專利名稱：用于基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器電路的電子功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電路，具體地說，涉及一種與基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路相容的轉(zhuǎn)換器電路。
雖然低壓燈比高壓燈具有更好的光學(xué)質(zhì)量，但是在商用領(lǐng)域(例如飯店、商業(yè)公司等)還并沒有廣泛地采用。這其中的一個原因在于許多商用公司還是希望可調(diào)光的(dimmable)燈。例如，許多飯店在午餐的時間里希望燈發(fā)出更亮的光線以適應(yīng)工作餐的需要而在晚宴的時間里則希望能夠使光線昏暗以滿足更私人化的氣氛。
為了在傳統(tǒng)的燈插座中使用低壓燈，本領(lǐng)域公知的是在已有的照明設(shè)備中放置帶有較小的整體式電子轉(zhuǎn)換器的燈。然而，常規(guī)的電子轉(zhuǎn)換器并不容易與在用戶、零售店、飯店、酒店、照明市場中普通流行的在商業(yè)上可購買的各種各樣的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路相兼容。普通的三端雙向可控硅開關(guān)的控制電路包括通過光學(xué)傳感器、運(yùn)動傳感器、占用率檢測器和定時器控制器啟動的固態(tài)開關(guān)和壁式調(diào)光器。
已經(jīng)應(yīng)用共模扼流圈和電阻器來衰減由基于三端雙向可控硅開關(guān)的相位調(diào)光器電路所引起的振蕩。雖然這種方法提供了調(diào)光的能力，但是它帶來了其它的問題。首先，燈的外部輪廓尺寸限制了轉(zhuǎn)換器電路的尺寸。例如由于50mH的電感器是相當(dāng)大的元件，因此使用它并不實用。此外，通過引入附加的(即，無光線產(chǎn)生的)負(fù)載來對在調(diào)光器電路中的電阻電容(RC)元件進(jìn)行放電，因此該電阻器損害了該電路的效率。
再一方法是設(shè)計一種用于低壓燈的定制的可調(diào)光的轉(zhuǎn)換器電路。然而，這種方案失去了許多已有的可用的調(diào)光器電路的優(yōu)點。此外，如果定制的設(shè)計要求調(diào)光器電路與燈為一體，則每個燈必需單獨(dú)調(diào)光。這樣就不能通過傳統(tǒng)的調(diào)光器電路來對燈進(jìn)行調(diào)光，而傳統(tǒng)的燈通常具有控制整個照明設(shè)備的能力，而不是僅控制單個燈。因此，需要更多的時間和勞力來將燈調(diào)暗，而且在整個公司中燈的調(diào)暗程度不統(tǒng)一。
因此，需要一種能夠與在商業(yè)上可購買的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路相兼容的轉(zhuǎn)換器電路。
本發(fā)明的實例性的實施例涉及一種以基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器可工作的鎮(zhèn)流器電路。該鎮(zhèn)流器電路包括與相關(guān)的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路可操作地連接以將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流的整流器、耦合到該整流器的電容器組件、在該整流器和電容器組件之間的第一連接、耦合到該整流器以將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流的轉(zhuǎn)換器、耦合到該轉(zhuǎn)換器以控制該轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動裝置、耦合到所述轉(zhuǎn)換器的電阻-電感電路，以及在該電容器組件和電阻-電感電路之間的第二連接。該轉(zhuǎn)換器在電阻-電感電路中引起交流電流。
在附

圖1的實施例中鎮(zhèn)流器或轉(zhuǎn)換器電路100包括耦合到基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110的交流電源105。該交流電源通常是標(biāo)準(zhǔn)用戶主電壓或線電壓?；谌穗p向可控硅開關(guān)的控制器110通常是在用戶、零售店、飯店、酒店照明市場中流行的在商業(yè)上可購買的相位可控制的三端雙向可控硅開關(guān)調(diào)光器，比如General ElectricCompany(通用電器公司)的白熾光調(diào)光器，零件號碼為DIT261M5?；谌穗p向可控硅開關(guān)的控制器電路還可以是能夠控制燈的接通-切斷操作的固態(tài)開關(guān)，比如微暗到漸亮控制器。
基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110耦合到整流器115，比如全波橋式整流器，該整流器115將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流。電磁干擾(EMI)濾波器120優(yōu)選插入在基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110和橋式整流器115之間。EMI濾波器120抑制了來自附近的電器的EMI。EMI濾波器包括電阻125、電容器130和電感器135，其中如附圖1所示電容器和電阻串聯(lián)連接，電感器耦合在基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110和整流器115之間。
橋式整流器115并聯(lián)連接到電容器組件137。電容器組件137包括電容器140和145，這兩個電容器是標(biāo)準(zhǔn)的半橋。橋式整流器115通過第一或直接電連接150連接到電容器組件137。例如，在半橋電容器140和145之間的連接節(jié)點N1上用跳線連接適當(dāng)?shù)鼗ミB橋式整流器115。將連接節(jié)點N1保持在大約一半的總線電壓VBUS上的半橋電容器140和145并聯(lián)連接到直流到交流轉(zhuǎn)換器153上。
包括第一和第二開關(guān)155和160的直流到交流轉(zhuǎn)換器153將從橋式整流器115的輸出中接收的直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流。交流電流由電阻-電感電路163通過在附圖1中所示為去耦電容器的第二或電容性連接165接收。電阻-電感電路163包括具有初級繞組175和次級繞組180的高頻變壓器170和在附圖1中所示為燈的負(fù)載185。該燈可以是任何數(shù)量的低壓燈比如一種低壓白熾燈。
在下述意義上第一和第二開關(guān)155和160彼此互補(bǔ)第一開關(guān)155可以是如圖所示的n-溝道增強(qiáng)型器件而第二開關(guān)160是p-溝道增強(qiáng)型器件，或者通稱為MOSFET開關(guān)。第一和第二開關(guān)155，160每個都分別具有相應(yīng)的柵極(或控制端)G1或G2。從第一開關(guān)155的柵極G1到源極(參考端)S1的電壓控制該開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。類似地，從第二開關(guān)160的柵極G2到源極S2的電壓控制該開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。如附圖所示，源極S1和S2在公共節(jié)點N2上連接在一起，柵極G1和G2在公共控制節(jié)點N3上互連。柵極G1和G2可以連接到柵極電阻187和189以防止柵極至源極諧振超過額定值并提高轉(zhuǎn)換器電路100的可靠性。第一和第二開關(guān)155和160的漏極D1和D2分別連接到總線導(dǎo)體190和參考導(dǎo)體195。為方便將參考導(dǎo)體195示為地線。在總線導(dǎo)體190和參考導(dǎo)體195之間存在直流總線電壓VBUS。
直流到交流轉(zhuǎn)換器153連接到柵極驅(qū)動電路，該柵極驅(qū)動電路包括驅(qū)動電感器200、第二電感器205和隔直電容器210。柵極驅(qū)動電路連接到三個啟動電阻211、212和213。正如大家所熟悉，啟動電阻211、212和213和第一開關(guān)155一起形成了自啟動電路。
雙向電壓鉗位215以與柵極驅(qū)動電路并聯(lián)的關(guān)系設(shè)置在公共節(jié)點N3和公共節(jié)點N2之間。雙向電壓鉗位215優(yōu)選由背對背齊納二極管217，218組成。雙向電壓鉗位215對第一和第二開關(guān)155和160的柵極至源極額定電壓的正和負(fù)漂移鉗位以使不超過開關(guān)的柵極至源極最大額定值。
緩沖電容器220優(yōu)選連接在連接節(jié)點N1和公共節(jié)點N2之間以在第一和第二開關(guān)155和160都切斷的空載時間間隔期間保護(hù)第一和第二開關(guān)155和160不超過最大的柵極至源極額定電壓。轉(zhuǎn)換器電路100還可以包括跨接在直流總線上的柵極或堵塞(swamp)電容器225。柵極電容器225支持在線電壓的零交叉之后的轉(zhuǎn)換器工作。
轉(zhuǎn)換器電路100進(jìn)一步可以包括串聯(lián)連接在橋式整流器115和橋式電容器140之間的示為電感器的第二EMI濾波器230以進(jìn)一步抑制在橋式整流器115的輸出上的EMI。根據(jù)所采取的其它的EMI控制措施，比較理想的是在高頻變壓器170的次級繞組180和在半橋電容器140和150之間的節(jié)點N1之間可以具有第三連接235。在直接電連接對產(chǎn)品的性能有害的應(yīng)用場合中第三連接還可以是電容性連接。
轉(zhuǎn)換器電路100工作如下。橋式整流器115將電源105的交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流。第一和第二開關(guān)155和160通過自諧振轉(zhuǎn)換電路153以高頻率交替地切換以驅(qū)動高頻變壓器170的初級繞組175。高頻變壓器170的次級繞組180驅(qū)動負(fù)載185。應(yīng)用電容性連接165來使高頻切換從低頻線去耦。半橋的中點電壓引向該線以提供返回到負(fù)載185的低頻電流通路以維持與基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110的兼容性。在該電路輸入上的EMI濾波器120和高頻變壓器170的次級繞組180都引向半橋的中點電壓以有助于進(jìn)一步抑制EMI。
自啟動電路形成了從源輸入的通路以啟動電感器動作。一旦交流電源105通電通過電阻211、212和213對隔直電容器210開始充電。在這個時刻，在隔直電容器210上的電壓為零。在啟動過程中，由于隔直電容器210的充電的時間常數(shù)相當(dāng)長，因此高頻變壓器170的初級繞組175和驅(qū)動電感器200基本上短路。一旦總線開始通電，例如利用相等值的電阻211、212和213在公共節(jié)點N2上的電壓大約為總線電壓VBUS的三分之一。在電阻211、212和213之間的公共控制節(jié)點N3上的電壓是總線電壓VBUS的一半。這樣，隔直電容器210從左到右增加帶電直到它達(dá)到第一開關(guān)155的柵極至源極電壓的閾值電壓(例如2-3伏特)。在這一點上，第一開關(guān)155切換到導(dǎo)通模式，然后產(chǎn)生由第一開關(guān)155輸送到高頻變壓器170的初級繞組175的電流。高頻變壓器170的次級繞組180驅(qū)動負(fù)載185。接著，在變壓器170中所得的電流以上文所描述的方式產(chǎn)生第一和第二開關(guān)155和160的再生控制。
在轉(zhuǎn)換器電路100的穩(wěn)態(tài)工作的過程中，在第一和第二開關(guān)155和160之間的公共節(jié)點N2的電壓大約為總線電壓VBUS的1/2。在公共控制節(jié)點N3上的電壓也為總線電壓VBUS的1/2，因此在穩(wěn)態(tài)工作的過程中隔直電容器210不再充電并產(chǎn)生接通第一開關(guān)155的另一啟動脈沖。隔直電容器210的容抗比驅(qū)動電感器200和第二電感器205的感抗小得多因而隔直電容器210不干擾電感器200和第二電感器205的工作。
柵極驅(qū)動電路的驅(qū)動電感器200相互耦合到高頻變壓器170的初級繞組175以在其中引起與交流負(fù)載電流的瞬時變化率成比例的電壓。驅(qū)動電感器200在一端進(jìn)一步連接到公共節(jié)點N2。驅(qū)動電感器200給柵極驅(qū)動電路的工作提供驅(qū)動能量。利用與隔直電容器210和公共控制節(jié)點N3串聯(lián)連接的第二電感器205調(diào)節(jié)在公共控制節(jié)點N3和公共節(jié)點N2之間出現(xiàn)的柵極至源極電壓的相位角。
轉(zhuǎn)換器電路100繼續(xù)以低線狀態(tài)運(yùn)行并且當(dāng)基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110觸發(fā)時迅速地重新啟動。提供一種電流通道，該電流通道允許基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110的電阻-電容器(RC)網(wǎng)絡(luò)放電并提供基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110的可靠工作。應(yīng)用無源EMI濾波器120，該EMI濾波器120限制線電流并衰減由基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器110的啟動可能引起的振蕩。因此，轉(zhuǎn)換器電路100可與在商業(yè)上可購買的很多種基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器兼容。
下面為應(yīng)用120伏特線電壓的轉(zhuǎn)換器電路100的實例性元件的值

此外，第一開關(guān)155可以是IRFU214，n-溝道MOSFET，而第二開關(guān)160可以是IRFU9214，p-溝道MOSFET，Segundo California的International Rectifier Company出售這兩種器件。
附圖2所示為體現(xiàn)本發(fā)明的第二轉(zhuǎn)換電路250的示意圖。第二轉(zhuǎn)換器電路250以與上文所描述的附圖1的轉(zhuǎn)換器電路100相同的方式起作用。在第二轉(zhuǎn)換器電路250和轉(zhuǎn)換器電路100之間的主要差別在于直流電連接150和電容性連接165的位置。如在附圖2中所示，轉(zhuǎn)換器電路250的電容性連接165位于在連接節(jié)點N1和橋式整流器115之間，同時直流電連接150位于在連接節(jié)點N1和初級繞組175之間。因此，直接電連接150和電容性連接165的位置與在附圖1中的位置相反。
附圖3所示為體現(xiàn)本發(fā)明的第三轉(zhuǎn)換器電路300的示意圖。同樣，除了在附圖1中的在橋式整流器115和節(jié)點N1之間的直接電連接150以外，第三轉(zhuǎn)換器300以與在附圖1個轉(zhuǎn)換器電路100相同的方式起作用并應(yīng)用相同的元件。在轉(zhuǎn)換器電路300中，以在附圖3中示為第二去耦電容器的電容性連接305替換直接電連接150。這個電容性連接305替換轉(zhuǎn)換器電路100的直接電連接，這對于較小性能波動比如降低在燈中的峰值燈絲電壓比較理想。因此，轉(zhuǎn)換器電路300具有兩個電容性連接165和305而不是如在上文中所描述的轉(zhuǎn)換器電路100中的一個電容性連接和一個直接電連接。
總之，本發(fā)明提供了一種有效利用帶有可商用的基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器的集成電路元件的方式。該電路足夠小以使它容易集成在燈殼體本身內(nèi)，由此提供了一種容易更新已有的白熾燈照明設(shè)備的低壓燈。這種轉(zhuǎn)換器還可以給燈絲在高的頻率下提供低電流峰值因數(shù)，這有助于延長燈的壽命。
此外，由于在本領(lǐng)域熟練的人員很容易作出許多改進(jìn)和變型，因此本發(fā)明并不限于上文所描述的具體結(jié)構(gòu)和工作。因此所有的適合的改型和等效方案都落在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種以基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器可操作的鎮(zhèn)流器電路，包括(a)整流器，該整流器配置成與相關(guān)的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路可操作地連接以將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流；(b)耦合到所述整流器的電容器組件；(c)在所述整流器和所述電容器組件之間的第一連接；(d)耦合到所述整流器以將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流的轉(zhuǎn)換器；(e)耦合到所述轉(zhuǎn)換器以控制該轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動裝置；(f)耦合到所述轉(zhuǎn)換器的電阻-電感電路，所述轉(zhuǎn)換器在電阻-電感電路中引起交流電流；以及(g)在所述電容器組件和所述電阻-電感電路之間的第二連接。
2.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器是一種調(diào)光器。
3.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器是一種固態(tài)開關(guān)。
4.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，進(jìn)一步包括并聯(lián)連接到所述轉(zhuǎn)換器以支持該轉(zhuǎn)換器的工作的第一電容器。
5.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中該電容器組件包括在連接節(jié)點上連接在一起的第二和第三電容器。
6.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中第一連接是直接電連接。
7.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中第一連接是電容性連接以對高頻切換進(jìn)行去耦。
8.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中第二連接是直接電連接。
9.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中第二連接是電容性連接以對高頻切換進(jìn)行去耦。
10.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中第一和第二連接都是電容性連接以對高頻切換進(jìn)行去耦。
11.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中電阻-電感電路包括變壓器和燈。
12.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，進(jìn)一步包括在電容器組件和變壓器的次級繞組之間的第三連接。
13.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，進(jìn)一步包括耦合到轉(zhuǎn)換器的啟動電路。
14.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，進(jìn)一步包括耦合在相關(guān)的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路和整流器之間的電磁干擾濾波器。
15.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，進(jìn)一步包括與整流器和電容器組件串聯(lián)耦合的電磁干擾濾波器。
16.權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器電路，其中所述轉(zhuǎn)換器包括由交流電流流經(jīng)的公共節(jié)點在總線導(dǎo)體和參考導(dǎo)體之間串聯(lián)連接的第一和第二開關(guān)，所述第一和第二開關(guān)每個都包括控制節(jié)點和參考節(jié)點，在控制節(jié)點和參考節(jié)點之間的電壓決定了所述開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。
17.權(quán)利要求16的鎮(zhèn)流器電路，進(jìn)一步包括耦合在控制節(jié)點和公共節(jié)點之間的電壓鉗位電路。
18.一種使用基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器運(yùn)行負(fù)載的方法，包括(a)使用整流器將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流；(b)使用電容性連接對高頻切換進(jìn)行去耦；(c)使用轉(zhuǎn)換器將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流；(d)使用耦合到轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動裝置控制所述轉(zhuǎn)換器的工作；以及(e)在耦合到轉(zhuǎn)換器的電阻-電感電路中引起交流電流。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所述電容性連接是在整流器和電容器組件之間。
20.權(quán)利要求18的方法，其中所述電容性連接是在電容器組件和電阻-電感電路之間。
全文摘要
一種以基于三端雙向可控硅開關(guān)的控制器可工作的鎮(zhèn)流器電路。該鎮(zhèn)流器電路(100)包括與相關(guān)的基于三端雙向可控硅開關(guān)的電路(110)可操作地連接以將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流的整流器(115),耦合到該整流器(115)的電容器組件(137),在該整流器和電容器組件(137)之間的第一連接(150),耦合到該整流器(115)以將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流的轉(zhuǎn)換器(153),耦合到該轉(zhuǎn)換器以控制該轉(zhuǎn)換器(153)的柵極驅(qū)動裝置,耦合到該轉(zhuǎn)換器(153)的電阻－電感電路(163),以及在該電容器組件(137)和電阻－電感電路(163)之間的第二連接(165)。該轉(zhuǎn)換器(153)在電阻－電感電路(163)中引起交流電流。
文檔編號H05B39/04GK1363984SQ0114541
公開日2002年8月14日 申請日期2001年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月27日
發(fā)明者L·S·伊爾耶斯, L·R·內(nèi)羅尼 申請人:通用電氣公司