專利名稱：可轉(zhuǎn)換的電壓變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠用于脈沖電源的可轉(zhuǎn)換電壓變換器。本發(fā)明也涉及一種使用根據(jù)本發(fā)明的電壓變換器來操作電燈的操作裝置。
背景技術：
升壓變換器和SEPIC(單端初級電感變換器)的布局通常在脈沖電源中是已知的。特別在用于放電燈的兩級操作裝置的情況下，這些類型的變換器普遍用于第一級。第一級提供功率因數(shù)補償并且使得中間電路電壓是可利用的，而第二級通常產(chǎn)生高頻AC電壓以提供給放電燈。在與系統(tǒng)頻率相比較的高頻上轉(zhuǎn)換的電子開關提供兩個脈沖電源中的時鐘脈沖。
文獻WO 02/41480(Chang)討論了兩種類型變換器各自的優(yōu)點和缺點。升壓變換器的主要優(yōu)點是高效率，而缺點是輸出電壓的下限為輸入電壓峰值的事實。SEPIC的特性是相反的有利的特征是能夠不依賴于輸入電壓來選擇其輸出電壓的事實，而其效率顯著地低于升壓變換器的情況。
然后，文獻WO 02/41480(Chang)描述了具有可轉(zhuǎn)換布局的電壓變換器。依靠轉(zhuǎn)換開關的位置，所公開的電壓變換器不是起升壓模式中升壓變換器的作用，就是起SEPIC模式中SEPIC的作用。
文獻WO 02/41480(Chang)中所公開的電壓變換器具有如下缺點布局之間的切換需要具有三個電極的轉(zhuǎn)換開關。盡管這能夠通過使用機械開關來實現(xiàn)，但是由于需要兩個開關，因此具有半導體開關的實現(xiàn)是復雜的。另外，這兩個開關需要被同步。
已知的SEPIC布局需要兩個電感器，而升壓變換器的常規(guī)布局僅需要一個電感器。在WO 02/41480(Chang)中描述的電壓變換器的另一個缺點所包括的事實是，在升壓模式中，斷開SEPIC所需的電感器。在升壓模式中冗余的SEPIC電感器不起作用。這產(chǎn)生的結果是，在SEPIC模式和升壓模式中都激活的電感器在電壓變換器的輸出端具有相同功率輸出的兩個模式中承受不同的負載。該電感器需要被定大小，使得不超過在升壓模式中該電感器所能存儲的最大能量。對于SEPIC模式，該電感器是超大小的。這導致在當前運行的模式中可轉(zhuǎn)換的電壓變換器比不可轉(zhuǎn)換的變換器更昂貴。這不僅是由于用于模式之間切換的開關，而且也由于在升壓模式中，SEPIC電感器被切斷并且不使用，且在SEPIC模式中，面向輸入端的電感器是超大小的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種與先有技術相比具有減小成本的可轉(zhuǎn)換電壓變換器。根據(jù)本發(fā)明，這通過僅需要一個用于在模式之間切換的開關的可轉(zhuǎn)換電壓變換器得到。此外，本發(fā)明的目的通過在升壓模式中升壓變換器具有對應于具有紋波電流補償?shù)乃^的升壓變換器布局的布局的事實得到。例如在下面文獻中描述了1997年7月IEEE Transactions on PowerElectronics，Vol.12，Iss.4，pp 684-694中Jing Wang；Dunford W.G；Mauch K.的“Analysis of ripple-free input-current boost converterwith discontinuous conduction characteristics”。該參考文獻中的圖2示出了具有紋波電流補償?shù)纳龎鹤儞Q器的布局。
在紋波電流補償?shù)那闆r下，包括第二電感器和電容器的串聯(lián)電路與升壓變換器的電子開關并聯(lián)連接。高頻電流(紋波電流)主要在第二電感器中流過，而與第二電感器相比較，僅有很少的高頻電流在第一電感器中流過，該第一電感器耦合到電壓變換器的輸入，結果減少了無線電干擾。由于第一電感器和第二電感器之間的磁耦合，完成第一電感器中高頻電流的補償是可能的。這兩個電感器可被定大小，以使每個電感器僅需具有在沒有紋波電流補償?shù)纳龎鹤儞Q器中一個電感器的最大能量存儲容量的一半。從而，與沒有紋波電流補償?shù)纳龎鹤儞Q器相比，在具有紋波電流補償?shù)纳龎鹤儞Q器的情況下，電感器的附加復雜性是低的。
根據(jù)本發(fā)明，第二二極管從包括第二電感器和電容器的上述串聯(lián)電路的連接點連接到電壓變換器的輸出端。在升壓模式中總是以反向極化該二極管，并且從而使該二極管不工作。方式開關與第一二極管串聯(lián)連接，第一二極管表示已知的升壓二極管。如果方式開關閉合，則電壓變換器運行在升壓模式。如果方式開關斷開，則第一二極管不工作，并且電壓變換器借助于第二二極管工作在SEPIC模式。在這種情況下，以正好與升壓模式中相同的方式，從視圖的磁力點使用第一電感器和第二電感器。從而電感器對于一個模式可為最優(yōu)化，并且對于其他模式也同樣為最優(yōu)化。
只需要一個開關來斷開升壓二極管。在兩個模式中，在所有情況下僅有一個晶體管為不工作的，并且兩個電感器以最佳方式用在兩種模式中。因此，與先有技術相比，該可轉(zhuǎn)換電壓變換器的復雜性大大降低了，且僅比不可轉(zhuǎn)換的單獨變換器的復雜性稍微大些。
本發(fā)明的另一方面涉及方式開關的實現(xiàn)。其有利地提供有由驅(qū)動電路觸發(fā)的可控硅整流器，該驅(qū)動電路抑制可控硅整流器的擊穿觸發(fā)。這通過負電壓施加到可控硅整流器的柵極來發(fā)生，只要其不應該被觸發(fā)就行，負電壓是從磁耦合到第一電感器的輔助電感器獲得的。


利用參考附圖的典型實施例，下面將更詳細地解釋本發(fā)明，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的可轉(zhuǎn)換電壓變換器的典型實施例，及圖2示出根據(jù)本發(fā)明可轉(zhuǎn)換電壓變換器的方式開關的典型實施例。
在下文中，由字母R表示電阻器，由字母S表示開關，由字母D表示二極管，由字母C表示電容器，由字母N表示節(jié)點，由字母J表示連接以及由字母L表示電感器，在所有情況后面都跟有數(shù)字。在下文相同的參考標記也用于各種典型實施例的相同和功能上相同的元件。
具體實施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的可轉(zhuǎn)換電壓變換器的一個典型實施例。包括第一電感器L1和電子開關S1的串聯(lián)電路連接在輸入端J1和參考電位M之間，在接點上形成第一節(jié)點N1。在輸入端J1和參考電位M之間由能源給電壓變換器饋電，該能源在J1上產(chǎn)生輸入電壓Ue。該能源通常為已整流系統(tǒng)電壓。適當時，為了減小無線電干擾或抵消過電壓的目的，還插入濾波器。
包括第一電容器C1和第二電感器L2的串聯(lián)電路與電子開關S1并聯(lián)連接，在第一電容器C1和第二電感器L2之間的接點上形成第二節(jié)點N2。這個串聯(lián)電路實現(xiàn)上述提及的紋波電流補償。為了改進補償，L1和L2可被磁耦合。值最好選為L1和L2的電感，其取決于根據(jù)下面等式的磁耦合kk=L2L1,]]>其中L1應大于或等于L2。
包括第一二極管D1和方式開關S2的串聯(lián)電路連接在第一節(jié)點N1和輸出端J2之間，使第一二極管D1極化，使得其允許電流從第一節(jié)點N1流到輸出端J2。在J2和參考電位之間存在輸出電壓Ua。這個輸出電壓Ua通常由存儲電容器緩沖存儲，負載從該存儲電容器得到能量。在存儲電容器上存在中間電路電壓。連接電壓變換器下游的倒相器能夠從中間電路電壓中產(chǎn)生高頻AC電壓，并且該高頻AC電壓被用來操作放電燈。
當方式開關為閉合時，電壓變換器起升壓變換器的作用。當在J2所需要的電壓比在J1存在的電壓高時，這是有利的。
第二二極管D2連接其陽極到第二節(jié)點N2，以及連接其陰極到輸出端J2。從而如果S2斷開，則電壓變換器可起SEPIC的作用。當在J2所需要的電壓比在J1存在的電壓低時，這是有利的。
可由控制裝置控制方式開關S2。如果在輸入端J1上的電壓超出給定的極限電壓值，則控制裝置使方式開關S2斷開。
在放電燈操作期間，方式開關也能夠作為由要被操作的燈在輸出J2上所需的電壓的函數(shù)被控制。如果燈所需的電壓與輸入端J1上的電壓相比較高，則方式開關閉合，并且電壓變換器工作在升壓模式。在比較低電壓上，方式開關斷開，并且電壓變換器工作在SEPIC模式。
圖2說明用于根據(jù)本發(fā)明可轉(zhuǎn)換電壓變換器的方式開關S2的典型實施例。方式開關S2的開關元件為可控硅整流器Th，依靠控制開關S22通過驅(qū)動電路觸發(fā)該可控硅整流器Th。當使用可控硅整流器時，需要注意，不通過已知的、所不希望的擊穿觸發(fā)來觸發(fā)。無論何時電子開關S1斷開時，可控硅整流器的陽極上電壓快速地增大，并且具有擊穿觸發(fā)的危險。當首先使用根據(jù)本發(fā)明的電壓變換器時，這種危險尤其高。當首先操作電壓變換器時，在電壓變換器輸出端的存儲電容器仍然被放電，結果是輸出電壓Ua為零。其導致可控硅整流器的陽極和陰極之間的高瞬時電壓以及擊穿觸發(fā)的危險。
為了防止這種情況，如果控制開關S22斷開，也就是，希望沒有觸發(fā)，則驅(qū)動電路總是施加相對于可控硅整流器Th陰極的負電壓到可控硅整流器Th的柵極。
從圖2中可知，這通過輔助電感器L21獲得，該輔助電感器L21通過其第一連接直流耦合到可控硅整流器Th的陰極，輔助電感器L21磁耦合到第一電感器L1，以使如果相對于輸入端J1的負電壓存在于第一電感器L1上，則相對于其第一連接的負保護電壓存在于其第二連接上。
負保護電壓通過二極管D22給電容器C22充電。在C22的電壓通過包括電阻器R23和R24的串聯(lián)電路連接在可控硅整流器的柵極和陰極之間。在R23和R24之間形成節(jié)點N3。
在輔助電感器上的正電壓通過二極管D21給電容器C21充電。在C21上的電壓通過輔助開關S21、節(jié)點N3和R24連接在可控硅整流器的柵極和陰極之間。只要S21斷開，就在柵極上存在負電壓，結果避免了擊穿觸發(fā)。S21一閉合，就通過C21上的正電壓觸發(fā)可控硅整流器Th。
圖2所示的典型實施例中，由PNP雙極型晶體管構成輔助開關S21，該PNP雙極型晶體管的發(fā)射極耦合到C21并且集電極耦合到節(jié)點N3。電阻器R21連接在基極和發(fā)射極之間。控制開關S22為NPN雙極型晶體管，該NPN雙極型晶體管的發(fā)射極連接到參考電位M。S22的集電極通過電阻器R22連接到S21的基極。S22的基極連接到控制裝置CON，該控制裝置CON控制方式開關S2。
只要控制裝置CON不輸出信號，S22就斷開，其結果是S21也斷開，并且在可控硅整流器的柵極上存在負電壓。電壓變換器工作在SEPIC模式。
如果控制裝置CON接通控制開關S22，則S21也接通，并且觸發(fā)可控硅整流器。于是電壓變換器工作在升壓模式。
包括R21、R22、R23、R24、S22和S21的電路布置從文獻中通稱為自舉電路。如果其驅(qū)動信號與地(如在當前情況中可控硅整流器的柵極)無關的開關打算由來自控制裝置的與地有關的信號轉(zhuǎn)換，則使用該電路。與地有關的該信號在當前情況中來自控制裝置CON。圖2中的自舉電路可理解為僅僅作為舉例。以相同的方法，本領域的技術人員也可使用其他常規(guī)自舉電路。例如，自舉電路可以包括場效應晶體管，或者在該例中通過S22跨接的電位差可通過變壓器跨接。
在C21和C22上提供的正電壓和負電壓是臨界的。取決于控制裝置CON連接正電壓或負電壓到可控硅整流器柵極的自舉電路是所希望的。
權利要求
1.一種具有如下特征的電壓變換器·輸入端(J1)和輸出端(J2)，·參考電位(M)，·包括所述輸入端(J1)和所述參考電位(M)之間的第一電感器(L1)和電子開關(S1)的串聯(lián)電路，第一節(jié)點(N1)在接點上形成，·包括第一電容器(C1)和第二電感器(L2)的串聯(lián)電路，其與所述電子開關(S1)并聯(lián)連接，第二節(jié)點(N2)在第一電容器(C1)和第二電感器(L2)之間的接點上形成，·包括第一二極管(D1)和方式開關(S2)的串聯(lián)電路，其連接在第一節(jié)點(N1)和所述輸出端(J2)之間，第一二極管(D1)具有這樣的極性其允許電流從第一節(jié)點(N1)流到所述輸出端(J2)；·第二二極管(D2)，其陽極連接到第二節(jié)點(N2)，并且其陰極連接到所述輸出端(J2)。
2.如權利要求1所要求的電壓變換器，其特征在于用于控制所述方式開關(S2)目的的控制裝置(CON)，如果所述輸入端(J1)的電壓超出給定的極限電壓值，則所述控制裝置使所述方式開關(S2)斷開。
3.一種用于操作具有如權利要求1或2所要求的電壓變換器的放電燈的操作裝置，其特征在于控制裝置(CON)，如果要操作的放電燈要求在所述輸出端(J2)上的中間電路電壓低于預定值，則所述控制裝置(CON)使所述方式開關(S2)斷開。
4.如上述任一權利要求所要求的電壓變換器，其特征在于定第一電感器和第二電感器的大小，使得兩個電感器中在所述電壓變換器操作期間存儲的能量的最大值近似相同，這與所述方式開關的位置無關。
5.如權利要求4所要求的電壓變換器，其特征在于第一電感器和第二電感器具有相同的電感。
6.如權利要求4或5所要求的電壓變換器，其特征在于第一電感器和第二電感器被磁耦合。
7.如上述任一權利要求所要求的電壓變換器，其特征在于所述方式開關(S2)包括可控硅整流器(Th)和具有控制開關(S22)的驅(qū)動電路，如果所述控制開關(S22)斷開，則所述驅(qū)動電路在所述可控硅整流器(Th)的柵極上產(chǎn)生相對于所述可控硅整流器(Th)陰極的負電壓。
8.如權利要求7所要求的電壓變換器，其特征在于所述驅(qū)動電路包括輔助電感器(L21)，所述輔助電感器(L21)其第一連接直流耦合到所述可控硅整流器(Th)的陰極，所述輔助電感器(L21)磁耦合到第一電感器(L1)，使得如果在第一電感器(L1)上存在相對于所述輸入端(J1)的負電壓，則在其第二連接上存在相對于其第一連接的負保護電壓。
9.如權利要求8所要求的電壓變換器，其特征在于所述控制開關具有控制輸入，所述控制輸入估算相對于所述參考電位(M)的電壓，在閉合所述控制開關的情況下使輔助開關(S21)閉合，其結果是，在所述可控硅整流器(Th)的柵極和陰極之間施加觸發(fā)電壓。
10.如權利要求9所要求的電壓變換器，其特征在于，在所有情況下所述輔助電感器(L21)給一個輔助電容器(C21，C22)充電到所述觸發(fā)電壓，或者在所有情況下通過一個二極管(D21，D22)充電到所述保護電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電壓變換器，其布局能夠在升壓變換器和SEPIC之間切換。根據(jù)本發(fā)明，升壓變換器具有紋波電流補償。結果，使用的電感器能夠以最適宜的方式被利用。依靠負柵極電壓使其不受到擊穿觸發(fā)的可控硅整流器被用作轉(zhuǎn)換開關。
文檔編號H02M3/04GK1866708SQ20061007944
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月7日 優(yōu)先權日2005年4月7日
發(fā)明者A·施托爾姆 申請人:電燈專利信托有限公司