專利名稱：具有內含的功率因數校正的單開關鎮(zhèn)流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鎮(zhèn)流器的一般論題，特別是涉及具有內含的功率因數校正(功能)的單開關鎮(zhèn)流器。
傳統(tǒng)的磁性線圈鎮(zhèn)流器具有許多運行上的缺點，例如低的能源效率以及高的閃爍。電子鎮(zhèn)流器克服了磁性鎮(zhèn)流器的缺點，但其成本卻高得可觀。
一個普通類型的電子鎮(zhèn)流器包括一個整流電路，一個用以提供功率因數校正的直流/直流開關變換器，一個高頻逆變器，以及一個輸出電路。這樣的鎮(zhèn)流器典型地需要三個以上的功率晶體管開關，此外還要有大量的其他元件，其中，諸如電感和變壓器這樣的磁性元件典型地是最昂貴的和最難以制造的。由于它的復雜性以及高昂的元件費用，使得這種鎮(zhèn)流器價格昂貴，因此，競爭不過那些價格低廉的磁性鎮(zhèn)流器。
最近，人們已經作出努力去設計一種能夠跟廉價的磁性鎮(zhèn)流器相競爭的電子鎮(zhèn)流器電路，但并沒有犧牲重要的性能上的優(yōu)點，例如高的能源效率，微不足道的閃爍，高的功率因數，以及低的諧波畸變。
朝著這個目標，美國專利號5399944公開了一種新的電子鎮(zhèn)流器電路，通過把一個功率因數校正變換器以及一個高頻逆變器二者的功能組合到僅需一個功率晶體管開關的一個單獨的變換器級，該電路在元件費用和產品成本方面得到了實質性的降低。該單獨的變換器級包括兩個分離的磁性元件，其中的一個是用于功率因數校正的電感，另一個是用于限制該晶體管開關上的峰值電壓的“箝位”電感。由于磁性元件是在電子鎮(zhèn)流器中使用的最大的和最貴的元件，所以這樣就大大地偏離了降低材料與制造成本的目標，同時也存在研制一種能將磁性元件的數目減到最少的新型鎮(zhèn)流器電路的巨大推動力。
因此，顯而易見，下述的一種電子鎮(zhèn)流器將對現(xiàn)有技術作出重大改進，這種鎮(zhèn)流器只需要最小數目的磁性元件，具有縮小了的物理尺寸以及較低的材料與制造成本，但這樣做并不犧牲一些重要的優(yōu)點，例如高功率因數與在交流電流中的低諧波畸變。


圖1描述根據本發(fā)明的，包括一個單獨的功率開關管和一個單獨的儲能電感的電子鎮(zhèn)流器。
圖2是一份根據本發(fā)明的電子鎮(zhèn)流器電路的一個優(yōu)選實施例的簡圖。
圖3A和圖3B是根據本發(fā)明的變通的諸輸出電路的圖。
圖4A和4B是根據本發(fā)明的，如圖2所示的電子鎮(zhèn)流器的一部分，在功率開關管斷開與閉合期間的等效電路圖。
圖1表示一個用以驅動一個含有一盞或多盞熒光燈的熒光燈負載100的電子鎮(zhèn)流器200。該鎮(zhèn)流器200包括一個整流電路20、一個儲能電感38、一個功率開關管58、一個電壓箝位電容54、一個具有陽極引出端48和陰極引出端44的箝位二極管46、一個大容量電容34、以及一個輸出電路70。
該整流電路20有一對用以接受交流(AC)電源10的輸入端12、14，以及一對輸出端30、32。該儲能電感38包括一個連接于整流電路20的一個第一輸出端30與一個第一節(jié)點52之間的初級繞組40，以及一個連接于一個第二節(jié)點56與一個第三節(jié)點36之間的次級繞組42。該功率開關管58被連接于該第二節(jié)點56與一個第四節(jié)點60之間，而該第四節(jié)點60被連接到整流電路20的第二輸出端32。箝位二極管46的陽極引出端48被連接到該第一節(jié)點52，同時該陰極引出端44被連接到該第三節(jié)點36。大容量電容34連接于該第三節(jié)點36與該第四節(jié)點60之間。最后，該輸出電路70跨接于該第二節(jié)點56與該第四節(jié)點60之間，并包括適于連接到由一盞或多盞熒光燈組成的熒光燈負載100的兩根以上的輸出接線90、92、96。
鎮(zhèn)流器200將高頻交流電流輸送到熒光燈負載100并提供功率因數校正，但只需要一個單獨的功率開關管58和一個儲能電感38。從元件費用、物理尺寸、材料與制造成本等方面來看，鎮(zhèn)流器200呈現(xiàn)出很多的優(yōu)點。
在鎮(zhèn)流器200的一個實際的實施例中，功率開關管58可從適用于大功率開關的多種可控制的器件中選用任何一種，例如一個場效應晶體管(FET)和一個雙極的結型晶體管(BJT)。至于功率開關管58實際選用何種器件，則受到多種設計考慮的支配，例如功率開關管58所承受的電壓和電流，控制電路50所提供的驅動信號的特性、以及該器件本身的材料成本。
鎮(zhèn)流器200的一個優(yōu)選實施例示于圖2。該整流電路20包括一個全波二極管橋式整流器22，以及一個跨接于整流電路20的輸出端30、32的高頻濾波電容24。高頻濾波電容24的功能是為功率開關管58在工作時產生的、頻率超過20千赫的高頻電流提供一條旁路。在電容24缺失的情況下，該高頻電流將不得不直接地流過交流電源10，其最終結果將包括導致較低的功率因數以及較大的總的諧波畸變。在一個優(yōu)選的實施例中，功率開關管58包括一個場效應晶體管，它具有一個柵極引出端132、一個漏極引出端134、以及一個源極引出端136。該漏極引出端134被連接到該第二節(jié)點56，該源極引出端136被連接到該第四節(jié)點60，并且該柵極引出端132適于接受由控制電路50提供的驅動信號?？刂齐娐?0包括一個用于在高頻率下以可變的空度比驅動該功率開關管58的脈沖寬度調制器，以便提供功率因數校正，并經由輸出電路70，向一盞或多盞熒光燈提供高頻功率。
再參看圖2，儲能電感38的初級繞組40和次級繞組42彼此間應這樣來取向(指同名端的安排)，使得從該第三節(jié)點36到該第2節(jié)點56的次級繞組42上出現(xiàn)的正電壓，跟從整流電路20的第一輸出端30到該第一節(jié)點52的初級繞組40上出現(xiàn)的正電壓相符。而且，為了使儲能電感38中的功率損耗減到最小，最好是初級繞組40和次級繞組42具有相等的圈數。
在一個實施例中，該輸出電路70包括一個串聯(lián)諧振電路，它由一個諧振電感72、一個諧振電容82以及一個直流(DC)阻隔電容88組成。具體地說，諧振電感72連接于該第二節(jié)點56與一個第五節(jié)點74之間，諧振電容82連接于一個第六節(jié)點80與一個第七節(jié)點84之間，以及直流阻隔電容88連接于一個第八節(jié)點86與該第四節(jié)點60之間。電容88的功能是阻隔輸送到介于節(jié)點56與節(jié)點60之間的輸出電路70的電壓中的直流分量，使得在諧振電感72和諧振電容82的串聯(lián)組合部件兩端(即，介于節(jié)點56與節(jié)點84之間)能看到一個實質上沒有直流(DC)分量的對稱方波電壓，由此使得一個實質上的正弦交流電流被輸送到該熒光燈100。
在一個優(yōu)選的實施例中，如圖2所示，該第五節(jié)點74和該第六節(jié)點80通過一盞熒光燈104的第一燈絲102連接在一起，而該第七節(jié)點84和該第八節(jié)點86通過熒光燈104的第二燈絲106連接在一起。只要該第一燈絲102和第二燈絲106都是完整無損的并且被連接到各自的輸出接線90、92、94、96，那么，由于存在一條讓交流(AC)電流經由諧振電感72、第一燈絲102、諧振電容82、第二燈絲106和直流阻隔電容88流通的路徑，將使輸出電路開始工作。與此同時，流經諸燈絲102、106的交流電流將向諸燈絲提供為快速起動操作所需要的加熱電流。若熒光燈104被拿走，或者該熒光燈諸燈絲102、106中的一個或兩個受損，或者沒有被連接到它們各自的輸出接線90、92、94、96，則輸出電路70停止工作。這樣一種連接方案提供了令人滿意的特征，即出現(xiàn)燈絲開路或拿走熒光燈管時，該輸出電路70將自動關閉。
一種適用于瞬間啟動熒光燈的變通的連接方案示于圖3A。在這里，該第五節(jié)點74與第六節(jié)點互連，第七節(jié)點84與第八節(jié)點86互連，并且一盞熒光燈104被連接于該第五節(jié)點74與該第八節(jié)點86之間。
圖3B描述一種用于快速啟動場合的變通的燈管連接方案，該方案使用一個輸出變壓器130以便在諸輸出接線90、92、94、96與交流電源10之間提供電氣隔離。該輸出變壓器130包括一個連接于該第五節(jié)點74與該第八節(jié)點86之間的初級繞組132，以及至少一個次級繞組134。次級繞組134可以包括抽頭連接160、162，以便向每一組燈絲102、106提供加熱電壓。
現(xiàn)在轉到圖4A和圖4B，將圖2所示的該鎮(zhèn)流器200的工作說明如下。
為了使主要地輸送到該負載120的高頻電流中出現(xiàn)的低頻(例如120赫茲)“紋波”的數量減到最小，那個大容量電容34最好選用具有相當大的電容量數值的一種，通常為數十微法拉的數量級。因而，大容量電容34兩端的電壓V4主要地保持一個直流數值，其大小取決于多種因素，包括交流電源10的電壓、功率開關管工作時空度比的變化范圍、以及輸出電路70與熒光燈負載100的組合部件所呈現(xiàn)的負載120。
參看圖4A和圖4B，不論開關管58是導通還是截止，在電壓箝位電容54兩端的電壓V2都是一樣的，并且等于大容量電容34兩端的電壓V4跟呈現(xiàn)于節(jié)點30與節(jié)點32之間的整流后的交流電壓Vin之間的差值。由此可見，該電壓V2以一種相反的方式跟蹤該交流電源10的電壓，所以當交流電源10的電壓為最小值時，V2達到最大值，反之亦然。
現(xiàn)在詳細地參看圖4A，在開關管58導通期間，充電電流從整流電路的第一輸出端30流出，經過初級繞組40、電容54、開關管58，返回到整流電路的第二輸出端32。由于在被考慮的這段期間內，初級繞組40兩端的電壓V1實質上是恒定的，所以該充電電流實質上按線性方式增加，使得存儲在初級繞組40中的能量數值越來越大。與此同時，隨著開關管58的導通，輸送到負載120(包括相同于圖1的輸出電路70以及該熒光燈負載100兩部分)的電壓等于0。此外，一個實質上線性增長的正電流從節(jié)點36經過次級繞組42流到節(jié)點56，使得能量從大容量電容34轉移到次級繞組42。因為二極管46被反向偏置，所以在圖4B中沒有表示出來，并因此在開關管58閉合的整個期間，該二極管都處于截止狀態(tài)。
一旦開關管58進入截止狀態(tài)，流經次級繞組42的電流就開始急劇地減小。因而，次級繞組42兩端的電壓V1顛倒其極性，并企圖增加到一個極高的電平。然而，就在V1可能增加到一個極高的電平之前，當節(jié)點52上的電壓企圖超過大容量電容34兩端的電壓V4時，二極管46變?yōu)檎蚱貌㈤_始導通。等效地說，二極管46的箝位動作將次級繞組42兩端的電壓V1限制于(V4-Vin)，同時將開關管58兩端的電壓V3限制于(2V4-Vin)。隨著二極管46現(xiàn)在導通，存儲在初級繞組40中的能量被轉移到大容量電容34，并且流經初級繞組40的電流開始以實質上線性的方式減小。隨著開關管58截止(開路)，能量從大容量電容34經過次級繞組42輸送到負載120。
從前面所述可以推斷，對于流過初級繞組40的實質上按線性規(guī)律增加和減小的電流來說，并且從交流電源10的角度來看，該鎮(zhèn)流器200的運行方式有點類似于普通的升壓變換器電路，后者是人們所熟知的，并且在現(xiàn)有技術中廣泛用于功率因數校正的目的。此外，由于在開關管兩端的電壓V3在O與實質上等于(2V4-Vin)的直流電平之間周期性地改變著，因此，該鎮(zhèn)流器200向輸出電路70提供一種實質上是方波的電壓，這等效于在現(xiàn)有技術中由更加復雜的電路，例如半橋逆變器，所提供的電壓。因此，所提出的鎮(zhèn)流器200僅需一個單獨的功率開關管58以及一個單獨的儲能電感38，就能通過輸出電路70提供功率因數校準以及適于驅動熒光燈負載100的逆變器輸出電壓。
在一個按圖2所示而構成的鎮(zhèn)流器樣機中，測得的功率因數為0.986，總諧波畸變?yōu)?2％，以及三次諧波畸變?yōu)?.9％。熒光燈電流的波峰因數，這是在向熒光燈104輸送的主要的高頻(例如，超過20千赫)電流中不希望2有的低頻(120赫茲)紋波數值的一種度量，的測量值為1.48，這就滿足了關于熒光燈電流質量的可接受的鎮(zhèn)流器性能標準。因此，所公開的鎮(zhèn)流器200向諸熒光燈提供了功率因數校正以及適當的高頻電流質量，而跟現(xiàn)有技術的各種方案相比，所需的電路規(guī)模是較小的。
所公開的鎮(zhèn)流器電路200的主要優(yōu)點是它使用一個單獨的功率開關管58連同一個儲能元件38，使得為了實現(xiàn)一個功率因數校正電路和一個逆變器這兩種功能，僅需一個單獨的磁性元件。其結果是，電子鎮(zhèn)流器200跟現(xiàn)有的各種方案相比，具有較小的物理尺寸、較低的元件費用、降低了的材料成本，而且更容易生產。
雖然本發(fā)明是參照于某一優(yōu)選實施例來說明的，但是本專業(yè)的技術人員可以在不背離本發(fā)明的新精神和范圍的前提下作出許多修改和變動。
權利要求
1.一個電子鎮(zhèn)流器，包括一個具有一對輸入端子和一對輸出端子的整流電路，該輸入端子適于接受交流電源；一個具有一個初級繞組和一個次級繞組的儲能電感，該初級繞組被連接于該整流電路的一個第一輸出端與一個第一節(jié)點之間，該次級繞組被連接于一個第二節(jié)點與一個第三節(jié)點之間；一個功率開關管連接于該第二節(jié)點與一個第四節(jié)點之間，該第四節(jié)點被連接于該整流電路的一個第二輸出端；一個用于驅動該功率開關管的控制電路；一個連接于該第一節(jié)點與該第二節(jié)點之間的電壓箝位電容器；一個具有一個陽極引出端和一個陰極引出端的箝位二極管，該陽極引出端被連接到該第一節(jié)點并且該陰極引出端被連接到該第三節(jié)點；一個連接于該第三節(jié)點與該第四節(jié)點之間的大容量電容；以及一個連接于該第二節(jié)點與該第四節(jié)點之間的輸出電路，該輸出電路包括至少兩根適于連接到至少一盞熒光燈的輸出接線。
2.根據權利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其中該儲能電感的初級和次級繞組彼此間應這樣來取向(指同名端的安排)，使得從該第三節(jié)點到該第二節(jié)點的次級繞組上出現(xiàn)的正電壓，跟從該整流電路的第一輸出端到該第一節(jié)點的初級繞組上出現(xiàn)的正電壓相符。
3.根據權利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其中該整流電路包括一個全波二極管橋式整流器；以及一個跨接于該整流電路兩個輸出端的高頻濾波電容。
4.根據權利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其中該功率開關管包括至少一個場效應晶體管和一個雙極的結型晶體管；以及該控制電路包括一個用于以可變的空度比驅動該功率開關管的脈沖寬度調制電路。
5.根據權利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其中該輸出電路包括一個連接于該第二節(jié)點與一個第五節(jié)點之間的諧振電感；一個連接于一個第六節(jié)點與一個第七節(jié)點之間的諧振電容；以及一個連接于一個第八節(jié)點與該第四節(jié)點之間的直流阻隔電容器。
6.根據權利要求5所述的電子鎮(zhèn)流器，其中該第五節(jié)點被連接到該第六節(jié)點，該第七節(jié)點被連接到第八節(jié)點，并且該第五節(jié)點和該第八節(jié)點之間，適于連接至少一盞熒光燈。
7.根據權利要求5所述的電子鎮(zhèn)流器，其中該第五節(jié)點適于通過一盞熒光燈的第一燈絲連接到該第六節(jié)點，并且該第七節(jié)點適于通過該熒光燈的第二燈絲連接到該第八節(jié)點。
8.根據權利要求5所述的電子鎮(zhèn)流器，還包括一個具有一個初級繞組和至少一個次級繞組的輸出變壓器，其中該第五節(jié)點被連接到該第六節(jié)點，該第七節(jié)點被連接到該第八節(jié)點，該輸出變壓器的該初級繞組連接于該第五節(jié)點與該第八節(jié)點之間，并且該輸出變壓器至少有一個繞組適于跟至少一盞熒光燈連接。
9.一個電子鎮(zhèn)流器，包括一個具有一對輸入端子和一對輸出端子的整流電路，該輸入端子適于接受一組交流電源；一個具有一個初級繞組和一個次級繞組的儲能電感，該初級繞組被連接于該整流電路的一個第一輸出端與一個第一節(jié)點之間，該次級繞組被連接于一個第二節(jié)點與一個第三節(jié)點之間，該初級和次級繞組彼此間應這樣來取向(指同名端的安排)，使得從該第三節(jié)點到該第二節(jié)點的次級繞組上出現(xiàn)的正電壓，跟從該整流電路的第一輸出端到該第一節(jié)點的初級繞組上出現(xiàn)的正電壓相符；一個連接于該第二節(jié)點與一個第四節(jié)點之間的功率開關管，該第四節(jié)點被連接到該整流電路的第二輸出端；一個連接于該第一節(jié)點與該第二節(jié)點之間的電壓箝位電容；一個具有一個陽極引出端和一個陰極引出端的箝位二極管，該陽極引出端被連接到該第一節(jié)點，并且該陰極引出端被連接到該第三節(jié)點；一個連接于該第三節(jié)點與該第四節(jié)點之間的大容量電容；一個用于驅動功率開關管的控制電路；以及一個連接于該第二節(jié)點與該第四節(jié)點之間的輸出電路，該輸出電路包括一個連接于該第二節(jié)點與一個第五節(jié)點之間的諧振電感；一個連接于一個第六節(jié)點與一個第七節(jié)點之間的諧振電容；以及一個連接于一個第八節(jié)點與該第四節(jié)點之間的直流阻隔電容；以及至少兩根適于跟至少一盞熒光燈連接的輸出引線。
10.一個電子鎮(zhèn)流器，包括一個具有一對輸入端子和一對輸出端子的整流電路，該輸入端子適于接受一組交流電源；該整流電路包括一個全波二極管橋式整流器以及一個高頻濾波電容，該高頻濾波電容跨接于該整流電路的兩個輸出端子；一個具有一個初級繞組以及一個次級繞組的儲能電感，該初級繞組被連接于該整流電路的一個第一輸出端與一個第一節(jié)點之間，該次級繞組被連接于一個第二節(jié)點與一個第三節(jié)點之間，該初級和次級繞組彼此間應這樣來取向(指同名端的安排)，使得從該第三節(jié)點到該第二節(jié)點的次級繞組上出現(xiàn)的正電壓，跟從該整流電路的第一輸出端到該第一節(jié)點的初級繞組上出現(xiàn)的正電壓相符；一個具有柵極引出端、漏極引出端和源極引出端的場效應晶體管，該漏極引出端被連接到該第二節(jié)點，該源極引出端被連接到該第四接點，該第四節(jié)點被連接到該整流電路的第二輸出端，并且該柵極引出端適于接收一組驅動信號，該信號使得該晶體管從漏極引出端到源極引出端之間或導通或截止；一個連接于該第一節(jié)點與該第二節(jié)點之間的電壓箝位電容；一個具有一個陽極引出端和一個陰極引出端的箝位二極管，該陽極引出端被連接到該第一節(jié)點，并且該陰極引出端被連接到該第三節(jié)點；一個連接于該第三節(jié)點與該第四節(jié)點之間的大容量電容；一個控制電路，其中包括一個脈沖寬度調制器，用于以可變的空度比驅動該場效應晶體管；以及一個輸出電路，包括一個連接于該第二節(jié)點與一個第五節(jié)點之間的諧振電感；一個連接于一個第六節(jié)點與一個第七節(jié)點之間的諧振電容；一個連接于一個第八節(jié)點與該第四節(jié)點之間的直流阻隔電容；以及其中該第五節(jié)點適于通過一盞熒光燈的第一燈絲連接到該第六節(jié)點，并且該第七節(jié)點適于通過該熒光燈的第二燈絲連接到該第八節(jié)點。
全文摘要
一個電子鎮(zhèn)流器(200),包括一個整流電路(20),一個儲能電感(38),一個功率開關管(58),一個用以驅動該功率開關管(58)的控制電路(50),一個箝位二極管(46),一個電壓箝位電容(54),一個大容量電容(34),以及一個用來向一盞或多盞熒光燈(100)提供電源的輸出電路(70)。在一個優(yōu)選實施例中,該整流電路(20)包括一個全波二極管橋式整流器(22)以及一個高頻濾波電容(24),并且該輸出電路(70)具有一個諧振電感(72),一個諧振電容(82),以及一個直流阻隔電容(88)。該鎮(zhèn)流器(200)提供功率因數校正功能并向諸熒光燈提供高頻電源,但僅需一個單獨的功率開關管(58)以及一個單獨的儲能電感(38)。
文檔編號H05B41/28GK1188587SQ97190312
公開日1998年7月22日 申請日期1997年1月31日 優(yōu)先權日1996年4月4日
發(fā)明者約翰·G·科諾普卡 申請人:摩托羅拉公司