CN1794895B

CN1794895B - 带瞬时程序启动电子镇流器的并联灯

Info

Publication number: CN1794895B
Application number: CN2005101373819A
Authority: CN
Inventors: T·陈; J·K·斯卡利
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2025-11-14
Also published as: EP1657968A2; US7193368B2; EP1657968A3; TW200628018A; US20060103317A1; CN1794895A

Abstract

在一个电流馈送电子镇流器(10)中，多个灯(20)以并联电路配置操作。镇流器(10)在开路电压被斜升到各灯的优选启动电压之前会给各灯的阴极提供一段时间的预热。开路电压控制器(22)对所述预热和操作电压进行定时和协调。在预热阶段之后，将电流从各灯的阴极中去除，以使得在灯点燃期间到阴极的电不被浪费。不论镇流器操作多少个灯，都采用单个开关来控制阴极预热的开和关。二极管的去耦合阵列(166)允许该单个开关协调对所有灯的预热。

Description

带瞬时程序启动电子镇流器的并联灯

背景技术

通常制造两种主要类型的荧光镇流器用于低压、热阴极放电灯。第一类是热启动电子镇流器，也被称为程序启动电子镇流器。通常，程序启动电子镇流器在灯启动期间给灯提供相对低的电压以及一个分开的阴极加热电流。在灯点燃前预热阴极、降低触发灯所需的电压值，也就是说，将辉光放电电流减到最小。通过减小辉光放电电流，阴极寿命由于在灯启动时飞溅掉的阴极数量减到最小而得到延长，从而延长整个灯的寿命。

这种照明系统对频繁开关灯的环境特别有用，诸如会议室、厕所或其他需要频繁但并不连续的使用的环境。在这些环境中，当使用房间时需要灯，但当没人使用房间时灯通常被关断以节约能源。简而言之，程序启动电子镇流器对用于承受高数量的开/关循环的灯是有益的。

尽管具有其优点，程序启动电子镇流器也具有缺点。第一，因为它必须在触发灯之前预热阴极，所以从灯开关被激活的时刻到灯发出可见光的时刻会有一个显著的延迟。通常所述延迟大约为1.5秒，因此所述延迟在使用者希望近乎瞬时地照明一个区域的环境是一个缺陷。

程序启动镇流器的另一个缺点是一旦灯被点亮，当不再需要加热阴极时，电流仍被提供来加热阴极。每个灯的所述电流会消耗3至5瓦的功率，所述功率可达到某些系统操作功率的10％。所述电流被浪费了，其既不能提供额外的照明，也不能延长灯的寿命。这种在灯点亮后的功率浪费降低了整个系统的效率。

另外，程序启动灯镇流器通常采用串联灯结构。在串联结构中，如果一个灯出现故障，整个镇流器的电路都将切断，从而使得镇流器中的所有灯都被关断。因而，所述镇流器中的灯无法产生光，而如果灯被构造成并联结构，则其他灯可以产生光。由于所有的灯不能产生光，就需要更频繁的照明安装服务，从而增加了维护系统的劳动成本。

再一个值得关注的问题是大部分程序启动镇流器需要IC驱动控制。这种类型的控制增加了镇流器的成本。

第二类常用的镇流器(瞬时启动镇流器)解决了程序启动镇流器的一些问题，但是，它也引入了一些自己的新问题。通常，瞬时启动镇流器不预热阴极，而是直接将操作电压加在灯上。在这种设计中，当开关开启时，高电压被施加在灯的两端。对常用系统而言，电压大约为600V，而尖峰电压能达到大约1000V。利用这个加在灯两端的高电压，存在足够的辉光电流以将灯带到一个能快速点亮的点。因此，与程序启动系统相比，灯的点亮时间更短(通常大约0.1秒)，并且随着灯开关的激活基本上可同时看见光。而且，由于操作电压被直接加在灯阴极的两端，在操作期间阴极没有额外的电流消耗。如果灯出现故障，瞬时启动镇流器也采用具有固有内置冗余度的并联灯结构。

然而，瞬时启动镇流器产生了辉光放电电流，降低了在灯触发之前的短暂期间内的阴极的完整性。在瞬时启动的情况下，阴极随时间以一定速率恶化，并导致灯出现早期故障。

因而，瞬时启动镇流器的一个缺点是太早出现灯故障。因为瞬时启动镇流器烧穿阴极太快，所以灯在到预期寿命很早之前就出现了故障。

程序启动镇流器由于浪费功率而效率低下，瞬时启动镇流器由于对于给定时间需要更多的灯因而效率低下。因此，需要利用程序启动镇流器的有利方面(例如，长灯泡寿命)并将其与瞬时启动镇流器的优点(例如，快速启动时间)结合来生产一种改进的灯镇流器。本发明试图提供一种结合了程序启动和瞬时启动镇流器的积极方面而又避免扩大那些镇流器的消极方面的方法和设备。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种电子镇流器。该镇流器包括一个将直流总线电压转换成交流信号的逆变器，用以在预热阶段期间给至少一个灯供电。阴极电流控制器给所述至少一个灯提供预热电流。开路电压控制器在预热阶段后给所述至少一个灯提供灯点火电压。

根据本发明的另一方面，提供了一种灯操作方法。交流线电压被接收、调节并被转换成直流总线信号。该直流总线信号然后被转换回用于灯操作的交流信号。预热电流被提供给灯的阴极。预热电流被重定向并与另一个电流相组合来点亮灯。

根据本发明的又一方面，提供了一种电子镇流器。一个逆变器将直流总线电压转换成交流灯操作信号。控制阴极电流的镇流器电容系统调节到至少两个灯的预热电流。第一和第二二极管对分别将第一和第二灯相互去耦合。

附图说明

图1是根据本发明的镇流器的方框图示例；

图2是图1镇流器的逆变器电路的电路图；

图3是图1的开路电压控制和阴极电流控制的电路图；

图4是执行图3功能的电路的简单示意图，其被设置成双层主路径单电容组系统电路；

图5是执行图3功能的电路的简单示意图，其被设置成一层主路径单电容组系统电路；

图6是执行图3功能的电路的简单示意图，其被设置成双层主路径双电容组系统电路；

图7是执行图3功能的电路的简单示意图，其被设置成一层主路径双电容组系统电路；

图8示出了强调双层主路径单电容组系统电路的特定组成关系的输出控制电路；

图9示出了强调一层主路径单电容组系统电路的特定组成关系的输出控制电路；

图10示出了强调双层主路径双电容组系统电路的特定组成关系的输出控制电路；

图11示出了强调一层主路径双电容组系统电路的特定组成关系的输出控制电路；以及

图12示出了强调双层主路径双电容组系统电路的特定组成关系的输出控制电路。

具体实施方式

参照图1，描述了根据本发明的一个实施方式的灯镇流器10的方框图。电压源12给镇流器10提供交流信号。电压源12可以提供一个宽范围的输入电压，诸如对于美国来说典型的120V或277V。线电压信号由EMI滤波器14滤波，然后通过功率因数校正电路(PFC)16从交流被转换成直流总线信号。功率因数校正电路16将直流总线信号提供给逆变器电路18，所述逆变器电路可以是电流馈送逆变器并可以产生用于给灯20供电的交流信号。这种设计允许并联灯设置而不需多个逆变器或多个镇流器。在特定的实施方式中，功率因数校正电路16使得镇流器的输入线电流失真变小，例如，针对120V的输入会小于10％、针对277V的输入会小于20％。可以知道，逆变器电路18可以是任何适合的逆变器电路，这种逆变器电路包括半桥电流馈送逆变器和电流馈送推挽逆变器，所述逆变器由逆变器电路18表示。

在通过逆变器18将功率传至一个灯或一组灯之前，其首先由开路电压(OCV)控制器22门控。控制器22对应当将预热电流加到灯20的阴极上多长时间进行定时，并将该信息传至阴极电流控制器24。更特别地，在一个实施方式中，开路电压控制器22在预热阶段期间将每一个灯20两端的电压控制成低于大约300V的峰值。此时，阴极电流控制器24在操作电压被加在灯20上之前将预热电流加在灯20上以点亮灯并使灯操作在稳定状态。预热阶段持续大约0.3至0.5秒，之后，阴极电流控制器24关断灯20的阴极电流。接着，开路电压控制器22将提升电压来点亮灯。在所述实施方式中，一旦加在灯20两端的电压达到450至600V RMS(尤其是大约475V RMS)的范围时，灯20触发并开始发射光。我们知道，开路电压控制器22和阴极电流控制器24可以各是其中一个集成电路控制器，也可以是被设计成分立组件电路的控制器。OCV控制器22被设计成缓冲器和去耦合设置或电路，其中该系统的各灯彼此隔离，这样每个灯可独立工作。在该实施方式中，功率因数校正电路16可以是能接收宽范围的输入电压的有功功率因数校正电路。

因而，图1的实施方式如以下详细叙述的那样示出了一个采用了基于电流馈送的并联灯镇流器拓扑的电路。阴极的电流被控制达到最大电平，以便快速使阴极温度达到热离子发射温度，或者Rh/Rc>5，其中Rh/Rc是最终加热的或热阴极电阻(Rh)与25℃时的冷阴极电阻(Rc)的比率。此外，图1的设计和以下更多详细的图示出了合并有阴极电压短路的设计，其在灯点亮后完全省去了外部阴极加热，从而增加了灯的寿命，并提供了更高的系统效率和降低了单一设计包的成本。所述的照明系统也将具有普通瞬时启动系统的高品质和可靠性。

现在参照图2和图3，其中提供了逆变器18(图2)以及开路电压控制器22和阴极电流控制器24(都在图3中)的一个实施方式的更详细的电路图。

图2示出了逆变器18，所述逆变器基于半桥电流馈送电路拓扑，其包括晶体管开关30、32，所述晶体管开关交替导通。也就是说，当晶体管30导通时，晶体管32不导通，反之亦然。晶体管30、32最好是双极结型晶体管(BJT)，但可以理解，也可采用场效应晶体管(FET)或其他适合的开关器件。通常，晶体管30、32通过由电感38和40配置的变流器串联连接在正极(或上)总线轨34和负极(或下)总线轨36之间。提供电感38、40的变流器用以限制电流。电感38、40使得晶体管30、32可以被看成是一个带有少量交流纹波的基本直流信号。电感38位于正极总线轨34上，电感40位于负极总线轨36上。RLC电路42(其包括电感42a、电阻42b和电容426)用于限定镇流器18的谐振频率。电感42a是功率变换器的初级，它给图1中的开路电压控制器22和阴极电流控制器24供电，这在图3中更详细地示出。晶体管开关30和32由例如示于图2的公知的驱动电路驱动，其包括被配置用于驱动晶体管开关30的二极管44、电阻46和电感48以及被配置用于驱动晶体管开关32的二极管50、电阻52和电感54。也应当注意的是，晶体管开关30有一个并联连接的二极管56，晶体管开关32有一个并联连接的二极管58。图示的电阻60代表连接在谐振电路42和串联连接的晶体管开关30、32之间的等效铜电阻。

具有初级电感42a的功率变换器也包括与初级电感42a耦合的次级电感62和64(图3)。电感64给灯20₁、20₂提供灯操作功率，但是在预热阶段期间，FET 96被打开以使在预热阶段期间灯两端的电压减小。当预热阶段结束时，FET96被关断，电压斜坡上升以点亮灯20₁、20₂。同时，电感62从初级电感42a吸收功率以给灯20₁、20₂的阴极提供预热。在一个实施方式中，电感64具有低于50％的总的次级电压。例如，在一个实施例中，电感64可以产生大约45％的电压、电感62吸收大约55％的电压。也可采用其他比率，但是所提到的比率足够用以保持预热电压较低以将辉光放电电流减小到低于10ma并且使灯两端的峰值电压小于300V。

次级绕组被分成两个次级绕组62和64的原因是要允许这样的电路配置：第一绕组62可以被旁路，进而只有绕组电压的第二半(即来自绕组64)和电感90上的电压将被加在灯两端。这样就使得上面提到的灯两端的电压减小。

来自绕组62的电压通过几个二极管，包括二极管66、68、70和72。这些二极管与上电容80、82、84及86相互连接。所述二极管和电容配置提供缓冲、去耦合操作，这样使得当单个灯处于稳定状态时，每一个单独灯可以被分开操作并且不受系统其他灯的去除、关闭或故障的干扰。这些二极管和电容的配置将在下面的图中做更详细的讨论。

来自次级电感62的电流也给阴极预热初级电感90充电。电感90传送功率至阴极预热次级电感92₁、92₂、92₃。可以知道，图3中示出了分开的阴极预热绕组92₁、92₂、92₃，这些绕组以公知的方式与灯连接。例如，一个绕组以并联方式提供两个灯阴极，而其他两个绕组与各个单独的灯连接。

继续参照图2和图3，晶体管94与晶体管96的栅极连接。晶体管94由定时电路98门控。定时电路96被设置成具有最佳的预热时间(大约0.3至0.5秒)以便对灯的触发进行定时。一旦定时电路98被充电，到晶体管96的栅极电压被减小至大约0.3V以使其变为不导通，从而去除了灯20₁、20₂的预热电流。

定时电路98可以被设置成不同的设计，在这个实施方式中包括组件二极管100、电感102、与电阻106并联的电容104、电容108和电阻110。另外，电阻112被设置成与二极管114并联，电阻116连接二极管100至晶体管94。这些组件被设置为定时电路98以便向晶体管94馈电，所述晶体管94如前面所述的那样连接到晶体管96的栅极。

再次参照图2，二极管118′、120′和电感122′形成一个电压钳。如果要从镇流器10中去除灯20₁、20₂中的一个或者其出现故障，由于在预热阶段期间的电压钳，剩余的灯仍将具有相同的电压。

图2-3中还示出了更多以前没有特别指出的元件。这些组件124-154对于现代照明镇流器来说是常见的，并且它们的功能对本领域的普通技术人员来说是公知的。

可以知道，图3中的输出控制方案是被配置成选择性地缓冲、去耦合和隔离照明系统中的各灯的电路的一个实施方式，其中图3中的该方案包括所述电容和二极管网络。下面的图列出了更多能实现这些功能的实施方式。特别地，图4是用于本发明应用的双层主路径单电容电路电压控制方案的一个实施方式的简化型式。电容160、162和164共同形成一个镇流器电容系统。每个灯20与该镇流器电容系统的电容160、162、164的其中之一连接。图4中至示出了三个电容160、162、164和灯20₁、20₂、20₃，但可以理解，对于每个实施方式，镇流器10可操作任何数量(更多或更少)的灯。可以将附加的灯与其自己的电容并联加入，所述电容加入在该镇流器电容系统中。无论灯可操作与否该镇流器电容系统都存在。因而，当使得一个灯不工作时，剩余的灯仍将具有相同的操作电压，例如电容160、162、164两端的电压大约为475V RMS。如果不存在镇流器电容系统则将没有办法限制各灯处的灯电流，那么镇流器将会出现故障。

该镇流器电容系统中的每个电容160、162、164在灯的启动期间作为缓冲器操作。不论什么时间点亮每个灯(如果它们不精确地同时点亮)，未点燃的灯仍将具有相同的电压，例如大约475V RMS。也就是说，镇流器电容系统保持到未点燃的灯的点亮电压不与其他灯的照明发生干扰。另外，为了保持所述电压低至优选的预热电压值，一个去耦合阵列166在预热阶段期间将A、B、C和D各点短接在一起。以这种方式，灯20₁、20₂、20₃没有经受由两个次级绕组62、64提供的全部电压，相反地，它们只具有由绕组64提供的电压。这样，各灯不经受辉光放电现象，因为灯两端的电压被保持在一个安全的电平。

在图4中，当使用者激活灯开关时，去耦合阵列或网络166使A、B、C和D各点短接。在预热阶段之后(大约0.3至0.5秒)，阴极电流控制器24从阴极预热操作中打开从电感62开始的电流路径，从而提升用于触发灯的电压。以所述方式，在灯点燃之后，阴极预热电流没有被浪费，因为不再需要给到灯阴极的阴极加热变压器98、92₁、92₂、92₃提供预热电流。

参照图5，和图4类似，图5也示出一个概括图。但是，图4中的阴极切断控制块24与点A连接，从而构成一个双层主路径单电容电路，而图5中的阴极切断控制器24与下轨36连接。因而在这种设计中，加在电感62和64两端的电压被提供给阴极切断控制器24。

图6与图4、5类似，其提供了输出控制电路的概括设计，在该图中是一个双层主路径双电容控制电路。特别地，在图6的电路中，阴极切断控制块24再次与电感62和64中间的点A连接。然而，与图4电路有区别的是，包括电容168、170、172的附加电容块被添加在灯20₁、20₂和20₃与下轨36之间。在该设计中，电容160、162、164与电容168、170、172一起，与各个灯20₁、20₂、203串联。在该配置中，获得了的电路设计的更进一步的自由度。特别地，在图4和图5中采用的是单电容系统，所述电容的主要功能是给阴极提供足够数量的电流。但是，这些电容也可在正常操作电流期间被选择来控制灯。然而，在图6中以及在图7中示出，通过采用双电容组系统，使得单独实现这两个任务是可能的，而不是试图在单电容系统中处理这两个任务。例如，在一个实施方式中，对电容160、162和164的选择可以被用来控制提供给阴极的预热，而电容168、170和172可以被选择来最好地控制灯电流。应该知道，图3中的组件配置也是一个双层双电容网络。这样，每一个所述的镇流器系统帮助调节到灯阴极的电流和稳态操作电流当中的至少一个电流。

参照图7，提供了一个一层主路径双电容系统电路。特别地，阴极切断控制块24与图5中提供的下总线36连接，其中提供了绕组62和64的总电压，并且例如如图6中所示选择了一个双电容系统。这样，与图6类似，为最优控制电路而可以在设计和选择组件值方面实现更大的自由度。

图4中的框图在图8中进一步详细描述。图示的阴极电流控制器24包括一个控制阴极预热的开关70(见图3)和系统电容174。在前述的实施方式中，每个灯20都有一个电流控制网络(例如，二极管网络)，其在这里具体体现为两个去耦合二极管。如图8中所描述的那样，灯20₁与二极管176和178相关联，灯20₂与二极管180和182相关联，灯20₃与二极管184和186相关联。二极管176-186是去耦合阵列166的一部分。当开关70导通时，和前面讨论的一样，它将点B、C、D短接并通过电容174短接至点A。当开关70导通时，双向电流可从点A流出，其在第一个半周期流过二极管176(经过点B)，并且流过二极管178、FET 70而回到点A。这样，当开关70导通时，点A和点B实质上是电路中同一个点，也就是说，它们被短接(假定电容174具有低交流阻抗)。同样的，当开关70导通时，电流可从点A流出，其流过二极管180(经过点C)并且流过二极管182而回到点A，从而实质上将点C和A短接在一起。以同样的方式，导通开关70、二极管184和二极管186将点D和A短接在一起。图8所示的电路拓扑很容易扩展以容纳更多的灯。每个附加的灯可伴有两个额外的二极管，以扩展去耦合阵列166。应当理解，电流控制网络可采用除二极管外的其他组件，只要所述组件能实现所需的去耦合操作即可。

当开关70不导通时，分别断开从点B、C和D通过二极管178、182和186回到点A的路径。由于电容160、162、164上的峰值电荷，电流的反向流动被二极管176、180和184阻止。这样，当开关70打开时，阴极预热被去除。开关70和去耦合阵列166确保将均匀的阴极加热施加在灯的并联设置上。该去耦合阵列允许存在并联关系，而不会使得每一个并联灯的定时和开关复杂化。

在一个替换实施方式中，如图9所示，二极管190、192、194、196、198和200具有与二极管176-186相反的极性。这样，当开关70′导通时，电流以相反的方向流过该开关。电路的其他部分和图8描述的电路类似。

在另一个替换实施方式中，如图10所示，附加的镇流器电容系统20被添加到图8的电路上。由电容168、170、172构成的第二镇流器电容系统可以分担第一镇流器电容系统的任务，例如控制开路电压和调节阴极预热电流。添加第二镇流器电容系统将提供更多通用性，因为能在两个镇流器电容系统之间分担任务。提供虚线202以强调这些实施方式可以具有一个在绕组62、64之间或者到下总线36的连接点。

在再一个实施方式中，如图11所示，图10的各二极管具有相反的极性。这样，当开关70导通时，电流反向流过该开关。电路的其他部分和图10描述的电路类似。

虽然上述概念可以在很多设计中实现，以下组件值可被用于至少一个实施方式中：

晶体管30……………………………………………………BUL1102E

晶体管32……………………………………………………BUL1102E

电感38…………………………………………………………4.4mh

电感40…………………………………………………………4.4mh

电感42a………………………………………………………920μh

电容42c……………………………………………………0.012μf

二极管44，50………………………………………………D1N5817

电阻46，52……………………………………………………75Ω

电感48，54…………………………………………………0.45μh

电感62…………………………………………………………0.6mh

电感64…………………………………………………………0.5mh

二极管66，68，70，72………………………………………UF4007

电容80，82……………………………………………………4.7nf

电容84，86……………………………………………………2.2nf

电感90………………………………………………………0.8mh

晶体管94，96……………………………………………FQU2N100

二极管100……………………………………………………D1N4148

电感102………………………………………………………0.6mh

电容104………………………………………………………0.47μf

电阻106………………………………………………………10k

电容108………………………………………………………33μf

电阻110………………………………………………………1000k

电阻112………………………………………………………1000k

二极管114……………………………………………………D1N4148

电阻116………………………………………………………10k

二极管118……………………………………………………UF4007

二极管120……………………………………………………UF4007

电感122………………………………………………………2mh

电容126………………………………………………………47μf

电容128………………………………………………………47μf

电压源144……………………………………………………1000V

电阻146………………………………………………………10Ω

齐纳二极管148………………………………………………2V

电容150………………………………………………………1nf

二极管152……………………………………………………440V

二极管154……………………………………………………440V

在另一个替换实施方式中，如图12所示，组合了两个前述替换实施方式。也就是说，其添加了一个第二镇流器电容系统，然而对整个系统而言所述第二镇流器电容系统由单电容组成。这种设计的通用性比每个灯一个电容的系统稍差，但它实现起来更便宜些。

已经参照前述的实施方式描述了以上的概念。显然，基于阅读和理解前述的详细说明，本领域技术人员可以想到其他修改和变更。本说明书意图包括所有的这些修改和变更。

Claims

1.用于给多个灯中的至少一个灯供电的镇流器，包括：

一个逆变器(18)，其被连接来接收直流总线电压，并将该直流总线电压转换成交流信号以给该多个灯中的至少一个灯(20)供电；

一个阴极电流控制器(24)，其被配置成给该多个灯中的至少一个灯(20)提供预热电流；和

一个开路电压控制器(22)，其减小该预热电流，并提高要被提供给该多个灯中的至少一个灯(20)以作为灯点亮电压的电压；

所述镇流器还包括一个被配置成连接该多个灯的输出级以及一个缓冲器和去耦合配置(166)，其中该缓冲器和去耦合配置(166)被配置成允许所述多个灯中的每个单独的灯(20)被分开操作而不与所述多个灯中的其他灯发生干扰。

2.如权利要求1所述的镇流器，其中所述缓冲器和去耦合配置(166)是一个双层主路径单电容组系统电路。

3.如权利要求1所述的镇流器，其中所述缓冲器和去耦合配置(166)是一个一层主路径单电容组系统电路。

4.如权利要求1所述的镇流器，其中所述缓冲器和去耦合配置(166)是一个双层主路径双电容组系统电路。

5.如权利要求1所述的镇流器，其中所述缓冲器和去耦合配置(166)是一个一层主路径双电容组系统电路。

6.如权利要求1所述的镇流器，其中所述缓冲器和去耦合配置(166)是一个单层主路径双电容组系统电路，其中该双电容组系统包括具有多个电容的第一电容组和具有单个电容的第二电容组。

7.如权利要求1所述的镇流器，其中所述缓冲器和去耦合配置(166)是一个双层主路径双电容组系统电路，其中该双电容组系统包括具有多个电容的第一电容组和具有单个电容的第二电容组。

8.如权利要求1所述的镇流器，进一步包括：

第一镇流器电容系统，其包括至少一个电容，所述电容调节以下各项的至少其中之一：

(i)到灯阴极的电流；和

(ii)到所述多个灯中的至少一个灯的稳态操作电流。

9.如权利要求8所述的镇流器，进一步包括：

第二镇流器电容系统，该系统用于调节以下各项的至少其中之一：

(i)到灯阴极的电流；和

(ii)到所述多个灯中的至少一个灯的稳态操作电流。