CN1780520B

CN1780520B - 具有e类转换器模块的转换器电路

Info

Publication number: CN1780520B
Application number: CN2005101076526A
Authority: CN
Inventors: R·莱歇勒; W·索瓦
Original assignee: PATRA Patent Treuhand Munich
Current assignee: PATRA Patent Treuhand Munich
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: EP1643816A3; KR20060051755A; KR100724177B1; DE102004047372A1; US20060076903A1; US7274578B2; EP1643816A2; TW200628016A; TWI309143B; CN1780520A; JP2006101692A

Abstract

本发明涉及一种具有E类转换器模块的串联电路的、用于优化单个转换器模块(例如C7、C11、Z1、S1、L1、L2)的直流电压供给的转换器电路。

Description

具有E类转换器模块的转换器电路

技术领域

本发明涉及一种转换器电路，特别地涉及一种具有这种转换器电路的电子镇流器，涉及相应的驱动方法，以及在优选的应用情况的范围内涉及一种灯系统以及这种灯系统的应用。

背景技术

用于从整流过的网络馈电或直流供电中产生交流电功率的转换器电路本身以不同的结构形式被公开。特别是公开了所谓的E类转换器或闭锁转换器(Sperrwandler)。

在E类转换器中，存储电感通过通向电源的端子来充电。在某一电流值时，流过与存储电感相串联的开关晶体管的电流被中断，并且由此产生的感应电压脉冲被用于为负载供电。

特别是已知，使用这样的E类转换器为具有脉冲调制的高频供电电压的、介电阻碍的放电灯供电。参考EP 0 927 506 B1，它既阐明了E类转换器的工作原理，又阐明了这种应用情况。

此外已知的是，为了保证从电源网络接收尽可能正弦形式的电流，亦即为了改善功率因数，采用功率因数校正电路。此外，这里考虑所谓的升压转换器，该升压转换器例如在C.H.Sturm，E.Klein：“Betriebsgeraete und Schaltungen fuer elektrische Lampen”(第六版，1992，Siemens AG，第127页)中被说明。

升压转换器具有以下优点，即在结构和驱动方面特别简单。

发明内容

本发明所基于的技术问题是，说明一种转换器电路，该转换器电路很好地适合用于前置的功率因数校正电路。

本发明涉及一种具有多个E类转换器模块的转换器电路，这些E类转换器模块的开关晶体管和存储电感全部串联连接，并且这些E类转换器模块的开关晶体管能够经由共同的控制线路加以控制。

此外，本发明涉及一种相应的镇流器，特别是一种具有功率因数校正电路的镇流器，在该镇流器中能够利用功率因数校正电路的不减小的输出电压来驱动转换器电路。

此外，本发明还涉及一种灯系统，具有根据本发明的电子镇流器和利用所述镇流器可驱动的介电阻碍的放电灯。在优选的应用情况的范围内，该灯系统用于显示器、电视屏幕或显示装置中的背景照明，用于光源中的照明，或者用于技术上的UV辐射器中的UV处理。

此外，本发明还涉及一种显示装置、特别是显示器或电视屏幕，具有根据本发明的用于背景照明的灯系统。

此外，本发明的优选的扩展方案将在下面更详细地进行说明。在此，单个特征总是既涉及本发明的装置范畴又涉及本发明的方法范畴，并且涉及前面列举的本发明的不同方面。

本发明的基本思想在于，不是将E类转换器理解为独立的转换器电路，而是将其理解为转换器电路的模块。根据本发明，这样的E类转换器模块以串联形式连接，以致它们的本来在模块内串联连接的存储电感和开关晶体管总体上构成串联电路。单个E类转换器模块的开关晶体管经由共同的控制信号来控制，以致单个模块能够同步地并且至少基本上同相位地工作。用于接通和关断存储电感的电流的开关晶体管也同时被接通，这在共同的控制信号的意义上通过控制单个开关晶体管的控制线路在信号技术上的耦合来实现。

这具有以下优点，即在某种程度上可以说模块的串联电路能够被用作分压器开关，所述模块的串联电路将供电直流电压分配到单个模块上，并且由此将减小的供电直流电压施加到单个模块上。特别地，单个模块的直流电压电平被合计，这将根据实施例更详细地进行说明。

由此，得到另一个自由度，即能够使用相对大的供电直流电压，而无须使单个E类转换器与之匹配。这既涉及开关晶体管的容许负荷又涉及其他元件的容许负荷，但是首先涉及在转换器输出端上的变压器的设计。

更确切地说，利用本发明，一方面可以使用相对高的供电直流电压，另一方面可以不依赖于供电直流电压首先在效率方面在模块内部优化转换器拓扑。因此随后可以确定，可以采用多少个串联连接的模块来在总体上满足要求。

本发明的一个重要方面在于，应经常使用功率因数校正电路，在该功率因数校正电路中输出电压的选择不总是自由的。例如在文章开头已经提及的升压转换器不能够产生低于电网电压峰值的输出电压，然而出于另外的原因是有利的。例如已经在这种升压转换器的输出端上使用另一个降压转换器，以便使本来已经存在的供电直流电压转换到对转换器有利的电压水平。利用本发明来取消这种花费。更确切地说，可以将根据本发明的转换器电路直接用在升压转换器的输出端上，其中“直接”意味着不必进行电压电平匹配。

所提到的模块中开关晶体管的单个控制线路在信号技术上的耦合优选地通过电容器来实现。电容器的直流电压隔离具有以下优点，即模块的不同的电势水平不干扰，亦即替代单个的匹配于相应电势的驱动器电路，能够使用共同的驱动器电路。

此外，优选地在每个模块内使用齐纳二极管，该齐纳二极管原则上处于开关晶体管的控制端子和参考电势端子之间，在共源电路中的FET的情况下也处于栅极端子和源极端子之间。在此情况下，应在串联电路的范围内理解概念“参考电势端子”，亦即可以表示提高了位于“其下”的模块的直流电压幅值的参考电势。在某种程度上可以说，这是从单个模块的角度来看的参考电势。该齐纳二极管限制控制端子上的电压电平，并且与所提及的控制线路的耦合电容器一起用于调整其直流电压电平。此外，在适当的设计的情况下，该齐纳二极管通过短接高于其导通电压的分量而具有有效的“滤波器作用”以滤出控制信号中的干扰分量。由此，并不意味着在低通意义上的滤波器作用。而是，如果高频分量的幅度处在高于齐纳二极管导通电压的信号分量中，则高频分量被短接。因而，高于导通电压的分量的“截止”也涉及高频分量。因此，栅极控制不依赖于供电电压调制和控制信号干扰。

E类转换器经常具有在供电侧的用于稳定供电电压的电容器，通常为电解电容器。在本发明的一个实施形式中规定，每个模块具有自身的这样的供电电容器。然而，在本发明的另一实施形式中，这些供电电容器通过唯一的针对整个串联电路而设置的电容器来代替。在第三实施形式中混合地存在这两种情况，其中模块内部的供电电容器可以相应地更小并且可能也可以作为简单的薄膜电容器(Folienkondensator)来实施。为了阐明，参考实施例。

此外，优选地也在模块中与各个开关晶体管的开关路径平行地设置电容器，该电容器用于电压成形。

本发明的另一个扩展方案规定在各个开关晶体管和各个存储电感之间的每个模块的分接点的容性短路。这允许通过高频短路而使各个模块上的交流电压信号对称。由此避免由于次级电压分配而引起的问题和经由容性耦合的影响。也即在开关和存储电感上的初级电压不必一定相同。更确切地说，由于初级线圈和次级线圈之间的容性耦合以及由于次级侧的相互连接的影响，导致不对称。所提及的高频短路消除这样的不对称。

优选地，各个模块的输出端具有变压器，其中该变压器的次级线圈不必一定串联连接，然而优选是这样，如在实施例中所描述的。

本发明的优选的应用领域在于，驱动介电阻碍(dielektrischbehindert)的放电灯，即在这种灯的电子镇流器中使用所述转换器电路。此外，这种灯系统可以例如在计算机显示器或电视机的背景照明中或者在其他显示装置中得到应用。重要的还有UV辐射器，即这样的灯，在这些灯中利用来自放电的最初的UV射线，并且不使用荧光物质或借助于合适的荧光物质转换为波长更长的UV射线。这样的UV辐射器用于不同的技术任务，特别是用于材料处理、表面修整、水的净化和杀菌。

附图说明

下面借助实施例来更详细地说明本发明，其中已经阐明的特征应根据本发明的不同范畴和方面来理解，并且此外可以以其他组合成为本发明的本质。

图1示出作为第一实施例的、根据本发明的转换器电路的简单的示意性实例。

图2示出相对于图1中的电路具有一些附加特征的转换器电路的第二实施例。

图3示出转换器电路的第三实施例。

图4示出转换器电路的第四实施例。

具体实施方式

图1示出用于为介电阻碍的放电灯供电的镇流器中四个E类转换器模块的串联电路。在图1上方所画出的以及处于高电势的第一模块具有开关晶体管S1(这里为功率MOSFET)、带有次级线圈L2的存储电感L1、供电电解电容器C11、控制耦合电容器C7和齐纳二极管Z1。存储电感L1和开关晶体管S1串联连接，其中在下方的开关二极管S1的源极端子处于模块内部的参考电势上，该参考电势构成位于其下方的模块(S2、L3、L4、C12、C8、Z2)的正的供电电势。

开关晶体管S1的漏极端子与存储电感L1的下方端子相耦合，该存储电感L1的上方端子处于大约450V的中间电路直流电压上。以这里未详细示出的常规的方式，通过借助升压转换器的整流和转换而从电网供电电压中产生这个中间电路供电电压。

供电电容器C11与由存储电感L1和开关晶体管S1组成的串联电路并联，该供电电容器C11用于支持供电电压并且因而作为相对大的电解电容器加以实施。

在图1左下方输入中央控制信号SE，并且在这里象征性地作为方波形式示出。这个中央控制信号SE经由未用数字标明的电阻和控制耦合电容器C7－C10(在上方的模块情况下为C7)被施加到开关晶体管的栅极上。控制信号耦合输入也是纯交流电压的。在开关晶体管S1的栅极端子和源极端子之间连接有齐纳二极管Z1，该齐纳二极管Z1调整耦合电容器C7的直流电压水平并且阻止栅极端子上的过电压。此外，通过对耦合输入的控制信号电平的合适的调整，可以实现，在开关晶体管S1开路的情况下，控制信号比齐纳二极管Z1的导通电压高一些并且由此叠加在控制信号上的齐纳二极管Z1中的干扰被短路。针对这种短路情况，在共同的控制线路中设置电阻，亦即例如在耦合电容器C7左边的电阻。

结构相同的、具有用相应较大的数字标明的元件的第二模块位于所描述的第一模块之下，其中第一模块的内部(低)的参考电势形成第二模块的正的供电电势。相应的关系适用于第二和第三模块，并且适用于第三和第四模块。第四模块的内部的参考电势位于地，如图1所示，并且在第四开关晶体管S4的源极端子情况下经由电流测量电阻R_M 被耦合到地。

如在分压器电路的情况下，450V的供电电压被分配到四个供电电容器C11-C14上，以致将电容器中的每一个充电至大约112。5V。这被视为较有利的值，因为在40V至120V范围内的直流电压通常有利于驱动用于驱动介电阻碍的放电灯的E类转换器。单个模块供电电压也可以通过相应较大的模块数量来减小。

首先存在某种担心，即材料容差、特别是电解电容器C11－C14的不同的电容和/或不同的电感会导致单个模块的供电电压明显不同，直至导致元件的损坏。然而，已经显示出，出现的波动是相对小的并且是可掌控的，并且电路稳定地工作。其原因主要在于在单个模块供电电压提高时由这个模块所转换的脉冲能量增加，并由此将相应的供电电容器更强烈地放电。

此外，在图1中所示的电路中，单个开关晶体管S1-S4的漏极－源极电压并未累加起来。更确切地说，单个漏极-源极电压合计为分别位于其下的相对于电路参考点的直流电压水平，亦即例如开关晶体管S2的漏极-源极电压合计为电容器C13的上方端子上的225V。这里也不涉及单个开关晶体管的串联电路，如例如为了提高总截止电压而已知的。

除了使电压稳定，供电电容器也具有以下意义，即吸收从单个E类转换器模块的次级电路回馈到初级电路中的能量。参考已经引用的EP 0 927 506 B1。此外，E类转换器的工作方式对于本领域中的技术人员来说是已知的。

在这个实施例中，存储电感与次级线圈L2、L4、L6和L8耦合，这些次级线圈又形成串联电路。由此，通过依照图1在时间上同步地控制开关晶体管S1-S4，也将次级侧的感应电压相加起来。

次级侧的电感L2、L4、L6和L8当然也可以不同地相互连接，例如并联连接。这是使阻抗与需要供电的介电阻碍的放电灯匹配的问题。在本情况下，串联电路是有利的，因为应产生相对高的电压。因此串联的输出电路首先是优选的，因为由于同型元件的参数差异而在并联电路的情况下可能有补偿电流流动，该补偿电流鉴于电磁兼容性和损耗是不利的(所谓的铃声(Klingeln))。在所有情况下，单个模块的功率合计为总功率。

在此，本发明也具有另外的优点，即当需要供电的灯要求较大的输入功率时，通过分配到多个模块上、特别是分配到多个电感或变压器上能够实现更有利的结构尺寸、特别是结构高度。在结构上，多个小的变压器经常比一个较大的变压器更有利。

图2示出图1的一个变型方案。

图2示出与图1尽可能类似的结构，其中对于相应的元件也使用相同的附图标记。附加地，每个模块分别在齐纳二极管的上方端子和开关晶体管的栅极端子之间包含以阳极连接到齐纳二极管的阴极上的整流二极管和双极晶体管，该双极晶体管的发射极连接在该整流二极管和栅极端子之间，其基极连接在该整流二极管和齐纳二极管之间，而其集电极连接到各个开关晶体管的源极端子上。整流二极管用D1-D4标明，与此相对，双极晶体管用S5-S8标明。这种相互连接导致，能够通过以下方式特别快地关断开关晶体管S1-S4，即栅极端子上的电势特别快地经由各个双极晶体管S5-S8的发射极-集电极路径被引导到栅极电压阈值之下。二极管D1-D4导致，能够经由双极晶体管S5-S8关断开关晶体管S1-S4并且经由二极管D1-D4接通开关晶体管S1-S4。

此外，用R1-R4标明的与齐纳二极管并联的电阻导致，E类转换器模块的整个串联电路无需控制信号SE就可以独自关断。

图3示出第三实施例，其首先通过以下方式区别于前面的两个实施例，即仅仅使用三个模块。此外，在这里，变压器的初级线圈和次级线圈L1和L2、L3和L4、L5和L6相互分离地被画出，这应仅仅用于图形的清晰并不表示相对于图1和2在技术上的改变。最后，这里略去开关晶体管S1-S3的控制电路，这些控制电路根据图2来实现。

一方面，设置附加的分别与开关晶体管S1、S2和S3并联的电容器C1、C3和C5，这些电容器C1、C3和C5用于经由晶体管的信号成形。与其平行地画出的整流二极管D1-D3是开关晶体管S1-S3的固有的体二极管。当不使用MOSFET而使用例如双极晶体管时，必须应用这种分离的二极管。

此外，在存储电感L1、L3和L5与分别所属的开关晶体管S1、S2或S3之间的分接点经由耦合电容器C2、C4或C6被短接。这种高频短路使交流电压信号对称并且由此防止可能由于次级电压分配和容性耦合而出现的问题。

最后，图4示出第四实施例，其对应于图3的第三实施例，但具有以下例外：单个E类转换器模块的供电电容器C11、C12和C13由同一供电电容器C21来代替，该供电电容器C21与整个串联电路并联。这样一个较大的电解电容器通常比多个小的电解电容器成本低。

一个优选的实施形式也可以以图3和4的组合形式如此来实现，以致相对大的共同的存储电容器C21与相对小的模块单独的存储电容器C11、C12和C13一起被使用，亦即在现有的三个模块中总共有四个电容器。与按照图1-3的只是模块单独的解决方案相比，这种解决方案的元件成本还更低。特别地，可以将薄膜电容器用于模块单独的存储电容器。

总之，通过简单的模块化的结构构成形式，本发明通过以下方式显示出大的灵活性，即能够根据可供使用的供电直流电压来装配优化的E类转换器模块。即使在次级侧也能够通过适当的电路连接(串联或者并联)而与需要供电的灯匹配。中间连接用于降低升压转换器输出端的直流电压水平的其他变换器的必要性被取消。替代地，能够直接在升压转换器的输出端上驱动按照图1-4的转换器电路。最后，在个别情况下划分成多个存储电感或变压器也提供空间上的大的灵活性，特别是提供有利的结构高度。

本发明特别适于为例如用于显示器背景照明的介电阻碍的放电灯供电，而且特别是在灯的功率较大时(例如在大尺寸电视屏幕的情况下)。

Claims

1.一种具有多个E类转换器模块的转换器电路，所述E类转换器模块以串联形式连接，以致它们的本来在模块内串联连接的存储电感(L1、L3、L5、L7)和开关晶体管(S1-S4)总体上构成串联电路，并且所述E类转换器模块的开关晶体管(S1-S4)能够经由共同的控制信号(SE)来加以控制。

2.按照权利要求1的转换器电路，其中所述E类转换器模块的相应的开关晶体管(S1-S4)的单个控制线路经由相应的电容器(C7-C10)与共同的控制线路相耦合，以便传输所述共同的控制信号(SE)。

3.按照权利要求1或2的转换器电路，在每个E类转换器模块中在相应模块的所述开关晶体管(S1-S4)的控制端子和参考电势端子之间具有相应的齐纳二极管(Z1-Z4)。

4.按照权利要求1的转换器电路，其中每个E类转换器具有自身的供电电容器(C11-C14)。

5.按照权利要求1的转换器电路，其中总的E类转换器模块的串联电路具有共同的供电电容器(C21)。

6.按照权利要求1的转换器电路，其中在各个E类转换器模块中将电容器(C1、C3、C5)分别与相应的开关晶体管(S1-S4)的开关路径并联连接。

7.按照权利要求1的转换器电路，其中将所述E类转换器模块的相应的开关晶体管(S1-S4)和相应的存储电感(L1、L3、L5、L7)之间的相应的分接头容性地(C2、C4、C6)相互短接。

8.按照权利要求1的转换器电路，其中所述E类转换器模块分别具有作为输出端的变压器(L1-L8)。

9.一种用于介电阻碍的放电灯的电子镇流器，具有按照上述权利要求之一的转换器电路。

10.按照权利要求9的电子镇流器，具有功率因数校正电路，在所述电子镇流器中能够利用所述功率因数校正电路的不减小的输出电压来驱动所述转换器电路。

11.按照权利要求10的电子镇流器，其中所述功率因数校正电路是升压转换器。

12.一种灯系统，具有按照权利要求9-11之一的电子镇流器和利用所述镇流器可驱动的介电阻碍的放电灯。

13.按照权利要求12的灯系统，该灯系统用于显示器、电视屏幕或显示装置中的背景照明，用于光源中的照明，或者用于技术上的UV辐射器中的UV处理。

14.一种显示装置，具有按照权利要求12的用于背景照明的灯系统。

15.按照权利要求14的显示装置，该显示装置是显示器或电视屏幕。