具有無源功率因數校正的電子鎮流器的製造方法
2023-06-17 15:48:16
具有無源功率因數校正的電子鎮流器的製造方法
【專利摘要】本公開涉及具有無源功率因數校正的電子鎮流器。用於驅動氣體放電燈的鎮流器電路包括：整流電路；耦合於該整流電路的輸出的無源PFC電路，以及耦合於該整流電路的該輸出的逆變器。該逆變器配置成輸出高頻燈電力來驅動氣體放電燈，並且氣體放電燈的返回耦合於無源PFC電路的公共充電節點。
【專利說明】具有無源功率因數校正的電子鎮流器
【技術領域】
[0001]公開的實施例的方面大體上涉及電氣照明並且特別涉及具有功率因數校正的電子鎮流器。
【背景技術】
[0002]氣體放電燈屬於一類電氣照明或光發生裝置，其通過使電流傳遞通過燈內的氣體或蒸汽而產生光。蒸汽中的原子從電流吸收能量並且將吸收的能量作為光釋放。較廣泛使用的氣體放電燈的類型中的一個是螢光燈，其常常在辦公樓和家中使用。螢光燈含有汞蒸汽，其原子在不可見的低波長紫外區中發射光。紫外輻射由設置在燈管內部上的磷吸收，從而使磷發光，由此產生可見光。
[0003]螢光燈展現出稱為負阻的現象，其是增加的電流流量使燈的電阻減小的狀況。如果僅電壓源用於驅動螢光燈，該負阻特性導致不穩定的狀況，其中燈電流迅速增加到將損壞燈的水平。從而，需要從可以控制燈電流的電源驅動螢光燈。儘管使用直流電(DC)來驅動螢光燈是可能的，實際上，典型地使用交流電(AC)，因為其較容易供應得起並且較高效地控制燈電流。用於驅動螢光燈的電流控制電路大體上稱為鎮流器電路或「鎮流器」。實際上，術語鎮流器常常用於指整個螢光燈驅動電路，而不只是電流限制部分。
[0004]各種質量度量可用於評估鎮流器電路的操作。功率因數表現為電路中流到負載的有功功率與輸送的視在功率之間的比率。純電阻性負載具有單位或一的功率因數。例如用於驅動氣體放電燈的電子鎮流器等非線性電路的效率不太高並且具有零與一之間的功率因數。較高的功率因數(即，較接近一的數字)代表較好的功率因數。
[0005]正弦輸入電力的失真可以導致在基本電力頻率上施加較高諧波頻率。這些較高諧波從輸入抽取能量而不向負載輸送有用功率。測量電路的總諧波失真(THD)(通常表示為基本頻率幅度的百分比)在較低的THD可取的情況下提供另一個有用的效率度量。
[0006]例如由鎮流器電路中的不連續形成的電流尖峰等大的瞬變電流可能不利地影響氣體放電燈的操作和壽命。這些瞬變電流的度量是峰值電流與平均電流的比率並且稱為電流波峰因數或就是波峰因數(CF)，其中較低的CF較可取。
[0007]早期的氣體放電照明組件使用磁性鎮流器電路來控制燈電流。然而，與期望的相t匕，這些電路通常尺寸大、成本高並且具有較低的效率。隨著對高效且緊湊的照明產品的需求的增長，例如在住宅照明應用中廣泛使用的緊湊型螢光燈(CFL)，不同的電子鎮流器拓撲被引入並且正逐漸取代較舊款的磁性鎮流器。可以使用具有兩個或三個功率級(通常包括一個或兩個開關調節器級)的多級電子鎮流器拓撲，其具有良好效果但可能設計複雜並且具有較高的成本。這些配置典型地具有獨立的開關調節器級，用於提供有源功率因數校正，以及具有諧振逆變器級來產生燈電力。PFC級可集成到逆變器級來降低成本，但所得的鎮流器具有比期望的THD高的THD。另一個方法是在全波整流器和逆變器之間包括填谷電路用於提供無源PFC。遺憾地，該方法也產生比期望的THD高的THD並且可能具有高的CF，其不利地影響燈壽命。[0008]圖1圖示現有技術的鎮流器電路，其大體上由數字100指示。該鎮流器電路100在輸入端102處接收AC輸入電力。整流電路104將來自本地電力網的AC輸入電力(典型地，50-60赫茲、110-240伏電力)轉換成DC母線電壓VBUS，其典型地包括全波整流正弦波信號。逆變器(例如高頻自振蕩諧振逆變器)接收DC VBUS電壓並且產生用於對氣體放電燈110供電的高頻AC燈電壓VLAMP。整流電路104包括採用全橋配置而設置的四個二極體D101、D102、D103和D104，用於將輸入端102處的AC電力轉換成DC VBUS電力。填谷(VF)電路106用於提高鎮流器電路100的總功率因數。填谷(VF)電路是用於填充全波整流正弦電壓波形中的谷的一類電荷存儲電路並且有時包括在鎮流器電路中來提供無源PFC。在使用中存在多種不同的VF電路配置。在圖1中示出的VF電路106是最早期電路中的一個並且為了便於理解而在這裡呈現。VF電路106包括電路分支，其形成為具有三個串聯連接的部件:電容器ClOl ;充電二極體D106 ;和在正VBUS軌112和負VBUS軌114之間連接的第二電容器C102。二極體D105使電容器ClOl連接到負VBUS軌114並且二極體D107使電容器C102連接到正VBUS軌112。全波整流VBUS信號主要是全波整流正弦曲線，其可以描述為一系列峰和谷，這些峰是電壓接近其最大值(從正弦輸入電壓周期大約30°至150°以及210°至330° )的時段並且這些谷是在電壓小於峰值電壓的大約一半的峰之間的時段(從正弦輸入電壓周期大約0°至30°和150至210°以及330°至360° )。在VBUS信號中的峰期間，電容器C101、C102通過充電二極體D106而串聯充電。在谷期間，電容器ClOl和C102分別通過二極體D105和D107放電，由此防止VBUS電壓降到峰值VBUS電壓的大約一半以下。自大約30°至150°以及然後自210°至330°從輸入電力抽取電流。自大約150°至210°以及從330°至360°沒有抽取電流，並且然後周期重複。插入二極體D106來防止C102經由ClOl放電。輸入電流中的這些不連續在電流波形中形成高的諧波分量，從而導致比期望的總諧波失真(THD)高出33%以上。產生的THD在IEC (InternationalElectrotechnical Commission,國際電工委員會)設置的極限以上。在圖示的鎮流器100中，每當VBUS電壓接近其峰值時，將對電容器C101、C102充電，由此在電流波形中形成大的尖峰。這些尖峰導致大的CF並且將不利地影響燈110，如上文描述的。
[0009]因此，提供解決上文指出的問題中至少一些問題的燈鎮流器，這將是可取的。
【發明內容】
[0010]如本文描述的，示範性實施例克服上文的缺點或本領域內已知的其他缺點中的一個或多個。
[0011]示範性實施例的一個方面涉及用於驅動一個或多個氣體放電燈的鎮流器電路。在一個實施例中，該鎮流器電路包括整流電路、耦合於該整流電路的輸出的無源PFC電路以及耦合於該整流電路的該輸出的逆變器。該逆變器配置成輸出高頻燈電力，並且氣體放電燈的返回耦合於無源PFC電路的公共充電節點。
[0012]示範性實施例的另一個方面涉及用於驅動氣體放電燈的鎮流器電路。在一個實施例中，該鎮流器電路包括整流/PFC電路和耦合於該整流/PFC電路的逆變器。該逆變器配置成輸出高頻燈電力，並且氣體放電燈的返回耦合於該整流/PFC電路的供應。
[0013]示範性實施例的另一個方面涉及電氣照明設備。在一個實施例中，該電氣照明設備包括整流/PFC電路、耦合於該整流/PFC電路的逆變器和耦合於該逆變器的氣體放電燈。該逆變器配置成輸出高頻燈電力，並且氣體放電燈的返回耦合於該整流/PFC電路的供應。
[0014]示範性實施例的這些和其他方面與優勢將從與附圖結合考慮的下列詳細說明變得明顯。然而，要理解圖僅設計用於圖示目的並且不作為本發明的限制的限定，本發明的限制應該參考附上的權利要求。本發明的另外的方面和優勢將在之後的說明中闡述，並且部分將從說明中顯而易見，或可通過本發明的實踐而獲悉。此外，本發明的方面和優勢可通過在附上的權利要求中特別指出的工具和組合來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]附圖圖示本公開的目前優選的實施例，並且與上文給出的一般說明和下文給出的詳細說明一起，起到解釋本公開的原理的作用。如在整個圖中示出的，類似的標號指示類似或對應的部件。
[0016]圖1圖示包含填谷電路的現有技術的電氣照明設備。
[0017]圖2圖示包含本公開的方面的示範性照明設備，其具有無源PFC和來自燈的高頻能量的反饋。
[0018]圖3圖示在圖2中圖示的示範性照明設備的輸入電流和燈電流的曲線圖。
[0019]圖4圖示包含本公開的方面的示範性照明設備的備選實施例。
[0020]圖5圖示包含本公開的方面的示範性照明設備，其具有無源PFC和來自燈的高能量對整流電路的反饋。
[0021]圖6圖示包含本公開的方面的具有擴大的輸入濾波器和來自燈的高頻能量進入該輸入濾波器的反饋的示範性照明設備。
[0022]圖7圖示包含本公開的方面的具有擴大的輸入濾波器和來自燈的高頻能量直接對輸入電力的反饋的示範性照明設備。
[0023]圖8圖示包含本公開的方面的具有備選類型的高頻燈能量反饋的示範性照明設備。
[0024]圖9圖示包含本公開的方面的示範性照明設備，其包括自振蕩諧振逆變器。
[0025]圖10圖示包含本公開的方面的示範性照明設備，其包括自振蕩諧振逆變器和整流/PFC電路。
【具體實施方式】
[0026]現在參考圖2，可以看到有具有改進的無源PFC的鎮流器電路200的圖示。圖2的鎮流器從例如本地電力網等適合的AC源接收輸入電力Vl。輸入濾波器230(其包括與該輸入電力Vl串聯連接的電感器L205和在該電感器L205的任一側上與該輸入電力Vl並聯連接的兩個電容器C210和C209)為鎮流器電路200提供修整和保護。備選地，可有利地採用其他類型的輸入濾波電路。由四個二極體0201、0202、0203、0204構造的全波橋式整流電路207在供應節點216 (其位於D201、D202之間)和返回節點218 (其位於二極體D203、D204之間)處接收修整的輸入電力。在正弦AC輸入電力Vl的正半周期期間二極體D201、D204導通，以及在正弦AC輸入電力Vl的負半周期期間，二極體D202、D203導通，以在正VBUS軌112和負VBUS軌114處產生全波整流DC電力VBUS0 DC電力VBUS由逆變器208接收，該逆變器208產生高頻(例如大約40至50千赫)燈電力VLAMP。在燈負載210的供應側212和該燈負載的返回側214處將該燈電力VLAMP提供給該燈負載210。應該注意，按照常規和為便於理解，在本文中使用術語正、負、供應和返回並且不意在暗示流動的任何嚴格方向或以任何方式限制公開的實施例。術語供應大體上用於描述在施加正電勢時具有正電流流動的部件或端子並且術語返回大體上用於在施加負電勢時具有正電流流動的部件或端子。
[0027]鎮流器電路200的功率因數校正由電荷存儲電路206提供，電荷存儲電路206也稱為VF電路206，其包括兩個大容量存儲電容器C202、C206。兩個二極體D206、D207串聯地置於大容量存儲電容器C202、C206之間以提供從正VBUS軌212通過電容器C206、通過兩個二極體D206 D207並且通過C202到負VBUS軌214的充電路徑來對存儲電容器C202、C206充電。在VBUS電壓中的峰期間，大容量存儲電容器C206、C202每個充電至大約峰值VBUS電壓的一半。當VBUS電壓降到低於大容量存儲電容器C206、C202中的每個上的電荷時，大容量存儲電容器C206、C202每個將通過它們相應的放電二極體D205和D208放電，由此使VBUS電壓保持在大約峰值VBUS電壓的一半。如上文論述的，大容量存儲電容器C206、C202可以防止二極體D201、D202、D203和D204在大容量存儲電容器C206和C202放電時導通，由此形成不連續，如果留下該不連續使得未被補償則可能形成高THD。大容量存儲電容器C206、C202的充電具有形成電流尖峰(其使CF增加)的可能性。在一個實施例中，為了使CF降低，電容器C207跨VBUS軌112、114並聯連接並且第二對電容器C204、C203在燈返回214和正VBUS軌112之間串聯連接，其中這兩個電容器C204、C203之間的中心節點220連接到填谷電路206的兩個充電二極體D206、D207之間的中心節點220。另外，反饋電容器C205在節點218處將能量從燈返回側214帶回到全波橋式整流器207。該設置導致鎮流器性能大大提高，如在表1中示出的，其中鎮流器200用具有大約62瓦的輸入功率(Pin)從60赫茲的大約230伏的輸入電壓VIN驅動兩個28瓦燈。逆變器輸出VLAMP具有在大約43千赫茲的大約170毫安的燈電流。鎮流器200展現出1.61的波峰因數(其中低於2的波峰因數是可取的)、大約13%的THD以及大約0.98的功率因數(PF)。所得的電流波形在圖3中示出的曲線圖中圖示。上段曲線圖300示出從輸入電力Vl抽取的電流，其具有在垂直軸上的幅值和沿水平軸的時間。曲線圖300中的垂直軸示出以安培計的電流，其中每個分度代表200毫安並且水平軸示出時`間，其中每個分度代表5毫秒。下段曲線圖301示出流過燈負載210的電流，其具有垂直軸上的幅值和沿水平軸的時間。曲線圖300中的垂直軸示出以安培計的電流，其中每個分度代表100毫安並且水平軸示出時間，其中每個分度代表5毫秒。
【權利要求】
1.一種用於驅動氣體放電燈的鎮流器電路，所述鎮流器電路包括: 整流電路； 無源PFC電路，其耦合於所述整流電路的輸出；以及 逆變器，其耦合於所述PFC電路的輸出，所述逆變器配置成輸出高頻燈電力來驅動所述氣體放電燈； 其中所述氣體放電燈的返回耦合於所述無源PFC電路的公共充電節點。
2.如權利要求1所述的鎮流器電路，其中所述無源PFC電路包括: 串聯連接的第一充電二極體和第二充電二極體，在第一充電二極體和第二充電二極體之間形成公共充電節點； 第一存儲電容器，其耦合於所述第一充電二極體和所述整流電路的正輸出之間； 第二存儲電容器，其耦合於所述第二充電二極體和所述整流電路的負輸出之間； 第一放電二極體，其稱合於所述第一存儲電容器和所述整流電路的負輸出之間； 第二放電二極體，其耦合於所述第二存儲電容器和所述整流電路的正輸出之間； 電容器，其耦合於所述公共充電節點和所述整流電路的正輸出之間；以及 反饋電容器，其耦合於所述公共充電節點和所述整流電路的供應之間。
3.如權利要求2所述的鎮流器電路，其進一步包括與所述第二放電二極體並聯耦合的濾波電容器。
4.如權利要求2所述的鎮流器電路`，其中所述反饋電容器耦合於所述公共充電節點和所述整流電路的返回之間並且電容器串聯耦合於所述氣體放電燈的返回和所述公共充電節點之間。
5.如權利要求2所述的鎮流器電路，其中所述反饋電容器耦合於所述公共充電節點和濾波器供應端之間。
6.如權利要求2所述的鎮流器電路，其中所述反饋電容器耦合於所述公共充電節點和濾波器返回端之間。
7.如權利要求1所述的鎮流器電路，其進一步包括耦合於AC輸入電力和所述整流電路之間的濾波電路。
8.如權利要求7所述的鎮流器電路，其中所述濾波電路包括耦合於所述整流電路的供應和返回之間的第一電容器、耦合於整流電路供應和公共濾波器節點之間的第一電感器、耦合於公共濾波器節點和整流電路返回之間的第二電容器、耦合於公共濾波器節點和濾波器輸入端之間的第二電感器以及耦合於整流器返回和濾波器返回端之間的第三電感器，其中濾波器供應和返回端配置成接收所述AC輸入電壓，並且其中所述反饋電容器耦合於所述公共充電節點和公共濾波器節點之間。
9.如權利要求1所述的鎮流器電路，其中所述逆變器是自振蕩諧振逆變器，其包括半橋逆變器電路和諧振迴路電路。
10.如權利要求1所述的鎮流器電路，其進一步包括跨所述整流電路的正和負輸出端率禹合的電容器。
11.一種用於驅動氣體放電燈的鎮流器電路，所述鎮流器電路包括: 整流/PFC電路；以及 逆變器，其耦合於所述整流/PFC電路，所述逆變器配置成輸出高頻燈電力；並且所述氣體放電燈的返回耦合於所述整流/PFC電路的供應。
12.如權利要求11所述的鎮流器電路，其中所述整流/PFC電路包括: 第一返回二極體，其耦合於所述整流/PFC電路的返回和正整流/PFC輸出之間； 第二返回二極體，其耦合於所述整流/PFC電路返回和負整流/PFC輸出之間； 第一和第二供應二極體，其串聯耦合於所述整流/PFC電路的供應和正整流器輸出之間； 第一存儲電容器，其與所述第一供應二極體並聯耦合； 第三和第四供應二極體，其串聯耦合於整流/PFC供應和負整流/PFC輸出端之間； 第二存儲電容器，其與第四供應二極體並聯耦合；以及 第三存儲電容器，其與第三供應二極體並聯耦合。
13.如權利要求12所述的鎮流器電路，其進一步包括濾波電路，所述濾波電路耦合於所述整流/PFC電路的供應和返回，其中所述濾波電路配置成接收AC輸入電力。
14.如權利要求11所述的鎮流器電路，其中所述逆變器是自振蕩諧振逆變器，其包括半橋逆變器和諧振迴路電路。
15.如權利要求11所述的鎮流器電路，其進一步包括耦合於正和負整流/PFC電路輸出之間的平滑電容器。
16.—種電氣照明設備,所`述設備包括: 整流/PFC電路； 逆變器，其耦合於所述整流/PFC電路；以及 氣體放電燈，其耦合於所述逆變器，所述逆變器配置成輸送高頻燈電力給所述氣體放電燈，並且 所述氣體放電燈的返回耦合於所述整流/PFC電路的供應。
17.如權利要求16所述的電氣照明設備，其中所述整流/PFC電路包括: 第一和第二返回二極體，其串聯耦合於正和負整流/PFC電路輸出之間，所述第一和第二返回二極體在它們之間形成整流/PFC電路返回； 第一和第二供應二極體，其串聯耦合於所述整流/PFC電路的供應和正整流/PFC電路輸出之間； 第一存儲電容器，其與所述第一供應二極體並聯耦合； 第三和第四供應二極體，其串聯耦合於整流/PFC供應和負整流/PFC輸出之間； 第二存儲電容器，其與所述第四供應二極體並聯耦合；以及 第三存儲電容器，其與所述第三供應二極體並聯耦合。
18.如權利要求17所述的電氣照明設備，其進一步包括耦合於所述整流/PFC電路的正和負輸出之間的平滑電容器。
19.如權利要求18所述的電氣照明設備，其進一步包括耦合於所述整流/PFC電路的供應和返回的濾波電路，其中所述濾波電路配置成接收AC輸入電力。
20.如權利要求16所述的鎮流器電路，其中所述逆變器是自振蕩諧振逆變器，其包括半橋逆變器電路和諧振迴路電路。
【文檔編號】H05B41/26GK103874306SQ201210529878
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月11日 優先權日:2012年12月11日
【發明者】胡秀江, 崔俊國, 毛竹 申請人:通用電氣公司