專利名稱：降低母線電壓的集成升壓式高功率因數(shù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及功率因數(shù)調(diào)節(jié)的小型熒光燈。特別是涉及集成升壓變換器高功率因數(shù)小型熒光燈鎮(zhèn)流器的母線電壓控制。
用于向負(fù)載提供雙向電流的現(xiàn)有技術(shù)的電路包括一個串聯(lián)半橋變換器，它包括一對交替地接通以獲得流過負(fù)載的雙向電流的串聯(lián)開關(guān)。
為了改進(jìn)負(fù)載的功率因數(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)的電源電路中加入一個升壓變換器，它從全波整流器接收整流后的，或直流電壓，并且又可以提供交流電壓和電流。升壓變換器在升壓變換器的電容器升壓電容器上產(chǎn)生高于輸入直流電壓的電壓，提供直流母線電壓向前述半橋變換器供電。現(xiàn)有技術(shù)的升壓變換器包括一個專用的開關(guān)(升壓開關(guān))，它反復(fù)將升壓變換器的電感器(升壓電感器)接地，從而引起電流流入電感器，因此，能量存儲在電感器中。在升壓電感器中存儲的能量送到升壓電容器，并在該電容器中保持一個期望的母線電壓。
在現(xiàn)有技術(shù)的升壓變換器的工作過程中，升壓電感器中存儲的能量在升壓開關(guān)再次將升壓電感器接地之前完全釋放給升壓電容器。升壓變換器的操作正如所述，即，升壓電感器的能量完全釋放是以能量存儲的斷續(xù)模式進(jìn)行的?，F(xiàn)有技術(shù)的電路也可以以連續(xù)能量存儲模式工作，其中電感器不允許完全放電。這使電路保持一些存儲能量。
現(xiàn)有技術(shù)電路的一個缺點(diǎn)是總增益具有寬的變化，特別是當(dāng)向如熒光燈這樣的負(fù)載供電時(shí)，其負(fù)載在正常運(yùn)行時(shí)顯著變化，為了保持波頂因素在約1.7以下并且降低熒光燈負(fù)載的疲勞，在美國專利NO.5,408,403公開了一種帶有功率因素校正的電源電路。該美國專利(在這里引入完全是作為參考)提供了一種集成升壓電路，用于向具有雙向電流的負(fù)載供電并且提供一種高度的功率因數(shù)校正的方法。
不足的是，美國專利’403號中，母線電壓近似為輸入電壓峰值的兩倍。對于在電壓較高線路下120V鎮(zhèn)流器，母線電壓為373V。如果這種鎮(zhèn)流器被用在要求不同額定線下應(yīng)用。例如墨西哥或沙特阿拉伯(127V)；日本(200V)，歐洲(230V)，英國或澳大利亞(240V)。在母線上的峰值電壓會接近或超過鎮(zhèn)流器上一些部件的擊穿電壓。如果用具有較高額定電壓的類似部件來代替那些部件會明顯增加費(fèi)用，這又是不期望的。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于小型熒光燈的降低母線電壓的集成升壓高功率因數(shù)電路。也非常需要提供一種電路，它可以應(yīng)用于120V線路電壓，以及前面所述更高線路電壓的情況。
根據(jù)本發(fā)明，母線電壓是受到控制的，已知增益降低，母線電壓降低，將考慮下列數(shù)學(xué)公式。在連續(xù)方式下，升壓變換器的增益(GainCM)即，母線電壓VB與輸入電壓VIN的比值如下面所示GainCM＝1/(1-D)(1)其中D是升壓開關(guān)SB的接通時(shí)間與升壓開關(guān)的重復(fù)周期TS的值。在斷開方式下，升壓變換器具有增益(GainDCM)如下式所示GainDCM=(1+1+2D2RTS/L)/2---(2)]]>其中D為負(fù)載周期；LB是升壓電感值；R是升壓變換器的總負(fù)載；以及TS是SB的開關(guān)重復(fù)周期。
在上面兩個增益公式中的公共部分，其增益直接影響母線電壓的是負(fù)載周期D。由于截止時(shí)間(TD)，即當(dāng)兩個電源開關(guān)關(guān)閉時(shí)的時(shí)間，與負(fù)載周期固有地相關(guān)，改變關(guān)閉時(shí)間直接影響母線電壓。
本發(fā)明通過增加截止時(shí)間來控制母線電壓。截止時(shí)間通過選定門延遲電路來加以控制，它包括在每個FET門中的RC時(shí)間常數(shù)。一個緩沖電容器這樣地選定以完全占滿截止時(shí)間。當(dāng)一個開關(guān)斷開，諧振變換器的正常動作(即，零電壓切換)緩慢地改變兩個開關(guān)從一個軌到另一個軌之間的電壓。完成這件事所需的時(shí)間是諧振電感器中電流及兩電源開關(guān)兩端的電容量的函數(shù)。該電容由與緩沖電容器并聯(lián)的開關(guān)輸出電容構(gòu)成。
在下面詳細(xì)描述中，以下列附圖作為參考，其中

圖1是向一個負(fù)載提供雙向電流的現(xiàn)有技術(shù)電路的簡化示意圖；圖2是向一個電路提供雙向電流的現(xiàn)有技術(shù)電容電路的簡化示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的，向一個電路提供雙向電流并且降低母線電壓的電容電路的簡單示意圖；圖4A和4B分別表示現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的波形，用于解釋圖3電路的工作。
可以這樣理解，在下面的描述中，在各圖中相同標(biāo)號表示相應(yīng)部件。
為了引入概念來幫助理解本發(fā)明，先對圖1的現(xiàn)有技術(shù)的電路進(jìn)行描述。圖1是用于負(fù)載100的現(xiàn)有技術(shù)電源電路的簡單示意圖，該負(fù)載可以是低壓放電燈，例如，一個熒光燈。該現(xiàn)有技術(shù)的電源電路采用全波整流電路102以對來自電源104的交流電壓VAC進(jìn)行整流，從而在導(dǎo)線106上提供一個相對于地，或參考電壓，(導(dǎo)線108)的整流后電壓或稱直流電壓。然后一個已知結(jié)構(gòu)的升壓變換器120在升壓電容CB的上端提供一個母線電壓VB，母線電壓VB高于輸入到升壓變換器的直流電壓VIN，如下所述。
升壓母線電壓VB施加到一個串聯(lián)半橋變換器130的上開關(guān)S1。上開關(guān)S1和下開關(guān)S2由一開關(guān)控制電路132交替地切換以提供流經(jīng)負(fù)載電路，例如諧振電路133的雙向電流。諧振電路133包括一個負(fù)載100，它以一個電阻性負(fù)載，以熒光燈為特征來表示，負(fù)載100連接在其右側(cè)節(jié)點(diǎn)138和左側(cè)節(jié)點(diǎn)139之間。一個諧振電容器CR與負(fù)載100并聯(lián)連接。諧振電感器LR連接在其右側(cè)節(jié)點(diǎn)139和左側(cè)節(jié)點(diǎn)140之間，從而與諧振電容CR相串聯(lián)。電容器134和136在其公共節(jié)點(diǎn)138上保持電壓在二分之一母線電壓，或VB/2。
為了向諧振電路133提供雙向電流，開關(guān)S1瞬時(shí)接通(即導(dǎo)通)同時(shí)開關(guān)S2斷開，從而電壓VB/2(即，在節(jié)點(diǎn)138上為VB-VB/2)被施加到諧振電路133的兩端(從左側(cè)節(jié)點(diǎn)140到右側(cè)節(jié)點(diǎn)138)。然后，開關(guān)S2瞬時(shí)接道，開關(guān)S1斷開，從而電壓-VB/2(或在節(jié)點(diǎn)138上為0-VB/2)施加到諧振電路133的兩端(從節(jié)點(diǎn)140到節(jié)點(diǎn)138)。
開關(guān)控制電路132提供如142和144所示的開關(guān)信號從而分別控制開關(guān)S1和S2。如前所述，開關(guān)S1和S2交替切換；即，開關(guān)信號142處于高電位狀態(tài)，則開關(guān)信號144處于低電位狀態(tài)。反之亦然。一般地，開關(guān)信號142和144在開關(guān)信號的開關(guān)重復(fù)周期TS的一半(TS/2)進(jìn)行交替。
參照升壓變換器120，如上所述，母線電壓VB構(gòu)成升壓電容CB上的電壓并且通過單向閥150，例如p-n型二極管由升壓電感LB進(jìn)行充電。接著升壓電感LB通過由開關(guān)控制電路152控制的升壓開關(guān)SB間歇的開關(guān)動作進(jìn)行反復(fù)激勵。當(dāng)開關(guān)SB接通，升壓電感器LB的輸入電流通常以線性方式增加直至SB在電路152的控制下斷開。然后升壓電感器LB中的能量通過單向閥150釋放給電容CB放電期間，加在電感LB兩端的正電壓使輸入電壓VIN增加，從而在升壓電容器CB的上端產(chǎn)生一個升壓母線電壓VB。
現(xiàn)在參照圖2，它提供了一種現(xiàn)有技術(shù)的電源電路，它除了具有上述圖1中現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有減少電路部件的數(shù)量，從而使電路尺寸減小，它對于獲得一個小型的熒光燈是特別需要的。并且通過去掉難以切換的升壓開關(guān)，使效率得到提高。
在圖2中，與圖1中有關(guān)類似的部件具有相同標(biāo)號。所不同的是只有標(biāo)號的第一個數(shù)字對應(yīng)圖號。
圖2可以包括與圖1中現(xiàn)有技術(shù)的串聯(lián)半橋變換器130相類似的串聯(lián)半橋變換器。然而，在圖2中的升壓變換器的結(jié)構(gòu)及其與圖2中的串聯(lián)半橋變換器的相互作用與圖1的裝置有所不同。
在圖2中，通過單向閥250(對應(yīng)于圖1中的單向閥150)，能量從升壓電感器LB傳送到升壓電容器CB。然而，圖2的升壓電感器LB的充電路徑與圖1的截然不同。圖1中電感器LB的充電路徑包括升壓開關(guān)SB連接在電感器LB的“負(fù)載”側(cè)和地之間。而圖2中，電感器LB的充電路徑包括串聯(lián)半橋變換器的下側(cè)開關(guān)S2，它具有雙重目的，當(dāng)開關(guān)S2接通(即，導(dǎo)通)，充電電流通過單向閥260，例如p-n型二極管從升壓電壓感器LB流過該開關(guān)。還有一個單向閥262，例如一個p-n型二極管，其陽極接地，陰極接升壓電感器LB的負(fù)載側(cè)。單向閥262作為預(yù)防措施來使升壓電感LB和開關(guān)S2輸出電極間的寄生電容(未示)相互諧振作用所產(chǎn)生的寄生電壓減至最小。
由于圖2中升壓開關(guān)SB沒有象圖1中電路152這樣的獨(dú)立開關(guān)電路，升壓變換器在對開關(guān)S2(也用于開關(guān)S1)的開關(guān)控制電路232更有限制的控制下工作。該電路232提供一個接通時(shí)間與恒定開關(guān)重復(fù)周期的比值約0.5。與圖1相比，這產(chǎn)生一個簡化的電源電路，在圖1中一般采用一個復(fù)雜的開關(guān)控制電路152來提供一個用于SB的、可調(diào)節(jié)的開關(guān)接通時(shí)間與開關(guān)重復(fù)周期之比。
出于費(fèi)用的考慮，控制電路232最好是自振蕩式，其中橋式開關(guān)S1和S2的開關(guān)重復(fù)周期由諧振電路233的諧振頻率所決定，且是常量。開關(guān)控制電路232將開關(guān)S2接通達(dá)開關(guān)周期TS的一半，或TS/2。
圖2中電路的母線電壓約為輸入電壓峰值的二倍。對于高線上120V鎮(zhèn)流器，該電壓將為373V。然而這種鎮(zhèn)流器應(yīng)用于要求不同額定線路，例如在墨西哥或沙特阿拉伯為127V；日本為200V，歐洲為230V；英國或澳大利亞為240V，母線峰值電壓將接近或超過鎮(zhèn)流器中一些部件的擊穿電壓。在額定電壓超過120V的應(yīng)用中，希望保持母線電壓在約300-360VDC的范圍內(nèi)。
因此，本發(fā)明提供了一種用于小型熒光燈的降低母線電壓的集成升壓高功率因數(shù)電路。已知母線電壓隨著增益的降低而降低，在連續(xù)和斷續(xù)的增益公式中的公共部分是負(fù)載周期D。由于截止時(shí)間與負(fù)載周期固有地相關(guān)，控制截止時(shí)間直接影響母線電壓。因此，本發(fā)明通過增加截止時(shí)間來控制母線電壓。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，不脫離本發(fā)明的范圍，通過增加截止時(shí)間來減少負(fù)載周期可以通過不同的方式來完成，這是顯而易見的。
現(xiàn)在參照圖3，本發(fā)明提供了一種電源電路，它除具有圖1和圖2的現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有控制母線電壓的優(yōu)點(diǎn)。
在圖3中，與圖1和圖2類似的部件具有相同標(biāo)號，所不相同的是標(biāo)號的第一個數(shù)字與圖號相關(guān)。
在圖3中，在截止時(shí)間期間，總是進(jìn)行零電壓切換，已知在截止時(shí)間的整個范圍內(nèi)設(shè)定電壓正好降為零，可以獲得最佳切換。因此，在截止時(shí)間期間，通過放慢工作來影響截止時(shí)間。迫使截止時(shí)間達(dá)到預(yù)定參數(shù)使母線電壓VB得到控制。
因此，根據(jù)本發(fā)明，選定現(xiàn)有的緩沖電容器CSNUB370，即增加到完全，但是單獨(dú)地占滿更長的截止時(shí)間，從而，易于零電壓切換并提供最佳效率。如果CSNUB選定得太小，截止時(shí)間將不能完全占滿，電壓將保持，它將損耗掉，從而導(dǎo)致切換困難。相反，如果CSNUB選定得過大，其能量在截止時(shí)間上沒有完全消耗掉，剩下存儲能量并且導(dǎo)致寄生振蕩。因此，本發(fā)明在整個截止時(shí)間范圍內(nèi)將電壓諧振至零。增加緩沖電容以提供加在開關(guān)上的暫態(tài)電壓。
在截止時(shí)間期間，當(dāng)S1被斷開時(shí)，CSNUB給電感充電，放電至零，然后接通S2。正如本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所顯而易見的，如圖3所示，CSNUB可以包括幾種不同的實(shí)施例。例如，CSNUB可以包括一對緩沖電容器，CS1和CS2跨接在所述第一和第二開關(guān)S1和S2之間，換一種方式，CSNUB也可以為單個的緩沖電容器370，連接在第一和第二開關(guān)中間處和半橋電容器334和336中間處之間。
繼續(xù)參照圖3，一個RC電路裝置包括電阻372，電容374和開關(guān)控制電路332被加入柵極驅(qū)動電路以在第一和第二開關(guān)上提供交替切換的開關(guān)控制。假設(shè)是一個恒定電流，由于門驅(qū)動的變化(用于提供延遲時(shí)間)截止時(shí)間實(shí)際上被增加。也就是說，開關(guān)S1直至開關(guān)S2斷開后才能接通，加上由于經(jīng)過RC的延遲時(shí)間。另外，對于電源開關(guān)的柵極驅(qū)動必須也被修正，從而在開關(guān)之間的電壓正在改變狀態(tài)時(shí)沒有柵極電壓施加到任一開關(guān)上。零電壓切換意味著開關(guān)的漏→源之間無電壓。由于負(fù)載周期從升壓變換器來看不再是50％，所以輸出電壓降低。
從現(xiàn)有技術(shù)中可以看出升壓變換器以連續(xù)導(dǎo)通模式工作的轉(zhuǎn)換函數(shù)為1/(1-D)，對于斷續(xù)模式具有類似函數(shù)，這里D是負(fù)載周期。通過降低該值，轉(zhuǎn)換函數(shù)和母線電壓被降低。
參照圖4A，它描述了現(xiàn)有技術(shù)的截止時(shí)間TD的波形圖。由于實(shí)施本發(fā)明截止時(shí)間增加，從而可以由圖4B的波形圖中看出。假設(shè)波形是對稱的，負(fù)載周期可以將圖4A和4B所示的兩種情況計(jì)算出來。根據(jù)公式可以將負(fù)載周期D計(jì)算出來D＝(T/2-TD)/T (3)其中T為整個周期，TD為截止時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明，母線電壓可以通過控制截止時(shí)間進(jìn)行控制，該截止時(shí)間又與負(fù)載周期固有地相關(guān)。
本發(fā)明已參照了最佳實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但可以理解，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以進(jìn)行修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種電容電源電路，用于給一個氣體放電燈提供雙向電流，該電路包括用于提供來自交流電的直流電源的裝置；一個串聯(lián)半橋變換器，用于交替地向負(fù)載電路兩端施加來自一個母線導(dǎo)體的直流電壓，該母線電壓首先是以一個極性提供，然后是以相對該極性的相反極性提供，所述串聯(lián)半橋變換器包括一個第一開關(guān)置于母線導(dǎo)體和與負(fù)載電路相連的第一節(jié)點(diǎn)之間，第二開關(guān)置于接地導(dǎo)體和第一節(jié)點(diǎn)之間，并且一個開關(guān)控制電路，用于交替地接通所述第一開關(guān)和第二開關(guān)；一個升壓變換器，包括連接在所述母線和接地導(dǎo)體之間的升壓電容器，且其充電值確定了所述母線導(dǎo)體上的母線電壓，一個升壓電感器，用于存儲來自提供直流電源的裝置的能量，所述的升壓電感器通過一個二極管連接到所述的升壓電容器，用于將其能量釋放給升壓電容器，和通過一個由一個二極管連接的低阻抗電路將所述的升壓電感器的負(fù)載端周期地連接到所述接地導(dǎo)體的連接裝置，從而給所述升壓電感器充電，所述連接裝置包括一個升壓開關(guān)，其中所述升壓電感器的負(fù)載端連接到升壓開關(guān)的一端，從而在第一種情況，所述升壓開關(guān)使所述升壓電感器充電，在第二種情況，使所述升壓電感器放電到所述升壓電容器；一個電阻-電容延遲電路和一個柵極相連以控制截止時(shí)間；和一個緩沖電容器，用于便于進(jìn)行零電壓切換以占滿所述整個截止時(shí)間，所述電容器具有一個由所述的電阻-電容延遲電路所設(shè)定的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容電源電路，其特征在于所述電阻-電容延遲電路通過建立一個向所述第一和第二開關(guān)的電壓轉(zhuǎn)換的延遲來控制截止時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容電源電路，其特征在于所述的緩沖電容器置于第一和第二開關(guān)兩端之間。
4，根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容電源電路，其特征在于所述緩沖電容器置于第一和第二開關(guān)中間處和第一和第二半橋電容器中間處之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容電源電路，其特征在于所述升壓開關(guān)包括所述半橋變換器的所述第二開關(guān)。
6.一種給氣體放電燈提供雙向電流的方法，該方法包括下列步驟從交流電壓提供直流電源；提供一個串聯(lián)半橋變換器，用于交替地向負(fù)載電路兩端施加來自一個母線導(dǎo)體的直流電壓，該母線電壓首先是以一個極性施加，然后是以相對該極性的相反極性施加，所述串聯(lián)半橋變換器包括一個第一開關(guān)置于母線導(dǎo)體和與負(fù)載電路相連的第一節(jié)點(diǎn)之間，一個第二開關(guān)置于接地導(dǎo)體和第一節(jié)點(diǎn)之間，并且一個開關(guān)控制電路，用于交替地接通所述第一開關(guān)和第二開關(guān)；提供一個升壓變換器，包括連接在所述母線和接地導(dǎo)體之間的升壓電容器，且其充電值確定了所述母線導(dǎo)體上的母線電壓，一個升壓電感器，用于存儲來自提供直流電源的裝置的能量，所述的升壓電感器通過一個二極管連接到所述的升壓電容器，用于將其能量釋放給升壓電容器，和通過一個由一個二極管連接的低阻抗電路將所述的升壓電感器的負(fù)載端周期地連接到所述接地導(dǎo)體的連接裝置，從而給所述升壓電感器充電，所述連接裝置包括一個升壓開關(guān)，其中所述升壓電感器的負(fù)載端連接到升壓開關(guān)的一端，從而在第一種情況，所述升壓開關(guān)起作用使所述升壓電感器充電，在第二種情況，所述升壓開關(guān)起作用使所述升壓電感器放電到所述升壓電容器；通過增加截止時(shí)間來減小負(fù)載周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述向氣體放電燈提供雙向電流的方法，其特征在于通過增加截止時(shí)間來減小負(fù)載周期的步驟進(jìn)一步包括提供一個與一個柵極相關(guān)聯(lián)以控制所述截止時(shí)間的電阻-電容延遲電路的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述向氣體放電燈提供雙向電流的方法，其特征在于采用一個緩沖電容器以便于進(jìn)行零電壓切換以占滿整個截止時(shí)間的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述向氣體放電燈提供雙向電流的方法，其特征在于進(jìn)一步包括使用所述電阻-電容延遲電路以確定所述緩沖電容器的值的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述向氣體放電燈提供雙向電流的方法，其特征在于其中所述緩沖電容器置于所述第一和第二開關(guān)兩端之間。
全文摘要
一種電源電路，它包括用于提供直流電源的裝置，半橋變換器，升壓變換器，電阻-電容延遲電路和緩沖電容器，串聯(lián)半橋變換器，用于交替地向負(fù)載電路兩端施加直流電壓，它包括第一開關(guān)，第二開關(guān)，和一個開關(guān)控制電路，用于交替地接通第一開關(guān)和第二開關(guān)；一個升壓變換器，包括一個升壓電容器，一個升壓電感器，和將升壓電感器周期地連接到接地導(dǎo)體的裝置，從而給所述升壓電感器充電。本發(fā)明通過增加截止時(shí)間來減小負(fù)載周期。
文檔編號H05B41/28GK1149812SQ9611163
公開日1997年5月14日 申請日期1996年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月31日
發(fā)明者K·W·哈斯, D·J·卡哈馬力克, K·B·貝勒 申請人:通用電氣公司