專利名稱：浪涌電流限制器設(shè)備和包括該設(shè)備的功率因數(shù)控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于限制針對可連接負(fù)栽的浪涌電流的浪涌電流限制器設(shè)備，包括至少一個可開關(guān)的基于IGBT (絕緣柵雙極型晶體 管)的限制器單元，用于選擇性地限制浪涌電流，其具有至少一個限 流導(dǎo)體元件，該限流導(dǎo)體元件用于有限引導(dǎo)電流，和至少 一個基于IGBT 的開關(guān)，其中基于IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)的開關(guān)(Q2)用作受 控電流限制器和旁通元件，和至少一個控制設(shè)備，用于控制基于IGBT 的開關(guān)，其中控制設(shè)備包括至少一個基于IGBT的開關(guān)電源和用于實現(xiàn) 選定導(dǎo)體元件處的輸出信號的平滑側(cè)面的裝置。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種功率因數(shù)控制電路，其可連接到主電源 (main fed)和負(fù)載和/或連接在其之間，包括具有電容緩沖單元的 AC/DC轉(zhuǎn)換器，和浪涌電流限制器設(shè)備。
背景技術(shù)：
該公知的功率因數(shù)控制電路和浪涌電流限制器在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 中使用，其中在高的功率電平和/或電壓下操作的負(fù)載需受到保護(hù)，防 止浪涌電流引起損壞?，F(xiàn)代負(fù)載被最優(yōu)化，通過使電功率消耗最小獲 得最大的電效率。不幸的是，為了提高鎮(zhèn)流器的效率而進(jìn)行的改變減 小了特定的外部電阻。這引出了新的問題最初施加電功率時出現(xiàn)了 大的浪涌關(guān)斷電流。該浪涌電流隨著主濾波器電容器而流動，并且鎮(zhèn) 流器充電到其穩(wěn)定狀態(tài)值。對于包含多個鎮(zhèn)流器的照明電路,浪涌的 組合幅度潛在地是足夠大的，以使由拱起和接觸焊接引起的開關(guān)設(shè)備 的接觸失效。為了保護(hù)負(fù)載不受浪涌電流引起的損壞，使用具有浪涌電流限制 器的功率因數(shù)控制電路。用于負(fù)載的公知的功率因數(shù)控制電路通常包括AC/DC轉(zhuǎn)換器，其 跟隨有浪涌電流限制器，該浪涌電流限制器包括由IGBT柵極電源供電 的基于IGBT的開關(guān)。為了控制IGBT開關(guān)，特別是為了開關(guān)操作，使 用復(fù)雜的集成電路。傳統(tǒng)上，導(dǎo)通時的浪涌電流受到NTC(負(fù)溫度系數(shù))電阻器或功率電阻器的限制，在導(dǎo)通之后使用繼電器或IGBT將其短接。 NTC由于其功率損耗僅可用于約低于一百瓦的較低的功率電平，而繼電 器具有低的損耗但是其壽命受到限制。為了在數(shù)千瓦下使用時具有低 的損耗并且具有長的壽命，使用基于IGBT的開關(guān)是良好的解決方案， 但是其從關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)的瞬間和速度是非常關(guān)鍵的。如果 這發(fā)生得過快或過于突然，則IGBT開關(guān)將由于導(dǎo)通瞬間的過度的電流 和功率耗散而擊穿。某些非常復(fù)雜的電路和驅(qū)動器已被設(shè)計用于處理該開關(guān)操作，但 是其在重復(fù)地導(dǎo)通和關(guān)斷時仍可能失效。另 一缺陷在于，用于控制IGBT 的電路是非常復(fù)雜的并且易于損壞。而且，現(xiàn)有技術(shù)中公知的功率因數(shù)控制電路由于缺乏負(fù)載和上游 配置的緩沖器之間的同步，在負(fù)載的啟動周期中突然工作并且產(chǎn)生脫 落(drop out)。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有基于IGBT的開關(guān)的功率因 數(shù)控制電路，其適用于實現(xiàn)基于IGBT的開關(guān)處的電流信號的平滑側(cè)面 (smooth flank)。而且，另 一 目的在于提供一種功率因數(shù)控制電路， 其使負(fù)載和緩沖器之間的啟動周期同步，其中用于控制基于IGBT的開 關(guān)的設(shè)備具有不太難懂和不太復(fù)雜的設(shè)計。該問題通過用于限制針對可連接負(fù)載的浪涌電流的浪涌電流限制 器設(shè)備解決，該浪涌電流限制器設(shè)備包括至少一個可開關(guān)的基于IGBT 的限制器單元，用于選擇性地限制浪涌電流，其具有至少一個限流導(dǎo) 體元件，用于有限引導(dǎo)電流，和至少一個基于IGBT的開關(guān)，其中基于 IGBT的開關(guān)用作受控電流限制器和旁通元件，和至少一個控制設(shè)備， 用于控制基于IGBT的開關(guān)，其中控制設(shè)備包括至少一個基于IGBT的 開關(guān)電源和用于實現(xiàn)選定導(dǎo)體元件處的輸出信號的平滑側(cè)面的裝置。優(yōu)選地，該實現(xiàn)裝置單獨(dú)包括選自包括電阻器、電容器、二極管 和/或無源部件等的組中的元件。這實現(xiàn)了簡單的設(shè)計，其易于生產(chǎn)。 因此不必使用有源IC部件。術(shù)語"單獨(dú)"并未排除電纜布線或其他連 接裝置。該實現(xiàn)裝置還可以包括選自包含集成無源電路或者網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)地或者與前面提及的非IC元件組合的組中的元件。該元件和/或單元可以至少部分地以集成的方式設(shè)置到殼體中。該 殼體可以進(jìn)一步容納如散熱器等的單元。更優(yōu)選的是，該實現(xiàn)裝置被設(shè)置為濾波器單元，其選自包括低通濾波器單元的組，并且耦合到基于IGBT的開關(guān)。通過該濾波器，阻止 干擾信號到達(dá)基于IGBT的開關(guān)。由此防止了導(dǎo)體元件的輸出端處的鋒 利和陡咱'的側(cè)面。該低通濾波器優(yōu)選地是不具有有源IC元件的非IC 低通濾波器。同樣優(yōu)選的是，濾波器單元的元件被耦合為星形。 一個導(dǎo)線從中 心引導(dǎo)到基于IGBT的開關(guān)的輸入端。另一導(dǎo)線經(jīng)由二極管，優(yōu)選地是 齊納二極管，導(dǎo)向基于IGBT的開關(guān)的輸出端。第三個導(dǎo)線經(jīng)由dV/dt 限制電阻器耦合到IGBT柵極電源的輸入端。第四個導(dǎo)線將dV/dt限制 電容器耦合到星形配置。整個配置表示低通濾波器。優(yōu)選的是，浪涌電流限制器設(shè)備進(jìn)一步包括可充電電容緩沖器， 其設(shè)置在關(guān)于基于IGBT的限制器單元的下游，用于形成緩沖的輸出。 該電容緩沖器充電直至其被完全充電。在充滿電之后，電流流向負(fù)載 并且開關(guān)基于IGBT的開關(guān)，使得電流通過基于IGBT的開關(guān)的無限制 旁通導(dǎo)體元件部分。同樣優(yōu)選的是，控制設(shè)備進(jìn)一步包括用于使關(guān)于可連接負(fù)載和/或 電容緩沖器的開關(guān)同步的裝置。通過提供低通濾波器實現(xiàn)了平滑側(cè)面。 為了防止脫落效應(yīng)，必須針對填充和負(fù)載控制開關(guān)操作。如果開關(guān)被 激活，由此針對負(fù)載的電流經(jīng)由限流導(dǎo)體元件流動并且電容緩沖器未 被完全填充，則負(fù)載將完整地使用緩沖器中存儲的能量，這是因為導(dǎo) 體元件未向負(fù)載提供足夠的能量。因此當(dāng)緩沖器為空并且限流導(dǎo)體元 件未向負(fù)載提供足夠的功率時，負(fù)載將產(chǎn)生脫落。為了防止脫落效應(yīng)， 提供了同步裝置。這意味著，依賴于緩沖器的填充狀態(tài)和負(fù)載的操作 模式，基于IGBT的開關(guān)單元從一個位置切換到另一位置。優(yōu)選的是，同步裝置包括至少一個開關(guān)和負(fù)載激活電路，其檢測IGBT的開關(guān)的對應(yīng)信號，由此基于IGBT的開關(guān)的旁通導(dǎo)體元件部分是 電流引導(dǎo)導(dǎo)體。通過該開關(guān)和負(fù)載激活電路，可以確保不會發(fā)生脫落效應(yīng)。僅在緩沖器充滿電之后，負(fù)載可被操作并且開關(guān)將切換到適當(dāng)?shù)奈恢?，?此實現(xiàn)了負(fù)載的充分供電。而且，該問題通過一種功率因數(shù)控制電路解決，其可連接到主電源和負(fù)載或者連接在其之間，該功率因數(shù)控制電路包括AC/DC轉(zhuǎn)換器， 其具有電容DC緩沖器單元，和浪涌電流限制器設(shè)備，其包括設(shè)置在浪 涌電流限制器的上游并且具有適于接合(meet)浪涌電流限制器的調(diào) 節(jié)導(dǎo)體的PFC電壓調(diào)節(jié)單元。該電容DC緩沖器用作高頻去耦單元，并 且由對應(yīng)的電容器形成。優(yōu)選地，AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端通過導(dǎo)體耦合到浪涌電流限制器設(shè) 備，其中一個導(dǎo)體接合用于去耦和將電流存儲在DC緩沖器單元的調(diào)節(jié) 導(dǎo)體?；贗GBT的開關(guān)電源、用于實現(xiàn)平滑側(cè)面的裝置和/或同步裝置 可以至少部分地集成配置。甚至與基于IGBT的限制器單元的組合也是 可行的。通過這種集成配置，得到的集成電路將適用于較小的額定功 率并且適用于集成電路形式的大規(guī)模生產(chǎn)。所有元件可以離散配置或者至少部分地以集成電路形式配置。 通過參考下面描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將是顯而 易見的并且將得到說明。


圖1示意性地示出了主電源、具有浪涌電流限制器設(shè)備的功率因 數(shù)控制電路和負(fù)載的配置，圖2示意性地示出了浪涌電流限制器設(shè)備的更詳細(xì)的視圖，并且 圖3示出了電子布局的詳細(xì)視圖。
具體實施方式
圖1示意性地示出了本發(fā)明的設(shè)計，其中主電源1或者公共ac電 源經(jīng)由引線連接到PFC電路2。 PFC電路2連接到負(fù)載3，其中該負(fù)載 可以是任何負(fù)載，例如燈。PFC電路進(jìn)一步包括浪涌電流限制器設(shè)備4， 其一端接地，并且自負(fù)載3獲取信息，其由離開浪涌電流限制器設(shè)備4 指向負(fù)載3的箭頭表示。圖2中更加詳細(xì)地描述了浪涌電流限制器4。圖2示意性地示出了本發(fā)明的浪涌電流限制器設(shè)備4。浪涌電流限制器設(shè)備4包括基于IGBT的限制器單元5,其具有無限制傳導(dǎo)路徑和 受限傳導(dǎo)路徑(未詳細(xì)示出)，這些路徑交替地通過對應(yīng)的開關(guān)耦合。 基于IGBT的限制單元由IGBT柵極電源6供電?；贗GBT的開關(guān)5耦 合到用于控制所述基于IGBT的開關(guān)5的控制設(shè)備7,控制設(shè)備7包括用于實現(xiàn)選定導(dǎo)體元件或傳導(dǎo)路徑處的輸出信號的平滑側(cè)面的裝置8 和用于使關(guān)于可連接負(fù)載和/或電容緩沖器的開關(guān)操作同步的裝置9以 及IGBT柵極電源6?？刂圃O(shè)備7耦合到負(fù)載和/或電容緩沖器(均未示 出)。圖3中示出了本發(fā)明的更詳細(xì)的設(shè)計。在圖3中詳細(xì)示出了電路圖。PFC電路2耦合到公共AC電源或主 電源1。 PFC電路2包括具有AC/DC變壓器的傳統(tǒng)部分，其包括(在主 電源1處開始，從左到右)整流器電橋Bl、 PFC輸入電容器Cl、 PFC 電感器L1、 PFC感測電阻器Rl、 PFC MOSFET Ql、和PFC二極管Dl。 高頻去耦電容器C2與該傳統(tǒng)部分并聯(lián)耦合，導(dǎo)致了求和點，在該點處 去耦電容器C2的信號和PFC電壓調(diào)節(jié)單元VR的信號被求和。PFC電路 的新的部分，即位于框4中的浪涌電流限制器設(shè)備自該求和點開始。 浪涌電流限制器設(shè)備4包括基于IGBT的限制器單元5,其包括一個電 阻受限傳導(dǎo)路徑或者具有浪涌電流限制電阻器R2的限流導(dǎo)體元件，以 及一個無限制傳導(dǎo)路徑或者非限流旁通導(dǎo)體元件部分。傳導(dǎo)路徑從受 限傳導(dǎo)路徑處分出支路經(jīng)由純粹的IGBT開關(guān)回到受限傳導(dǎo)路徑。浪涌電流限制器設(shè)備4進(jìn)一步包括控制設(shè)備7，其包括一個基于 IGBT的開關(guān)電源6和用于實現(xiàn)選定導(dǎo)體元件處的輸出信號的平滑側(cè)面 或者用于使關(guān)于可連接負(fù)載和/或電容緩沖器C4的開關(guān)操作同步的裝 置8、 9?；贗GBT的開關(guān)電源6被形成為公共IGBT柵極電源。實現(xiàn) 裝置8被形成為低通濾波器，其具有dV/dt限制電阻器R3、齊納二極 管D2，其優(yōu)選地是18V的齊納二極管、和/或dV/dt限制電容器C3。 低通濾波器連接到基于IGBT的開關(guān)限制器單元5，更精確地，連接到 基于IGBT的開關(guān)Q2的輸入端、IGBT柵極電源6和同步裝置9。裝置9 被形成為開關(guān)和負(fù)載激活電路，其包括用于與負(fù)載通信的裝置。裝置9 連接到低通濾波器以及連接AC/DC變壓器和負(fù)載的引線。下面描述驅(qū)動器的原理功能。圖的左邊部分(到主電源1為止)給出了傳統(tǒng)的PFC電路，其中 主電源1被添加用作高頻去耦的存儲電容器。PFC DC輸出電壓調(diào)節(jié)VR8連接到電容器C2,而非如其正常操作連接到大容量電容器C4。R2是功率電阻器，當(dāng)主電源1連接到放電電容器C4時，其限制浪 涌電流。當(dāng)PFC開始運(yùn)行時，IGBT (Q2)柵極電源變得激活。傳統(tǒng)上， 該柵極電源直接井馬合到IGBT,由此可以預(yù)見在IGBT中存在危險的和可 能破壞性的峰值電流。這里柵極電源經(jīng)由電阻器R3連接，并且電容器C3連接在IGBT柵 極和地(經(jīng)由電子開關(guān))之間。R3限制電容器C3的充電電流，由此在 電容器C3上存在受限的dV/dt,并且因此在連接到IGBT發(fā)射極的電容 器C4上也存在受限的dV/dt。因此，電容器C4(穿過電阻器R2和IGBT Q2)的充電電流也受到限制，由此不會有部件被擊穿。二極管D2用作 柵極保護(hù)二極管。進(jìn)入電容器C4的電流由I-dV/dt x C4確定，其中 dV/dt是例如(10伏特/R3/C3)。在電容器C3的底部連接了開關(guān)和 dV/dt檢測電路，其準(zhǔn)確地在電容器C4克滿電的時刻開關(guān)負(fù)載，由此 PFC電路將不會由于長時間找不到負(fù)載而重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷。同時斷開電 容器C3與地的連接，由此電容器C4上的負(fù)載電壓波動不會影響IGBT Q2的4冊極電壓?；贗GBT的開關(guān)電源6、實現(xiàn)裝置8、同步裝置9和/或基于IGBT 的限制器單元可以形成集成電路，其適于大規(guī)模生產(chǎn)并且甚至可在較 低的額定功率下使用。應(yīng)當(dāng)考慮，術(shù)語"包括"并未排除其他元素。而且，"一個"并 未排除多個，并且單個單元可以實現(xiàn)權(quán)利要求中敘述的多個裝置的功 能。權(quán)利要求中給出的參考標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求的范圍。參考標(biāo)記列表1 主電源2 功率因數(shù)控制(PFC)電路3 負(fù)載4 浪涌電流限制器設(shè)備5 基于IGBT的限制器單元6 基于IGBT的開關(guān)電源7 控制設(shè)備8 實現(xiàn)(平滑側(cè)面)裝置99 同步(無脫落)裝置Bl 整流器電橋Cl 輸入電容器C2 去耦電容器C3 限制電容器C4 輸出電容器Dl PFC二極管D2 齊納二才及管Ll 電感器Rl 感測電阻器R2 限制電阻器R3 dV/dt限制電阻器Ql M0SFETQ2 基于IGBT的開關(guān)VR PFC電壓調(diào)節(jié)單元10
權(quán)利要求
1.用于限制針對可連接負(fù)載(3)的浪涌電流的浪涌電流限制器設(shè)備(4)，包括至少一個可開關(guān)的基于IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的限制器單元(5)，用于選擇性地限制浪涌電流，其具有至少一個限流導(dǎo)體元件，用于有限引導(dǎo)電流，和至少一個基于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的開關(guān)(Q2)，其中基于IGBT的開關(guān)(Q2)用作受控電流限制器和旁通元件，和至少一個控制設(shè)備(7)，用于控制基于IGBT的開關(guān)(Q2)，其中控制設(shè)備(7)包括至少一個基于IGBT的開關(guān)電源(6)和用于實現(xiàn)選定導(dǎo)體元件處的輸出信號的平滑側(cè)面的裝置(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的浪涌電流限制器設(shè)備(4),其中實現(xiàn)裝置 (8)單獨(dú)包括選自包含電阻器、電容器、二極管和/或無源部件等的組中的元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的浪涌電流限制器設(shè)備(4)，其中實現(xiàn) 裝置(8)被設(shè)置為選自包含包括低通濾波器單元的濾波器的組的濾波 器單元，其耦合到基于IGBT的開關(guān)(Q2)。
4. 根據(jù)在前權(quán)利要求1 ~ 3其中之一的浪涌電流限制器設(shè)備(4 )， 其中濾波器單元的元件被耦合為星形。
5. 根據(jù)在前權(quán)利要求1 ~ 4其中之一的浪涌電流限制器設(shè)備(4 )， 其中進(jìn)一步包括可充電電容緩沖器(C4),其設(shè)置在關(guān)于基于IGBT的 限制器單元(5)的下游，用于形成緩沖的輸出。
6. 根據(jù)在前權(quán)利要求1 ~ 5其中之一的浪涌電流限制器設(shè)備(4 ), 其中控制設(shè)備(7)進(jìn)一步包括用于使關(guān)于可連接負(fù)載和/或電容緩沖器(C4)的開關(guān)操作同步的 裝置(9)。
7. 根據(jù)在前權(quán)利要求1 ~ 6其中之一的浪涌電流限制器設(shè)備(4 )， 其中同步裝置(9)包括至少一個開關(guān)和負(fù)載激活電路，其檢測可充電電容緩沖器(C4) 的填充狀態(tài)/充電，以及/或者發(fā)送用于開關(guān)基于IGBT的開關(guān)(Q2)的 對應(yīng)信號，由此使旁通導(dǎo)體元件是電流引導(dǎo)導(dǎo)體。
8，功率因數(shù)控制(PFC)電路(2)，其可連接到主電源(1)和負(fù)載(3)或者連接在其之間，包括AC/DC轉(zhuǎn)換器，其具有電容DC緩沖器單元(C2),和 根據(jù)在前權(quán)利要求1~7其中之一的浪涌電流限制器設(shè)備(4),其包括設(shè)置在浪涌電流限制器設(shè)備(4)的上游并且具有接合浪涌電流限制器設(shè)備(4)的調(diào)節(jié)導(dǎo)體的PFC電壓調(diào)節(jié)單元(VR)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的功率因數(shù)控制(PFC)電路(2),其中 AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端通過導(dǎo)體耦合到浪涌電流限制器設(shè)備(4 ),其中一個導(dǎo)體接合用于去耦和將電流存儲在DC緩沖器單元(2)的調(diào)節(jié)導(dǎo)體。
10， 一種系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1~9其中任一個權(quán)利要求的浪 涌電流限制器設(shè)備(4)和/或功率因數(shù)控制(PFC)電路(2),并且 在一個或多個如下應(yīng)用中使用流體以及/或者硬和/或軟表面的表面處理，優(yōu)選地清洗、消毒和/ 或凈化，液體消毒和/或凈化，食物和/或飲料處理和/或消毒，水處理和/或消毒，廢水處理和/或消毒，飲用水處理和/或消毒，自來水處理和/或消毒，超純水的生產(chǎn)，液體或氣體中的總有機(jī)碳含量的減少， 氣體處理和/或消毒， 空氣處理和/或消毒， 排氣處理和/或清洗，成分的裂化和/或移除，優(yōu)選地是無機(jī)和/或有機(jī)化合物，半導(dǎo)體表面的清洗，成分從半導(dǎo)體表面的裂化和/或移除，食品添加劑的清洗和/或消毒，藥物的清洗和/或消毒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于限制針對可連接負(fù)載(3)的浪涌電流的浪涌電流限制器設(shè)備(4)，包括至少一個可開關(guān)的基于IGBT的限制器單元(5)，用于選擇性地限制浪涌電流，其具有至少一個限流導(dǎo)體元件，該限流導(dǎo)體元件用于有限引導(dǎo)電流，和至少一個基于IGBT的開關(guān)(Q2)，其中基于IGBT的開關(guān)(Q2)用作受控電流限制器和旁通元件，和至少一個控制設(shè)備(7)，用于控制基于IGBT的開關(guān)(Q2)，其中控制設(shè)備(7)包括至少一個基于IGBT的開關(guān)電源(6)和用于實現(xiàn)選定導(dǎo)體元件處的輸出信號的平滑側(cè)面的裝置(8)。
文檔編號H02H9/00GK101263439SQ200680033922
公開日2008年9月10日 申請日期2006年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月15日
發(fā)明者G·格羅伊爾, M·M·A·布羅伊克斯, W·施納 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司