專利名稱：高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動高亮度放電燈的電子鎮(zhèn)流器，更具體地說，本發(fā)明涉及控制這種電子鎮(zhèn)流器的輸出功率。
利用低頻矩形電流波形來驅(qū)動高亮度放電(HID)燈是比較常用的。電子鎮(zhèn)流器用于產(chǎn)生電燈所需要的驅(qū)動波形并對公用電力線路進(jìn)行功率因數(shù)校正。現(xiàn)有技術(shù)中電子鎮(zhèn)流器的狀況即為

圖1中所示的三級布局。該布局由用于功率因數(shù)校正的升壓變換器、用于調(diào)節(jié)電燈功率/電流的降壓變換器及一個轉(zhuǎn)換器組成，該轉(zhuǎn)換器用于將已調(diào)節(jié)的DC(直流)電壓轉(zhuǎn)化為AC(交流)矩形波形。在這種布局中需要兩個控制器。在升壓變換器中應(yīng)用一個控制器來調(diào)整總線電壓Vbus并隨著輸入電壓的正弦波形來確定線電壓波形而進(jìn)行功率因數(shù)校正。在降壓變換器中應(yīng)用另一個控制器來調(diào)節(jié)電燈的電流和功率。這種布局對于電力電子領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說是公知的。它可簡單而明確地檢測出其控制變量，因?yàn)樵陔娐愤\(yùn)行的全部階段中可對線電壓進(jìn)行整流且被檢測的參數(shù)可以相同的電位為基準(zhǔn)。例如，順次布置在地線和開關(guān)Q2之間的一個簡單的電流檢測電阻R1可被用于監(jiān)控直流(DC)電燈電流。但是，這種布局的主要缺陷是由于其多級級聯(lián)的屬性而帶來的部件太多及效率較低。如圖1所示，已知的三級變換鎮(zhèn)流器包括兩個控制開關(guān)，一個用于升壓變換器而另一個用于降壓變換器；及用于控制高亮度放電燈的轉(zhuǎn)換的四個開關(guān)Q1-Q4，在該三級變換鎮(zhèn)流器中共計(jì)有六個開關(guān)。
本發(fā)明的一個目的為提供一種組合的降-升壓功能型電子鎮(zhèn)流器，其中，該鎮(zhèn)流器中顯著地減少了部件的數(shù)目。
本發(fā)明的另一個目的為提供一種組合的降-升壓功能型電子鎮(zhèn)流器，其中，該電子鎮(zhèn)流器中減少了開關(guān)的數(shù)目。
本發(fā)明的再一個目的為提供一種組合的降-升壓功能型電子鎮(zhèn)流器，其中，該電子鎮(zhèn)流器具有較高的效率。
上述的這些目的及其他目的是在用于驅(qū)動高亮度放電燈的電子鎮(zhèn)流器中實(shí)現(xiàn)的，該電子鎮(zhèn)流器具有組合的升壓和降壓變換器及簡單的電流檢測技術(shù)，其中，所述的電子鎮(zhèn)流器包括與交流(AC)電壓源相連的第一終端和第二終端；由第一電感、第二電感及結(jié)合點(diǎn)組成一組結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將高亮度放電燈與所述第一終端相連以與所述交流(AC)電壓源相連；一個第一電容器與所述用于連接高亮度放電燈的結(jié)合點(diǎn)并列布置；由沿著主體二極管的第一高頻開關(guān)和與所述第二電感及用于連接高亮度放電燈的所述結(jié)合點(diǎn)并列布置的第一低頻開關(guān)組成的第一組結(jié)構(gòu)；由沿著主體二極管的第二高頻開關(guān)和與所述第二電感及用于連接高亮度放電燈的所述連接點(diǎn)并列布置的第二低頻開關(guān)組成的第二組結(jié)構(gòu)，在所述第二高頻開關(guān)和所述第二低頻開關(guān)之間具有與地線相連的結(jié)合點(diǎn)；由兩個二極管組成的一組結(jié)構(gòu)，所述兩個二極管之一的陰極與所述第一高頻開關(guān)和所述第一低頻開關(guān)的結(jié)合點(diǎn)相連，所述兩個二極管中的另一個的陽極與所述第二高頻開關(guān)和所述第二低頻開關(guān)的結(jié)合點(diǎn)相連，所述兩個二極管之間的結(jié)合點(diǎn)與所述交流(AC)電壓源的第二終端相連；由一個電容器和電流檢測電阻組成的一組結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與由兩個二極管組成的一組結(jié)構(gòu)相并列布置，其中，穿過所述檢測電阻的電流被用于檢測所述電子鎮(zhèn)流器的輸入降壓電流以直接控制由所述電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的輸出功率。
本發(fā)明的電子鎮(zhèn)流器將降壓和升壓功能組合在一起且將線電壓整流和負(fù)荷轉(zhuǎn)換結(jié)合在一起。這種電路布置適用于驅(qū)動所需的功率小于200瓦的HID燈。當(dāng)升壓變換器在不連續(xù)的傳導(dǎo)模式(DCM)下運(yùn)行時，交流(AC)電流波形在無任何反饋控制的情況下就自然地隨交流(AC)電壓波形的變化而變化。依據(jù)該DCM升壓特性而可將電路重新布置為一種形式，此處，升壓變換器和降壓變換器可分享同樣的工作開關(guān)。這種布置不僅減少了常用方式中的部件的數(shù)目，而且可簡化控制。本發(fā)明的電子鎮(zhèn)流器中只需要一個控制器。該控制器通過調(diào)節(jié)高頻開關(guān)的負(fù)載周期來調(diào)整燈的功率。但是，如果將通用的控制原理應(yīng)用到該電路中，其中，該電路中燈的功率是通過檢測和控制燈的電流來直接調(diào)節(jié)的，則對燈電流的檢測將會變得復(fù)雜和昂貴。
本發(fā)明的內(nèi)容是通過對降壓變換器的輸入功率進(jìn)行調(diào)節(jié)而取代常用的對燈電流的調(diào)節(jié)來直接控制燈的功率。通過一個電流檢測電阻就可較容易地檢測降壓輸入電流，所述電流檢測電阻策略性地與總線電容器串行布置。該方法起作用在于兩個原因(1)總線電容器上的電壓極性在整個電路的運(yùn)行中是確定的；
(2)只有一種電流流動形式通過總線電容器。
通常情況下，在常用的降-升壓變換器電力供應(yīng)的三級布局中，在總線電容器內(nèi)部及外部是很難將升壓電流和降壓電流分開的。但是，在將降壓和升壓功能相結(jié)合時，在工作開關(guān)(在正半線路循環(huán)過程中的第二高頻開關(guān)及在負(fù)半線路循環(huán)過程中的第一高頻開關(guān))斷開過程中，升壓電流只流入電容器，而在工作開關(guān)閉合的過程中，降壓電流只流出電容器。因此，進(jìn)入降壓變換器的輸入電流可通過簡單的電路而被較容易地過濾掉。利用該控制方法，本發(fā)明的電子鎮(zhèn)流器不僅減少了部件的數(shù)目及提高了其動力階段的效率，且與三級布局的方式相比，該電子鎮(zhèn)流器還具有簡單的電阻電流檢測方法且減少了一個控制器。
參考附圖，下面通過對本發(fā)明的描述將會明確上述及另外的目的和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1所示為一種已知的三級變換電子鎮(zhèn)流器的示意性框圖；圖2所示為連接有示例性控制器的本發(fā)明降-升壓功能型電子鎮(zhèn)流器的示意性框圖；圖3A和3B顯示了總線電容器電流的波形圖；圖4為一個時序圖，圖中顯示了低頻和高頻開關(guān)的轉(zhuǎn)換與交流(AC)輸入電壓的關(guān)系。
圖1所示為一種已知的三級變換電子鎮(zhèn)流器的示意性框圖。交流(AC)電壓10被供應(yīng)至電磁干擾(EMI)濾波器12，然后加在二極管整流橋D1-D4上。從二極管整流橋的輸出被施加到升壓變換器14上，所述升壓變換器14包括由電感L1和第一控制開關(guān)S1組成的串行布置。升壓變換器14的輸出經(jīng)過第一控制開關(guān)S1且由與地線相連的電容器C1形成分路。電壓經(jīng)電容器C1而施加到降壓變換器16上，該降壓變換器16包括由第二控制開關(guān)S2和二極管D5組成一組結(jié)構(gòu)，一個電感L2與第二控制開關(guān)S2和二極管D5之間的結(jié)合點(diǎn)相連。電感L2和二極管D5的接地端形成降壓變換器16的輸出端且由電容器C2旁路。從降壓變換器16的電感L2的輸出被直接施加到轉(zhuǎn)換器18的第一終端上，而自補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器16的接地輸出通過電阻R1而施加到轉(zhuǎn)換器18的第二終端上。
轉(zhuǎn)換器18包括與第一和第二終端相連且平行布置的兩組串行布置的轉(zhuǎn)換器開關(guān)Q1/Q2和Q3/Q4，其中，一高亮度放電燈20被結(jié)合在串行布置的轉(zhuǎn)換器開關(guān)的結(jié)合點(diǎn)之間。
在該三級變換電子鎮(zhèn)流器中，變換器的輸出電流由電阻R1檢測而變換器的輸出電壓由電容器C2檢測。檢測到的這些輸出電流和輸出電壓被用于控制第一和第二可控開關(guān)S1和S2。
圖2中示意性地顯示了本發(fā)明的降-升壓型電子鎮(zhèn)流器。特別地，就如在現(xiàn)有技術(shù)中的三級變換電子鎮(zhèn)流器那樣，輸入交流(AC)(線路)電壓源10將其輸出通過第一終端1和第二終端2施加到電磁干擾(EMI)濾波器12上。EMI濾波器12的一個終端(a)被應(yīng)用于由第一電感L3、第二電感L4和HID燈20組成的串行布置。燈20連在接點(diǎn)3、4之間。該HID燈20由電容器C3旁路。由沿著其主體二極管BD1的第一高頻開關(guān)HF1和第一低頻開關(guān)LF1形成的第一組結(jié)構(gòu)與第二電感L4和HID燈20并行布置。由沿著其主體二極管BD2的第二高頻開關(guān)HF2和第二低頻開關(guān)LF2形成的第二組結(jié)構(gòu)也與第二電感L4和HID燈20并行布置，其中，第二高頻開關(guān)HF2和第二低頻開關(guān)LF2之間的結(jié)合點(diǎn)與地線相連。由兩個二極管D6和D7組成的串行結(jié)構(gòu)將第一高頻開關(guān)HF1和第一低頻開關(guān)LF1的結(jié)合點(diǎn)與第二高頻開關(guān)HF2和第二低頻開關(guān)LF2的結(jié)合點(diǎn)相連。最后，由電容器C4和電流檢測電阻Rs組成的串行結(jié)構(gòu)與由兩個二極管D6和D7組成的串行結(jié)構(gòu)并行布置。
第一和第二低頻開關(guān)LF1和LF2是與輸入交流(AC)電壓源10同步的。當(dāng)交流(AC)電壓為正時，第一低頻開關(guān)LF1閉合，而第二低頻開關(guān)LF2斷開。第二高頻開關(guān)HF2在升壓和降壓功能中就作為一個有效晶體管而運(yùn)行。第一高頻開關(guān)HF1的主體二極管BD1用作為升壓二極管和降壓二極管。當(dāng)?shù)诙哳l開關(guān)HF2閉合時，變換器的升壓功能能量從線性電壓源輸送至升壓電感L3。升壓電感L3的電流路徑被限制在線性電壓源10、L3、第二高頻開關(guān)HF2和二極管D7之間。變換器的降壓功能將能量從總線電容器C4經(jīng)第二高頻開關(guān)HF2和第一低頻開關(guān)LF1而輸送至HID燈20及降壓電感L4。當(dāng)?shù)诙哳l開關(guān)斷開時，升壓功能將儲存在電感L3中的能量經(jīng)第一高頻開關(guān)HF1的主體二極管BD1而輸送至總線電容器C4。在第二高頻開關(guān)HF2停止運(yùn)行過程中，降壓功能將儲存在電感L4中的能量經(jīng)第一低頻開關(guān)LF1和第一高頻開關(guān)HF1的主體二極管BD1而輸送至HID燈20。
當(dāng)輸入電壓為負(fù)時，第一和第二高頻開關(guān)HF1和HF2的作用顛倒過來。第二低頻開關(guān)LF2閉合而第一低頻開關(guān)LF1斷開。與輸入正電壓時的情況相似，當(dāng)?shù)谝桓哳l開關(guān)HF1閉合時，總線電容器C4通過變換器的降壓功能而將能量輸送至負(fù)載及降壓電感L4。當(dāng)?shù)诙哳l開關(guān)HF2斷開時，升壓電感L3通過變換器的升壓功能而將能量輸送至總線電容器C4。
因此，在輸入電壓為正和輸入電壓為負(fù)的情況下，如圖2所示，總線電容器C4的正電流總是由升壓功能提供的，而總線電容器C4負(fù)電流總是由降壓功能提供的。
總線電容器C4的電流波形如圖3A和3B所示。具體地說，圖3A顯示了全部時間內(nèi)的總體電流波形，而圖3B詳細(xì)地顯示了圖3A中的BBC部分。該圖中顯示了降壓電流和升壓電流相分離的情況。由于通過總線電容器C4的降壓和升壓電流的清晰分離而可利用簡單的電阻電流檢測技術(shù)來提取輸入降壓電流信息以控制燈的功率。
圖2也顯示了用于控制本發(fā)明的降-升壓功能型電子鎮(zhèn)流器的電路的一個例子。具體地說，電壓經(jīng)電阻Rs施加到具有極性反轉(zhuǎn)的差動放大器22上，差動放大器22與半波整流器24相連。從半波整流器24的輸出即由圖3B所示的降壓電流所代表的輸出施加到倍增器26的一個輸入端上。倍增器26的其他輸入端接收來自增益放大器29的輸出信號，該增益放大器29的輸入端與第一高頻開關(guān)HF1和第一低頻開關(guān)LF1之間的結(jié)合點(diǎn)相連。倍增器26的輸出即降壓變換器的輸入功率被施加到誤差放大器30的一個輸入端上，該誤差放大器30將該輸出信號與一參考電壓相比較。誤差放大器30的輸出施加到一脈寬調(diào)制器32上，調(diào)節(jié)后的信號被施加到HF1/HF2選擇邏輯電路34的控制輸入端上。來自交流(AC)電壓源10的輸入線電壓施加到極性檢測器36上，這樣，來自該極性檢測器36的輸出就形成用于驅(qū)動第一和第二低頻開關(guān)LF1和LF2的驅(qū)動信號。這些輸出也施加到HF1/HF2選擇邏輯電路34上。邏輯電路34的輸出也作為第一和第二高頻開關(guān)HF1和HF2的驅(qū)動信號。
圖4所示為一個時序圖，圖中顯示了第一和第二低頻開關(guān)LF1和LF2及第一和第二高頻開關(guān)HF1和HF2的轉(zhuǎn)換與交流(AC)輸入電壓的關(guān)系。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對該申請披露的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種變化和變更。但是，應(yīng)認(rèn)識到上述實(shí)施例只為達(dá)到說明的目的而不是作為對本發(fā)明的限制。不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)的所有變更均包含在附加的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動高亮度放電燈的電子鎮(zhèn)流器，該電子鎮(zhèn)流器具有組合的升壓和降壓變換器及簡單的電流檢測技術(shù)，其特征在于，所述電子鎮(zhèn)流器包括用于連接一交流(AC)電壓源的第一終端和第二終端；由第一電感、第二電感及結(jié)合點(diǎn)組成的一組結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將一高亮度放電燈與所述第一終端相連以與所述交流(AC)電壓源相連；一個第一電容器，與所述用于連接高亮度放電燈的結(jié)合點(diǎn)并行布置；由沿著主體二極管的第一高頻開關(guān)和與所述第二電感及用于連接高亮度放電燈的所述結(jié)合點(diǎn)并行布置的第一低頻開關(guān)組成的第一組結(jié)構(gòu)；由沿著主體二極管的第二高頻開關(guān)和與所述第二電感及用于連接高亮度放電燈的所述結(jié)合點(diǎn)并行布置的第二低頻開關(guān)組成的第二組結(jié)構(gòu)，在所述第二高頻開關(guān)和與地線相連的所述第二低頻開關(guān)之間具有結(jié)合點(diǎn)；由兩個二極管布置成的一組結(jié)構(gòu)，所述兩個二極管之一的陰極與所述第一高頻開關(guān)(HF1)和所述第一低頻開關(guān)的結(jié)合點(diǎn)相連，所述兩個二極管中的另一個的陽極與所述第二高頻開關(guān)和所述第二低頻開關(guān)的結(jié)合點(diǎn)相連，所述兩個二極管之間的結(jié)合點(diǎn)與所述交流(AC)電壓源的第二終端相連；由電容器和電流檢測電阻組成的一組結(jié)構(gòu)，所述電流檢測電阻與由兩個二極管組成的一組結(jié)構(gòu)并行布置，其中，穿過所述檢測電阻的電流被用于檢測所述電子鎮(zhèn)流器的輸入降壓電流以間接控制由所述電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其中，所述電子鎮(zhèn)流器的輸出功率是通過改變第一和第二高頻開關(guān)的占空周期來控制的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其中，所述電子鎮(zhèn)流器包括一個用于控制所述第一和第二高頻開關(guān)及所述第一和第二低頻開關(guān)的控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子鎮(zhèn)流器，其中，所述控制器包括與和所述交流(AC)電壓源相連的終端相耦合的一個極性檢測器，所述極性檢測器的第一和第二輸出分別形成用于控制所述第一和第二低頻開關(guān)的控制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子鎮(zhèn)流器，其中，所述控制器還包括耦合來用于反向測量所述檢測電阻電壓的差動放大器；與所述差動放大器的輸出端相耦合的一個半波整流器；一個倍增器，該倍增器具有與所述半波整流器(24)的輸出端相耦合的第一輸入端；與所述第一高頻開關(guān)和第一低頻開關(guān)之間的結(jié)合點(diǎn)相耦合的一個增益放大器，所述增益放大器的輸出端與所述倍增器的第二個輸入端相耦合；一個誤差放大器，該誤差放大器具有與所述倍增器的輸出端相耦合的一個輸入端，所述誤差放大器將來自倍增放大器的輸出信號與一個參考信號相比較；一個脈寬調(diào)制電路，該電路具有與所述誤差放大器的輸出端相耦合的一個輸入端；一個選擇邏輯電路，該選擇邏輯電路產(chǎn)生用于所述第一和第二高頻開關(guān)的高頻開關(guān)信號，所述選擇邏輯電路具有與所述極性檢測器的第一和第二輸出端相連的輸入端及與所述脈寬調(diào)制電路的輸出端相耦合的一個控制輸入端，其中，高頻開關(guān)信號分別與所述極性檢測器的第一和第二輸出端上的信號同步，所述開關(guān)信號的占空周期是由所述脈寬調(diào)制電路的輸出來調(diào)整的。
全文摘要
一種用于高亮度放電燈的電子鎮(zhèn)流器,該鎮(zhèn)流器將升壓變換器和降壓變換器的功能組合在一起且將線電壓整流與負(fù)載轉(zhuǎn)換相組合。這種結(jié)構(gòu)只需要一個控制器,用于控制器的控制信號從與總線電容器串行布置的一個電阻中輸出。在這種情況下,通過調(diào)節(jié)輸入降壓變換器部分的輸入降壓電流而取代測量電燈電流來直接控制燈的功率,在斷續(xù)模式的升壓情況下就可得到較高的功率因數(shù)。
文檔編號H05B41/28GK1381158SQ01801461
公開日2002年11月20日 申請日期2001年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月30日
發(fā)明者F·李, E·B·申 申請人:皇家菲利浦電子有限公司