專利名稱：用于產(chǎn)生脈沖電壓的方法和電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生脈沖電壓的電路裝置和方法，更特別地，涉及用于從DC電源產(chǎn)生脈沖電壓以便操作電介質(zhì)阻擋放電燈的電路裝置和方法。
背景技術(shù)：
具有置于至少一個(gè)電極與放電介質(zhì)之間的電介質(zhì)層的放電容器內(nèi)產(chǎn)生的放電稱為無聲放電、靜默放電、電介質(zhì)受損放電或者電介質(zhì)阻擋放電(稱為“DBD”)。在放電容器中利用作為放電介質(zhì)的惰性氣體填充物(比如氙)的這種類型的放電是用于一些特殊照明應(yīng)用的令人感興趣的候選。作為DBD燈的一個(gè)應(yīng)用廣泛用于產(chǎn)生真空紫外(稱為“VUV”)光。 DBD燈的特殊的優(yōu)點(diǎn)包括沒有加熱階段的直接的光產(chǎn)生、恒定的光輸出和色溫、沒有水銀、 長的壽命等等。DBD燈可以利用連續(xù)激勵(lì)或者利用脈沖激勵(lì)來操作。已經(jīng)證明，結(jié)合修改的氣壓的脈沖操作導(dǎo)致燈的高得多的發(fā)光效率。對于高效率DBD燈而言，脈沖操作是優(yōu)選的，而連續(xù)激勵(lì)通常用于其中電功率到VUV光的轉(zhuǎn)換效率不是主要目標(biāo)的應(yīng)用中。產(chǎn)生低功率范圍內(nèi)的高電壓脈沖的經(jīng)典而廣泛使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是回掃轉(zhuǎn)換器，其將能量存儲到變壓器的初級繞組中，并且然后在初級電流關(guān)斷時(shí)通過變壓器的次級繞組將能量饋送給燈。然而，現(xiàn)有的回掃轉(zhuǎn)換器基于單極方案，其沒有給出最佳的放電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提出能夠?qū)碜訢C電源的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓例如以便操作放電燈的電路裝置。本發(fā)明的另一目的是提出將來自DC電源的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓的方法。依照一個(gè)方面，本發(fā)明提出了用于將來自DC電源的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓例如以便操作或驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電路裝置，所述負(fù)載例如電介質(zhì)阻擋放電燈(在本文中稱為“DBD 燈”)。該電路裝置包括變壓器、第一可控開關(guān)分支、第二可控開關(guān)分支以及控制單元。變壓器包括初級繞組和次級繞組。初級繞組包括中心抽頭、第一終端和第二終端。在一個(gè)實(shí)施例中，中心抽頭連接到DC電源的正極，并且次級繞組預(yù)期連接到負(fù)載。第一可控開關(guān)分支耦合到初級繞組的第一終端與DC電源的負(fù)極之間。第二可控開關(guān)分支耦合到初級繞組的第二終端與DC電源的負(fù)極之間?？刂茊卧慌渲贸梢砸欢ǚ绞娇刂频谝豢煽亻_關(guān)分支和第二可控開關(guān)分支，該方式包括
-在第一時(shí)間段接通第一可控開關(guān)分支，以便由DC電源對初級繞組充電； -在第二時(shí)間段關(guān)斷第一可控開關(guān)分支，以便將存儲在初級繞組中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組并且通過次級繞組產(chǎn)生第一脈沖電壓；
-在第三時(shí)間段接通第二可控開關(guān)分支，以便由DC電源對初級繞組充電； -在第四時(shí)間段關(guān)斷第二可控開關(guān)分支，以便將存儲在初級繞組中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組并且通過次級繞組產(chǎn)生具有相對于第一脈沖電壓的相反極性的第二脈沖電壓。
因此，所述電路裝置能夠?qū)碜訢C電源的DC電壓轉(zhuǎn)換成雙極脈沖電壓。當(dāng)該電路裝置一個(gè)周期接一個(gè)周期地工作時(shí)，則在次級繞組中產(chǎn)生雙極脈沖電壓序列。利用變壓器低電壓側(cè)的兩個(gè)開關(guān)分支，所述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有常規(guī)回掃轉(zhuǎn)換器的幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)簡單、成本低以及適用于低輸入電壓。此外，雙極脈沖電壓以高dv/dt 為特征，并且當(dāng)雙極脈沖電壓序列用來操作DBD燈時(shí)，負(fù)電壓脈沖給出最佳的放電。依照另一個(gè)方面，本發(fā)明提出了通過使用電路裝置將來自DC電源的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓的方法。該電路裝置包括變壓器、第一可控開關(guān)分支以及第二可控開關(guān)分支。變壓器具有中心抽頭連接到DC電源的正極的初級繞組以及次級繞組。第一可控開關(guān)分支耦合到初級繞組的第一終端與DC電源的負(fù)極之間。第二可控開關(guān)分支耦合到初級繞組的第二終端與DC電源的負(fù)極之間。所述方法包括步驟
-在第一時(shí)間段接通第一可控開關(guān)分支，以便由DC電源對初級繞組充電； -在第二時(shí)間段關(guān)斷第一可控開關(guān)分支，以便將存儲在初級繞組中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組并且通過次級繞組產(chǎn)生第一脈沖電壓；
-在第三時(shí)間段接通第二可控開關(guān)分支，以便由DC電源對初級繞組充電； -在第四時(shí)間段關(guān)斷第二可控開關(guān)分支，以便將存儲在初級繞組中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組并且通過次級繞組產(chǎn)生具有相對于第一脈沖電壓的相反極性的第二脈沖電壓。當(dāng)重復(fù)上述步驟時(shí)，則獲得了由多個(gè)第一和第二脈沖電壓形成的雙極脈沖電壓序列。


根據(jù)以下參照附圖的對于各個(gè)示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述以及其他的目的和特征將變得清楚明白，在附圖中
圖1為依照本發(fā)明示例性實(shí)施例的電路裝置的示意圖2為依照本發(fā)明的示例性電路裝置的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號和脈沖輸出電壓的示意圖； 圖3為依照本發(fā)明的示例性電路裝置在一種工作狀態(tài)下的示意圖； 圖4為依照本發(fā)明的電路裝置在另一種工作狀態(tài)下的示例性示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1為依照本發(fā)明的示例性電路裝置100的示意圖。該電路裝置100被設(shè)計(jì)成將來自DC電源P的DC電壓Vin轉(zhuǎn)換成用于操作放電燈L的脈沖電壓Vout。放電燈L被設(shè)計(jì)用于電介質(zhì)阻擋放電以便產(chǎn)生紫外光，并且通常在燈容器中存在置于至少一個(gè)電極與放電介質(zhì)之間的電介質(zhì)層。放電燈L的實(shí)際設(shè)計(jì)對于理解依照本發(fā)明示例性實(shí)施例的電路裝置 100或者所述方法不是決定性的。電路裝置100包括具有初級繞組Wl和次級繞組W2的變壓器T。初級繞組Wl具有中心抽頭A、第一終端B和第二終端C。因此，在中心抽頭A和第一終端B之間形成一個(gè)子繞組W11，并且在中心抽頭A和第二終端C之間形成另一個(gè)子繞組W12。中心抽頭A連接到 DC電源P的正極，并且次級繞組W2連接到放電燈L的電極。電路裝置100還包括第一可控開關(guān)分支10以及第二可控開關(guān)分支20。第一可控開關(guān)分支10耦合到初級繞組Wl的第一終端B與DC電源P的負(fù)極之間，而第二可控開關(guān)分
5支20耦合到初級繞組Wl的第二終端C與DC電源P的負(fù)極之間。如圖1所示，第一可控開關(guān)分支10包括串聯(lián)連接的第一開關(guān)Sl和第一二極管D1。第二可控開關(guān)分支20包括串聯(lián)連接的第二開關(guān)S2和第二二極管D2。在一個(gè)實(shí)施例中，第一開關(guān)Sl和第二開關(guān)S2各自具有反向寄生二極管。例如，在將這些開關(guān)選為MOSFET時(shí)，于是第一二極管Dl和第二二極管D2是必須的元件以避免通過其反向寄生二極管分別在第一開關(guān)Sl和第二開關(guān)S2上帶來的負(fù)電壓。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一開關(guān)Sl和第二開關(guān)S2可以容忍負(fù)電壓，例如在將這些開關(guān)選為固態(tài)繼電器時(shí)，則無需第一二極管Dl和第二二極管D2。電路裝置100還包括第一控制單元11和第二控制單元21。第一控制單元11被配置成例如通過產(chǎn)生第一開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號來控制第一開關(guān)Sl接通或關(guān)斷。第二控制單元21被配置成例如通過產(chǎn)生第二開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號來控制第二開關(guān)S2接通或關(guān)斷?？商鎿Q地，可以將第一控制單元11和第二控制單元21組合為一個(gè)實(shí)現(xiàn)相同功能的控制單元。圖2為電路裝置100的第一和第二開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號以及脈沖輸出電壓的示意圖。電路裝置100的工作占空比定義為使得兩個(gè)開關(guān)Sl和S2中的每一個(gè)接通和關(guān)斷一次，同時(shí)在兩個(gè)開關(guān)Sl和S2均關(guān)斷的時(shí)段期間交替地產(chǎn)生一個(gè)正電壓脈沖和一個(gè)負(fù)電壓脈沖。為了闡明電路裝置100的工作原理，將電路裝置100的等效電路對于給定占空比的演化分解為如下所述的四個(gè)狀態(tài)。在從時(shí)刻t0到tl的第一時(shí)段Tl期間，第一控制單元11產(chǎn)生第一開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號 Vsl以便控制第一開關(guān)Sl接通，同時(shí)第二開關(guān)S2關(guān)斷。電路裝置100在該第一狀態(tài)下的等效電路示為圖3。第一二極管Dl導(dǎo)通，從而DC電源P以及中心抽頭A與第一終端B之間的第一子繞組Wll形成閉合回路。第一終端B處的電壓可以視為0V，而中心抽頭A處的電壓可以視為等于Vin。第一子繞組Wll充電并且從DC電源P獲得能量。在從時(shí)刻tl到t2的第二時(shí)段T2期間，第一開關(guān)Sl和第二開關(guān)S2都關(guān)斷。電路裝置100在該第二狀態(tài)下的等效電路示為圖4。第一子繞組Wll的勵(lì)磁電流開始對第一開關(guān)Sl的寄生電容Cl充電。同時(shí)，至少一部分存儲在變壓器T的初級繞組Wl中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組W2。因此，變壓器T的次級繞組W2獲得感應(yīng)電流，并且在次級繞組W2的兩個(gè)輸出終端處產(chǎn)生例如具有大致半正弦形狀并且具有正極性的第一電壓脈沖，即感應(yīng)電壓。該第一電壓脈沖引起放電介質(zhì)在燈容器內(nèi)放電。當(dāng)勵(lì)磁電流降為零時(shí)，第一電壓脈沖到達(dá)峰值并且然后開始減小。當(dāng)?shù)谝浑妷好}沖達(dá)到幾乎為零時(shí)，第二狀態(tài)結(jié)束。在第二狀態(tài)下，第一終端B處的電壓變?yōu)檎?，而第二終端C處的電壓變?yōu)樨?fù)的。 如果第二開關(guān)S2具有反向寄生二極管(圖中未示出)，那么該反向寄生二極管將導(dǎo)通。在這種情況下，盡管第二開關(guān)S2關(guān)斷，也可能通過反向寄生二極管形成閉合回路并且導(dǎo)致第二終端C處的電壓箝位到相當(dāng)?shù)偷闹?，這將限制第一子繞組Wll的感應(yīng)電壓達(dá)到相當(dāng)高的電平。此外，次級繞組W2的兩個(gè)輸出終端處產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可能相應(yīng)地處于低電平。由于第二二極管D2的原因，這種閉合回路不可能通過反向寄生二極管形成。因此，第一子繞組Wl 1 的感應(yīng)電壓可以達(dá)到數(shù)百伏特并且相應(yīng)地第一電壓脈沖的峰值可以達(dá)到數(shù)千伏特，從而滿足燈L的點(diǎn)火要求。在從時(shí)刻t2到t3的第三時(shí)段T3期間，第二控制單元21產(chǎn)生第二開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號 Vs2以便控制第二開關(guān)S2接通，同時(shí)第一開關(guān)Sl關(guān)斷。子繞組W12充電并且從DC電源P
獲得能量。
6
在從時(shí)刻t3到t4的第四時(shí)段T4期間，第一開關(guān)Sl和第二開關(guān)S2都關(guān)斷。在次級繞組W2的兩個(gè)輸出終端處產(chǎn)生(即在次級繞組中產(chǎn)生)具有相對于第一電壓脈沖的相反極性(即具有負(fù)極性)的第二電壓脈沖。第三和第四狀態(tài)完全與第一和第二狀態(tài)相反，因此不重復(fù)詳細(xì)的描述。如果電路裝置100工作多個(gè)周期，那么可以獲得由多個(gè)第一電壓脈沖和第二電壓脈沖形成的脈沖電壓序列。因此，第一可控開關(guān)分支10和第二可控開關(guān)分支20交替接通， 從而至少一部分來自DC電源P的能量存儲到初級繞組Wl中，并且在第一可控開關(guān)分支10 和第二可控開關(guān)分支20的兩個(gè)相鄰接通時(shí)段之間的空閑時(shí)段T2和T4中的每一個(gè)期間，至少一部分存儲的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組W2，從而產(chǎn)生電壓脈沖。因此，在次級繞組W2中產(chǎn)生雙極脈沖電壓序列?；蛘哒f，第一開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號和第二開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號具有近似相等的開關(guān)時(shí)段，相位差近似為180°。換言之，Tl近似等于T3。可替換地，T2近似等于T4?？臻e時(shí)間T2和T4 由振蕩電路的振蕩周期決定，所述振蕩電路由變壓器T的寄生電容和勵(lì)磁電感以及燈的固有電容形成。振蕩周期近似等于空閑時(shí)間的二倍，換句話說，第二時(shí)段T2近似等于第四時(shí)段T4并且近似等于振蕩周期的一半。由于兩個(gè)開關(guān)Sl和S2的對稱驅(qū)動(dòng)，變壓器T內(nèi)在地處于電壓平衡。典型地，DC電壓Vin約為幾十伏特，例如12V，并且脈沖電壓Vout的峰值可以是幾千伏特，例如5kV。Tl (或T3)和T2 (或T4)的值在微秒的范圍內(nèi)，并且通常T2 (或T4)遠(yuǎn)小于Tl (或T3)。因此，雙極脈沖電壓序列以高的dV/dt為特征。對于DBD燈，脈沖電壓的這種高上升速率有利于實(shí)現(xiàn)高的光輸出效率。在本文中，措詞“近似”意味著在兩個(gè)或更多對象之間進(jìn)行比較時(shí)可能存在一定公差，并且這樣的公差在這些對象的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中是可接受的。上述實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)施要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)，根據(jù)對于所述附圖、本公開以及所附權(quán)利要求書的研究能夠理解和實(shí)現(xiàn)所公開的這些實(shí)施例的其他變型。這些變型也應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。在權(quán)利要求書和說明書中，動(dòng)詞“包括”及其變體的使用并沒有排除其他的元件或步驟，并且不定冠詞“一”并沒有排除復(fù)數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于將來自DC電源(P)的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓的電路裝置(100)，該電路裝置(100)包括-包括初級繞組(Wl)和次級繞組(W2)的變壓器(T)，初級繞組(Wl)包括中心抽頭(A)、 第一終端(B)和第二終端(C)，中心抽頭(A)連接到DC電源(P)的正極，并且次級繞組(W2) 連接到負(fù)載(L);-第一可控開關(guān)分支(10)，其耦合到初級繞組(Wl)的第一終端(B)與DC電源(P)的負(fù)極之間；-第二可控開關(guān)分支(20)，其耦合到初級繞組(Wl)的第二終端(C)與DC電源(P)的負(fù)極之間；以及-控制單元(11，21 )，其被配置成以一定方式控制第一可控開關(guān)分支(10)和第二可控開關(guān)分支(20)，該方式包括-在第一時(shí)間段(Tl)接通第一可控開關(guān)分支(10)，以便由DC電源(P)對初級繞組 (Wl)充電；-在第二時(shí)間段(T2)關(guān)斷第一可控開關(guān)分支(10)，以便將存儲在初級繞組(Wl)中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組(W2)并且通過次級繞組(W2)產(chǎn)生第一脈沖電壓；-在第三時(shí)間段(T3)接通第二可控開關(guān)分支(20)，以便由DC電源(P)對初級繞組 (Wl)充電；以及-在第四時(shí)間段(T4)關(guān)斷第二可控開關(guān)分支(20)，以便將存儲在初級繞組(Wl)中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組(W2)并且通過次級繞組(W2)產(chǎn)生具有相對于第一脈沖電壓的相反極性的第二脈沖電壓。
2.依照權(quán)利要求1的電路裝置(100)，其中控制單元(11，21)被配置成產(chǎn)生第一開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號和第二開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號以便分別控制第一可控開關(guān)分支(10)和第二可控開關(guān)分支 (20)，所述第一開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號和第二開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號具有近似相等的開關(guān)周期并且具有近似 180°相位差。
3.依照權(quán)利要求1的電路裝置(100)，其中第二時(shí)段(T2)近似等于第四時(shí)段(T4)并且近似等于由變壓器(T)固有的寄生電容(Cs)和勵(lì)磁電感以及負(fù)載(L)的固有電容形成的振蕩電路的振蕩周期的一半。
4.依照權(quán)利要求1的電路裝置(100)，其中第一可控開關(guān)分支(10)包括固態(tài)繼電器。
5.依照權(quán)利要求1的電路裝置(100)，其中第一可控開關(guān)分支(10)包括串聯(lián)連接的 MOSFET 開關(guān)(Si)和二極管(D1)。
6.依照權(quán)利要求1的電路裝置(100)，其中第二可控開關(guān)分支(20)包括固態(tài)繼電器。
7.依照權(quán)利要求1的電路裝置(100)，其中第二可控開關(guān)分支(20)包括串聯(lián)連接的 MOSFET 開關(guān)(S2)和二極管(D2)。
8.一種照明系統(tǒng)，包括依照權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)的電路裝置(100)以及用作負(fù)載 (L)的電介質(zhì)阻擋放電燈。
9.一種通過使用電路裝置(100)將來自DC電源(P)的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓的方法， 所述電路裝置(100)包括具有含有連接到DC電源(P)正極的中心抽頭(A)的初級繞組(Wl) 以及次級繞組(W2)的變壓器(T)、耦合到初級繞組(Wl)的第一終端(B)與DC電源(P)的負(fù)極之間的第一可控開關(guān)分支(10)，以及耦合到初級繞組(Wl)的第二終端(C)與DC電源(P)的負(fù)極之間的第二可控開關(guān)分支(20)，所述方法包括步驟-在第一時(shí)間段(Tl)接通第一可控開關(guān)分支(10)，以便由DC電源(P)對初級繞組 (Wl)充電；-在第二時(shí)間段(T2)關(guān)斷第一可控開關(guān)分支(10)，以便將存儲在初級繞組(Wl)中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組(W2)并且通過次級繞組(W2)產(chǎn)生第一脈沖電壓；-在第三時(shí)間段(T3)接通第二可控開關(guān)分支(20)，以便由DC電源(P)對初級繞組 (Wl)充電；-在第四時(shí)間段(T4)關(guān)斷第二可控開關(guān)分支(20)，以便將存儲在初級繞組(Wl)中的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組(W2)并且通過次級繞組(W2)產(chǎn)生具有相對于第一脈沖電壓的相反極性的第二脈沖電壓。
10.依照權(quán)利要求9的方法，其中第一時(shí)段(Tl)近似等于第三時(shí)段(T3)。
11.依照權(quán)利要求9的方法，其中第二時(shí)段(T2)近似等于第四時(shí)段(T4)并且近似等于由變壓器(T)中固有的寄生電容(Cs)和勵(lì)磁電感以及電子負(fù)載(L)的固有電容形成的振蕩電路的振蕩周期的一半，所述脈沖電壓提供給所述電子負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明提出了用于將來自DC電源的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓以便操作或驅(qū)動(dòng)負(fù)載(例如DBD燈)的電路裝置。該電路裝置包括具有初級繞組和次級繞組的變壓器、第一可控開關(guān)分支、第二可控開關(guān)分支以及控制單元?？刂茊卧慌渲贸煽刂频谝豢煽亻_關(guān)分支和第二可控開關(guān)分支交替地接通，使得在第一可控開關(guān)分支和第二可控開關(guān)分支的每次接通時(shí)段期間至少一部分來自DC電源的能量存儲到初級繞組中，并且在兩個(gè)相鄰的接通時(shí)段之間留下空閑時(shí)間，使得至少一部分所存儲的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組以便交替地產(chǎn)生一個(gè)空閑時(shí)間期間的正脈沖電壓以及下一個(gè)空閑時(shí)間期間的負(fù)脈沖電壓。
文檔編號H02M3/337GK102460929SQ201080025733
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者丁昂 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司