專利名稱：具有用于有效功率因子校正的電荷泵的電子鎮(zhèn)流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于氣體放電燈的鎮(zhèn)流器，更具體地，涉及一種用于電子鎮(zhèn)流器(EVG)的用作為電荷泵的泵電路，該電子鎮(zhèn)流器(EVG)用于一個或串聯(lián)連接的多個氣體放電燈的高頻操作。
背景技術(shù)：
鎮(zhèn)流器從電源(mains)獲取的用于氣體放電燈的操作的電流必需滿足特定的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的一個示例為IEC標(biāo)準(zhǔn)1000-3-2。在該標(biāo)準(zhǔn)中，燈鎮(zhèn)流器是C類操作裝置，對于這類操作裝置，將特定的最大可允許極限值應(yīng)用于電源電流(mains current)的諧波。由此，對現(xiàn)代電子鎮(zhèn)流器的需求都針對功率因子λ，即有效功率和表觀功率之間的比率，在電源中應(yīng)該盡可能地接近于1。
單獨從燈的長工作壽命的角度來看，也存在對低波峰因子的燈電流ILA的需求，ks:I^LAILA,effmitILA,eff:=1T·∫0TiLA2(t)dt]]>其中，在絕對值方面，LA[mA]是燈電流ILA(t)的幅值的最大值(峰值)，而ILA，eff[mA]表示燈電流ILA(t)的有效值。
本發(fā)明本身主要涉及電源電流諧波的問題。
為了能夠更好地理解本發(fā)明的中心思想，在下面的基礎(chǔ)技術(shù)中，簡要地說明選擇傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流器的原理和問題。
一種電子燈鎮(zhèn)流器基于泵電路的應(yīng)用，該泵電路用作為用于減少電源電流諧波的電荷泵。這種泵電路在相關(guān)文獻(xiàn)中也被稱為具有能量反饋的電路。由此，在這種泵電路的幫助下產(chǎn)生的輸出電壓Ua在絕對值方面通常大于輸入電壓Ue。
電子鎮(zhèn)流器中采用這種泵電路的另一優(yōu)點在于不需要額外的有源電路元件(晶體管等)。電子鎮(zhèn)流器的一個或者多個電位點通過多個泵電容與d.c.電壓中間電路的多個電位點相連，該d.c.電壓中間電路位于電源整流器的輸出和逆變器(inverter)的輸入之間。由此，可以將能量反送回d.c.電壓中間電路。當(dāng)電源電壓降到低于中間電路電容的電壓降時，這些電容器對電位差進(jìn)行補(bǔ)償。由此在理想情況下可以從電源獲取電流，該電流是正弦的并且相對于電源電壓沒有相移。
圖1a中所示的電荷泵的功能基于將電容器C2的電壓增加為高于輸入電壓Ue的值。為此，首先對電容器C1進(jìn)行充電并且隨后將其電荷“泵激”(pumped)到電容器C2中。在兩個轉(zhuǎn)換開關(guān)S1和S2的位置(disposition)1-1’處，C1與輸入電壓Ue相連，并被充電到Ue，C2與該輸入電壓隔離?，F(xiàn)將S1和S2轉(zhuǎn)換到位置2-2’。先前接地的C1的負(fù)極端子現(xiàn)在與Ue的正極端子相連，并且其正極端子與C2相連。在這種連接結(jié)構(gòu)中，正電荷從該輸入電源傳送到圖中左側(cè)的C1的極板。通過電荷轉(zhuǎn)移，相對電極(counter electrode)上的電荷被轉(zhuǎn)移到C2。周期性地重復(fù)該過程。如果在多個充電循環(huán)內(nèi)，所轉(zhuǎn)儲(unloaded)的輸出殘余電荷(remains)在具有相等大小的電容器C1和C2的電路的輸出端引起輸出電壓Ua，則輸出電壓Ua的絕對值等于輸入電壓Ue的兩倍Ua＝2·Ue。
通常應(yīng)用U‾a=(C1C2+1)·U‾e]]>其中Ua是電荷泵的輸出電壓Ue是電荷泵的輸入電壓C1是泵電容器的電容量，以及C2是輸出電容器的電容量。
圖1b中所示的傳統(tǒng)電荷泵的技術(shù)構(gòu)造基于對圖1a中所示的原理電路的改進(jìn)，由四個場效應(yīng)晶體管T1、T2、T3和T4來替代圖1a的兩個轉(zhuǎn)換開關(guān)S1和S2。另外，為了減小該電路的輸入阻抗，電容器Ce與輸入電壓并聯(lián)。CF的充電與向輸出電容器Ca的電荷轉(zhuǎn)移之間的轉(zhuǎn)換通過在功率晶體管的柵極的時鐘控制電壓來實現(xiàn)。這些數(shù)字控制電壓表現(xiàn)彼此相反，即，如果一個電壓為″高″電位，則另一電壓為″低″電位，反之亦然。為此，T2和T3由公共電壓Ust1進(jìn)行時鐘控制，而T1和T4由Ust2進(jìn)行時鐘控制。如果T2和T3接通，則CF被充電到Ue(小于T2和T3的漏極-源極電壓UDS2和UDS3之和)。在控制電壓的轉(zhuǎn)換之后，T2和T3斷開，而T1和T4接通。于是，在充電循環(huán)中通過T3接地的CF的左端子通過T1與輸入電壓Ue相連。先前負(fù)充電的CF的極板被正充電。通過電荷轉(zhuǎn)移，通過T4將正電荷從右極板轉(zhuǎn)移到輸出電容器Ca，通過該處理，增大了施加在Ca處的輸出電壓Ua。
泵電容器的數(shù)量和連接存在最大的變化可能性。例如在歐洲專利EP0 253 224 B1中公開了一種用于一個或者更多個并聯(lián)的低壓放電燈的高頻操作電路構(gòu)造，該電路具有電源整流器和逆變器，該電路包括以半橋方式設(shè)置的兩個雙極晶體管T1和T2、串聯(lián)諧振電路和用于減少電源電流諧波分量的諧波濾波器。由此，諧波濾波器包括串聯(lián)連接的兩個二極管D8和D9，沿由電源整流器生成的脈動d.c.電流的前進(jìn)方向接入，與所述電源整流器相連；電容器C7，其將二極管D8和D9之間的中間抽頭M2與逆變器的晶體管T1和T2之間的中間抽頭M1相連；以及另一電容器C8，其將中間抽頭M2與串聯(lián)諧振電路和燈電極之間的中間抽頭M3相連。在這兩個二極管的并聯(lián)支路中設(shè)置串聯(lián)連接的另外兩個二極管D10和D11，其中間抽頭M2同樣與逆變器的兩個晶體管T1和T2之間的中間抽頭M1相連。
圖1c表示根據(jù)該技術(shù)的電荷泵的第二種技術(shù)構(gòu)造，其具有自阻斷P溝道金屬氧化物場效應(yīng)晶體管T1、自阻斷n溝道金屬氧化物場效應(yīng)晶體管T2以及兩個二極管D1和D2，通過該技術(shù)構(gòu)造，可以使瞬時輸入電壓Ue的絕對值實際加倍。通過由兩個功率晶體管T1和T2構(gòu)成的驅(qū)動器，也可以控制根據(jù)維拉德效應(yīng)(Villard)的電壓倍增器，通過該電壓倍增器可以實現(xiàn)兩極的高電壓，而無需變壓器的幫助。通過控制電壓Ust，可以交替地導(dǎo)通和截止兩個晶體管T1和T2。在導(dǎo)通n溝道晶體管T2后，泵電容C1通過二極管D1充電。然后n溝道晶體管T2截止，并且p溝道晶體管T1導(dǎo)通。通過這種處理，將施加在泵電容C1上的電壓Uc1添加到輸入電壓Ue，并且通過二極管D2將來自C1的一部分電荷泵激到已由輸入電壓Ue進(jìn)行了充電的電容器C2中。如果不通過兩個二極管D1和D2的閾值電壓減小輸出電壓Ua，則輸出電壓Ua將因此而實際達(dá)到兩倍輸入電壓Ue的幅值。
通過將兩個二極管D1和D2移到返回線路中來實現(xiàn)輸入電壓Ue的逆變。由此它們的陰極朝向n溝道晶體管T2，并且二極管D1和D2之間的節(jié)點保持與泵電容器C1相連。在這種情況下，輸出電壓Ua的絕對值與通過兩個二極管閾值電壓降低的輸入電壓Ue相對應(yīng)。
在圖2中示出了根據(jù)該技術(shù)的被用作為d.c.電壓變換器的功率因子校正電路的電路拓?fù)?，其包括電源整流器GL、與該電源整流器相連接并用作為諧波濾波器的存儲扼流圈L、通過專用集成電路(ASIC)形式的PFC驅(qū)動器控制的電源開關(guān)S、二極管D和輸出側(cè)充電電容器C。PFC電路在其輸出端提供限定的d.c.電壓Ua，該d.c.電壓Ua的絕對值大于該電路的輸入端處的瞬時a.c.的絕對峰值。在對電可控電源開關(guān)S施加控制電壓Ust之后，在由PFC驅(qū)動器對電源開關(guān)S的截止進(jìn)行初始化以后，電源開關(guān)S導(dǎo)通并且由此通過二極管D和充電電容器C在存儲扼流圈L再次放電之前，通過由電源整流器GL提供的脈動d.c.電流對存儲扼流圈L進(jìn)行充電。雖然該電路滿足諧波的最大允許極限值的規(guī)則要求，但是圖2中所示的該PFC電路的實現(xiàn)沒有考慮扼流線圈L的相對大的空間需求。
為了增大功率因子λ，目前在用于低壓氣體放電燈的電子燈鎮(zhèn)流器的領(lǐng)域中，越來越多地使用所謂功率因子校正電路(簡稱為PFC電路)，該電路的操作能夠保證獲得根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)1000-3-2的相同相位的近似正弦電流的原因在于，它們與電源頻率區(qū)域中的阻抗相匹配，以使得可以模擬歐姆負(fù)載。
為了理解根據(jù)本發(fā)明的切換原理的基本概念，考慮用于提高功率因子λ的傳統(tǒng)電路拓?fù)涞闹行膬?nèi)容。
與無源功率校正電路(在該無源功率校正電路中，通常使用集成在電源部分中的變壓器，該變壓器用作為低通濾波器并抑制輸入?yún)^(qū)域中的短時高電流脈沖)相反，其涉及根據(jù)有源功率因子校正原理進(jìn)行操作的電路、具有集成在電源部分中的有源開關(guān)元件的電子電路(該電子電路抑制輸入?yún)^(qū)域中的短時高電流脈沖)。這種有源PFC電路與傳統(tǒng)無源PFC電路相比，具有更高的效率，但實際上更為昂貴，這種有源PFC電路是用于諧波振蕩元件的濾波的變型。
在公開文本DE 196 34 859 A1中公開了一種用于氣體放電燈的電子鎮(zhèn)流器(EVG)，該電子鎮(zhèn)流器(EVG)具有全橋或者多路整流器，并且可以連接到電源電壓源、與該整流器相連的兩個電容(用作為控制或返回電容器)的串聯(lián)電路、與可交替切換的兩個可控制電源開關(guān)相連的串聯(lián)電路、以及與這兩個電源開關(guān)之間的中間抽頭相連的負(fù)載電路，該負(fù)載電路具有由諧振電感、諧振電容以及與它們相連作為負(fù)載阻抗的氣體放電燈組成的串聯(lián)諧振電路。此外，還提供了變壓器，該變壓器的初級繞組與控制和返回電容器之間的中間抽頭相連，而該變壓器的次級繞組與諧振電容器相連。與這兩個電源開關(guān)的串聯(lián)電路并聯(lián)連接有平滑電容器(smoothing capacitor)。優(yōu)選地，可以在整流器和返回電容器之間連接用于限流的扼流線圈。另外，對于該電路的操作，需要一二極管，該二極管的陽極連接到返回電容器的上極板，而該二極管的陰極連接到第一(圖中最上方)電源開關(guān)的上連接點。由此，控制電容器滿足兩種功能。一方面，其容量(與其它電容器的電容值一起)以及該諧振電感確定了串聯(lián)諧振電路的諧振頻率；另一方面，其與整流器、返回電容器和扼流線圈一起用作為諧波濾波器，該諧波濾波器旨在將返回電流電源的諧波保持得盡可能的小。通過該控制電容器的適當(dāng)大小的容量，在點燃或預(yù)熱氣體放電燈時，可以盡可能低地保持輸入到控制和返回電容器之間的中間抽頭的電流(通過該電流可以轉(zhuǎn)移該開關(guān)裝置的工作點)。
通常，所謂卸載是具有中間點抽頭的已知電子鎮(zhèn)流器泵電路的問題。這意味著，該電路還在例如負(fù)載電路故障(燈破損、燈從裝置中移除等)時，將能量“泵激”到中間電路，這不再占用(take up)功率。

發(fā)明內(nèi)容
從上述技術(shù)開始，本發(fā)明的目的在于，提出一種泵電路，通過該泵電路，在負(fù)載電路故障的情況下沒有能量泵激到中間電路中。
根據(jù)由獨立權(quán)利要求的特征限定的本發(fā)明來實現(xiàn)該目的。在從屬權(quán)利要求中限定了進(jìn)一步展開發(fā)明的概念的優(yōu)選示例性實施例。
提供本發(fā)明，以實現(xiàn)用于至少一個氣體放電燈的鎮(zhèn)流器的目的，該鎮(zhèn)流器具有-電源整流器，-逆變器，-串聯(lián)諧振電路，其為諧振電容和諧振電感的串聯(lián)電路，以及-諧波濾波器，其具有兩個整流二極管的串聯(lián)電路，這兩個整流二極管沿朝向電源整流器的方向連接；以及泵電容器，其與這兩個整流二極管的中間抽頭相連。由此可以例如通過變壓器向該泵電容器感應(yīng)地提供流過燈的電流，以由此提供取決于(獨立地)燈電流的電隔離燈能量源。
該諧波濾波器的兩個整流二極管由此可以同時作為電源整流器的元件。
另外，根據(jù)本發(fā)明提供了操作至少一個氣體放電燈(LA1)的方法，通過該方法，可以根據(jù)流過燈的電流來產(chǎn)生泵電容器的能量，以使得當(dāng)燈電流中斷時，泵電路自動斷開。這例如可以通過電感耦合來實現(xiàn)。
本發(fā)明的另一優(yōu)點包括相互關(guān)聯(lián)的有源和無源功率因子校正的概念。在本文中，提出了一種電路構(gòu)造，其包括根據(jù)“無源填谷(valley-fill)”概念的諧波濾波器，由此，通過電荷泵額外支持該諧波濾波器的功能?？梢允褂孟鄬ι俚馁M用，通過該電路來獲得特別高功率因子，因此，盡管這樣，也可以獲得上述的優(yōu)點。


該基本發(fā)明的進(jìn)一步特性、優(yōu)點和有利措施由從屬權(quán)利要求限定，現(xiàn)在將參照附圖并根據(jù)該基本發(fā)明的示例性實施例的詳細(xì)描述對它們進(jìn)行說明。
圖1a表示已知電荷泵。
圖1b表示圖1a的已知電荷泵的第一技術(shù)構(gòu)造。
圖1c表示圖1a的已知電荷泵的第二技術(shù)構(gòu)造。
圖2表示被用作為d.c.電壓變換器的已知有源功率因子校正電路的電路拓?fù)洹?br> 圖3a表示根據(jù)本發(fā)明的有源功率因子校正電路的第一實施例。
圖3b表示根據(jù)本發(fā)明的有源功率因子校正電路的第二實施例，其具有串聯(lián)在負(fù)載電路中的兩個低壓氣體放電燈。
圖4表示已知無源功率因子校正電路的電路拓?fù)洹?br> 圖5a表示根據(jù)本發(fā)明的功率因子校正電路的第三實施例，其包括有源和無源因子校正級(stage)的組合。
圖5b表示圖5a中所示電路的第一變型。
圖6a表示圖5a中所示電路的第二變型。
圖6b表示圖5a中所示電路的第三變型。
圖7a表示根據(jù)本發(fā)明的功率因子校正電路的第四實施例，其包括由電荷泵輔助的無源功率因子校正電路。
圖7b表示圖7a中所示電路的變型。
具體實施例方式
下面將更具體地描述包含在如圖3a和3b中所示的根據(jù)本發(fā)明的用于低壓氣體放電的電子鎮(zhèn)流器(EVG)的有源PFC電路的兩個示例實施例中的元件的功能。
圖3a中所示的根據(jù)本發(fā)明的有源PFC電路300a的第一實施例具有電源整流器AC/DC，其被實現(xiàn)為整流器全橋或者多路整流器，用于對從電流電源提供的a.c.電壓UNetz進(jìn)行整流；存儲電容器C1，與該電源整流器AC/DC并聯(lián)連接，并被實現(xiàn)為電解電容器(Elko)，用于獲得經(jīng)整流并且平滑的第一中間電路電壓UC1；與諧波濾波器OWF，與該存儲電容器相連，包括沿從電源整流器AC/DC提供的脈動d.c.電流ID的前進(jìn)方向設(shè)置的兩個整流二極管D1和D2；以及泵電容器C2，用作為電荷泵，與這兩個二極管D1、D2之間的中間抽頭相連。
諧波濾波器OWF的兩個整流二極管D1、D2由此可以同時作為電源整流器AC/DC的元件。
根據(jù)該示例通過變壓器Tr2的次級繞組向泵電容器C2感應(yīng)地提供通過燈LA1在負(fù)載電路中流動的燈電流ILA，并且泵電容器C2用于在諧波濾波器OWF的并聯(lián)支路中，在用作為能量存儲器的充電電容器C3處獲得增大的第二中間電路電壓UC3。
由于一方面變壓器通過燈電流供電，另一方面變壓器為泵電容器產(chǎn)生能量，所以當(dāng)沒有燈電流流過時，泵電路自動斷開。即，當(dāng)不再向泵電容器C2提供能量，并且因此中間電路電壓下降時，兩個二極管D1、D2永久截止，并且電源電壓準(zhǔn)(quasi)“斷開”。
此外，本發(fā)明還涉及下述的所有電路技術(shù)構(gòu)造，這些電路技術(shù)構(gòu)造在燈電流故障時，使得泵電路也可以斷開。本發(fā)明的另一實施例由此例如在于通過電平偏移級的電源開關(guān)來替代變壓器，其中該電源開關(guān)在燈電流故障時自動斷開泵電容。因此，通常對燈電流進(jìn)行分流(tapped off)以提供給電容器，以使泵激處理依賴于燈電流。
其它另選實施例例如為類似于具有電隔離優(yōu)點的變壓器的電容耦合器或壓電耦合器。
當(dāng)在設(shè)備開始工作時接通電源電壓時，只要沒有燈電流流過，泵電路自然不進(jìn)行工作。因此，在點燃燈之前，泵電路不能實現(xiàn)其使所獲得的電流平滑的功能。這是可以接受的，因為在相關(guān)規(guī)定中允許使用所獲得的非正弦電流，但僅限于點燃燈之前的時間。
通過變壓器來獲得用于泵電容的能量具有更進(jìn)一步的優(yōu)點，即通過選擇其變壓比，可以獲得進(jìn)一步的設(shè)計自由度。
最后，可以將變壓器構(gòu)造為通過變壓器達(dá)到飽和的時刻來限制最大中間電路電壓，并且由此使該變壓器不再執(zhí)行其變壓器功能，。
變壓器構(gòu)造中的另一自由度是繞組感應(yīng)，該繞組感應(yīng)取決于實現(xiàn)泵激處理的逆變器的相位。由此，可以有意識地選擇繞組感應(yīng)，來改善干擾頻譜。例如，如果選擇繞組感應(yīng)以使得恰在逆變器從中間電路獲得能量時的相位實現(xiàn)泵激處理，則可以減小存儲電容器C1處的高頻干擾。因為另一方面，高頻干擾峰的比例決定性地確定了該(昂貴的)存儲電容器C1的工作壽命，通過有目的地選擇繞組感應(yīng)，也可保護(hù)存儲電容器C1。
如已知的，根據(jù)本發(fā)明的電子燈鎮(zhèn)流器還包括逆變器DC/AC，用于產(chǎn)生燈LA1的操作所需的高頻燈電流ILA，該逆變器包括在半橋電路中串聯(lián)連接的兩個功率晶體管，由控制單元通過將控制電壓UG1和UG2施加到這兩個功率晶體管的柵極，來控制這兩個功率晶體管；串聯(lián)諧振電路SRK，與這兩個功率晶體管T1和T2的中間抽頭相連，用于諧振點燃?xì)怏w放電燈LA1，該串聯(lián)諧振電路SRK包括串聯(lián)連接的諧振電容器C5和諧振電感L、以及與其相連的負(fù)載電路，該負(fù)載電路中串聯(lián)有變壓器Tr2的初級繞組，該變壓器Tr2用作為負(fù)載電路和電荷泵之間的反饋元件，并且用于將高頻燈電流ILA提供給泵電容C2；耦合電容器C4，用于對燈電流ILA的d.c.電流分量進(jìn)行濾波；以及低壓氣體放電燈LA1。
低通濾波器TP用作為無線干擾濾波器，用于對高頻干擾峰進(jìn)行濾波，該低通濾波器TP連接在電源整流器的上游，包括與電源整流器并聯(lián)的兩個濾波電容器CF1和CF2，以及用于平滑電源電壓UNetz的變壓器Tr1。
圖3b中所示的根據(jù)本發(fā)明的電子燈鎮(zhèn)流器的第二實施例300b具有相同的電路拓?fù)洌瞧浔粯?gòu)造用來操作串聯(lián)連接的兩個低壓氣體放電燈LA1、LA2，這兩個低壓氣體放電燈LA1、LA2例如分別具有50W的功耗。
因為在變壓器處的電壓降要低于已知電路的泵電容器的電壓源的電壓降，剩余的電壓足夠用于串聯(lián)連接的兩個燈的工作，所以由此可以串聯(lián)連接兩個燈。
另外，通過采用根據(jù)本發(fā)明的變壓器，還可以操作多燈頭的(multi-flame)燈，因為每一個燈都與處理線圈串聯(lián)連接，這些燈與泵電路的公共次級線圈感應(yīng)連接。
在圖3a和3b中所示的有源PFC電路的兩個版本中，實現(xiàn)了傳統(tǒng)電荷泵的原理。如在歐洲專利EP 0 253 224 B1中所公開的電路構(gòu)造中，圖3a和3b中所示的PFC電路也具有用作為單級電荷泵的泵電容器C2。在逆變器的第一半波期間，通過整流二極管D1和變壓器Tr2的次級繞組將泵電容器C2充電到施加給存儲電容器C1的第一中間電路電壓UC1的值。同時，還通過整流二極管D1和D2將充電電容器C3充電到施加給存儲電容器C1的第一中間電路電壓UC1的值。在逆變器的另一半波期間，泵電容器C2通過變壓器Tr2的次級繞組、整流二極管D2和充電電容器C3放電，同時該充電電容器C3已被充電到第一中間電路電壓UC1，即，通過整流二極管D2將存儲在C2中的電荷的一部分泵激到充電電容器C3中，通過該操作，施加在C3上的第二中間電路電壓UC3的絕對值實際上增加為中間電路電壓UC1的值的兩倍(即，小于兩個整流二極管D1和D2的閾值電壓)。由此通過流過負(fù)載電路變壓器Tr2的初級繞組的飽和電流來確定施加在充電電容器C3上的第二中間電路電壓UC3的最大值(逆變器DC/AC的電源電壓)，該變壓器Tr2向泵電容器C2供電，并且用于使UC3平滑。這兩個整流二極管D1和D2在此使得兩個電容器C2和C3在逆變器的第二半波期間不會通過存儲電容器C1和變壓器Tr2的初級繞組再次放電。
通過根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)展AVF處理，可以滿足根據(jù)與電源諧波相關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)1000-3-2描述的極限值，而無需與低壓氣體放電燈(LA1、LA2)串聯(lián)的感抗(用作為用于限制燈電流(ILA)的扼流線圈)的幫助，從而可以保證低壓氣體放電燈(LA1、LA2)的無中斷的可靠操作。與傳統(tǒng)的AVF解決方案相反，在燈之一(LA1或者LA2)發(fā)生故障的情況下，不會引起中間電路電壓UC3的不允許的增加，因為在這種情況下，沒有通過經(jīng)由負(fù)載電路變壓器Tr2的初級繞組分流的燈電流ILA向泵電容器C2提供能量。
由此，根據(jù)本發(fā)明的泵電路300a+b的優(yōu)點在于通過顯著減少諧波以及增大功率因子λ，增加了電源友好性。
根據(jù)本發(fā)明的電路的另一優(yōu)點在于在變壓器Tr2的飽和范圍內(nèi)進(jìn)行操作時的限制功率放大；通過較小功率進(jìn)行操作時的變壓器的小尺寸；以及可以經(jīng)濟(jì)、簡單地實現(xiàn)電路而不需采用用于對流過燈的電流ILA和施加給燈的電壓ULA1和ULA2進(jìn)行調(diào)節(jié)的附加元件。由此可以在自動保護(hù)機(jī)制方面應(yīng)用變壓器Tr2的飽和特性。
下面，將說明根據(jù)本發(fā)明的概念的擴(kuò)展。該進(jìn)一步的擴(kuò)展基于通過電荷泵進(jìn)行的前述有源功率因子校正和基于所謂“無源填谷”(PVF)原理的無源功率因子校正的組合。可以經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)該PVF電路，其同樣用于增大功率因子λ(例如增大到大于95％的值)，并且首先將參照圖4說明其一般原理。
在該電路中，在電源電壓最大值的區(qū)域中，通過整流二極管D12以及諧波濾波器OWF的橋接支路中的串聯(lián)電阻R的串聯(lián)電路，依次對諧波濾波器OWF的兩個充電電容器C11和C12進(jìn)行充電，并且在假設(shè)電容器C11和C12的容量具有相同值的情況下對它們進(jìn)行充電，其中該相同值在各種情況下都為輸入電壓UNetz的峰值 的一半，并且小于電源整流器AC/DC的兩個整流二極管的閾值電壓和二極管D12的閾值電壓。在本文中，提供橋路電阻R用于在兩個充電電容器C11和C12的充電階段，對在諧波濾波器OWF的橋接支路中流動的充電電流IBr的擾動峰值進(jìn)行限制。
在電源電壓的零交叉(電源電壓最小值)的范圍內(nèi)，這兩個充電電容器C11和C12通過整流二極管D11和D13并聯(lián)放電，由此提供取決于負(fù)載的輸出電流Ia，直到在電源整流器AC/DC的輸出處的經(jīng)整流電壓在電容器C11和C12的下一充電階段的過程中再次增大到輸入電壓UNetz的峰值 的一半為止。這兩個電容器C11和C12的放電階段的持續(xù)時間由此達(dá)到整個充電/放電循環(huán)的持續(xù)時間的大約37％，在該放電階段之后為空閑階段，在該空閑階段，向位于輸出端的通過負(fù)載阻抗ZL模擬的氣體放電燈LA提供經(jīng)整流并且平滑的電流Ia。在獲得輸入電壓UNetz的峰值 時，可以進(jìn)而開始新的充電階段。由此，所產(chǎn)生的充電電流IBr的幅值和持續(xù)時間是在電容器C11和C12的放電階段所釋放的總電荷Qges的函數(shù)。
輸入電路中的LC低通濾波器TPF包括與電源并聯(lián)的濾波電容器CF和扼流線圈LF，用于對電源電流的高頻分量進(jìn)行濾波。此外，該LC低通濾波器TPF還對輸入電流INetz進(jìn)行平滑。
圖5a表示根據(jù)本發(fā)明的第一電路變型500a，其中通過由電荷泵輔助進(jìn)行的有源功率因子校正，對圖4中所示的“無源填谷”的概念進(jìn)行補(bǔ)充。由此，對該電路中與圖3a和圖3b中所示電路中的元件相同的元件提供相同的標(biāo)號。
由此，該擴(kuò)展電路也具有電源整流器AC/DC，其被實現(xiàn)為整流器全橋，用于對從電流電源提供的a.c.電壓UNetz進(jìn)行整流；逆變器DC/AC，用于生成燈LA1的工作所需的高頻燈電流；串聯(lián)諧振電路，與逆變器DC/AC的輸出端相連，用于諧振點燃?xì)怏w放電燈LA1，該串聯(lián)諧振電路包括串聯(lián)連接的諧振電容器C5和諧振電感L；以及與該串聯(lián)諧振電路相連的負(fù)載電路，在該負(fù)載電路中，變壓器Tr2的初級繞組N1、耦合電容C4和低壓氣體放電燈LA1串聯(lián)連接。
然而，在整流器AC/DC和逆變器DC/AC之間設(shè)置有無源功率因子校正級PVF，與圖4中所示的電路構(gòu)造一樣，該無源功率因子校正級PVF具有兩個充電電容器C6和C7，這兩個充電電容器C6和C7通過四個整流二極管D1到D4彼此相連接，以使得它們可以串聯(lián)充電并且沿逆變器DC/AC的方向并聯(lián)放電。
由于通過串聯(lián)連接的兩個二極管D1和D2來構(gòu)成該PVF級的橋接支路，所以可以實現(xiàn)有源和無源功率因子校正的兩種概念的組合，其中，泵電容器C2與這兩個二極管D1和D2的中間抽頭相連，泵電容器C2的另一端子進(jìn)而與變壓器Tr2的次級繞組N2相連，并且還與兩個濾波電容器CF1和CF2之間的連接點相連，這兩個濾波電容器CF1和CF2與扼流線圈LF一起構(gòu)成LC低通濾波器，用于對電源電流UNetz的高頻分量進(jìn)行濾波。
PVF級的兩個充電電容器C6和C7以通常的方式進(jìn)行工作，即，與圖4中的已知電路構(gòu)造一樣，兩個充電電容器C6和C7串聯(lián)充電并且沿逆變器DC/AC的方向并聯(lián)放電，由此通過電荷泵支持充電和放電處理。兩個濾波電容器CF1和CF2在此同樣用作為泵電容器，該泵電容器在半波的整個持續(xù)時間內(nèi)汲取電源電流，并且根據(jù)電源電壓UNetz的大小將它們的電荷僅提供給輸出電路(即提供給與負(fù)載電路相連的逆變器DC/AC)，或者同時提供給輸出電路和PVF級。
例如，如果存在低的電源電壓UNetz，該電源電壓低于施加給電容器C6和C7的電壓，則由此實現(xiàn)通過兩個電容器CF1和CF2獲取的電流，但是該電流由此僅直接流入輸出電路，而不流入PVF級，在該時間周期中，兩個充電電容器C6和C7由此沒有充電，而是通過并聯(lián)放電向輸出電路供電。
另一方面，如果存在高的電源電壓UNetz，該電源電壓高于施加給電容器C6和C7的電壓，則由此進(jìn)而通過電源為輸出電路供電，但同時也通過由電源電壓UNetz提供的均勻電流對兩個電容器C6和C7進(jìn)行充電。由此，通過與變壓器Tr2的次級繞組N2相連的泵電容器C2支持兩個電容器的充電，由此通過該反饋以及“無源填谷”電路的作用方式，可以獲得特別好的功率因子λ。
通過根據(jù)本發(fā)明的由燈電流控制的電荷泵的連接，根據(jù)無源功率因子校正的概念，可以提供一種電路構(gòu)造，其由于特別高的電源友好性和諧波的顯著減少而與眾不同。其突出之處還在于，可以通過相對少的元件來實現(xiàn)整個電路構(gòu)造，并因此具有非常好的經(jīng)濟(jì)性。
下面，將描述圖5a中所示的組合有源-無源功率因子校正的概念的一些變型。
圖5b表示第一變型500b，其中不通過設(shè)置在整流器AC/DC之前的兩個濾波電容器來實現(xiàn)用于在低電源電壓UNetz相位的過程中獲取電流的耦合，而是通過與整流器AC/DC的輸出端相連并與泵電容器C2相連的單個電容器C8來實現(xiàn)。雖然在這種情況下，節(jié)省了一個電容器，但是至少部分地抵消了優(yōu)點，因為此時在PVF級之前需要附加的快速(fast)二極管D5，以確保耦合電容器C8的校正作用。對于該變型的作用方式，關(guān)注對圖5a的描述，由此通過耦合電容器C8實現(xiàn)兩個濾波電容器的功能。
圖6a表示圖5a的電路的另一變型600a，其中省略了單獨的泵電容器C2。而提供了隔直流電容器(block capacitor)C9，該隔直流電容器C9的一個端子與變壓器Tr2的次級繞組N2相連，并且其另一端子與兩個二極管D1和D2的中間抽頭以及兩個濾波電容器CF1和CF2的中間抽頭相連。
對于其人工操作功能，該電路變型也與圖5a中的電路非常相似，即，兩個濾波電容器CF1和CF2在整個電源半波內(nèi)汲取電流，并且在低電源電壓UNetz時向輸出電路供電，此外，還在高電源電壓UNetz時向PVF級的電容器C6和C7供電。由此在較低電源電壓相位的過程中電容器C9單獨用作為隔直流電容器，而在較高電源電壓時，對于電容器C6和C7還用作為泵電容器。即，如果輸入電壓較高，則施加在電容器C6的電壓低于泵電壓，由此電荷可以流入電容器C9，并對存儲電容器C6和C7進(jìn)行充電。因此，電容器C9的容量必需大于兩個濾波電容器CF1和CF2的容量，以使得在較高電源電壓相位的過程中，也可以與這兩個濾波電容器CF1和CF2的充電(其同樣流入電容器C9)一起通過兩個電容器C6和C7實現(xiàn)從電容器C9的電荷轉(zhuǎn)移。
如圖6b所示，可以在以下方面對該電路變型進(jìn)行改進(jìn)通過連接在整流器AC/DC下游的單個電容器C8來實現(xiàn)耦合，而不是通過濾波電容器CF1和CF2，則由此進(jìn)而需要額外的二極管D5的構(gòu)造。此外，在圖6a和6b中的兩個電路中，可以提供補(bǔ)充電容器C10，其有助于干擾抑制，并且可視為HF濾波器。
在圖7a中示出了有源和無源功率因子校正的組合的另一種可能性。根據(jù)該變型700a，在整流器AC/DC和逆變器DC/AC之間設(shè)置了傳統(tǒng)的″無源填谷″電路，由此，變壓器的次級線圈N2直接與兩個濾波電容器CF1和CF2的中間抽頭相連。
在這種情況下，電荷泵的作用僅在于汲取少量電流，這是因為根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在電源電壓UNetz的零交叉期間流過的電流允許諧波存在。PVF級的作用方式不再受泵激功能的影響。
由于在電源電壓的零交叉期間獲得的電流輸入位于規(guī)定限度內(nèi)，所以PVF級的兩個存儲電容器C6和C7可以選擇得相對小。然而與圖5a到6b的電路構(gòu)造相比，與使用傳統(tǒng)的PVF一樣，其缺點在于總線電壓的相對大的變化，即，存在存儲電容器C6和C7處的電壓降。
當(dāng)使用以上電路時，還可以利用該變型，通過單個電容器C2來實現(xiàn)僅在整流器AC/DC之后的電荷泵的耦合，但是在這種情況下，也必需在PVF級之前設(shè)置二極管D5。在圖7b中示出了對應(yīng)的改進(jìn)電路700b。
很明顯，還可以利用圖5a到7b的電路構(gòu)造保留圖3a和3b的電路的優(yōu)點。因此，也可以利用這些電路，使電荷泵的功率傳送由此直接依賴并且專門依賴于燈電流，以使得在一個或多個燈發(fā)生故障時，電荷泵的作用也可以自動停止。此外，燈與包括變壓器的電路相對于地的耦合使得能夠簡單地檢測燈特性(電流和電壓)，這是其它電路不能提供的。
總體瀏覽本發(fā)明，公開了一種用于操作負(fù)載，特別是氣體放電燈的電路，其通過非常高的電源友好性而與眾不同。因為彼此結(jié)合了有源和無源功率因子校正，所以由此可以獲得特別高的功率因子。
權(quán)利要求
1.一種用于至少一個氣體放電燈(LA1)的鎮(zhèn)流器，其具有-電源整流器(AC/DC)-逆變器(DC/AC)，-串聯(lián)諧振電路(SRK)，其為諧振電容器(C5)和諧振電感(L)的串聯(lián)電路，以及-諧波濾波器(OWF)，其具有兩個整流二極管(D1、D2)的串聯(lián)電路，這兩個整流二極管沿電源整流器(AC/DC)的前進(jìn)方向連接；以及泵電容器(C2)，其與這兩個整流二極管(D1、D2)的中間抽頭相連，該鎮(zhèn)流器的特征在于用于電隔離地分流燈電流，以向所述泵電容器(C2)提供能量的元件(Tr2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于通過所述變壓器(Tr2)感應(yīng)地將流過所述燈(LA1)的電流(ILA)提供給所述泵電容器(C2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于所述變壓器(Tr2)與所述燈(LA1)的電極(E1，1)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于將所述變壓器(Tr2)的繞組感應(yīng)選擇為使得基本上在所述逆變器(DC/AC)汲取能量的相位中實現(xiàn)所述泵電容器(C2)的充電處理。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一個所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述鎮(zhèn)流器被構(gòu)造用來操作串聯(lián)連接的至少兩個燈(LA1、LA2)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一個所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，存儲電容器(C1)連接在所述整流二極管(D1、D2)的上游，并與所述電源整流器(AC/DC)并聯(lián)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一個所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述諧波濾波器(OWF)的整流二極管(D1、D2)同時為所述電源整流器(AC/DC)的元件。
8.一種用于至少一個氣體放電燈(LA1)的鎮(zhèn)流器，其具有-電源整流器 (AC/DC)，-逆變器(DC/AC)，-串聯(lián)諧振電路(SRK)，其為諧振電容器(C5)和諧振電感(L)的串聯(lián)電路，以及-諧波濾波器(PVF)，其具有多個充電電容器(C6、C7)，該多個充電電容器在經(jīng)整流的電源電壓(UNetz)的一個相位中串聯(lián)放電，而在另一相位中沿逆變器(DC/AC)的方向并聯(lián)放電，該鎮(zhèn)流器的特征在于通過燈電流向電荷泵供電，由此將提供給燈的能量的一部分返回給所述諧波濾波器(PVF)的充電電容器(C6、C7)和/或其它電容器(CF1和CF2、C2、C8)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述電荷泵具有用于電隔離地分流燈電流，以向充電電容器(C6、C7)或者其它電容器(CF1和CF2、C2、C8)提供能量的元件(Tr2)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，由變壓器(Tr2)構(gòu)成用于分流的所述元件，該變壓器(Tr2)的初級繞組(N1)與所述燈(LA1)串聯(lián)設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求8到10中的任何一個所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述諧波濾波器(PVF)的兩個充電電容器(C6、C7)設(shè)置在″無源填谷″電路的兩個并聯(lián)支路中，這兩個充電電容器(C6、C7)通過橋接支路彼此相連。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，將所述電荷泵的能量提供給設(shè)置在所述橋接支路中的兩個二極管(D1、D2)的連接點。
13.根據(jù)權(quán)利要求9和12所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，在所述橋接支路的所述連接點上連接有泵電容器(C2)，該泵電容器(C2)的另一端子與所述變壓器(Tr2)的次級繞組(N2)相連。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述泵電容器(C2)的另一端子與設(shè)置在所述整流器(AC/DC)上游的兩個濾波電容器(CF1和CF2、C2、C8)的中間抽頭相連。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的鎮(zhèn)流器，其特征在于，將所述電荷泵的能量提供給泵電容器(C2)，該泵電容器(C2)與所述″無源填谷″電路的兩個并聯(lián)支路并聯(lián)設(shè)置。
16.一種用于操作至少一個氣體放電燈(LA1)的方法，該氣體放電燈具有-電源整流器(AC/DC)，-逆變器(DC/AC)，-串聯(lián)諧振電路(SRK)，其為諧振電容器(C4)和諧振電感(L)的串聯(lián)電路，以及-諧波濾波器(OWF)，其具有泵電路(300a)，該泵電路(300a)具有泵電容器(C2)，所述方法的特征在于，通過對流過所述燈(LA1)的電流(ILA)進(jìn)行分流，來獲得用于泵電容器(C2)的能量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，電隔離地實現(xiàn)所述分流。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于，將所述分流選擇為使得在所述逆變器(DC/AC)汲取能量的相位中對所述泵電容器(C2)進(jìn)行充電。
19.根據(jù)權(quán)利要求16到18中的任何一個所述的方法，其特征在于，感應(yīng)地(Tr2)分流用于所述泵電容器(C2)的能量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，通過感應(yīng)耦合(Tr2)的飽和區(qū)域來確定所述逆變器(DC/AC)處的最大電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求16到20中的任何一個所述的方法，其特征在于，對串聯(lián)連接的至少兩個燈(LA1、LA2)進(jìn)行操作。
22.一種用于操作至少一個氣體放電燈(LA1)的方法，該氣體放電燈具有-電源整流器(AC/DC)，-逆變器(DC/AC)，-串聯(lián)諧振電路(SRK)，其為諧振電容器(C4)和諧振電感(L)的串聯(lián)電路，以及-諧波濾波器(PVF)，其具有充電電容器(C6、C7)，該充電電容器(C6、C7)在經(jīng)整流的電源電壓(UNetz)的一個相位中串聯(lián)放電，而在另一相位中沿所述逆變器(DC/AC)的方向并聯(lián)放電，所述方法的特征在于，通過對流過所述燈(LA1)的電流(ILA)進(jìn)行分流，來獲得提供給所述諧波濾波器(PVF)的充電電容器(C6、C7)和/或其它電容器(CF1、CF2、C2、C8)的電荷泵的能量。
全文摘要
本發(fā)明基于用作為電荷泵的泵電路(300a +b)，該泵電路用于電子鎮(zhèn)流器(EVG)，該電子鎮(zhèn)流器(EVG)用于串聯(lián)連接的一個或更多個低壓氣體放電燈(LA1、LA2)的高頻，該電子鎮(zhèn)流器(EVG)用于對從電流電源提供的a.c.電壓(u
文檔編號H05B41/28GK1682576SQ03821659
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月12日
發(fā)明者于爾根·芬克, 斯特凡·祖德雷爾-科赫, 亞歷山大·巴爾特 申請人:赤多尼科阿特可兩合股份有限公司