專利名稱：包括含相位補(bǔ)償器和控制器的反饋電路的諧振變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對(duì)AC負(fù)載(優(yōu)選應(yīng)用于氣體放電燈)供電以及對(duì)此類放電燈調(diào)光的諧振變流器。本發(fā)明還涉及調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器電路。
背景技術(shù)：
通過引用本文結(jié)合了如下參考文獻(xiàn)美國專利5245253、4998046、6246183、5723953和5719472；美國專利申請(qǐng)US20030147263A1、IR應(yīng)用注釋(IR Application Notes)AN-995A“采用節(jié)省成本的IR2155X驅(qū)動(dòng)器的電子鎮(zhèn)流器”(″Electronic Ballast Using the Cost-Saving IR2155X Drivers″)；IR設(shè)計(jì)技巧(IR Design Tip)DT98-1，“采用IR215X自振蕩IC的可變頻率驅(qū)動(dòng)器”(″Variable frequencyDrive Using IR215X self oscillating IC′s″)以及“電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用的諧振變流器”(″A Resonant Inverter for Electronic Ballast Application，″Melvin C.Cosby and R.M.Nelms，IEEE Transactions On IndustrialElectronics，vol.41，no.4，August 1994)。
氣體放電燈通常利用電子鎮(zhèn)流器來將AC線電壓轉(zhuǎn)換成高頻電流以對(duì)放電燈供電。常規(guī)的電子鎮(zhèn)流器包括AC-DC轉(zhuǎn)換器和將DC電壓轉(zhuǎn)換成放電燈的高頻電流的諧振變流器。諧振變流器包括開關(guān)晶體管，它生成高頻矩形AC電壓，以施加于串聯(lián)有電感器和電容器的電壓諧振電路。氣體放電燈以并聯(lián)方式連接到該電容器。對(duì)于高頻電子鎮(zhèn)流器來說，自振蕩諧振變流器是生成用于啟動(dòng)的AC電壓和對(duì)放電燈供電的AC電流的常用部件。自振蕩諧振變流器利用連接于諧振電路和開關(guān)晶體管的柵極之間的反饋?zhàn)儔浩飨蛟摉艠O提供正弦波電壓以維持振蕩。諧振變流器還應(yīng)用于DC/DC轉(zhuǎn)換器中。
諧振變流器的主要優(yōu)點(diǎn)在于零電壓開關(guān)允許以較高的開關(guān)頻率工作。典型的諧振變流器包括含有功率MOSFET的半橋(或全橋)配置，用于生成高頻AC以對(duì)諧振負(fù)載供電。諧振負(fù)載有三種常用類型，按連接到LC元件的實(shí)際負(fù)載來區(qū)分為串聯(lián)電路配置、并聯(lián)電路配置和串并聯(lián)電路配置。在諧振負(fù)載元件的任何組合中，控制電路提供在諧振頻率以上的MOSFET開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)有效且可靠的MOSFET操作。當(dāng)在諧振以上開關(guān)時(shí)，諧振負(fù)載的輸入是電感性的。當(dāng)在諧振以下開關(guān)時(shí)，該輸入是電容性的，應(yīng)該避免這種情況。自振蕩變流器電路構(gòu)建為具有正反饋的振蕩器，它自動(dòng)提供穩(wěn)定工作的電感模式。在此類振蕩器中，開關(guān)頻率超前于諧振負(fù)載的諧振頻率，并跟蹤諧振負(fù)載中的任何變化。
具有高頻振蕩變流器業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的控制器和自振蕩半橋配置的鎮(zhèn)流器，如ST微電子公司以及其他公司出產(chǎn)的IR215X和IR53H(D)系列產(chǎn)品，沒有自動(dòng)振蕩諧振變流器電路的缺點(diǎn)。但是，預(yù)調(diào)整的開關(guān)頻率對(duì)于諧振負(fù)載的諧振頻率變化不敏感，且易于受到集成電路(IC)電壓源Vcc的噪聲和變化的影響。因此，直接應(yīng)用這些控制器是不可能的。不對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行校正，當(dāng)MOSFET在某些穩(wěn)態(tài)情況下、調(diào)光模式或放電燈啟動(dòng)時(shí)在諧振頻率以下工作時(shí)可能交叉?zhèn)鲗?dǎo)(cross conduct)并失效。再者未提供配合上述IC的功率控制。
一種避免該問題的解決方案是國際整流器公司發(fā)布的應(yīng)用注釋AN 995A“采用節(jié)省成本的IR215X驅(qū)動(dòng)器的電子鎮(zhèn)流器(ElectronicBallasts Using the Cost-saving IR215X Drivers)”中所述的方案。該參考文獻(xiàn)建議采用含有兩個(gè)與該諧振負(fù)載串聯(lián)的反并聯(lián)功率二極管的反饋電路作為零電流檢測(cè)器。這些二極管生成矩形AC脈沖信號(hào)，以利用該信號(hào)強(qiáng)制IC中的定時(shí)電路同步開關(guān)。以一個(gè)反饋信號(hào)指示該諧振負(fù)載中電流的定相。但是，諧振頻率以上時(shí)，在該諧振負(fù)載的任何部分讀取零電流并不提供鎖相操作所必需的360°正反饋角度。此外，當(dāng)用作同步化信號(hào)源時(shí)，功率二極管使鎮(zhèn)流器增加了不小的功率損耗。
美國專利5723953和5719472中公開了其他現(xiàn)有技術(shù)的IC驅(qū)動(dòng)的諧振變流器。這兩個(gè)專利均屬通過更改正弦控制信號(hào)振幅的半橋式IC反饋控制技術(shù)。采用此方法，強(qiáng)制根據(jù)反饋信號(hào)的振幅來實(shí)現(xiàn)相移，因此可以保證振蕩系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是在過渡期間。
美國專利申請(qǐng)2003/0147263 A1公開一種控制該變流器的相位延遲控制技術(shù)。該控制技術(shù)設(shè)有一靜態(tài)反饋電路，其具有表示電感器電流的相位的輸入信號(hào)，并與表示參考相位的信號(hào)比較。差值信號(hào)或誤差信號(hào)提供給電壓控制的振蕩器(VCO)，以控制變流器頻率和功率。該控制技術(shù)采用集成到控制器中的有源元件來處理脈沖信號(hào)。
本申請(qǐng)人的在先申請(qǐng)(序列號(hào)10649898)公開了一種方法，用于通過自組振蕩驅(qū)動(dòng)器IC的同步化來控制諧振變流器。該方法利用電壓衰減和相移的反饋正弦信號(hào)來鎖定回路。即使如此，仍需要控制范圍更寬且更穩(wěn)健以及具有相移控制的電路。
現(xiàn)有技術(shù)中用于IC驅(qū)動(dòng)的諧振半橋式變流器的內(nèi)部同步化的電路的一個(gè)問題是，它們需要相當(dāng)大的相位旋轉(zhuǎn)，以獲取總共360°相移的反饋信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)可靠的鎖相以及在閉合回路之前，最好相對(duì)于外部同步化信號(hào)以最小相位差生成注入的反饋信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)可靠的同步化，最好大范圍的工作頻率中該注入信號(hào)充分高于斜坡信號(hào)。最好設(shè)有通過小的外部DC信號(hào)(如當(dāng)調(diào)光時(shí))實(shí)現(xiàn)的變流器輸出功率控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一個(gè)目的在于，提出一種用于根據(jù)小正弦信號(hào)對(duì)自振蕩IC執(zhí)行較寬范圍且可靠的同步化的方法和電路。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于通過所述同步化電路提供用于所述諧振變流器的反饋鎖相電路。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種以低成本的無源元件構(gòu)建且所需相移最小的電壓鎖相環(huán)電路。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種具有可變相移的電壓反饋電路，用于在放電燈啟動(dòng)期間生成正弦相位信號(hào)并增加變流器頻率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種電壓/放電燈組合電流相位控制反饋電路，以用于優(yōu)化啟動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工作模式。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種具有可變結(jié)構(gòu)的反饋電路，以用于在放電燈啟動(dòng)期間生成相位信號(hào)并增加變流器頻率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出在變流器開路期間和穩(wěn)態(tài)放電燈工作期間的編程的變流器頻率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提出利用小DC信號(hào)執(zhí)行變流器功率控制(調(diào)光)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提出功率變流器調(diào)節(jié)的輸出電壓或電流。
本發(fā)明的諧振變流器包括自振蕩驅(qū)動(dòng)電路；電壓源；定時(shí)電路，它包括與所述驅(qū)動(dòng)電路連接的定時(shí)電容器；兩個(gè)反并聯(lián)二極管和分別與所述兩個(gè)二極管的各自一個(gè)串聯(lián)的兩個(gè)電阻器，所述兩個(gè)二極管連接到所述驅(qū)動(dòng)電路，所述兩個(gè)電阻器連接到公共端；以及附加電容器，將所述電壓源連接到所述兩個(gè)二極管中的第一個(gè)和所述兩個(gè)電阻器中相應(yīng)的第一個(gè)之間的第一節(jié)點(diǎn)；零信號(hào)檢測(cè)器，當(dāng)?shù)谝惠斎攵说妮斎胄盘?hào)更改極性時(shí)所述零信號(hào)檢測(cè)器更改輸出信號(hào)，所述零信號(hào)檢測(cè)器的輸出端連接到所述附加電容器；與所述驅(qū)動(dòng)電路連接的諧振電路；以及將所述諧振電路的輸出連接到所述零信號(hào)檢測(cè)器的所述第一輸入端的反饋電路，所述反饋電路包括相位補(bǔ)償器和含有連接到所述零信號(hào)檢測(cè)器的所述第一輸入端的偏置電流源的控制器；其中，當(dāng)所述所述零信號(hào)檢測(cè)器的輸入信號(hào)更改極性并將在所述兩個(gè)電阻器中的所述第一個(gè)兩端生成的選通脈沖施加到所述定時(shí)端的電壓時(shí)，開始使所述附加電容器向所述兩個(gè)電阻器中的所述第一個(gè)放電。
不同于現(xiàn)有技術(shù)中具有相位控制的諧振變流器，本發(fā)明包括在相位控制中利用正弦信號(hào)的控制系統(tǒng)，因此可以將無源元件用于相移。與此相比，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中將有源元件用于相移來操作脈沖信號(hào)。本發(fā)明提出一種高效且成本經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)，它通過成本經(jīng)濟(jì)的IC來控制諧振變流器。僅利用少數(shù)的外部元件，就可以實(shí)現(xiàn)有效的同步化和調(diào)光。另外配合連接到這些輸入的電壓和電流反饋，可以實(shí)現(xiàn)用于對(duì)氣體放電燈供電的鎮(zhèn)流器變流器電路。


通過如下

將可以更好理解本發(fā)明的上述和其他特征及其優(yōu)點(diǎn)。
圖1A以電路圖顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的自振蕩IC驅(qū)動(dòng)的諧振變流器，其中它具有電壓鎖相環(huán)和外部控制。
圖1B顯示圖1A的定時(shí)電路中構(gòu)成同步選通脈沖的信號(hào)的波形。
圖2A是另一個(gè)實(shí)施例的電路圖，其中與圖1A一樣，自振蕩IC驅(qū)動(dòng)諧振變流器，但是它具有反相的控制信號(hào)。
圖2B顯示圖2A的定時(shí)電路中構(gòu)成同步選通脈沖的信號(hào)的波形。
圖3A是再一個(gè)實(shí)施例的電路圖，其中諧振變流器在反饋回路中采用基于n-p-n晶體管的控制。
圖3B顯示圖3A的控制電路中構(gòu)成同步選通脈沖的信號(hào)的波形。
圖4A以電路圖顯示在回路鎖定電路中設(shè)有可變相移的鎮(zhèn)流器的電壓諧振變流器。
圖4B顯示圖4A的電路中在穩(wěn)態(tài)模式下構(gòu)成選通脈沖的信號(hào)的波形。
圖4C顯示與圖4B相同的波形，但是它處于變流器開路模式或放電燈啟動(dòng)間隔的開始時(shí)。
圖4D顯示放電燈啟動(dòng)期間圖4A的諧振變流器的頻率特征。
圖4E顯示對(duì)稱半橋式諧振變流器中的控制系統(tǒng)的實(shí)施方案。
圖4F顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中在電壓鎖定回路中設(shè)有相位延遲補(bǔ)償器。
圖5A以電路圖顯示設(shè)有電壓和電流組合的鎖定回路以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)模式的諧振變流器。
圖5B顯示放電燈啟動(dòng)期間圖5A的電路圖中的波形。
圖6A以電路圖顯示本發(fā)明設(shè)有調(diào)光功能的鎮(zhèn)流器諧振變流器。
圖6B顯示當(dāng)DC調(diào)光控制信號(hào)為正時(shí)圖6A的電路中構(gòu)成同步選通脈沖的信號(hào)的波形。
圖7A以電路圖顯示本發(fā)明基于p-n-p晶體管實(shí)現(xiàn)同步化控制且設(shè)有調(diào)光功能的鎮(zhèn)流器諧振變流器。
圖7B顯示當(dāng)DC調(diào)光控制信號(hào)為負(fù)時(shí)圖7A的電路中構(gòu)成同步控制選通脈沖的信號(hào)的波形。
圖8顯示對(duì)同一個(gè)氣體放電燈供電時(shí)設(shè)有圖6A(n-p-n)控制電路和圖7A(p-n-p)控制電路的鎮(zhèn)流器變流器的調(diào)光特征曲線(輸出功率對(duì)DC控制信號(hào))。
具體實(shí)施例方式
圖1A是設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)自振蕩驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)10的鎮(zhèn)流器振蕩變流器-電路圖，以說明本發(fā)明的同步化控制設(shè)置。IC10的HO和LO輸出驅(qū)動(dòng)半橋式功率級(jí)，其中包括MOSFET 11和12以及柵極晶體管13和14。IC10設(shè)有陰極輸出電容(bootstrap capacitor)CB，其連接到與陰極輸出二極管連接的IC10的引腳VB。MOSFET 11和12連接到高電壓(+Vbus)DC，用于生成諧振電路15的輸入兩端的AC電壓。負(fù)載16(如氣體放電燈或具有含濾波器的整流器的變壓器)連接到諧振電路15?？刂破鱅C10設(shè)有內(nèi)置的振蕩器，它類似于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 555定時(shí)器。初始振蕩器頻率可以通過定時(shí)電路編程，該定時(shí)電路包括連接到IC10的引腳CT和RT的外部定時(shí)電阻器17和定時(shí)電容器18。在圖1A的電路和下文公開的其他類似電路中，IC10的低輸出側(cè)LO與RT引腳電壓信號(hào)同相。因?yàn)镽T引腳電壓相對(duì)于公共端(COM)在低電位(0)和高電位(+Vcc)之間變化，CT電壓VCT具有疊加于DC電壓上的斜坡波形。IC10振蕩器在高(2/3Vcc)和低(1/3Vcc)預(yù)確定的CT引腳電平。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，通過在COM端和定時(shí)電容器18之間插入都連接到該COM端的反并聯(lián)二極管19和20和串聯(lián)電阻器21和22的電路網(wǎng)來改進(jìn)定時(shí)電路。小電容器23(例如，100-200pf)連接到二極管19和電阻器21之間節(jié)點(diǎn)，并通過電阻器24連接到+Vcc端。電容器23和電阻器24之間的節(jié)點(diǎn)連接到零信號(hào)檢測(cè)器(ZSD)25的輸出，當(dāng)?shù)谝惠斎攵说妮斎胄盘?hào)Vin更改極性時(shí)它執(zhí)行開關(guān)。ZSD 25可以是高頻放大器、電壓比較器或單晶體管。圖1A的電路采用換相型ZSD。當(dāng)ZSD 25的正弦輸入信號(hào)從負(fù)極更改到正極時(shí)，ZSD 25將啟動(dòng)電容器23對(duì)電阻器21的瞬間放電。在電阻器21兩端生成的負(fù)選通脈沖將疊加于CT引腳斜坡電壓VCT。該選通脈沖控制可以利用含接地(公共端)定時(shí)電容器CT的不同類型的振蕩器被用于控制IC。
圖1B演示圖1A電路的波形，包括當(dāng)其正弦信號(hào)輸入信號(hào)Vin從負(fù)極更改到正極時(shí)ZSD 25生成的負(fù)選通脈沖。疊加于斜坡電壓VCT上的負(fù)選通脈沖強(qiáng)制IC10在斜坡電壓VCT達(dá)到下限1/3Vcc之前執(zhí)行開關(guān)。
控制系統(tǒng)可以設(shè)有任何類型的全波諧振變流器(串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián))和任何類型的負(fù)載(氣體放電燈、感應(yīng)加熱器、具有含濾波器和DC負(fù)載的整流器的變壓器等)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，電壓鎖定回路設(shè)為通過相位補(bǔ)償器26從諧振電路15的輸出到ZSD 25的輸入。相位補(bǔ)償器26提供反饋信號(hào)的相位超前(或延遲)，通過在反饋回路中提供最大360°的相移以在期望的頻率與控制器同步。相位補(bǔ)償器26將來自諧振電路15的輸出電壓Vout衰減并執(zhí)行相移。在圖1A中，顯示一個(gè)經(jīng)濟(jì)型的相位補(bǔ)償器26，它具有串聯(lián)電容器27和28以及與電容器28并聯(lián)的電阻器29。相位補(bǔ)償器26的其他實(shí)施例還設(shè)有無源元件，下文將對(duì)此說明。
上述的系統(tǒng)可以設(shè)有用于獲得附加變流器頻率/功率控制的控制器。系統(tǒng)振蕩頻率通過更改選通脈沖相位來控制。如圖1A所示，控制器可以包括可變DC偏置電流ic源32，該電流通過電阻器33連接到ZSD 25的輸入Vin，以用于外部選通相位控制?？梢圆捎煤须娮杵?0和31的電阻除法器作為ZSD 25輸入的匹配電路網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)N可以(a)通過電阻器31連接到相位補(bǔ)償器26；(b)通過電阻器33連接到DC偏置電流Ic源32；(c)連接到接地的電阻器30；以及(d)連接到ZSD 25的第一輸入端。
圖2A顯示另一個(gè)實(shí)施例，其中包括不換相ZSD 34，其輸出通過附加電容器35連接到電阻器22。通過ZSD34將附加電容器35向電阻器22放電在串聯(lián)電阻器22兩端生成正選通脈沖。該實(shí)施例與第一實(shí)施例相似，所不同的在于附加電容器35連接到二極管20和電阻器22之間節(jié)點(diǎn)，而ZSD 34的另一個(gè)輸入端接收Vin。利用這種連接方式，可以控制定時(shí)電容器18的充電間隔時(shí)間。附加電容器35通過限流電阻器36從負(fù)輔助電壓源Vaux充電。當(dāng)ZSD34的輸入信號(hào)Vin從正極更改為負(fù)極時(shí)，通過ZSD 34將電容器35向電阻器22放電在電阻器22兩端生成正選通脈沖。
從圖2B可以看到，正選通脈沖疊加于VCT斜坡電壓之上。因此，選通脈沖強(qiáng)制振蕩器在斜坡電壓VCT達(dá)到上限2/3Vcc之前執(zhí)行開關(guān)。
這兩個(gè)實(shí)施例的負(fù)和正選通脈沖都提供范圍較寬的可靠頻率控制，因?yàn)檫@些選通脈沖的振幅相當(dāng)于斜坡電壓的峰值，且可以高于該電壓。
圖1A和2A的電路具有完全相同的開路回路控制特征，可以利用完全相同的反饋信號(hào)偏移來實(shí)現(xiàn)鎖相。即，DC控制信號(hào)Ic可以施加于對(duì)ZSD 25或34的正弦電壓反饋輸入，以偏置ZSD 25或34的開關(guān)角。利用閉合鎖定回路，由偏置電流源32在反饋回路執(zhí)行相移，提供對(duì)諧振變流器的頻率控制。
下文所述的另一個(gè)實(shí)施例是第一和第二實(shí)施例的變體，它提供再一種改進(jìn)，以幫助對(duì)本發(fā)明的理解。
圖3A-B說明采用n-p-n晶體管36作為零信號(hào)檢測(cè)器的實(shí)施例。為了通過AC電流源提供對(duì)稱開關(guān)，將一個(gè)反并聯(lián)二極管37連接到晶體管36的基極發(fā)射極結(jié)點(diǎn)。晶體管36的輸入通過電阻器38連接到相位補(bǔ)償器26的輸出，由此可以將晶體管36視為電壓驅(qū)動(dòng)的裝置。當(dāng)晶體管36處于截止時(shí)，由+Vcc派生的小電流通過電阻器24和21對(duì)電容器23充電。當(dāng)晶體管36導(dǎo)通時(shí)，電容器23即刻向電阻器21放電，生成負(fù)的選通脈沖。該選通脈沖使IC10的振蕩器與正弦電壓Vsync同步。輸出變流器電壓Vout和外部同步化正弦電壓Vsync(假定電阻器38處的開路回路)之間的相位角對(duì)應(yīng)于為在變流器工作頻率上實(shí)現(xiàn)鎖相的與相位補(bǔ)償器26的相移角度。對(duì)于大多數(shù)包括氣體放電燈的AC負(fù)載來說，采用相位超前相位補(bǔ)償器26(所有附圖中都顯示的是相位超前的圖示)。如果需要小的相位延遲，可以采用相位延遲補(bǔ)償器。例如，相位延遲或零相位偏移，可以將附加的電阻器(未顯示)與相位補(bǔ)償器26中的電容器27并聯(lián)。來自電流源32的控制電流Ic通過電阻器33向晶體管36的基極提供DC偏置，以實(shí)施變流器頻率/功率控制。
圖4A顯示本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，以氣體放電燈39為負(fù)載的鎮(zhèn)流器諧振并聯(lián)變流器。該變流器的諧振電路可以包括以并聯(lián)方式連接到放電燈29的諧振電感器40和諧振電容器41。DC隔離電容器43以串聯(lián)方式與電感器40連接。變流器相位鎖定反饋電路網(wǎng)可以包括改進(jìn)的相位補(bǔ)償器44，它設(shè)有含背對(duì)背連接的齊納二極管45、46和電阻器47的非線性串聯(lián)電路網(wǎng)。該串聯(lián)電路網(wǎng)與相位補(bǔ)償器44的下方電容器28并聯(lián)。齊納二極管45和46在穩(wěn)態(tài)模式下具有稍高于相位補(bǔ)償器的Vsync輸出電壓峰值的閾值電壓。因此，電阻器47在此模式期間不會(huì)導(dǎo)通任何電流。在此模式下，相位補(bǔ)償器44的操作與圖3A的相位補(bǔ)償器26的操作相似。
穩(wěn)態(tài)模式下的波形如圖4B所示，其中可以看到通過相位補(bǔ)償器44生成相位超前角ψ1，以提供標(biāo)稱放電燈功率。在放電燈啟動(dòng)期間或開路電路模式期間，諧振負(fù)載的諧振頻率走高，而可能導(dǎo)致變流器元件中的電壓和電流應(yīng)力。實(shí)際上，對(duì)MOSFET有應(yīng)力的電容模式是可能存在的。圖4A的變流器中在放電燈啟動(dòng)期間防止了這種情況的發(fā)生。因?yàn)樽兞髌鞯妮敵鲭妷篤out啟動(dòng)時(shí)遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)模式時(shí)，所以相位補(bǔ)償器44的電容器28兩端的Vsync電壓也較高，齊納二極管45和46開始導(dǎo)通。通過引入電阻器47，連接到電容器28的總電阻降低，且相位補(bǔ)償器44的超前角也較穩(wěn)態(tài)模式時(shí)高。這導(dǎo)致較高的開關(guān)頻率和啟動(dòng)及開路模式時(shí)輸出電壓降低。鎮(zhèn)流器的變流器在諧振頻率以上工作。圖4C中顯示的是開路電路和放電燈啟動(dòng)模式時(shí)的波形。即使至ZSD 36的正弦輸入電流稍有失真，該準(zhǔn)正弦電流的超前角仍較穩(wěn)態(tài)模式增加(ψ2＞ψ1)。
圖4D顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)(實(shí)電壓增益|Vout/Vin|對(duì)相對(duì)頻率ω/ω0，其中ω0是未加載諧振電路的諧振頻率)。曲線1對(duì)應(yīng)于假定有某些功率損耗情況下的開路諧振儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換函數(shù)。曲線2顯示由運(yùn)行的放電燈加載的同一個(gè)諧振電路的轉(zhuǎn)換函數(shù)。圖4D還顯示圖4A中實(shí)施例的鎮(zhèn)流器/放電燈啟動(dòng)軌跡。在點(diǎn)亮放電燈之前，其電阻值非常高(曲線1)，而變流器生成較高的電壓Vout。相位補(bǔ)償器44在諧振變流器的鎖定回路中提供更高相位超前角ψ2。因此，變流器在電感模式下以更高開關(guān)頻率ω2工作，ω2是點(diǎn)亮的初始頻率(圖4D中的IGN)。當(dāng)放電燈啟動(dòng)且以實(shí)電阻加載諧振電路時(shí)諧振頻率降低。同時(shí)，相位補(bǔ)償器44的相位角降低到ψ1，而開關(guān)頻率也降低到ω1。系統(tǒng)的工作點(diǎn)(參見圖4D)從IGN變遷到RUN，RUN對(duì)應(yīng)于變流器的標(biāo)稱輸出功率。放電燈啟動(dòng)期間，變流器始終在其可變諧振頻率以上工作。
圖4E顯示對(duì)稱半橋式并聯(lián)加載諧振變流器的實(shí)施例。諸如氣體放電燈39之類的負(fù)載與諧振電容器48并聯(lián)且與諧振電感器40串聯(lián)。諧振電容器40和放電燈40的第一公共端連接到串聯(lián)儲(chǔ)能電容器49和50的結(jié)點(diǎn)。電壓反饋回路在電容器27處的輸入連接到放電燈39和諧振電容器40的第二公共端。電容器27阻止來自儲(chǔ)能電容器50的DC電壓進(jìn)入鎖定回路。
圖4F顯示具有在鎖定回路中設(shè)有信號(hào)延遲的增強(qiáng)型相位補(bǔ)償器51的另一個(gè)實(shí)施例。相位補(bǔ)償器51的輸入連接到產(chǎn)生與輸出電壓Vout成正比的電壓信號(hào)的電壓源。相位補(bǔ)償器51連接到串聯(lián)的諧振電容器52和53的結(jié)點(diǎn)，它們都表示變流器的并聯(lián)諧振電容值。相位補(bǔ)償器51可以包括含有電阻器54和電容器55的第一相位延遲RC電路網(wǎng)，還包括含電容器56和電阻器38的第二RC信號(hào)相位超前電路網(wǎng)。它還包括類似于圖4B中具有齊納二極管45、46和電阻器47的非線性電路網(wǎng)的電路網(wǎng)。
在穩(wěn)態(tài)模式下，電阻器47中沒有電流。第一RC電路網(wǎng)的延遲角度選為過度補(bǔ)償?shù)诙C電路網(wǎng)的相位超前。通過在鎖定回路中設(shè)置相位延遲，可以達(dá)到更高的輸出功率。從輔助電壓Vaux通過電阻器57到晶體管36的基極的負(fù)DC偏置可以再增加該功率。圖4F中的實(shí)施例對(duì)晶體管36的輸入添加負(fù)偏置，以提供深度的放電燈調(diào)光。
當(dāng)啟動(dòng)放電燈時(shí)或處于開路模式時(shí)，通過提高開關(guān)頻率，阻止圖4F的變流器進(jìn)入過電壓和電感模式。在高電壓下，齊納二極管45和46開始導(dǎo)通，通過引入含電容器56和電阻器47的附加串聯(lián)相位超前RC電路網(wǎng)來更改鎖定回路的結(jié)構(gòu)，從而提供較大的相位超前和系統(tǒng)頻率提升。
圖5A顯示組合了如下兩個(gè)反饋鎖定回路的實(shí)施例上述根據(jù)本發(fā)明的電壓回路(例如圖1A)和放電燈電流回路。與放電燈39串聯(lián)的電容器58被用作放電燈電流傳感器。電阻器59(可選)在放電燈關(guān)閉時(shí)加速電容器58放電。電容器58通過電阻器60連接到晶體管36的基極。
圖5B顯示圖5A中變流器的控制電路網(wǎng)在放電燈啟動(dòng)之后的信號(hào)波形。放電燈啟動(dòng)期間，來自放電燈電流傳感器(電容器58)的信號(hào)稍低。系統(tǒng)通過電壓反饋來鎖定，電壓反饋向ZSD 36提供電流iv，其相位要使系統(tǒng)在提供放電燈39的指定啟動(dòng)電壓所需的低功率下生成更高的頻率。
通常情況下，電壓回路提供啟動(dòng)期間相對(duì)于輸出電壓Vout的相位超前。然后，增大放電燈電流，有限的電流信號(hào)io出現(xiàn)在電流回路。電容器58兩端的電壓和電流i0相對(duì)于變流器輸出電壓Vout延遲約90°。現(xiàn)在施加于ZSD 36的輸入的上述電流iv+io＝iin的幾何和表現(xiàn)為延遲相移(參見圖5B的偏移角ψ3)。這使得疊加于斜坡信號(hào)VCT的選通脈沖的對(duì)應(yīng)相移。因此，降低了變流器頻率和提升了功率，從而通過變流器在啟動(dòng)放電燈之后生成標(biāo)稱放電燈功率。
圖6A顯示可調(diào)光放電燈鎮(zhèn)流器的變流器的電路圖，它是圖4A所示變流器電路的一個(gè)版本。調(diào)光控制電流Ic提供正弦信號(hào)電流iin的DC偏移(參見圖6B的波形)。如果調(diào)光信號(hào)是正的(ic＞0)，則晶體管36較早導(dǎo)通，選通脈沖的相位被超前，開關(guān)頻率提升。當(dāng)調(diào)光信號(hào)是負(fù)值時(shí)，開關(guān)頻率降低(未顯示)。
圖7A和7B顯示用于可調(diào)光放電燈鎮(zhèn)流器的變流器的調(diào)光控制，其中具有由圖2A的變流器電路圖衍變的電路圖。本實(shí)施例采用p-n-p晶體管36作為零信號(hào)檢測(cè)器。
圖8給出圖6A和7A的諧振變流器的調(diào)光控制特征曲線。兩種變流器幾乎完全相同，功率標(biāo)準(zhǔn)T8放電燈來自155VDC總線。
雖然本發(fā)明的實(shí)施例是參考上文說明書和附圖來描述的，但是當(dāng)根據(jù)說明書和附圖來閱讀時(shí)，要明確的是本發(fā)明是由所附的權(quán)利要求來限定。兩種變流器采用IR21531控制器，工作于在標(biāo)稱放電燈功率下的125kHz。通過施加DC配置(Ic)，電壓反饋電路中的相位超前(延遲)角可以從45°更改到-45°，這提供了范圍較寬的頻率范圍和功率調(diào)整能力。
權(quán)利要求
1.一種諧振變流器包括自振蕩驅(qū)動(dòng)電路；電壓源；定時(shí)電路，它包括與所述驅(qū)動(dòng)電路連接的定時(shí)電容器；兩個(gè)反并聯(lián)二極管和分別與所述兩個(gè)二極管的各自一個(gè)串聯(lián)的兩個(gè)電阻器，所述兩個(gè)二極管連接到所述驅(qū)動(dòng)電路，所述兩個(gè)電阻器連接到公共端；以及附加電容器，將所述電壓源連接到所述兩個(gè)二極管中的第一個(gè)和所述兩個(gè)電阻器中相應(yīng)的第一個(gè)之間的第一節(jié)點(diǎn)；零信號(hào)檢測(cè)器，當(dāng)?shù)谝惠斎攵说妮斎胄盘?hào)更改極性時(shí)所述零信號(hào)檢測(cè)器更改輸出信號(hào)，所述零信號(hào)檢測(cè)器的輸出端連接到所述附加電容器；與所述驅(qū)動(dòng)電路連接的諧振電路；以及將所述諧振電路的輸出連接到所述零信號(hào)檢測(cè)器的所述第一輸入端的反饋電路，所述反饋電路包括相位補(bǔ)償器和含有連接到所述零信號(hào)檢測(cè)器的所述第一輸入端的偏置電流源的控制器；其中，當(dāng)所述所述零信號(hào)檢測(cè)器的輸入信號(hào)更改極性并將在所述兩個(gè)電阻器中的所述第一個(gè)兩端生成的選通脈沖施加到所述定時(shí)端的電壓時(shí)，開始使所述附加電容器向所述兩個(gè)電阻器中的所述第一個(gè)放電。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振變流器，其特征在于還包括由所述驅(qū)動(dòng)電路操作并在所述諧振電路的輸入兩端生成電壓的一對(duì)開關(guān)晶體管，其中所述諧振電路的所述輸出連接到所述相位補(bǔ)償器。
3.如權(quán)利要求2所述的諧振變流器，其特征在于所述相位補(bǔ)償器包括兩個(gè)串聯(lián)于所述諧振電路的所述輸出和所述公共端之間的兩個(gè)電容器，和與所述兩個(gè)電容器中最靠近所述公共端的一個(gè)并聯(lián)的附加電阻器。
4.如權(quán)利要求3所述的諧振變流器，其特征在于所述相位補(bǔ)償器還包括與所述附加電阻器并聯(lián)的一對(duì)背靠背連接的齊納二極管。
全文摘要
對(duì)AC負(fù)載供電(如氣體放電燈或調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器)的具有自振蕩驅(qū)動(dòng)器IC的諧振變流器包括定時(shí)電路，它生成注入到該定時(shí)電路的控制選通脈沖。該定時(shí)電路通過為該諧振變流器提供鎖相的變流器的反饋電路連接到諧振電路。反饋電路將所述諧振電路連接到零信號(hào)檢測(cè)器。該反饋電路包括相位補(bǔ)償器和將偏置電流源連接到零信號(hào)檢測(cè)器的控制器。
文檔編號(hào)H02M7/537GK1735306SQ20051008196
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月7日
發(fā)明者F·I·亞歷山德洛夫 申請(qǐng)人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司