UN2也施加在泵电容器C3和C4上。通过将节点N2经由泵电容器C3与正的整流器输出POS相连接来实现第一充电泵，通过将节点N2经由泵电容器C4与负的整流器输出NEG相连接来实现第二充电泵。优选地，两个泵电容器C3、C4具有相同的值。如已经提及的那样，可以取消两个泵电容器中的一个。
根据本发明，逆变器输出OUT经由移相装置与节点N2相连接。在图1中所描述的实施形式中，移相装置通过电感L2来实现。由此能够导致逆变器输出OUT和节点N2之间的相位的滞后。如针对本领域的技术人员公开的那样，可比较的效应不仅能通过相位滞后来实现，而且能通过相应的大的超前来实现。为了调整所期望的相位偏移，可以考虑不同的移相装置的构造，其中尤其是也指出在应用至少一个有源元件的情况下的实现。
在图1中仅仅画出一个灯Lp。可是，也可能驱动多个串联或并联的灯。尤其是在串联电路中，本发明有利地起作用。这可以此来解释，即在灯的串联电路中所得到的灯电压与仅仅一个灯相比是高的，这在未采取本发明措施的情况下会导致高的元件负荷。
输送给节点N2的高频交流电压在所描述的实施例中从逆变器输出OUT上的电势汲取。可是，节点N2也可以与其他具有高频交流电压的电势相连接。
图2示出逆变器输出OUT上的电压UOUT以及节点N2上的电压UN2的时间曲线。通过移相装置将UN2的时间曲线延迟，也就是说将UN2进一步向右移。由此电压差UDIFF＝UOUT-UN2被增大，在最优情况下被最大化。如已经实施的那样，UDIFF的增大在具有小UOUT的相位期间导致总的更小的UDIFF的调制并且由此导致更低的灯电流振幅因数。

Claims (10)

1.用于驱动至少一个光源的电路装置，包括：
-具有电源电压输入(J1、J2)的整流器(D7、D8、D9、D10)，所述整流器(D7、D8、D9、D10)在具有市电频率的电源交流电压被施加到其电源电压输入上时在正的整流器输出(POS)和负的整流器输出(NEG)上提供整流过的电源交流电压；
-第一二极管(D1)，所述第一二极管(D1)利用其阳极与所述正的整流器输出(POS)相耦合而利用其阴极与正母线(DCP)相耦合；
-负母线(DCN)，该负母线(DCN)被耦合到所述负的整流器输出(NEG)上；
-第二二极管(D3)、第三二极管(D4)、第四二极管(D5)和第五二极管(D6)，所述第二、第三、第四和第五二极管(D3、D4、D5、D6)在所述正母线(DCP)和负母线(DCN)之间串联连接，其中所述第二、第三、第四和第五二极管(D3、D4、D5、D6)的阴极分别指向所述正母线(DCP)，并且所述第二、第三、第四和第五二极管(D3、D4、D5、D6)的连接点形成以下节点：在所述第二二极管(D3)和所述第三二极管(D4)之间形成第一节点(N1)，在所述第三二极管(D4)和所述第四二极管(D5)之间形成第二节点(N2)和在所述第四二极管(D5)和所述第五二极管(D6)之间形成第三节点(N3)；
-第一存储电容器(C1)和第二存储电容器(C2)，其中在所述正母线(DCP)和所述第一节点(N1)之间连接该第一存储电容器(C1)，并且在所述负母线(DCN)和所述第三节点(N3)之间连接该第二存储电容器(C2)；
-逆变器(T1、T2)，所述逆变器(T1、T2)被连接到所述正母线(DCP)和所述负母线(DCN)上以供给能量，并且在逆变器输出(OUT)上相对所述负母线(DCN)提供逆变器输出电压(UOUT)，所述逆变器输出电压(UOUT)具有高于所述市电频率的逆变器振荡频率；
-电抗网络，所述电抗网络被连接到所述逆变器输出(OUT)上并且提供用于连接所述至少一个光源的输出端子(J3、J4)，其中所述电抗网络包含具有第一和第二接线的灯扼流圈(L1)，和其中所述第一接线被耦合到所述逆变器输出(OUT)上；
-泵电容器(C3)，所述泵电容器(C3)被耦合在所述第二节点(N2)和所述正的整流器输出(POS)之间，
-所述电抗网络和所述第二节点(N2)之间的耦合，所述电抗网络和所述第二节点(N2)之间的耦合在所述第二节点(N2)上相对所述负母线(DCN)引起电压变化，该电压变化具有所述逆变器振荡频率，
其特征在于，
在所述电抗网络和所述第二节点之间的耦合中连接有移相装置(L2)，其中所述移相装置(L2)被设计来导致所述电抗网络中的耦合点和所述第二节点(N2)之间的相位超前了大于90°或滞后。
2.按照权利要求1所述的电路装置，
其特征在于，
所述移相装置包含电感(L2)。
3.按照权利要求1或2所述的电路装置，
其特征在于，
在所述逆变器输出(OUT)和所述第二节点(N2)之间连接所述移相装置(L2)。
4.按照权利要求1或2所述的电路装置，
其特征在于，
所述电路装置具有第二泵电容器(C4)和第六二极管(D2)，其中所述第二泵电容器(C4)与所述第二节点(N2)和所述负的整流器输出(NEG)相连接，并且所述第六二极管(D2)被连接在所述负的整流器输出(NEG)和所述负母线(DCN)之间。
5.按照权利要求1或2所述的电路装置，
其特征在于，
所述正母线(DCP)和所述负母线(DCN)经由电容器(C5)相互连接。
6.按照权利要求1或2所述的电路装置，
其特征在于，
所述电抗网络具有第一谐振电容器(C52)，所述第一谐振电容器(C52)利用其第一接线与所述正母线(DCP)或所述负母线(DCN)相连接，并且所述第一谐振电容器(C52)利用其第二接线与所述灯扼流圈(L1)的第二接线相连接。
7.按照权利要求6所述的电路装置，
其特征在于，
所述电抗网络具有第二谐振电容器(C51)，所述第二谐振电容器(C51)利用其第一接线与所述电抗网络和所述第二节点(N2)之间的所述耦合相连接，并且所述第二谐振电容器(C51)利用其第二接线与所述灯扼流圈(L1)的第二接线相连接。
8.按照权利要求1或2所述的电路装置，
其特征在于，
所述移相装置(L2)被设计来在所述电源电压的最小值的范围内最大化所述逆变器输出上的电压(UOUT)和所述第二节点(N2)上的电压(UN2)之间的电压差(UDIFF)。
9.按照权利要求1或2所述的电路装置，
其特征在于，
所述光源(Lp)是具有可加热的螺旋灯丝的气体放电灯，其中在所述气体放电灯(Lp)的接线处螺旋灯丝的接线分别与所述电抗网络的输出端子(J3、J4)相连接，而所述螺旋灯丝的其他各接线(J5、J6)经由电容器连接。
10.按照权利要求1或2所述的电路装置，
其特征在于，
所述移相装置包含至少一个有源元件。
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