EP2005803B1 - Reduzierte verlustleistung in elektronischen vorschaltgeräten (evg's) - Google Patents

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EP2005803B1 EP07727835A EP07727835A EP2005803B1 EP 2005803 B1 EP2005803 B1 EP 2005803B1 EP 07727835 A EP07727835 A EP 07727835A EP 07727835 A EP07727835 A EP 07727835A EP 2005803 B1 EP2005803 B1 EP 2005803B1
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Definitions

  • the present invention relates to an electronic ballast (ECG) having a first power semiconductor, in particular a MOS-FET whose power is dimensioned to a starting power.
  • ECG electronic ballast
  • ECGs Electronic ballasts
  • a low-frequency line voltage is first rectified and then converted by means of a high-frequency inverter into a high-frequency square-wave voltage.
  • the efficiency of the lamps is increased and achieved a longer life.
  • discharge lamps such as fluorescent tubes or energy-saving lamps
  • the ignition of the lamp must be done with a high voltage, for which the ECG must provide a high so-called starting power.
  • this starting power can amount to several hundred volts to several kV.
  • the US 4,066,930 discloses a circuit arrangement for powering fluorescent lamps.
  • Object of the present invention is therefore to provide an electronic ballast, the efficiency is improved over conventional solutions.
  • an electronic ballast having a first power semiconductor, in particular a MOS-FET whose power is dimensioned for a starting power, wherein the electronic ballast comprises at least a second power semiconductor, which has a different power than the first power semiconductor.
  • both power semiconductors can be used in the start-up phase, ie when starting, which makes it possible to provide a very high starting power, while in static operation the first power semiconductor is deactivated and only the second power semiconductor provides the static power.
  • This allows the use of smaller sized power semiconductors, resulting in significant power savings, which in turn improves the overall efficiency of the system.
  • the power semiconductors are dimensioned differently.
  • the power of the second power semiconductor can only be 1/3 of the power of the first power semiconductor.
  • a control unit which controls the activation or deactivation of the power semiconductors. If the power semiconductors are also arranged parallel to one another, the drive can be that a switch, for example a breaker contact, is activated, which deactivates the first power semiconductor, so that only the second power semiconductor provides the power.
  • FIGS. 1 to 3 only the components of the electronic ballast that are relevant to the invention are shown. In this case, the same reference numerals designate identical or analogous components.
  • FIG. 1 shows a partial view of a circuit diagram of a conventional electronic ballast and shows as selected components of the electronic ballast, a driver 2 which outputs a square-wave control signal, a power semiconductor 4 adapted to output the power required for starting a lamp, not shown, a transformer 6 for controlling the voltage supplied to the lamp with an output 8, for example, can be connected to such a lamp.
  • the power semiconductor 4 used in the prior art must provide the voltage necessary for ignition of gas discharge lamps. Due to the high voltage requirement, powerful power semiconductors, such as powerful MOS-FETs, are required. Although such MOS-FETs can easily provide the required power for igniting a gas discharge lamp, but consume even in the static operation of the lamp - ie after the ignition process - a lot of energy, so that sets a high power dissipation. This in turn results in a lower efficiency of the electronic ballast. In addition, the MOS FETs used here are relatively large, so that a desired miniaturization of the electronic ballast component-related limits are set.
  • FIGS. 2a and 2 B Such an electronic ballast according to the invention is disclosed in FIGS. 2a and 2 B shown. It shows FIG. 2a the circuit of the electronic ballast in the start state and FIG. 2b the circuit of the electronic ballast in static operation.
  • FIG. 2a is the start-up phase of an electronic ballast shown, ie the state in which a high voltage must be available to ignite, for example, a gas discharge lamp.
  • the switch 10 in a closed position, whereby both power semiconductors 4, 4 'are connected in parallel, so that complement their performance.
  • the first power semiconductor 4 can be deactivated. This will, as in FIG. 2b shown, the switch 10 is opened, so that a power is delivered only via the second power semiconductor 4 '. Since the second power semiconductor 4 'alone has to provide only a smaller power, it can also be optimized for this smaller power. This significantly reduces the power loss of the electronic ballast.
  • the power of the second power semiconductor 4 ' is additionally lower than the power of the first power semiconductor 4. This is possible because in static operation often only 1/3 of the power required for the starting process must be provided. This is in the FIGS. 2a , and 2 B characterized schematically in that the second power semiconductor 4 'is shown smaller is, as the first power semiconductor 4. This results in even more power savings.
  • FIG. 3 is the partial view of a circuit diagram of a second embodiment of the inventive EVG's shown. This is different from the one in FIG. 2a and 2 B shown embodiment in that the switch 10 is integrated in the driver 2.
  • This can be realized, for example, by a control unit 12, which either makes both lines 14 and 14 'accessible, so that the first and the second power semiconductors 4, 4' can provide power, or block the line 14, so that the power semiconductor 4 is deactivated is.
  • an electronic ballast in particular for the operation of gas discharge lamps, in which to the conventionally existing power semiconductor, a further power semiconductor is present, which provides the necessary power for static operation.

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Offenbart wird ein elektronisches Vorschaltgerät, insbesondere für den Betrieb von Gasentladungslampen, bei dem zu dem herkömmlich vorhanden Leistungshalbleiter ein weiterer Leistungshalbleiter vorhanden ist, der die für den statischen Betrieb nötige Leistung bereitstellt. Somit wird vermieden, dass leistungsstarke MOS-FET-Transistoren, die eine hohe Verlustleistung aufweisen auch für den statischen Betrieb benutzt werden.

Description

  • Vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronisches Vorschaltgerät (EVG) mit einem ersten Leistungshalbleiter, insbesondere einem MOS-FET, dessen Leistung auf eine Anlaufleistung dimensioniert ist.
    • Stand der Technik
  • Elektronische Vorschaltgeräte (EVGs) werden insbesondere bei Lampen dafür verwendet, dass eine niederfrequente Netzspannung zunächst gleichgerichtet wird und anschließend mittels eines Hochfrequenzwechselgleichrichters in eine hochfrequente Rechteckspannung umgeformt wird. Dadurch wird beispielsweise der Wirkungsgrad der Lampen erhöht und eine längere Lebensdauer erzielt.
  • Insbesondere Entladungslampen, wie Leuchtstoffröhren oder Energiesparlampen, müssen zur Strombegrenzung mit Vorschaltgeräten betrieben werden. Dabei muss das Zünden der Lampe mit einer hohen Spannung erfolgen, wofür das EVG eine hohe so genannte Anlaufleistung bereitstellen muss. Diese Anlaufleistung kann je nach Lampentyp einige hundert Volt bis mehrere kV betragen. Im statischen Betrieb - also nach Zünden der Gasentladung - kann der Strom wieder reduziert werden, da für den Betrieb der Entladungslampe eine geringe Spannung ausreicht.
  • Für die Bereitstellung der Spannung ist in dem Vorschaltgerät ein Leistungshalbleiter verantwortlich, dessen Dimension an die geforderte Anlaufleistung angepasst sein muss. Es kommen deshalb meist leistungsstarke MOS-FET-Transistoren zum Einsatz, die jedoch eine hohe Verlustleistung aufweisen, wenn die Lampe in den statischen Betrieb übergeht.
  • Die US 4,066,930 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von Leuchtstofflampen.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein elektronisches Vorschaltgerät bereitzustellen, dessen Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Lösungen verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Vorschaltgerät mit einem ersten Leistungshalbleiter, insbesondere einem MOS-FET, dessen Leistung auf eine Anlaufleistung dimensioniert ist, gelöst, wobei das elektronische Vorschaltgerät mindestens einen zweiten Leistungshalbleiter umfasst, der eine andere Leistung aufweist als der erste Leistungshalbleiter.
  • Dadurch können in der Anlaufphase - also beim Starten - beide Leistungshalbleiter verwendet werden, was die Bereitstellung einer sehr hohen Anlaufleistung ermöglicht, während im statischen Betrieb der erste Leistungshalbleiter deaktiviert wird und nur noch der zweite Leistungshalbleiter die statische Leistung bereitstellt. Dies erlaubt die Verwendung von kleiner dimensionierten Leistungshalbleitern, wodurch sich deutliche Leistungsersparnisse ergeben, was wiederum den Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessert.
  • Darüber hinaus wird durch die Verwendung von kleiner dimensionierten Leistungshalbleitern, das Problem beseitigt, dass die sehr hohen Treiberleistungen, die bei der
  • Verwendung von nur einem Leistungshalbleiter nötig wären, den Vorteil der hohen Schaltfrequenzen negieren, da sie den Wirkungsgrad verschlechtern. Spezielle, für sehr hohe Frequenzen gut geeignete Leistungshalbleiter aber sind sehr teuer, was sich wiederum negativ auf die Herstellungskosten auswirkt. Zudem haben kleinere Leistungshalbleiter den Vorteil, dass die Baugröße der Gehäuse, in die sie eingebaut werden, kleiner sein kann.
  • Besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Leistungshalbleiter unterschiedlich dimensioniert sind. Insbesondere ist es vorteilhaft für den statischen Betrieb einen zweiten Leistungshalbleiter zu verwenden, dessen Leistung deutlich geringer ist als die Leistung des ersten Leistungshalbleiters.
  • Nimmt man an, dass im statischen Betrieb nur etwa 1/3 der Anlaufleistung benötigt werden, kann beispielsweise auch die Leistung des zweiten Leistungshalbleiters nur 1/3 der Leistung des ersten Leistungshalbleiters betragen.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, ist eine Steuereinheit vorgesehen, die das Aktivieren bzw. Deaktivieren der Leistungshalbleiter steuert. Sind die Leistungshalbleiter zudem parallel zueinander angeordnet, kann die Ansteuerung darin bestehen, dass ein Schalter, bspw. ein Unterbrecherkontakt, angesteuert wird, der den ersten Leistungshalbleiter deaktiviert, so dass nur der zweite Leistungshalbleiter die Leistung bereitstellt.
  • Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen weiter verdeutlicht. Dabei sollen die beispielhaften Zeichnungen allerdings nicht dazu herangezogen werden, die vorliegende Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele einzuschränken.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1: eine schematische Teilansicht eines Schaltplans eines EVG's aus dem Stand der Technik;
    • Fig. 2a: eine schematische Teilansicht eines Schaltplans eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen EVG's in eine Anlaufphase;
    • Fig. 2b: eine schematische Teilansicht eines Schaltplans in Figur 2a gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen EVG's in einem statischen Betrieb; und
    • Fig. 3: eine schematische Teilansicht eines Schaltplans eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen EVG's.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • In den Figuren 1 bis 3 sind lediglich die für die Erfindung relevanten Bauelemente des elektronischen Vorschaltgeräts gezeigt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder analoge Bauelemente.
  • Figur 1 zeigt eine Teilansicht eines Schaltplans eines herkömmlichen EVG's und zeigt als ausgewählte Bauteile des EVG's einen Treiber 2, der ein Rechtecksteuersignal ausgibt, einen Leistungshalbleiter 4, der dazu ausgelegt ist, die für den Startvorgang einer hier nicht dargestellten Lampe nötige Leistung auszugeben, einen Transformator 6 zum Kontrollieren der an die Lampe abgegebenen Spannung mit einem Ausgang 8, der beispielsweise mit einer solchen Lampe verbunden sein kann.
  • Der im Stand der Technik verwendete Leistungshalbleiter 4 muss die für eine Zündung von Gasentladungslampen nötige Spannung bereitstellen. Dazu sind aufgrund der hohen Spannungsanforderung leistungsstarke Leistungshalbleiter, wie beispielsweise leistungsstarke MOS-FETs von Nöten. Solche MOS-FETs können zwar problemlos die geforderte Leistung für das Zünden einer Gasentladungslampe bereitstellen, verbrauchen jedoch auch im statischen Betrieb der Lampe - also nach dem Zündvorgang - viel Energie, so dass sich eine hohe Verlustleistung einstellt. Dies wiederum resultiert in einem schlechteren Wirkungsgrad des EVG's. Darüber hinaus sind die hier verwendeten MOS-FETs relativ groß, so dass einer erwünschten Miniaturisierung des EVG's Bauteilbedingte Grenzen gesetzt sind.
  • Deshalb wird in vorliegender Erfindung vorgeschlagen, zwei kleine Leistungshalbleiter zu verwenden, die zusammen, die für die Zündung hohe Leistung bereitstellen können, im statischen Betrieb jedoch nur ein Leistungshalbleiter verwendet wird.
  • Ein solches erfindungsgemäßes EVG ist in Figuren 2a und 2b dargestellt. Dabei zeigt Figur 2a die Schaltung des EVG's im Startzustand und Figur 2b die Schaltung des EVG's im statischen Betrieb.
  • Erfindungsgemäß werden in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein erster Leistungshalbleiter 4 und ein zweiter Leistungshalbleiter 4' verwendet, die parallel geschaltet sind. Des Weiteren ist ein Schaltelement 10 vorgesehen, das geeignet ist, den Leistungshalbleiter 4 zu aktivieren bzw. zu deaktivieren.
  • In Figur 2a ist die Anlaufphase eines EVG's gezeigt, d.h. der Zustand bei dem eine hohe Spannung zur Verfügung stehen muss, um bspw. eine Gasentladungslampe zu zünden. Dazu ist der Schalter 10 in einer geschlossenen Position, wodurch beide Leistungshalbleiter 4, 4' parallel geschaltet sind, so dass sich ihre Leistungen ergänzen.
  • Geht die Gasentladungslampe in ihren statischen Betrieb über, kann der erste Leistungshalbleiter 4 deaktiviert werden. Dazu wird, wie in Figur 2b gezeigt, der Schalter 10 geöffnet, so dass eine Leistung nur noch über den zweiten Leistungshalbleiter 4' abgegeben wird. Da der zweite Leistungshalbleiter 4' allein nur noch eine kleinere Leistung zur Verfügung stellen muss, kann er auch auf diese kleinere Leistung optimiert sein. Dadurch wird die Verlustleistung des EVG's deutlich reduziert.
  • Besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Leistung des zweiten Leistungshalbleiters 4' zusätzlich noch geringer ist als die Leistung des ersten Leistungshalbleiters 4. Dies ist möglich, da im statischen Betrieb oft nur 1/3 der für den Startvorgang benötigten Leistung bereitgestellt werden muss. Dies ist in den Figuren 2a, und 2b dadurch schematisch gekennzeichnet, dass der zweite Leistungshalbleiter 4' kleiner dargestellt ist, als der erste Leistungshalbleiter 4. Dies resultiert in einer noch weiteren Leistungsersparnis.
  • Zudem ist für Schaltvorgänge nur noch ein kleiner Leistungshalbleiter anzusprechen, was deutlich weniger Energie verbraucht, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des Systems verbessern lässt.
  • In Figur 3 ist die Teilansicht eines Schaltplans eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungemäßen EVG's gezeigt. Dieses unterscheidet sich von dem in Figur 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Schalter 10 in den Treiber 2 integriert ist. Dies kann beispielsweise durch eine Steuereinheit 12 realisiert sein, die entweder beide Leitungen 14 und 14' zugänglich macht, so dass der ersten und der zweite Leistungshalbleiter 4, 4' eine Leistung bereitstellen können, oder die Leitung 14 blockiert, so dass der Leistungshalbleiter 4 deaktiviert ist.
  • Offenbart wird ein elektronisches Vorschaltgerät, insbesondere für den Betrieb von Gasentladungslampen, bei dem zu dem herkömmlich vorhanden Leistungshalbleiter ein weiterer Leistungshalbleiter vorhanden ist, der die für den statischen Betrieb nötige Leistung bereitstellt.

Claims (8)

  1. Elektronisches Vorschaltgerät (EVG) mit einem ersten Transistor (4), insbesondere einem MOS-FET, dessen Leistung auf eine Anlaufleistung dimensioniert ist, wobei das elektronische Vorschaltgerät, mindestens einen zweiten Transistor (4') umfasst und der erste und der zweite Transistor (4, 4') parallel angeordnet sind , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (4') eine andere Leistung als der erste Transistor (4) aufweist .
  2. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 1, wobei der zweite Transistor (4') eine geringere Leistung aufweist als der erste Transistor (4).
  3. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin eine Steuereinheit (12) vorgesehen ist, die den ersten und den zweiten Transistor (4, 4') ansteuert.
  4. Elektronisches Vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (12) den ersten und den zweiten Transistor (4, 4') derart ansteuert, dass für die Bereitstellung der Anlaufleistung der erste und der zweite Transistor (4, 4') parallel geschaltet sind, wodurch die Anlaufleistung von beiden Transistor bereitgestellt ist.
  5. Elektronisches vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorschaltgerät nach dem Startvorgang mit der Anlaufleistung in einen statischen Betrieb mit einer statischen Leistung wechselt und die Leistung für den statischen Betrieb von dem zweiten Transistor (4') bereitgestellt ist.
  6. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (12) den ersten und/oder den zweiten Transistor (4, 4') derart ansteuert, dass die statische Leistung von dem zweiten Transistor bereitgestellt ist.
  7. Elektronisches vorschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin ein Schaltelement (10) vorgesehen ist, das dazu ausgelegt ist, den ersten Transistor (4) zu deaktivieren.
  8. Elektronisches Vorschaltgerät nach Anspruch 7, wobei das Schaltelement (10) mittels einer Steuereinheit ansteuerbar ist.
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