用於基於三端雙向可控矽開關的控制器電路的電子功率轉換器的製作方法

2023-06-03 04:01:06

專利名稱：用於基於三端雙向可控矽開關的控制器電路的電子功率轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電路，具體地說，涉及一種與基於三端雙向可控矽開關的電路相容的轉換器電路。
雖然低壓燈比高壓燈具有更好的光學質量，但是在商用領域(例如飯店、商業公司等)還並沒有廣泛地採用。這其中的一個原因在於許多商用公司還是希望可調光的(dimmable)燈。例如，許多飯店在午餐的時間裡希望燈發出更亮的光線以適應工作餐的需要而在晚宴的時間裡則希望能夠使光線昏暗以滿足更私人化的氣氛。
為了在傳統的燈插座中使用低壓燈，本領域公知的是在已有的照明設備中放置帶有較小的整體式電子轉換器的燈。然而，常規的電子轉換器並不容易與在用戶、零售店、飯店、酒店、照明市場中普通流行的在商業上可購買的各種各樣的基於三端雙向可控矽開關的電路相兼容。普通的三端雙向可控矽開關的控制電路包括通過光學傳感器、運動傳感器、佔用率檢測器和定時器控制器啟動的固態開關和壁式調光器。
已經應用共模扼流圈和電阻器來衰減由基於三端雙向可控矽開關的相位調光器電路所引起的振蕩。雖然這種方法提供了調光的能力，但是它帶來了其它的問題。首先，燈的外部輪廓尺寸限制了轉換器電路的尺寸。例如由於50mH的電感器是相當大的元件，因此使用它並不實用。此外，通過引入附加的(即，無光線產生的)負載來對在調光器電路中的電阻電容(RC)元件進行放電，因此該電阻器損害了該電路的效率。
再一方法是設計一種用於低壓燈的定製的可調光的轉換器電路。然而，這種方案失去了許多已有的可用的調光器電路的優點。此外，如果定製的設計要求調光器電路與燈為一體，則每個燈必需單獨調光。這樣就不能通過傳統的調光器電路來對燈進行調光，而傳統的燈通常具有控制整個照明設備的能力，而不是僅控制單個燈。因此，需要更多的時間和勞力來將燈調暗，而且在整個公司中燈的調暗程度不統一。
因此，需要一種能夠與在商業上可購買的基於三端雙向可控矽開關的電路相兼容的轉換器電路。
本發明的實例性的實施例涉及一種以基於三端雙向可控矽開關的控制器可工作的鎮流器電路。該鎮流器電路包括與相關的基於三端雙向可控矽開關的電路可操作地連接以將交流電流轉換為直流電流的整流器、耦合到該整流器的電容器組件、在該整流器和電容器組件之間的第一連接、耦合到該整流器以將直流電流轉換為交流電流的轉換器、耦合到該轉換器以控制該轉換器的柵極驅動裝置、耦合到所述轉換器的電阻-電感電路，以及在該電容器組件和電阻-電感電路之間的第二連接。該轉換器在電阻-電感電路中引起交流電流。
在附

圖1的實施例中鎮流器或轉換器電路100包括耦合到基於三端雙向可控矽開關的控制器110的交流電源105。該交流電源通常是標準用戶主電壓或線電壓。基於三端雙向可控矽開關的控制器110通常是在用戶、零售店、飯店、酒店照明市場中流行的在商業上可購買的相位可控制的三端雙向可控矽開關調光器，比如General ElectricCompany(通用電器公司)的白熾光調光器，零件號碼為DIT261M5。基於三端雙向可控矽開關的控制器電路還可以是能夠控制燈的接通-切斷操作的固態開關，比如微暗到漸亮控制器。
基於三端雙向可控矽開關的控制器110耦合到整流器115，比如全波橋式整流器，該整流器115將交流電流轉換為直流電流。電磁幹擾(EMI)濾波器120優選插入在基於三端雙向可控矽開關的控制器110和橋式整流器115之間。EMI濾波器120抑制了來自附近的電器的EMI。EMI濾波器包括電阻125、電容器130和電感器135，其中如附圖1所示電容器和電阻串聯連接，電感器耦合在基於三端雙向可控矽開關的控制器110和整流器115之間。
橋式整流器115並聯連接到電容器組件137。電容器組件137包括電容器140和145，這兩個電容器是標準的半橋。橋式整流器115通過第一或直接電連接150連接到電容器組件137。例如，在半橋電容器140和145之間的連接節點N1上用跳線連接適當地互連橋式整流器115。將連接節點N1保持在大約一半的總線電壓VBUS上的半橋電容器140和145並聯連接到直流到交流轉換器153上。
包括第一和第二開關155和160的直流到交流轉換器153將從橋式整流器115的輸出中接收的直流電流轉換為交流電流。交流電流由電阻-電感電路163通過在附圖1中所示為去耦電容器的第二或電容性連接165接收。電阻-電感電路163包括具有初級繞組175和次級繞組180的高頻變壓器170和在附圖1中所示為燈的負載185。該燈可以是任何數量的低壓燈比如一種低壓白熾燈。
在下述意義上第一和第二開關155和160彼此互補第一開關155可以是如圖所示的n-溝道增強型器件而第二開關160是p-溝道增強型器件，或者通稱為MOSFET開關。第一和第二開關155，160每個都分別具有相應的柵極(或控制端)G1或G2。從第一開關155的柵極G1到源極(參考端)S1的電壓控制該開關的導通狀態。類似地，從第二開關160的柵極G2到源極S2的電壓控制該開關的導通狀態。如附圖所示，源極S1和S2在公共節點N2上連接在一起，柵極G1和G2在公共控制節點N3上互連。柵極G1和G2可以連接到柵極電阻187和189以防止柵極至源極諧振超過額定值並提高轉換器電路100的可靠性。第一和第二開關155和160的漏極D1和D2分別連接到總線導體190和參考導體195。為方便將參考導體195示為地線。在總線導體190和參考導體195之間存在直流總線電壓VBUS。
直流到交流轉換器153連接到柵極驅動電路，該柵極驅動電路包括驅動電感器200、第二電感器205和隔直電容器210。柵極驅動電路連接到三個啟動電阻211、212和213。正如大家所熟悉，啟動電阻211、212和213和第一開關155一起形成了自啟動電路。
雙向電壓鉗位215以與柵極驅動電路並聯的關係設置在公共節點N3和公共節點N2之間。雙向電壓鉗位215優選由背對背齊納二極體217，218組成。雙向電壓鉗位215對第一和第二開關155和160的柵極至源極額定電壓的正和負漂移鉗位以使不超過開關的柵極至源極最大額定值。
緩衝電容器220優選連接在連接節點N1和公共節點N2之間以在第一和第二開關155和160都切斷的空載時間間隔期間保護第一和第二開關155和160不超過最大的柵極至源極額定電壓。轉換器電路100還可以包括跨接在直流總線上的柵極或堵塞(swamp)電容器225。柵極電容器225支持在線電壓的零交叉之後的轉換器工作。
轉換器電路100進一步可以包括串聯連接在橋式整流器115和橋式電容器140之間的示為電感器的第二EMI濾波器230以進一步抑制在橋式整流器115的輸出上的EMI。根據所採取的其它的EMI控制措施，比較理想的是在高頻變壓器170的次級繞組180和在半橋電容器140和150之間的節點N1之間可以具有第三連接235。在直接電連接對產品的性能有害的應用場合中第三連接還可以是電容性連接。
轉換器電路100工作如下。橋式整流器115將電源105的交流電流轉換為直流電流。第一和第二開關155和160通過自諧振轉換電路153以高頻率交替地切換以驅動高頻變壓器170的初級繞組175。高頻變壓器170的次級繞組180驅動負載185。應用電容性連接165來使高頻切換從低頻線去耦。半橋的中點電壓引向該線以提供返回到負載185的低頻電流通路以維持與基於三端雙向可控矽開關的控制器110的兼容性。在該電路輸入上的EMI濾波器120和高頻變壓器170的次級繞組180都引向半橋的中點電壓以有助於進一步抑制EMI。
自啟動電路形成了從源輸入的通路以啟動電感器動作。一旦交流電源105通電通過電阻211、212和213對隔直電容器210開始充電。在這個時刻，在隔直電容器210上的電壓為零。在啟動過程中，由於隔直電容器210的充電的時間常數相當長，因此高頻變壓器170的初級繞組175和驅動電感器200基本上短路。一旦總線開始通電，例如利用相等值的電阻211、212和213在公共節點N2上的電壓大約為總線電壓VBUS的三分之一。在電阻211、212和213之間的公共控制節點N3上的電壓是總線電壓VBUS的一半。這樣，隔直電容器210從左到右增加帶電直到它達到第一開關155的柵極至源極電壓的閾值電壓(例如2-3伏特)。在這一點上，第一開關155切換到導通模式，然後產生由第一開關155輸送到高頻變壓器170的初級繞組175的電流。高頻變壓器170的次級繞組180驅動負載185。接著，在變壓器170中所得的電流以上文所描述的方式產生第一和第二開關155和160的再生控制。
在轉換器電路100的穩態工作的過程中，在第一和第二開關155和160之間的公共節點N2的電壓大約為總線電壓VBUS的1/2。在公共控制節點N3上的電壓也為總線電壓VBUS的1/2，因此在穩態工作的過程中隔直電容器210不再充電並產生接通第一開關155的另一啟動脈衝。隔直電容器210的容抗比驅動電感器200和第二電感器205的感抗小得多因而隔直電容器210不幹擾電感器200和第二電感器205的工作。
柵極驅動電路的驅動電感器200相互耦合到高頻變壓器170的初級繞組175以在其中引起與交流負載電流的瞬時變化率成比例的電壓。驅動電感器200在一端進一步連接到公共節點N2。驅動電感器200給柵極驅動電路的工作提供驅動能量。利用與隔直電容器210和公共控制節點N3串聯連接的第二電感器205調節在公共控制節點N3和公共節點N2之間出現的柵極至源極電壓的相位角。
轉換器電路100繼續以低線狀態運行並且當基於三端雙向可控矽開關的控制器110觸發時迅速地重新啟動。提供一種電流通道，該電流通道允許基於三端雙向可控矽開關的控制器110的電阻-電容器(RC)網絡放電並提供基於三端雙向可控矽開關的控制器110的可靠工作。應用無源EMI濾波器120，該EMI濾波器120限制線電流並衰減由基於三端雙向可控矽開關的控制器110的啟動可能引起的振蕩。因此，轉換器電路100可與在商業上可購買的很多種基於三端雙向可控矽開關的控制器兼容。
下面為應用120伏特線電壓的轉換器電路100的實例性元件的值

此外，第一開關155可以是IRFU214，n-溝道MOSFET，而第二開關160可以是IRFU9214，p-溝道MOSFET，Segundo California的International Rectifier Company出售這兩種器件。
附圖2所示為體現本發明的第二轉換電路250的示意圖。第二轉換器電路250以與上文所描述的附圖1的轉換器電路100相同的方式起作用。在第二轉換器電路250和轉換器電路100之間的主要差別在於直流電連接150和電容性連接165的位置。如在附圖2中所示，轉換器電路250的電容性連接165位於在連接節點N1和橋式整流器115之間，同時直流電連接150位於在連接節點N1和初級繞組175之間。因此，直接電連接150和電容性連接165的位置與在附圖1中的位置相反。
附圖3所示為體現本發明的第三轉換器電路300的示意圖。同樣，除了在附圖1中的在橋式整流器115和節點N1之間的直接電連接150以外，第三轉換器300以與在附圖1個轉換器電路100相同的方式起作用並應用相同的元件。在轉換器電路300中，以在附圖3中示為第二去耦電容器的電容性連接305替換直接電連接150。這個電容性連接305替換轉換器電路100的直接電連接，這對於較小性能波動比如降低在燈中的峰值燈絲電壓比較理想。因此，轉換器電路300具有兩個電容性連接165和305而不是如在上文中所描述的轉換器電路100中的一個電容性連接和一個直接電連接。
總之，本發明提供了一種有效利用帶有可商用的基於三端雙向可控矽開關的控制器的集成電路元件的方式。該電路足夠小以使它容易集成在燈殼體本身內，由此提供了一種容易更新已有的白熾燈照明設備的低壓燈。這種轉換器還可以給燈絲在高的頻率下提供低電流峰值因數，這有助於延長燈的壽命。
此外，由於在本領域熟練的人員很容易作出許多改進和變型，因此本發明並不限於上文所描述的具體結構和工作。因此所有的適合的改型和等效方案都落在權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種以基於三端雙向可控矽開關的控制器可操作的鎮流器電路，包括(a)整流器，該整流器配置成與相關的基於三端雙向可控矽開關的電路可操作地連接以將交流電流轉換為直流電流；(b)耦合到所述整流器的電容器組件；(c)在所述整流器和所述電容器組件之間的第一連接；(d)耦合到所述整流器以將直流電流轉換為交流電流的轉換器；(e)耦合到所述轉換器以控制該轉換器的柵極驅動裝置；(f)耦合到所述轉換器的電阻-電感電路，所述轉換器在電阻-電感電路中引起交流電流；以及(g)在所述電容器組件和所述電阻-電感電路之間的第二連接。
2.權利要求1的鎮流器電路，其中基於三端雙向可控矽開關的控制器是一種調光器。
3.權利要求1的鎮流器電路，其中基於三端雙向可控矽開關的控制器是一種固態開關。
4.權利要求1的鎮流器電路，進一步包括並聯連接到所述轉換器以支持該轉換器的工作的第一電容器。
5.權利要求1的鎮流器電路，其中該電容器組件包括在連接節點上連接在一起的第二和第三電容器。
6.權利要求1的鎮流器電路，其中第一連接是直接電連接。
7.權利要求1的鎮流器電路，其中第一連接是電容性連接以對高頻切換進行去耦。
8.權利要求1的鎮流器電路，其中第二連接是直接電連接。
9.權利要求1的鎮流器電路，其中第二連接是電容性連接以對高頻切換進行去耦。
10.權利要求1的鎮流器電路，其中第一和第二連接都是電容性連接以對高頻切換進行去耦。
11.權利要求1的鎮流器電路，其中電阻-電感電路包括變壓器和燈。
12.權利要求1的鎮流器電路，進一步包括在電容器組件和變壓器的次級繞組之間的第三連接。
13.權利要求1的鎮流器電路，進一步包括耦合到轉換器的啟動電路。
14.權利要求1的鎮流器電路，進一步包括耦合在相關的基於三端雙向可控矽開關的電路和整流器之間的電磁幹擾濾波器。
15.權利要求1的鎮流器電路，進一步包括與整流器和電容器組件串聯耦合的電磁幹擾濾波器。
16.權利要求1的鎮流器電路，其中所述轉換器包括由交流電流流經的公共節點在總線導體和參考導體之間串聯連接的第一和第二開關，所述第一和第二開關每個都包括控制節點和參考節點，在控制節點和參考節點之間的電壓決定了所述開關的導通狀態。
17.權利要求16的鎮流器電路，進一步包括耦合在控制節點和公共節點之間的電壓鉗位電路。
18.一種使用基於三端雙向可控矽開關的控制器運行負載的方法，包括(a)使用整流器將交流電流轉換為直流電流；(b)使用電容性連接對高頻切換進行去耦；(c)使用轉換器將直流電流轉換為交流電流；(d)使用耦合到轉換器的柵極驅動裝置控制所述轉換器的工作；以及(e)在耦合到轉換器的電阻-電感電路中引起交流電流。
19.權利要求18的方法，其中所述電容性連接是在整流器和電容器組件之間。
20.權利要求18的方法，其中所述電容性連接是在電容器組件和電阻-電感電路之間。
全文摘要
一種以基於三端雙向可控矽開關的控制器可工作的鎮流器電路。該鎮流器電路(100)包括與相關的基於三端雙向可控矽開關的電路(110)可操作地連接以將交流電流轉換為直流電流的整流器(115),耦合到該整流器(115)的電容器組件(137),在該整流器和電容器組件(137)之間的第一連接(150),耦合到該整流器(115)以將直流電流轉換為交流電流的轉換器(153),耦合到該轉換器以控制該轉換器(153)的柵極驅動裝置,耦合到該轉換器(153)的電阻－電感電路(163),以及在該電容器組件(137)和電阻－電感電路(163)之間的第二連接(165)。該轉換器(153)在電阻－電感電路(163)中引起交流電流。
文檔編號H05B39/04GK1363984SQ0114541
公開日2002年8月14日 申請日期2001年12月27日 優先權日2000年12月27日
發明者L·S·伊爾耶斯, L·R·內羅尼 申請人:通用電氣公司