CN1925710A - Sepic变换器的电隔离 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有SEPIC变换器(L1，C1，DS1，S1，L2)的电子镇流器，用于操作电灯、特别是放电灯、确切地说是低压放电灯(LA)。除了SEPIC电容器(C1)之外，电子镇流器具有第二隔离电容器(C2)，该第二隔离电容器(C2)防止直流电流通过电子镇流器并且能够利用相对地电位低的端电压。

Description

SEPIC变换器的电隔离

技术领域

本发明涉及一种具有SEPIC变换器的电子镇流器，用于操作灯、特别是放电灯、确切地说是低压放电灯。

背景技术

用于操作灯的电子镇流器是公知的。这些电子镇流器通常包括用于整流交流电压供给并且给常常被称为中间电路电容器的电容器充电的整流电路。中间电路电容器两端的直流电压用于给操作灯的逆变器供电。逆变器将从直流电压中生成用于灯的电源电压，该灯要以高频电流来操作。

电子镇流器常常包括用于功率因数校正的变换器，例如包括SEPIC变换器。SEPIC变换器可被用来给对下游逆变器供给直流电压的中间电路电容器进行充电。在这种情况下，只有当交流电压供给的瞬时电压值高于出现在中间电路电容器两端的电压时，才通过SEPIC变换器防止由交流电压供给来给中间电路电容器充电。其结果是避免交流电压供给的电压最大值附近的短期脉冲型充电电流，不容许得强的谐波频谱和差的功率因数定期由该电流产生。

与其它变换器概念对照，例如通过与升压变换器相比，SEPIC变换器的优点在于，变换器的输出电压能够在相对宽的范围内根据期望设置。SEPIC变换器的电路概念是本领域技术人员所公知的并且因此不需要在此详述。然而，在接下来的描述过程中将以辅助方式参考各种解释。

发明内容

本发明基于以下技术问题，即对具有SEPIC变换器的改进电子镇流器进行详细说明。

本发明涉及一种用于操作灯的电子镇流器，该电子镇流器具有用于由交流电压来给该电子镇流器供电的整流器、具有用于给灯供给高频交流电压的逆变器、具有用于给逆变器供给直流电压的中间电路电容器以及具有用于对中间电路电容器进行充电的SEPIC变换器，该SEPIC变换器具有

-串联电路，该串联电路被连接在第一整流器输出和中间电路电容器之间，该串联电路由第一线圈、SEPIC电容器和二极管构成，

-开关元件，该开关元件与中间电路电容器并联地被连接在第一线圈和SEPIC电容器之间的连接点处，以及

-第二线圈，该第二线圈与中间电路电容器并联地被连接在SEPIC电容器和二极管之间的连接点处。

该电子镇流器的特征在于，该电子镇流器具有隔离电容器，该隔离电容器在开关元件和第二线圈之间与SEPIC电容器并联地被连接到第二整流器输出。

本发明的优选改进方案在从属权利要求中具体描述并且在下面更详细地解释。

本发明首先基于电隔离是电子镇流器中所期望的这个发现，因为电隔离很少可能损坏电子镇流器或者危及人。例如，当电网电源被连接到灯接线而不被连接到为此目的而特定设置的镇流器的输入时，利用电隔离来降低毁坏电子镇流器的风险。

电子镇流器经由交流电压供给进行操作并且常常不被连接到地电位。整流器输出处的电位呈现与地电位相反的特性分布曲线，并且这里将通过全桥整流器的实例进行描述。

在电网电源的每第二个半波期间，每种情况下的整流器的输出之一和接地之间的电位差都遵循交流电压供给的原始分布曲线，除了由整流器自身中的电压降引起的比较小的偏差之外。特别地，这个振荡的振幅近似对应于交流电压供给的振幅。在位于其间的电网半波期间，输出之一和接地之间的电位差对应于恒量。针对两个整流器输出，具有恒定电位差的相位相对于地电位在这种情况下移位了180度。对于所有常见类型的镇流器来说都成立的是，整流器输出之一与接地之间的电位差暂时遵循交流电压供给分布曲线。

两个整流器输出对应于SEPIC变换器的两个直流电压输入。SEPIC电容器经由第一线圈被连接到第一整流器输出。大部分整流过的交流电压降落在SEPIC电容器两端。在根据现有技术并且具有SEPIC变换器的耦合线圈的电子镇流器的情况下，降落在SEPIC电容器两端的电压的振幅对应于整流过的交流电压供给的振幅(除了小的电压降落在已经提及的整流器中之外)。

根据本发明的电子镇流器具有隔离电容器，该隔离电容器在开关元件和第二线圈之间并且与SEPIC电容器并联地被连接到第二整流器输出。现在，这个整流过的交流电压的部分电压降落在这个隔离电容器两端。现在，SEPIC电容器两端的电压振幅小于根据现有技术的电子镇流器的情况下的SEPIC电容器两端的电压振幅。

一方面，现在通过面向整流器输入的一侧的电位来确定隔离电容器避开整流器输出的一侧的电位分布曲线，该面向整流器输入的一侧的电位的时间分布曲线与整流器输出处的电位和降落在隔离电容器两端的整流过的交流电压的(上面进一步描述的)分布曲线相同。总的结果是隔离电容器避开整流器输出的一侧与接地之间的交流电压。这个交流电压的均方根值小于隔离电容器侧的整流器输出与接地之间的电压的均方根值。因此，电源电位侧的灯接线与接地之间的有效电压也降低，并且这对操作者的安全和必要的隔离措施都有积极效果。

在本发明的优选实施例中，整流器是全桥整流器。全桥整流器能够有利且容易地被实施。

SEPIC变换器的第一线圈和第二线圈优选地彼此经由公共铁心耦合。如果在调谐电感中发现特定情况，那么就能够借助这种耦合实现本领域技术人员所公知的所谓的纹波电流补偿。

在本发明的优选实施例中，SEPIC电容器的电容偏离隔离电容器的电容只不过10％。如果适当选择两个电容器的电容，并且如果SEPIC电容器的线圈被耦合，那么相当大部分的整流过的交流电压降落在隔离电容器两端，并且隔离电容器避开整流器输出的一侧与地电位之间的交流电压的分布曲线呈现两个极性的可比较的振幅，就是说，关于其平均值特别对称，并且其均方根值特别小。本发明的实施例更优选的是SEPIC电容器的电容偏离隔离电容器的电容只不过8％、5％、3％、1％。

由灯电感器、耦合电容器和灯接线构成的串联电路通常被连接在逆变器的交流电压输出和其电源电位之一之间。耦合电容器在这种情况下确保操作期间在灯两端出现纯交流电压。

本发明的优选实施例具有刚刚所描述的串联电路，该串联电路由灯电感器、耦合电容器和灯接线构成，该耦合电容器位于逆变器的交流电压输出和交流电压输出侧的灯的接线之间。在现有技术中，耦合电容器通常被连接在逆变器的电源电位之一和电源电位侧的灯接线之间，使得电源电位侧的灯接线位于由耦合电容器所设置的电位处，该电位通常为逆变器的电源电位的一半。然而，在本发明的这个实施例中，电源电位侧的灯接线位于隔离电容器避开整流器输出的一侧的电位处。本发明的这个实施例导致接地和电源电位侧的灯接线之间的进一步被抑制的有效电压。

电子镇流器优选地具有与由耦合电容器和灯接线构成的串联电路并联连接的谐振电容器，该耦合电容器比灯接线更靠近交流电压输入。在这种电路的情况下，只有在操作期间也流过所连接的灯的电流流过耦合电容器。因此，耦合电容器能够被设计的相应得小。

在本发明的优选实施例中，该灯是放电灯、特别是低压放电灯。

逆变器通常具有用于为灯提供高频交流电流的开关元件，例如在半桥逆变器的情况下为两个开关元件。SEPIC变换器还具有开关元件。有多种用于控制出现在电子镇流器中的开关元件的可能性。

本发明的优选实施例提供一种用于驱动开关元件的控制电路，该控制电路具有至少一个光耦合器。光耦合器允许在电位差(特别是包括大电位差)的情况下传输控制信号。这种属性在根据本发明的电子镇流器的情况下能有利地被利用。用于驱动多个或全部开关元件的控制电路可求助于电子镇流器内部的可能的参考电位之一，并且也可以通过光耦合器直接控制其电位呈现与控制电路的参考电位相差很大的开关元件。

灯通过适当的电子镇流器进行操作。电子镇流器和灯在这种情况下既单独销售又作为由电子镇流器和合适的灯构成的组合来销售。这里，电子镇流器和灯都可以构成可拆开的单元，并且也可以按惯例被提供为结构上集成的单元，例如提供有节能灯。然而，电子镇流器通常不仅操作一个灯，而是立刻操作若干个灯，例如立刻操作串联连接的荧光灯。电子镇流器或者一个或多个合适的灯的组合在这里被标为灯系统。本发明还涉及这样的灯系统。

灯系统的优选实施例具有由至少两个灯构成的串联电路，这些灯能够共同地利用该镇流器来操作。对多个电灯的串联电路进行操作需要利用比当操作一个灯时所需的电压高的电压。接地与灯接线之间的电压因此也特别高。已经在上面进一步被描述的本发明的作用能够降低这些电压的均方根值。

同上面一样，下面对单个特征的描述涉及设备的类别，并且还涉及与本发明相对应的方法，而不用进一步明确地详细提及。

因此，本发明基本上还涉及用于通过电子镇流器来操作灯的方法，该电子镇流器通过整流器由交流电压来供电，该灯经由逆变器被提供有高频交流电压，并且中间电路电容器给逆变器提供直流电压，而SEPIC变换器由第一整流器输出来对中间电路电容器进行充电，该SEPIC变换器具有被连接在第一整流器输出和中间电路电容器之间的串联电路、开关元件以及第二线圈，该串联电路由第一线圈、SEPIC电容器和二极管构成，该开关元件与中间电路电容器并联地被连接在第一线圈与SEPIC电容器之间的连接点处，以及该第二线圈与中间电路电容器并联地被连接在SEPIC电容器和二极管之间的连接点处，该方法的特征在于，整流器输出和电子镇流器的交流电压输出通过隔离电容器被电隔离，该隔离电容器在开关元件和第二线圈之间与SEPIC电容器并联地被连接到第二整流器输出。本发明还涉及上面所解释的改进方案并且随后也隐含地涉及该方法的改进方案。

附图说明

下面借助示例性实施例对本发明进行更详细地解释。在其它组合中，此过程中所公开的单个特征对本发明也是必不可少的。

图1示出了根据现有技术的电子镇流器的电路图。

图2示出了根据本发明的电子镇流器的电路图。

图3示出了一些相关电位的时间分布曲线。

图4示出了根据本发明的电子镇流器的优选实施例的电路图的详图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的电子镇流器，该电子镇流器具有所连接的低压放电灯LA。在左侧可以看到电子镇流器的两个交流电压输入N1和N2。电源电压(这里是常用的国内网)可被连接到这两个交流电压输入N1和N2。电源电压通过由二极管D1-D4构成的全桥整流器进行整流。全桥整流器D1-D4具有针对整流过的交流电压的两个输出，这两个输出为其电位被选为参考电位RP的下部输出和上部输出。被连接在整流器D1-D4的上部输出和参考电位RP之间的是由第一线圈L1、SEPIC电容器C1、二极管DS1和中间电路电容器C3构成的串联电路。第二线圈L2被连接在SEPIC电容器C1和二极管DS1的连接点与参考电位RP之间。两个线圈L1和L2经由公共铁心K相互耦合。开关元件S1被连接在第一线圈L1和SEPIC电容器C1之间的连接点与参考电位RP之间。SEPIC变换器由第一线圈L1、SEPIC电容器C1、二极管DS1、开关元件S1和第二线圈L2构成。

中间电路电容器C3为半桥逆变器S2、S3提供直流电压。半桥逆变器S2、S3分别具有两个开关元件(这里为MOSFET)S2和S3。交流电压输出M位于半桥逆变器的开关元件S2和S3之间的连接点处。由灯电感器L3、灯接线KL1、低压放电灯LA、灯接线KL2和耦合电容器C4构成的串联电路被连接在半桥逆变器S2、S3的交流电压输出M与参考电位RP之间。谐振电容器CR与由灯接线KL1、低压放电灯LA、灯接线KL2和耦合电容器C4构成的串联电路并联连接。

针对半桥逆变器S2、S3的直流电压供给的中间电路电容器C3通过SEPIC变换器L1、C1、DS1、S1、L2从整流过的交流电压被充电到尽可能恒定的直流电压。在作为功率校正电路的其容量方面，SEPIC变换器L1、C1、DS1、S1、L2确保来自电网的电流消耗以尽可能小的干扰跟踪电网电压的正弦分布曲线。

通过以交替方式对开关元件S1进行操作，在导通状态下，第一线圈L1从整流过的交流电压被充电到特定电流，而在开关元件S1的关断状态下向SEPIC电容器C1放电。同样，第二线圈L2在开关元件S1导通期间充电，而在关断期间向SEPIC电容器C1放电并且向中间电路电容器C3放电。(二极管DS1的极性要被观察)。因此，实质上能够在中间电路电容器C3两端设置任意期望的直流电压，该直流电压特别是通过适当的标间比率(mark-to-space ratio)并且通过考虑所连接的负载、特别是低压放电灯LA甚至比电网电压的振幅小，该标间比率即导通时间和关断时间的比率。在本实例中，中间电路电容器C3两端的电压对应于整流过的交流电压的最大值。SEPIC变换器L1、C1、DS1、S1、L2的典型工作频率在数十个kHz到大约200kHz的范围中，这里是50kHz。

图2中的电路图示出了具有所连接的低压放电灯LA的根据本发明的电子镇流器。根据本发明的电子镇流器大部分与图1中的现有技术的电子镇流器相对应。图2中示出的电路图与图1的电路图有两点区别。首先，隔离电容器C2与SEPIC电容器C1并联地被连接在开关元件S1和线圈L2之间。注意，整个电子镇流器的统一参考电位RP不再有效，而是在隔离电容器C2的左侧存在参考电位RPA，且在右侧存在参考电位RPB。

其次，耦合电容器C4不再被连接在电源电位侧的灯接线KL2和参考电位RP(图1)之间，而是被连接在交流电压输出侧的灯接线KL1和灯电感器L3之间，谐振电容器CR与由耦合电容器C4、灯接线KL1、低压放电灯LA和灯接线KL2构成的串联电路并联连接。因此，灯接线KL2位于参考电位RPB处。

图3示出根据现有技术的电子镇流器(虚线)和根据本发明的电子镇流器(实线)中的所选电压和电位分布曲线。

图3a示出了SEPIC电容器C1两端的电压降。在现有技术的电子镇流器的情况下，这实质上对应于整流过的交流电压(除了降落在整流器D1-D4中的小部分电压之外)。在根据本发明的电子镇流器的情况下，部分整流过的交流电压降落在隔离电容器C2两端。如果SEPIC电容器和隔离电容器的电容在幅度上相等，如在本实例中那样，则一半整流过的交流电压降落在隔离电容器C2两端。这是这种情况，因为耦合线圈L1和L2两端的电压降彼此抵消。因此，C1和C2两端的电压在每种情况下都与实线分布曲线相对应。

图3b中的虚线示出了在现有技术的电子镇流器的情况下的参考电位RP相对于接地的时间分布曲线。在每第二个电网半波中，参考电位RP相对于接地的分布曲线都遵循原始电网电压供给，特别是甚至具有基本上相同的振幅。在电网半波期间相移180°，参考电位RP相对于地电位是不变的。

在图2的根据本发明的电子镇流器的情况下，电位RPB通过刚刚描述的电位RPA的特性分布曲线(与图1的RP相同)和隔离电容器C2两端的整流过的交流电压降来确定。参考电位RPB和接地之间的电位差对应于交流电压。这个交流电压的振幅只对应于整流过的交流电压供给的振幅的一半。

如图1中所示，如果耦合电容器C4被连接在电源电位侧的灯接线KL2和逆变器S2、S3的电源电位RP之间，那么耦合电容器C4就将灯接线KL2处的电位设置为中间电路电压UC3的一半。这是常规的选择。然而，灯接线KL2和接地之间的有效电压因此相对高。

在图2中所示的电子镇流器的情况下，耦合电容器C4被连接在交流电压输出侧的灯接线KL1和交流电压输出M之间，使得参考电位RPB出现在灯接线KL2处。

因此，在对应于图2的电路布局的情况下，相对于接地的有效灯接线电压通过下面两个作用来降低。第一，耦合电容器C4不再贡献给灯接线KL2处的增加的电位，而第二，参考电位RPB和接地之间的电压的均方根值小于参考电位RPA和接地之间的电压的均方根值。

图4示出了根据本发明的电子镇流器的电路图的详图。与图2相对比，描绘了用于驱动开关元件S1、S2和S3的控制电路C。控制电路C涉及参考电位RPB。半桥逆变器S2、S3中的开关元件S2位于相同的参考电位RPB处，并且因此由控制电路C来驱动，而不用采取其它措施进行电位匹配。

与开关元件S2相比，半桥逆变器S2、S3中出现的另一开关元件S3位于较高电位处。控制电路C经由光耦合器OC响应于开关元件S3。由于光耦合器OC，所以不需要采取任何其它措施进行电位匹配。参考电位RPA和参考电位RPB通过隔离电容器C2彼此隔离。开关元件S1位于电位RPA，而控制电路C也经由光耦合器OC响应于该开关元件S1。两个参考电位RPA和RPB之间的电位差因此不在驱动开关元件S1中起作用。

Claims (10)

1.一种用于操作灯(LA)的电子镇流器，其具有由交流电压给该电子镇流器供电的整流器(D1-D4)、具有用于给灯(LA)提供高频交流电压的逆变器(S2，S3)、具有用于给逆变器(S1，S2)提供直流电压的中间电路电容器(C3)、并且具有用于对中间电路电容器(C3)进行充电的SEPIC变换器(L1，C1，DS1，S1，L2)，该SEPIC变换器具有

-串联电路，该串联电路被连接在第一整流器输出和中间电路电容器(C3)之间，该串联电路由第一线圈(L1)、SEPIC电容器(C1)和二极管(DS1)构成，

-开关元件(S1)，该开关元件(S1)与中间电路电容器(C3)并联地被连接在第一线圈(L1)和SEPIC电容器(C1)之间的连接点处，以及

-第二线圈(L2)，该第二线圈(L2)与中间电路电容器(C3)并联地被连接在SEPIC电容器(C1)和二极管(DS1)之间的连接点处，

其特征在于，该电子镇流器具有隔离电容器(C2)，该隔离电容器(C2)在开关元件(S1)和第二线圈(L2)之间与SEPIC电容器(C1)并联地被连接到第二整流器输出。

2.如权利要求1所述的电子镇流器，其中，所述整流器(D1-D4)是全桥整流器(D1-D4)。

3.如权利要求1或2所述的电子镇流器，其中，所述SEPIC变换器(L1，C1，DS1，S1，L2)的第一线圈(L1)和第二线圈(L2)经由公共铁心(K)相互耦合。

4.如前述权利要求之一所述的电子镇流器，其中，所述SEPIC电容器(C1)的电容偏离所述隔离电容器(C2)的电容只不过10％。

5.如前述权利要求之一所述的电子镇流器，其中，由

-灯电感器(L3)，

-耦合电容器(C4)，

-和两个灯接线(KL1，KL2)

构成的串联电路被连接在所述逆变器(S2，S3)的交流电压输出(M)和所述逆变器(S2，S3)的电源电位之一之间，该耦合电容器(C4)位于所述逆变器(S2，S3)的交流电压输出(M)和交流电压输出侧的接线(KL1)之间。

6.如权利要求5所述的电子镇流器，其具有谐振电容器(CR)，该谐振电容器(CR)与由所述耦合电容器(C4)和所述灯接线(KL1，KL2)构成的串联电路并联连接。

7.如前述权利要求之一所述的电子镇流器，其用于操作放电灯(LA)、特别是低压放电灯(LA)。

8.如前述权利要求之一所述的电子镇流器，其中，所述逆变器(S2，S3)具有至少一个开关元件(S2，S3)，并且提供用于驱动所述开关元件(S1，S2，S3)的控制电路(C)，该控制电路(C)具有用于电隔离的光耦合器(OC)。

9.一种灯系统，其具有如权利要求1到8之一所述的电子镇流器。

10.如权利要求9所述的灯系统，其具有由至少两个灯构成的串联电路，所述灯能够共同利用所述镇流器来驱动。

Images