帶有無源濾波整流器的自振蕩諧振轉換器的製作方法

2023-10-09 21:48:04

專利名稱：帶有無源濾波整流器的自振蕩諧振轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用在諸如螢光燈的放電燈中的電子鎮流器，特別是具有最少數目的有源元件的鎮流器。
大多數磁耦合的自振蕩變換器在高度競爭的市場中已經大量有售。由於零件的數目減少，因此半橋變換器通常具有較低的成本。這種變換器可被分成兩類通常與BJT(雙極結三極體)一起用的具有可飽和磁芯的電流變壓器的一類，以及通常與MOSFET(金屬氧化物半導體場效應三極體)一起用的具有線性磁芯的電流變壓器。正如那些本領域普通技術人員所認識到的，在此上下文中，線性磁芯是指在其工作範圍內具有彎曲的B-H特性而不是尖銳的B-H特性。也就是說，在所有的時刻，隨著通量水平的明顯增強，磁流中的通量水平也明顯增強。
美國專利5349270公開了MOSFET半橋鎮流器，它具有與在負載和變換器輸出之間在兩個開關三極體之間的節點上與串聯諧振電感相連的輔助繞組。諸如該單個的20W的螢光燈的負載與220nf的電容串聯，且10和15nf的電容在啟動電路中與燈並聯。這些電容與電感一起形成一個諧振電路。結果，輔助繞組提供的信號正比於變換器的輸出電流。每個輔助繞組與低通相移電路相連，其輸出提供一個控制信號給各MOSFET的柵極。對於燈鎮流器領域的普通技術人員來說，很明顯，如果鎮流器用在了多燈的設備上，在鎮流器工作的同時拿掉一個燈將大大地改變加到其餘燈上的輸出電壓。當燈數改變時，簡單的低通濾波器結構不能適應適當的頻率改變。
本發明的目的在於提供一個低成本的電子燈鎮流器，如果燈或所有的燈都卸下後，其輸出電壓仍保持基本恆定。
本發明的另一目的在於提供一低成本電子燈鎮流器，它可以以基本相同的輸出電壓與一個、兩個、三個或四個燈一起工作。
本發明的再一目的是提供一電子燈鎮流器，它是一個僅含無源元件的全無源元件整流電路，還允許在寬頻率範圍內變動。
根據本發明，用於使多個放電燈工作的半橋轉換器包括其間有輸出節點的兩個開關三極體，以及具有其上有負載電流通過的負載繞組的一個線性芯變壓器，負載繞組和與串聯電路的一端串聯的負載一起連到輸出節點上。該變壓器包括至少一個控制繞組，且轉換器具有一個開環整流電路，它包括連接在控制繞組和開關三極體之一的控制端之間的無源帶通濾波器，用於改變振蕩頻率以使輸出電壓保持恆定。
本發明第一實施例的優點在於熄滅或拆下一個或多個燈時輸出電壓保持恆定。該變壓器具有兩個控制繞組，每個繞組都分別與用於控制各MOSFET的柵極的帶通濾波器相連接。為了用同一鎮流器使一個燈至4個燈都能工作，在一較寬頻率範圍內帶通濾波器應具有一個基本恆定的相移，例如1∶2。所要的相移值是由轉換電路的其它參數確定的，特別是與負載電路的諧振有關的參數和保證各放電燈的適當啟動電壓的電路有關的參數。僅需要10E的相移範圍改變，例如在5E的中值範圍內，而所需的中值可低至25E高至65E。若要點亮的燈數較少，例如4個燈中僅3或4個，則所需的頻率範圍將低至5∶6。諸如3個燈中有2或3個燈的其它燈組合或不同的電路結構可能在4∶5的較寬頻率範圍上有較恆定的相移，且甚至在4個燈中有1-4個燈的情況僅需要3∶5的範圍。
關於相移恆定方面的需要也可改變，且在一定情況下，可使相移在約20E的範圍內變化。與此同時，濾波器增益變化可與相移改變的要求相互作用，若頻率改變不大，如4∶5時，商用轉換器輸出電壓的恆定性範圍將更窄，如僅允許總電壓的8％的波動。而在所需頻率變化為3∶5的多個燈的較寬改變時，輸出電壓的可接受範圍可為9％或10％。
根據本發明的一個優選實施例，它工作在一至四個燈的範圍內，所需相移在約45E至55E之間，在42-70kHz的頻率範圍上最好約為50E。這些濾波器最好是僅用線性無源元件的純交流帶通濾波器。在本實施例中，對於多達4個放電燈，有著良好特性的濾波器具有至少一個π型部分和至少一個與信號地接線腿中的電容，該π型部分包括一個電感元件，它是串聯電路中低Q並聯諧振電路，或對濾波器的正向通路的一部分。
在本發明的另一實施例中，該轉換器是根據功率反饋原理的一個低成本單極電子鎮流器，它具有一個從到輸入直流電壓的高頻燈電路到變換器的功率反饋路徑，還具有連接在控制繞組和各MOSFET的柵極之間的帶通濾波器。控制繞組是變壓器的一部分，其初級用作鎮流器負載電路的諧振電感。帶通濾波器是純RC濾波器，其轉移特性近似恆定衰減，其相移在大於2∶3的頻率範圍內恆定在約15E內。
藉助附圖討論本發明的實施例。在圖中


圖1是根據本發明的變換器的簡化方框圖；圖2為實現本發明的轉換器的電路圖；圖3是圖2的實施例在使用不同數目的燈時輸出電壓與變換器頻率間關係曲線的圖；圖4是圖2的實施例在使用不同數目的燈時諧振迴路輸入相位與變換器頻率間關係曲線的圖；圖5是圖2的實施例在使用不同數目的燈時輸出電壓與所需的濾波器相角滯後之間關係曲線的圖；圖6是用在圖2的實施例中的濾波器的示意圖；圖7是圖6的濾波器增益與頻率之間關係的圖；圖8是圖6的濾波器相位與頻率之間關係的圖；圖9是實現具有單個燈的本發明的轉換器的示意圖；圖10是用在圖9的實施例中的濾波器的示意圖；圖11是圖10的濾波器增益與頻率間關係的圖；以及圖12是圖10的濾波器相位與頻率間關係的圖。
圖1簡化的方塊圖示出了本發明的基本概念。與交流電源相連的通常為橋式整流器或倍壓器或升壓型轉換器的任何普通的直流電壓電源2給FET變換器3提供直流高壓。FET的開關是受帶通濾波器4控制的，它用來控制繞組或線性芯電感6的繞組5。電感6具有初級或負載繞組7，它與負載電路8中的至少一個電容一起形成一個諧振電路，但象變壓器具有傳感或提供電壓信號的控制繞組一樣，由於變壓器芯和結構體之間的緊密耦合，它正比於電感電壓。
在實現的電路中，假定帶通濾波器未將大負載放在變壓器上，因此在變換器上負載的諧振特性不受影響。
圖2示出了圖1轉換器的實際實施例。直流電源2是已知的全波整流器。交流線電壓經過熔斷器和由串聯的電感L1和並接電容C1組成的EMI濾波器加到由二極體D1-4組成的全波橋上。整流橋提供一個相對於信號地跨在電容C2和串聯的兩個電容C3上的電壓Vdc，在兩個電容C3之間有一個中間節點M，其上接有負載電路的一端。
變換器3包括串聯在Vdc總線和信號地之間的兩個MOSFET Q1和Q2，其中間節點S上提供變換器輸出。傳統的變換器啟動電路是由從Vdc總線到信號地間相串聯的電阻R1和電容C5。串聯組合的中間點經二極體D5接節點S，並經雙向未穿二極體D10和電阻R2接開關三極體Q2的柵極。保護齊納二極體對D6-7和D8-9連在每個開關三極體柵極和其源極之間。連接點a1、b1、a2和b2上提供了經過將參照圖6在下文描述的帶通濾波器N提供給變換器的柵極信號。
諧振負載電路接在節點S和M之間。線性芯變壓器17的初線繞組L2用作與諧振電容C4和與燈電路有關的電容串聯的電感。燈電路包括一個升壓變壓器T1，其初線在電容C4兩端、次級接螢光燈FL 1-4，每個燈與各電容C6-9串聯。電容C6-9的阻抗在變換器頻率的工作範圍內遠大於燈阻抗。諧振電路參數和變壓器T1匝數比對於表1的元件值來講已經選定，以提供580伏交流額定值的次級繞組電壓。由於此電壓在未點亮的燈中足以引起一個弧，因此不再需要特殊的燈啟動電路，且不需要特殊的啟動燈的次序。
在本發明的此實施例中，控制繞組功能是由諧振變壓器17上的相同輔助繞組W1和W2提供的，它具有為帶通濾波器N用的連接點P1、q1、P2和q2。
已經眾所周知，加到燈上的輸出電壓在變換器頻率改變時將改變，且輸出電壓對頻率的曲線是點亮的燈數的函數。圖3是m個燈的情況下，圖2轉換器的輸出電壓對變換器頻率的曲線，其中m是從0到4的整數，且轉換器的標稱元件值如表1給出。在第一個燈點亮之前，這些曲線表示出需要高振蕩頻率。已經知道根據Barkhausen標準，對於穩定自振蕩變換器，在由變壓器17的初級繞組L2和開關三極體柵極連接點形成的電感上的電壓有ψ度的特定的遲滯相位角。圖4是在同樣數目的燈的情況下，諧振迴路輸入相位角φ對頻率的圖形。角度ψ(其中ψ=90E-φ)隨著點亮的燈的數目m作為一個函數而輕微改變，但如圖5所示圖2的電路，所需的560伏輸出電壓的ψ值全部約為50E。
與圖3和5相比，非常清楚，隨著在上述諧振頻率下的操作，約560伏的恆定輸出電壓需在約42kHz-70kHz的頻率範圍內角度ψ應大致恆定。帶通濾波器N在諧振電感電壓與開關三極體連接點a1、b1、a2、b2之間提這樣一個相移。
圖6示出具有所需特性的無源帶通濾波器。它具有一個串聯輸入電容C61、由第一電阻R61組成的第一併聯元件以及由電阻R62組成的第二串聯元件。第二並聯元件由串聯的電容C63和電阻C63組成，而第三輸出並聯元件是由與電阻R65和電容C65的串聯電路相併聯的電容C64構成。第二和第三並聯元件是由C66以及與之並聯的電阻R66以及電感L66和電阻R67的串聯電路相併聯而形成的低Q值諧振電路形成的第三串聯元件相連接的。
若相對於表1的元件值分析上述總的濾波電路，將可以看到此濾波器可具有一個與π部分相級聯的輸入T部分。在感興趣的頻率範圍內，T部分具有一近似恆定的增益，其超前相角隨頻率升高而減小。頻率對相位曲線的臨界整形是由π部分大致確定的，它含有在低Q諧振電路中的感性元件。
應當注意，MOSFET的高柵阻抗在濾波器特性中起重要的因素。如果開關三極體吸收大量的控制極電流，他們將使濾波器負荷下降並改變其特性。
對於具有表1所給的值圖6的結構的濾波器，以30kHz到100kHz的頻率範圍內相角和增益僅有小的改變。在從42-70kHz的臨界頻率範圍上，增益變化僅約3dB(圖7)而相移變化將從約65E到45E。表2含有使用具有表1的標稱值的濾波器的轉換器的原型測量特性。最值得注意的是，當以所有的4個燈或僅1個燈工作時，輸出電壓幾乎相同。
C1 3.3μfC2 47 μfC3 1.2μfC4 12 nfC5 0.1μfC6-9 1.2 nfC618.2 nfC632.2 nfC64330 pfC651 nfC66 3.3 nfL2366 μhL66 3mhR11MΩ
R2 18 ΩR617.5kΩR621.3kΩR63360 ΩR651.3kΩR663.6kΩR67390 Ω表1燈數m 1234頻率f(kHz)70 56 47 43輸出電壓(rms) 588.7542.3594.3580.8表2圖9示出本發明的另一實施例，它是基於使用頒發給A.Hernandez和G.Bruning的美國專利5404082和頒發給C.Mattas和J.Bergervoet的美國專利5410221的功率反饋原理的單級電子鎮流器。這種已知的鎮流器具有高功率因數和低線電流諧波失真，且元件數少造價較低。根據本發明，通過在電感的控制繞組與開關三極體之間引入一個使用帶通濾波器的整流器而減少元件數量並改進可靠性而使變換器控制電路可被進一步簡化。
圖9所示的電路不同於美國專利5410221之處在於用於開關三極體的開關的控制信號是通過大大簡化的控制電路而獲得的。與圖2的實施例相似，諧振電感L102是具有控制繞組W101和W102的變壓器，它提供正比於電感兩端上電壓的信號。相同的線性無源帶通濾波器N連接在控制繞組和變換器的各柵極之間。
更具體講，圖9的電路在到達由二極體D101-104所組成的全波橋整流器的交流電源線路上有一個由串聯電感L101和並聯電容C101組成的EMI濾波器。根據功率反饋原理，轉換器負載連在開關三極體Q101和Q102間的第一節點N101與經高頻二極體D105從整流器輸出上接收直流電壓的第二節點N102之間。轉換器負載經過隔直流電容Cb連到節點101上，它與諧振電感L102和諧振電容C104串聯。燈FL101與電容C106串聯，此串聯組合與其初級接在諧振電容C104兩端的升壓隔離變壓器T101的次級相連。
節點102接直流總線，用於經過另一高頻二極體D107來切換這些三極體。由電容C103從節點102到地提供一個來自負載的高頻電流的另一通路，並由電容C105從直流總線到地提供一個直流濾波。
根據本發明，用於柵控開關三極體Q101和Q102的開關信號分別由無源帶通濾波器N提供，該濾波器具有一個模擬圖6中的濾波器的結構，但卻省了串聯通路中的電感並僅用了6個元件。所需相移的實際值是其它轉換器參數的函數。總地講，由於在節點N102的電壓被諸如50Hz或60Hz的低頻輸入線的正弦電壓所調製，因此在節點N102和N101之間的諧振迴路輸入電壓也受此低頻的調製。為了減少燈電流波峰因數和燈功率變化，電路工作頻率應被適當地調製，這樣在燈兩端將保持幾乎恆定的電壓。圖10所示網絡N的關鍵功能是在電路工作頻率調製範圍上產生適當的相移，這樣，在每個低頻周期中燈電壓的變化很小。
在一個特定的簡化實施例中，可預期所需的值在頻率的約2∶1的範圍內將有10E的滯後至60E的滯後，且在該頻率範圍上相移的中間值應在15E內。根據表3所示的電路值，在圖11和12中示出適合的濾波器的增益和相位特性的實例。在從40到80kHz的範圍內，相移從約12E的滯後到約38E的滯後。
如在圖6的濾波器中，圖10的濾部器可看作在π部分之後具有一個電容輸入的T部分。在轉換器的工作頻率範圍內，T部分具有近似恆定的增益，隨著頻率的升高，其超前相角將減小。
應當注意，圖9的電路並不包括單獨的燈啟輝電路。由高升壓比的變壓器T101對燈進行可靠的啟輝，在頻率約為63kHz燈被點亮後，其標稱輸出電壓為550伏。依此設計的轉換器如所示出的其總諧波失真在線電流中小於15％，功率因數大於0.99。燈的峰值因數小於1.7。
C10168nfC102120 nfC103270 nfC10428nf
C105180 μfC1611.2nfC1632.2nfC1641.0nfL101650 μfR1021.0 MΩR10318 ΩR1615.6 kΩR1621.1 kΩR166910Ω表3圖9的實施例也包括許多電路元件，其功能對本領域普通技術人員是好理解的，它並不對實現本發明起決定作用。例如，變換器啟動電路包括與直流總線相連的電阻R102，以及串聯再接地的電容C102。在R102和C102的結點及節點N101，二極體D107接節點N101,D108經電阻R103接三極體Q102的柵極。二極體D109和D110及與之並聯的電阻對本發明來講並非是決定性的，但卻具有眾所周知的使開關三極體的關斷比導通有更快的切換速度。
對於本領域的普通技術人員來說對燈的工作頻率、諧振電路值、燈的功率和啟動特性的不同選擇將需改變許多其它電路元件值。同樣結構但元件值不同的濾波電路可以是優選的，即濾波器的構造可以修改以滿足應用的要求。這些改變都是在所附權利要求的概念和精神之中的。
權利要求
1．一種用於形成負載電路一部分的至少一個放電燈(FL1-FL4)的自振蕩諧振轉換器，它包括含有兩個開關元件(Q1、Q2)和在所述開關元件間的輸出節點(S,N101)的半橋變換器(3)、以及含有連接在輸出節點和負載電路(8)之間的負載繞組(7,L2)上的線性芯變壓器(6,17)，這樣負載電流將流過負載繞組(7,L2,L102)，還包括至少一個控制繞組(5、W1、W101、W102)，用來控制開關元件(Q1、Q2、Q101、Q102)，其特徵在於轉換器還包括用於改變振蕩頻率以保持輸出電壓恆定的裝置，所述裝置包括連接在所述至少一個控制繞組(5、W1、W2、W101、W102)和所述開關元件(Q1、Q2、Q101、Q102)之一的控制電極之間的帶通電路(4,N)。
2．如權利要求1的轉換器，其特徵在於變壓器具有兩個所述控制繞組(W1、W2、W101、W102)，且用於改變振蕩頻率的裝置包括兩個所述帶通電路(4,N)，每個帶通電路都接在各控制繞組(W1、W2、W101、W102)和各開關元件(Q1、Q2、Q101、Q102)的控制電極之間。
3．如權利要求2的轉換器，其特徵在於所述負載繞組(12,L102)是一個諧振電感，該電感與所述負載電路中的諧振電容(C4,C104)串聯。
4．如權利要求3的轉換器，其中轉換器是電壓饋電型轉換器，用於使多個所述的燈(FL1-FL4)工作，其特徵在於帶通電路(N)可以不管所連接的電燈(FL1-FL4)的數目而使輸出電壓基本恆定。
5．如權利要求4的轉換器，其特徵在於所述各個燈(FL1-FL4)的每一個與各串聯電容(C6-C9)串聯，且轉換器工作在使各串聯電容(C6-C9)上的電壓大於各燈電壓的頻率上。
6．如權利要求5的轉換器，其特徵在於放電燈(FL1-FL4)及其各串聯電容(C6-C9)的每個串聯組合上的電壓大於各燈的啟動電壓。
7．如權利要求6的轉換器，還包括升壓變壓器(T1)，其初級繞組與諧振電容(C4)並聯，其次級繞組與所述多個放電燈(FL1-FL4)及其各相串聯的電容(C6-C9)相併聯。
8．如權利要求3的轉換器，其特徵在於所述帶通電路(N)的每個電路都是直接與各控制繞組(W1、W2)相連的無源網絡，且所包括的元件基本上都是線性的。
9．如權利要求8的轉換器，其特徵在於所述濾波器包括至少一個π部分，它具有一個串行通路和至少兩個到信號地的串行通路，所述π部分包括一個電感元件(L66)，且所述濾波器在高頻範圍內具有基本恆定的相移。
10．如權利要求9的轉換器，其特徵在於電感元件(L66)是濾波器串聯通路中的低Q值振蕩迴路，且該濾波器還包括在每個並聯腿中的至少一個電容(C63、C64、C65)。
全文摘要
一種電子輝光放電燈鎮流器,其輸出電壓由變壓器控制繞組和開關三極體的開關電極之間所連的帶通濾波器來穩壓。在特別適用於點亮多個燈的鎮流器的實施例中,濾波器使振蕩頻率隨點亮的燈的個數而變,使燈的輸出電壓保持相對恆定。適於此種應用的濾波器包括在π部分的串聯通路中的低Q值振蕩迴路,並且還具有一個輸入高通T部分。在另一實施例中,具有功率反饋的低成本電子鎮流器使用在變壓器控制繞組和控制電極之間的無源帶通濾波器,以此來簡化控制和驅動電路。
文檔編號H05B41/24GK1298624SQ99805479
公開日2001年6月6日 申請日期1999年12月15日 優先權日1998年12月28日
發明者張勁 申請人:皇家菲利浦電子有限公司