具有e類轉換器模塊的轉換器電路的製作方法
2023-08-05 15:24:41 1
專利名稱：具有e類轉換器模塊的轉換器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種轉換器電路，特別地涉及一種具有這種轉換器電路的電子鎮流器，涉及相應的驅動方法，以及在優選的應用情況的範圍內涉及一種燈系統以及這種燈系統的應用。
背景技術：
用於從整流過的網絡饋電或直流供電中產生交流電功率的轉換器電路本身以不同的結構形式被公開。特別是公開了所謂的E類轉換器或閉鎖轉換器(Sperrwandler)。
在E類轉換器中，存儲電感通過通向電源的端子來充電。在某一電流值時，流過與存儲電感相串聯的開關電晶體的電流被中斷，並且由此產生的感應電壓脈衝被用於為負載供電。
特別是已知，使用這樣的E類轉換器為具有脈衝調製的高頻供電電壓的、介電阻礙的放電燈供電。參考EP 0 927 506 B1，它既闡明了E類轉換器的工作原理，又闡明了這種應用情況。
此外已知的是，為了保證從電源網絡接收儘可能正弦形式的電流，亦即為了改善功率因數，採用功率因數校正電路。此外，這裡考慮所謂的升壓轉換器，該升壓轉換器例如在C.H.Sturm，E.Klein「Betriebsgeraete und Schaltungen fuer elektrische Lampen」(第六版，1992，Siemens AG，第127頁)中被說明。
升壓轉換器具有以下優點，即在結構和驅動方面特別簡單。
發明內容
本發明所基於的技術問題是，說明一種轉換器電路，該轉換器電路很好地適合用於前置的功率因數校正電路。
本發明涉及一種具有多個E類轉換器模塊的轉換器電路，這些E類轉換器模塊的開關電晶體和存儲電感全部串聯連接，並且這些E類轉換器模塊的開關電晶體能夠經由共同的控制線路加以控制。
此外，本發明涉及一種相應的鎮流器，特別是一種具有功率因數校正電路的鎮流器，在該鎮流器中能夠利用功率因數校正電路的不減小的輸出電壓來驅動轉換器電路。
此外，本發明還涉及按照權利要求12和13的相應的驅動方法，涉及按照權利要求14的燈系統，在優選的應用情況的範圍內涉及按照權利要求15的燈系統的應用和按照權利要求16的顯示裝置。
此外，本發明的優選的擴展方案在從屬權利要求中加以說明，並且將在下面更詳細地進行說明。在此，單個特徵總是既涉及本發明的裝置範疇又涉及本發明的方法範疇，並且涉及前面列舉的本發明的不同方面。
本發明的基本思想在於，不是將E類轉換器理解為獨立的轉換器電路，而是將其理解為轉換器電路的模塊。根據本發明，這樣的E類轉換器模塊以串聯形式連接，以致它們的本來在模塊內串聯連接的存儲電感和開關電晶體總體上構成串聯電路。單個E類轉換器模塊的開關電晶體經由共同的控制信號來控制，以致單個模塊能夠同步地並且至少基本上同相位地工作。用於接通和關斷存儲電感的電流的開關電晶體也同時被接通，這在共同的控制信號的意義上通過控制單個開關電晶體的控制線路在信號技術上的耦合來實現。
這具有以下優點，即在某種程度上可以說模塊的串聯電路能夠被用作分壓器開關，所述模塊的串聯電路將供電直流電壓分配到單個模塊上，並且由此將減小的供電直流電壓施加到單個模塊上。特別地，單個模塊的直流電壓電平被合計，這將根據實施例更詳細地進行說明。
由此，得到另一個自由度，即能夠使用相對大的供電直流電壓，而無須使單個E類轉換器與之匹配。這既涉及開關電晶體的容許負荷又涉及其他元件的容許負荷，但是首先涉及在轉換器輸出端上的變壓器的設計。
更確切地說，利用本發明，一方面可以使用相對高的供電直流電壓，另一方面可以不依賴於供電直流電壓首先在效率方面在模塊內部優化轉換器拓撲。因此隨後可以確定，可以採用多少個串聯連接的模塊來在總體上滿足要求。
本發明的一個重要方面在於，應經常使用功率因數校正電路，在該功率因數校正電路中輸出電壓的選擇不總是自由的。例如在文章開頭已經提及的升壓轉換器不能夠產生低於電網電壓峰值的輸出電壓，然而出於另外的原因是有利的。例如已經在這種升壓轉換器的輸出端上使用另一個降壓轉換器，以便使本來已經存在的供電直流電壓轉換到對轉換器有利的電壓水平。利用本發明來取消這種花費。更確切地說，可以將根據本發明的轉換器電路直接用在升壓轉換器的輸出端上，其中「直接」意味著不必進行電壓電平匹配。
所提到的模塊中開關電晶體的單個控制線路在信號技術上的耦合優選地通過電容器來實現。電容器的直流電壓隔離具有以下優點，即模塊的不同的電勢水平不幹擾，亦即替代單個的匹配於相應電勢的驅動器電路，能夠使用共同的驅動器電路。
此外，優選地在每個模塊內使用齊納二極體，該齊納二極體原則上處於開關電晶體的控制端子和參考電勢端子之間，在共源電路中的FET的情況下也處於柵極端子和源極端子之間。在此情況下，應在串聯電路的範圍內理解概念「參考電勢端子」，亦即可以表示提高了位於「其下」的模塊的直流電壓幅值的參考電勢。在某種程度上可以說，這是從單個模塊的角度來看的參考電勢。該齊納二極體限制控制端子上的電壓電平，並且與所提及的控制線路的耦合電容器一起用於調整其直流電壓電平。此外，在適當的設計的情況下，該齊納二極體通過短接高於其導通電壓的分量而具有有效的「濾波器作用」以濾出控制信號中的幹擾分量。由此，並不意味著在低通意義上的濾波器作用。而是，如果高頻分量的幅度處在高於齊納二極體導通電壓的信號分量中，則高頻分量被短接。因而，高於導通電壓的分量的「截止」也涉及高頻分量。因此，柵極控制不依賴於供電電壓調製和控制信號幹擾。
E類轉換器經常具有在供電側的用於穩定供電電壓的電容器，通常為電解電容器。在本發明的一個實施形式中規定，每個模塊具有自身的這樣的供電電容器。然而，在本發明的另一實施形式中，這些供電電容器通過唯一的針對整個串聯電路而設置的電容器來代替。在第三實施形式中混合地存在這兩種情況，其中模塊內部的供電電容器可以相應地更小並且可能也可以作為簡單的薄膜電容器(Folienkondensator)來實施。為了闡明，參考實施例。
此外，優選地也在模塊中與各個開關電晶體的開關路徑平行地設置電容器，該電容器用於電壓成形。
本發明的另一個擴展方案規定在各個開關電晶體和各個存儲電感之間的每個模塊的分接點的容性短路。這允許通過高頻短路而使各個模塊上的交流電壓信號對稱。由此避免由於次級電壓分配而引起的問題和經由容性耦合的影響。也即在開關和存儲電感上的初級電壓不必一定相同。更確切地說，由於初級線圈和次級線圈之間的容性耦合以及由於次級側的相互連接的影響，導致不對稱。所提及的高頻短路消除這樣的不對稱。
優選地，各個模塊的輸出端具有變壓器，其中該變壓器的次級線圈不必一定串聯連接，然而優選是這樣，如在實施例中所描述的。
本發明的優選的應用領域在於，驅動介電阻礙(dielektrischbehindert)的放電燈，即在這種燈的電子鎮流器中使用所述轉換器電路。此外，這種燈系統可以例如在計算機顯示器或電視機的背景照明中或者在其他顯示裝置中得到應用。重要的還有UV輻射器，即這樣的燈，在這些燈中利用來自放電的最初的UV射線，並且不使用螢光物質或藉助於合適的螢光物質轉換為波長更長的UV射線。這樣的UV輻射器用於不同的技術任務，特別是用於材料處理、表面修整、水的淨化和殺菌。
下面藉助實施例來更詳細地說明本發明，其中已經闡明的特徵應根據本發明的不同範疇和方面來理解，並且此外可以以其他組合成為本發明的本質。
圖1示出作為第一實施例的、根據本發明的轉換器電路的簡單的示意性實例。
圖2示出相對於圖1中的電路具有一些附加特徵的轉換器電路的第二實施例。
圖3示出轉換器電路的第三實施例。
圖4示出轉換器電路的第四實施例。
具體實施例方式
圖1示出用於為介電阻礙的放電燈供電的鎮流器中四個E類轉換器模塊的串聯電路。在圖1上方所畫出的以及處於高電勢的第一模塊具有開關電晶體S1(這裡為功率MOSFET)、帶有次級線圈L2的存儲電感L1、供電電解電容器C11、控制耦合電容器C7和齊納二極體Z1。存儲電感L1和開關電晶體S1串聯連接，其中在下方的開關二極體S1的源極端子處於模塊內部的參考電勢上，該參考電勢構成位於其下方的模塊(S2、L3、L4、C12、C8、Z2)的正的供電電勢。
開關電晶體S1的漏極端子與存儲電感L1的下方端子相耦合，該存儲電感L1的上方端子處於大約450V的中間電路直流電壓上。以這裡未詳細示出的常規的方式，通過藉助升壓轉換器的整流和轉換而從電網供電電壓中產生這個中間電路供電電壓。
供電電容器C11與由存儲電感L1和開關電晶體S1組成的串聯電路並聯，該供電電容器C11用於支持供電電壓並且因而作為相對大的電解電容器加以實施。
在圖1左下方輸入中央控制信號SE，並且在這裡象徵性地作為方波形式示出。這個中央控制信號SE經由未用數字標明的電阻和控制耦合電容器C7-C10(在上方的模塊情況下為C7)被施加到開關電晶體的柵極上。控制信號耦合輸入也是純交流電壓的。在開關電晶體S1的柵極端子和源極端子之間連接有齊納二極體Z1，該齊納二極體Z1調整耦合電容器C7的直流電壓水平並且阻止柵極端子上的過電壓。此外，通過對耦合輸入的控制信號電平的合適的調整，可以實現，在開關電晶體S1開路的情況下，控制信號比齊納二極體Z1的導通電壓高一些並且由此疊加在控制信號上的齊納二極體Z1中的幹擾被短路。針對這種短路情況，在共同的控制線路中設置電阻，亦即例如在耦合電容器C7左邊的電阻。
結構相同的、具有用相應較大的數字標明的元件的第二模塊位於所描述的第一模塊之下，其中第一模塊的內部(低)的參考電勢形成第二模塊的正的供電電勢。相應的關係適用於第二和第三模塊，並且適用於第三和第四模塊。第四模塊的內部的參考電勢位於地，如圖1所示，並且在第四開關電晶體S4的源極端子情況下經由電流測量電阻RM被耦合到地。
如在分壓器電路的情況下，450V的供電電壓被分配到四個供電電容器C11-C14上，以致將電容器中的每一個充電至大約112.5V。這被視為較有利的值，因為在40V至120V範圍內的直流電壓通常有利於驅動用於驅動介電阻礙的放電燈的E類轉換器。單個模塊供電電壓也可以通過相應較大的模塊數量來減小。
首先存在某種擔心，即材料容差、特別是電解電容器C11-C14的不同的電容和/或不同的電感會導致單個模塊的供電電壓明顯不同，直至導致元件的損壞。然而，已經顯示出，出現的波動是相對小的並且是可掌控的，並且電路穩定地工作。其原因主要在於在單個模塊供電電壓提高時由這個模塊所轉換的脈衝能量增加，並由此將相應的供電電容器更強烈地放電。
此外，在圖1中所示的電路中，單個開關電晶體S1-S4的漏極-源極電壓並未累加起來。更確切地說，單個漏極-源極電壓合計為分別位於其下的相對於電路參考點的直流電壓水平，亦即例如開關電晶體S2的漏極-源極電壓合計為電容器C13的上方端子上的225V。這裡也不涉及單個開關電晶體的串聯電路，如例如為了提高總截止電壓而已知的。
除了使電壓穩定，供電電容器也具有以下意義，即吸收從單個E類轉換器模塊的次級電路回饋到初級電路中的能量。參考已經引用的EP0927506 B1。此外，E類轉換器的工作方式對於本領域中的技術人員來說是已知的。
在這個實施例中，存儲電感與次級線圈L2、L4、L6和L8耦合，這些次級線圈又形成串聯電路。由此，通過依照圖1在時間上同步地控制開關電晶體S1-S4，也將次級側的感應電壓相加起來。
次級側的電感L2、L4、L6和L8當然也可以不同地相互連接，例如並聯連接。這是使阻抗與需要供電的介電阻礙的放電燈匹配的問題。在本情況下，串聯電路是有利的，因為應產生相對高的電壓。因此串聯的輸出電路首先是優選的，因為由於同型元件的參數差異而在並聯電路的情況下可能有補償電流流動，該補償電流鑑於電磁兼容性和損耗是不利的(所謂的鈴聲(Klingeln))。在所有情況下，單個模塊的功率合計為總功率。
在此，本發明也具有另外的優點，即當需要供電的燈要求較大的輸入功率時，通過分配到多個模塊上、特別是分配到多個電感或變壓器上能夠實現更有利的結構尺寸、特別是結構高度。在結構上，多個小的變壓器經常比一個較大的變壓器更有利。
圖2示出圖1的一個變型方案。
圖2示出與圖1儘可能類似的結構，其中對於相應的元件也使用相同的附圖標記。附加地，每個模塊分別在齊納二極體的上方端子和開關電晶體的柵極端子之間包含以陽極連接到齊納二極體的陰極上的整流二極體和雙極電晶體，該雙極電晶體的發射極連接在該整流二極體和柵極端子之間，其基極連接在該整流二極體和齊納二極體之間，而其集電極連接到各個開關電晶體的源極端子上。整流二極體用D1-D4標明，與此相對，雙極電晶體用S5-S8標明。這種相互連接導致，能夠通過以下方式特別快地關斷開關電晶體S1-S4，即柵極端子上的電勢特別快地經由各個雙極電晶體S5-S8的發射極-集電極路徑被引導到柵極電壓閾值之下。二極體D1-D4導致，能夠經由雙極電晶體S5-S8關斷開關電晶體S1-S4並且經由二極體D1-D4接通開關電晶體S1-S4。
此外，用R1-R4標明的與齊納二極體並聯的電阻導致，E類轉換器模塊的整個串聯電路無需控制信號SE就可以獨自關斷。
圖3示出第三實施例，其首先通過以下方式區別於前面的兩個實施例，即僅僅使用三個模塊。此外，在這裡，變壓器的初級線圈和次級線圈L1和L2、L3和L4、L5和L6相互分離地被畫出，這應僅僅用於圖形的清晰並不表示相對於圖1和2在技術上的改變。最後，這裡略去開關電晶體S1-S3的控制電路，這些控制電路根據圖2來實現。
一方面，設置附加的分別與開關電晶體S1、S2和S3並聯的電容器C1、C3和C5，這些電容器C1、C3和C5用於經由電晶體的信號成形。與其平行地畫出的整流二極體D1-D3是開關電晶體S1-S3的固有的體二極體。當不使用MOSFET而使用例如雙極電晶體時，必須應用這種分離的二極體。
此外，在存儲電感L1、L3和L5與分別所屬的開關電晶體S1、S2或S3之間的分接點經由耦合電容器C2、C4或C6被短接。這種高頻短路使交流電壓信號對稱並且由此防止可能由於次級電壓分配和容性耦合而出現的問題。
最後，圖4示出第四實施例，其對應於圖3的第三實施例，但具有以下例外單個E類轉換器模塊的供電電容器C11、C12和C13由同一供電電容器C21來代替，該供電電容器C21與整個串聯電路並聯。這樣一個較大的電解電容器通常比多個小的電解電容器成本低。
一個優選的實施形式也可以以圖3和4的組合形式如此來實現，以致相對大的共同的存儲電容器C21與相對小的模塊單獨的存儲電容器C11、C12和C13一起被使用，亦即在現有的三個模塊中總共有四個電容器。與按照圖1-3的只是模塊單獨的解決方案相比，這種解決方案的元件成本還更低。特別地，可以將薄膜電容器用於模塊單獨的存儲電容器。
總之，通過簡單的模塊化的結構構成形式，本發明通過以下方式顯示出大的靈活性，即能夠根據可供使用的供電直流電壓來裝配優化的E類轉換器模塊。即使在次級側也能夠通過適當的電路連接(串聯或者並聯)而與需要供電的燈匹配。中間連接用於降低升壓轉換器輸出端的直流電壓水平的其他變換器的必要性被取消。替代地，能夠直接在升壓轉換器的輸出端上驅動按照圖1-4的轉換器電路。最後，在個別情況下劃分成多個存儲電感或變壓器也提供空間上的大的靈活性，特別是提供有利的結構高度。
本發明特別適於為例如用於顯示器背景照明的介電阻礙的放電燈供電，而且特別是在燈的功率較大時(例如在大尺寸電視屏幕的情況下)。
權利要求
1.一種具有多個E類轉換器模塊的轉換器電路，所述E類轉換器模塊的開關電晶體(S1-S4)和存儲電感(L1、L3、L5、L7)全部串聯連接，並且所述E類轉換器模塊的開關電晶體(S1-S4)能夠經由共同的控制信號(SE)來加以控制。
2.按照權利要求1的轉換器電路，其中所述E類轉換器模塊的相應的開關電晶體(S1-S4)的單個控制線路經由相應的電容器(C7-C10)與共同的控制線路相耦合，以便傳輸所述共同的控制信號(SE)。
3.按照權利要求1或2的轉換器電路，在每個E類轉換器模塊中在相應模塊的所述開關電晶體(S1-S4)的控制端子和參考電勢端子之間具有相應的齊納二極體(Z1-Z4)。
4.按照上述權利要求之一的轉換器電路，其中每個E類轉換器具有自身的供電電容器(C11-C14)。
5.按照上述權利要求之一的轉換器電路，其中總的E類轉換器模塊的串聯電路具有共同的供電電容器(C21)。
6.按照上述權利要求之一的轉換器電路，其中在各個E類轉換器模塊中將電容器(C1、C3、C5)分別與相應的開關電晶體(S1-S4)的開關路徑並聯連接。
7.按照上述權利要求之一的轉換器電路，其中將所述E類轉換器模塊的相應的開關電晶體(S1-S4)和相應的存儲電感(L1、L3、L5、L7)之間的相應的分接頭容性地(C2、C4、C6)相互短接。
8.按照上述權利要求之一的轉換器電路，其中所述E類轉換器模塊分別具有作為輸出端的變壓器(L1-L8)。
9.一種用於介電阻礙的放電燈的電子鎮流器，具有按照上述權利要求之一的轉換器電路。
10.按照權利要求9的電子鎮流器，具有功率因數校正電路，在所述電子鎮流器中能夠利用所述功率因數校正電路的不減小的輸出電壓來驅動所述轉換器電路。
11.按照權利要求10的電子鎮流器，其中所述功率因數校正電路是升壓轉換器。
12.一種用於驅動按照權利要求1-7之一的轉換器電路的方法，其中經由所述共同的控制線路(SE)同步地控制所述開關電晶體(S1-S4)，所述E類轉換器模塊的存儲電感(L1、L3、L5、L7)在時間上同步地被充電和放電，並且在所述轉換器電路的輸出端上通過所述E類轉換器模塊來共同地驅動共同的負載。
13.一種用於驅動具有按照權利要求9-11之一的電子鎮流器的、介電阻礙的放電燈的方法，所述方法包含按照權利要求12的方法。
14.一種燈系統，具有按照權利要求9-11之一的電子鎮流器和利用所述鎮流器可驅動的介電阻礙的放電燈。
15.按照權利要求14的燈系統的應用，用於顯示器、電視屏幕或顯示裝置中的背景照明，用於光源中的照明，或者用於技術上的UV輻射器中的UV處理。
16.一種顯示裝置、特別是顯示器或電視屏幕，具有按照權利要求14的用於背景照明的燈系統。
全文摘要
本發明涉及一種具有E類轉換器模塊的串聯電路的、用於優化單個轉換器模塊(例如C7、C11、Z1、S1、L1、L2)的直流電壓供給的轉換器電路。
文檔編號H02M7/537GK1780520SQ20051010765
公開日2006年5月31日 申請日期2005年9月29日 優先權日2004年9月29日
發明者R·萊歇勒, W·索瓦 申請人:電燈專利信託有限公司