專利名稱：具有脈沖操作的連續(xù)模式鎮(zhèn)流器的制作方法
技術(shù)領域：
本申請涉及操作燈的高頻諧振倒相電路。更具體地，本申請涉及從燈的輸出端的斷路狀態(tài)連續(xù)操作到燈的輸出端的短路狀態(tài)的諧振倒相電路，并將利用對其特定的參考來說明。
背景技術(shù)：
通常，高頻倒相器使用諧振模式來點亮燈。諧振模式的操作要求倒相器操作鄰近其諧振頻率的諧振電路，以使輸出電壓能達到足夠的幅度，通常2kV-3kV，以便點亮燈。在基波切換頻率上，諧振模式的開始引起高電流流經(jīng)半導體器件和鎮(zhèn)流部件。諧振電路的部件必須比穩(wěn)定狀態(tài)操作通常所需的部件更大并更昂貴。另外，更高的電流盡管實現(xiàn)了所要求的輸出電壓，但是導致倒相器在初始啟動期間比在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間耗散更多的功率。為了減少功率耗散，倒相器必須被“接通”和“關斷”以減少功率耗散。
為了糾正上述問題，可以采用比基頻更高的頻率下的諧振模式，這需要較少的流經(jīng)倒相器部件的電流。但是，因為方波被施加到在基波切換頻率的三次諧波或更高次諧波上諧振的電路，所以不能達到期望的零切換。該倒相電路還可能遇到操作的容性模式，這可以引起對功率MOSFET的本征二極管的損害。如果倒相器中沒有過多的功率耗散，則倒相器仍然不能連續(xù)工作，并且必須用脈沖“接通”或“關斷”倒相器以減少功率耗散。
期望連續(xù)操作倒相器而沒有高的功率耗散。本申請設計了一種克服上述問題及其它問題的新的和改進的方法和設備。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本申請的一個方面，用于操作HID燈的連續(xù)模式的電子鎮(zhèn)流器包括配置成產(chǎn)生控制信號的倒相電路。諧振電路在操作上與該倒相電路耦合以及與燈耦合，并且被配置成響應于接收由倒相電路產(chǎn)生的控制信號來產(chǎn)生諧振電壓。鉗位電路在操作上與諧振電路耦合以限制諧振電路兩端的電壓從而保護鎮(zhèn)流器的部件。倍增器電路在操作上與諧振電路耦合以將由鉗位電路鉗位的電壓增大(boost)到足以允許燈開啟的值。鉗位電路與倍增器電路協(xié)作以便于燈的連續(xù)開啟。


圖1示例說明根據(jù)本申請的原理的鎮(zhèn)流器電路；圖2更加詳細地描述在鎮(zhèn)流器電路中使用的倍增器；圖3更加詳細地描述在鎮(zhèn)流器電路中使用的脈沖電路；圖4A-B描述控制脈沖電路的功率控制器的電荷泵電路；圖5示出在開路狀態(tài)期間電荷泵電流關于時間的曲線；圖6示出在燈初始點亮期間電荷泵電流關于時間的曲線；以及圖7示出在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間電荷泵電流關于時間的曲線。
具體實施例方式
參考圖1，鎮(zhèn)流器電路10包括倒相電路12、諧振電路14、鉗位電路16和脈沖電路18。通過從正電壓端22引出的電壓導線20和與地或公共端26連接的公共導線24向倒相器12施加DC電壓。經(jīng)由燈連接器30、32為燈28供電。
倒相器12包括比如MOSFET的開關34和36(串聯(lián)在導線20和40之間)，以激勵諧振電路14。通常，諧振電路14包括用于設置諧振工作頻率的諧振電感器38和諧振電容器40。DC阻塞電容器42防止過多的DC電流流經(jīng)燈28。緩沖電容器44允許倒相器12以零電壓切換進行操作，其中當它們的對應漏-源電壓為零時MOSFET 34和36接通和關斷。
開關34和36協(xié)同在節(jié)點46提供方波，以激勵諧振電路14。分別從開關34和36引出的門或控制線48和50中的每一個包括各自的電阻52、54。二極管56、58并聯(lián)連接到相應的電阻52、54，使得開關34、36的關斷時間快于接通時間。得到不相等的關斷和接通時間提供一個開關34、36同時處于非導通狀態(tài)的時間，使得通過使用存儲在電感器38中的剩余能量允許節(jié)點46處的電壓從一個電壓狀態(tài)(例如450伏)轉(zhuǎn)變到另一個電壓狀態(tài)(例如0伏)。
繼續(xù)參考圖1并進一步參考圖3，通常被表示為60、62的門驅(qū)動電路，還包括電感器64、66，所述電感器64、66是與電感器68相互耦合的次級繞組。門驅(qū)動電路60、62用于控制相應開關34和36的操作。更具體地，門驅(qū)動電路60、62使開關34在第一個半周期保持“接通”而開關36在該第二個半周期保持“接通”。在節(jié)點46處生成方波并且用于激勵諧振電路14。雙向電壓鉗70、72分別與電感器64、66并聯(lián)，該雙向電壓鉗中的每一個包括一對背靠背的齊納二極管。雙向電壓鉗70、72用作將柵-源電壓的正和負漂移鉗位到由背靠背的齊納二極管的額定電壓確定的相應的界限。
繼續(xù)參考圖1，通過鉗位電路16的串聯(lián)的二極管74和76鉗位倒相器12的輸出電壓以限制生成的用于開啟燈28的高電壓。鉗位電路16進一步包括電容器78、80，它們實質(zhì)上互相并聯(lián)。每個鉗位二極管74、76跨接相關的電容器78、80。在燈開啟之前，燈的電路處于開路，因為燈28的阻抗被看作為非常高的阻抗。電容器42兩端的高電壓由點亮燈的倍增器82產(chǎn)生。諧振電路14包括電容器40、42、78、80和電感器38，并在諧振附近被驅(qū)動。當節(jié)點82處的輸出電壓增加時，二極管74、76開始鉗位，防止電容器78、80兩端的電壓改變符號，并且將輸出電壓限制到不能引起倒相器12部件過熱的值。當二極管74、76正鉗位電容器78和80時，諧振電路變成由電容器40和電感器38組成。因此，當二極管74、76不導通時，達到諧振。
當燈28點亮時，其阻抗快速減小到大約5Ω。節(jié)點88處的電壓相應地減小。二極管74、76停止鉗位電容器78、80。諧振再次被電容器40、42、78、80和電感器38控制。
繼續(xù)參考圖1并進一步參考圖2，倍增器電路82增大由鉗位電路16限制的電壓。倍增器82跨接電容器42到端點84、86，以通過在節(jié)點84倍增倒相器12輸出的電壓來得到開啟電壓。在該操作的開始，倒相器12將電壓施加到端點84、86。電容器90、92、94、96、98與二極管100、102、104、106、108、110協(xié)作以在半個周期積累電荷，而在另外半個周期負電荷通過端點86被轉(zhuǎn)儲到電容器42。通常，當?shù)瓜嗥?2的電壓是峰到峰500V時，端點84、86之間的電壓上升到大約-2kVDC。
倍增器82是低DC偏置電荷泵倍增器。在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間，倍增器82僅施加一個小的dc偏置(大約0.25伏)給燈，這不會影響電燈的工作或壽命。
繼續(xù)參考圖1，脈沖電壓18用于“接通”和“關斷”倒相器12。通常，當燈28處于開路時，倒相器12的功率耗散大約是12～15W。通常這不會引起問題，除非電纜線路必須經(jīng)受住大約1.6kVDC的電壓，這在利用通常額定為600V RMS的標準電纜時設定界限。脈沖電路18“接通”倒相器12，對燈28施加持續(xù)大約40-50毫秒的高壓，并且在剩余周期“關斷”倒相器12。所得的RMS只有600V，允許使用常規(guī)的600V導線電纜。另外，該占空度將斷路中的功率耗散降低到大約2/3W，因為倒相電路在約90％的周期中被關閉。
繼續(xù)參考圖1并進一步參考圖3，電荷泵電路120操作脈沖電路18的控制電路122。在一個實施例中，控制電路122是由德州儀器(Texas Instruments)制造的UC3861電路，但是可以理解可使用任何其它合適的控制電路?？刂齐娐?22與端點26和86連接，并且與電荷泵電路120的端點124連接。電荷泵電路120通過端點126從鉗位電路16獲得能量。開始，當燈28沒有點亮時，倒相器12驅(qū)動倍增器電路16到一個負電壓(在這個實施例中接近-2kV)，對電荷泵電路120的電解電容器128充電。耗盡模式開關130處于導通模式。隨著負電壓上升，在開關130的柵上的電壓在負降低直到開關130關斷，這允許電容器132通過串聯(lián)電阻134充電。電阻134通過線路136被連接到控制電路122的5V的參考電壓。當電容器132充電到大約2V時，其使得控制電路122的故障引腳138能夠切斷控制電路122和倒相器12。更具體地，與線路140、142連接的控制電路122的輸出驅(qū)動器被禁用，關斷將電壓施加到倒相器12的相互耦合的電感器64、66的初級繞組68。電解電容器128停止通過倒相器12充電。負電壓逐漸下降，到達控制電路122的欠壓鎖定(UVLO)的值。在此時，控制電路122被復位并進入低靜態(tài)電流狀態(tài)。15μA的低靜態(tài)制電流允許電解電容器128通過與端點124連接的線路144充電。電容器128通過串聯(lián)電阻146、148充電。當電壓升高到大約16.5V，例如UC386881的UVLO閾電壓時，控制電路122使得輸出驅(qū)動器能“接通”倒相器12。倒相器12開始驅(qū)動倍增器82，負向地充電電容器128。該過程重復直到燈28被點亮。
繼續(xù)參考圖1和圖3并進一步參考圖4A-B，電荷泵電路120從倒相器12諧振電容的部件中得到功率。圖4A-B示例說明當由電源152供電時，在電荷泵電路120中發(fā)生的工作電流。更具體地，當?shù)瓜嗥?2處于“接通”狀態(tài)時，電容器80通過電容器128被周期地充電和放電。繼續(xù)參考圖4A，在第一個半周期期間，當經(jīng)過電容器80的電流逆時針流動時，電容器80積累電荷。繼續(xù)參考圖4B，在第二個半周期期間，這些積累的電荷被轉(zhuǎn)儲到電容器128。更具體地，在第二個半周期期間，電流變換方向到順時針。與電容器80和電容器128串聯(lián)的二極管160導通，允許電容器128通過電容器80充電。由跨接在電容器128兩端的齊納二極管162來調(diào)節(jié)電壓。通常電壓被限為14V。
參考圖5-7，電荷泵電路120被顯示為獨立于燈的狀態(tài)。當燈28處于開路時，其電阻大約是1MΩ，并且流入電荷泵電路120的電流大約為77mA，如圖5所示。當燈28第一次點亮時，其電阻大約為5Ω，并且流入電荷泵電路120的電流大約為51mA，如圖6所示。當燈28處于穩(wěn)定狀態(tài)時，其電阻大約為51Ω，并且流入電荷泵電路120的電流大約為68mA，如圖7所示。如圖5-7所示，在燈從開路變化到穩(wěn)定狀態(tài)時，流入電荷泵電路120和控制電路122的電流基本上不變。該設計用作防止齊納二極管162上的高熱耗散。
雖然可以理解描述的電路可用具有不同部件值的不同的部件來實現(xiàn)，但是下面還是提供了用于當部件具有如下的值時的一個特定實施例的列表部件名稱/編號 部件值開關34…………………………………20NMD50開關36…………………………………20NMD50電感器38………………………………90μH電容器40………………………………22nF，630V電容器42………………………………33nF，2kV電容器44………………………………680pF，500V電阻器52………………………………100Ω電阻器54………………………………100Ω二極管56………………………………1N4148二極管58………………………………1N4148電感器64………………………………1mH電感器66………………………………1mH鉗位二極管(Diode Clamp)70……… 1N4739，9.1V鉗位二極管72…………………………1N4739，9.1V
二極管74……………………………8ETH06S二極管76……………………………8ETH06S電容器78……………………………1nF，500V電容器80……………………………1nF，500V電容器90、92、94、98、100……………………150pF，2kV二極管100、102、104、106、108、110…………1kV電容器128……………………………100μF，25V開關130………………………………2N4 391電容器132……………………………47nF電阻器134……………………………1MΩ電阻器146、148…………………… 220kΩ二極管160……………………………1N4148齊納二極管162………………………14V已經(jīng)參考說明的實施例描述了示例實施例。很明顯，在閱讀和理解了前面的詳細描述之后，修改和變化可以發(fā)生。示例的實施例被理解為包括所有這種修改和改變，只要其落入所附權(quán)利要求或其等效物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于操作HID燈(28)的連續(xù)模式的電子鎮(zhèn)流器(10)，其包括倒相電路(12)，配置成產(chǎn)生控制信號；諧振電路(14)，配置成在操作上與倒相電路(12)耦合以及與燈(28)耦合，以響應于接收控制信號產(chǎn)生諧振電壓；鉗位電路(16)，在操作上與諧振電路(14)耦合以限制諧振電路(16)兩端的電壓從而保護鎮(zhèn)流器(10)的部件；和倍增器電路(82)，在操作上與諧振電路(14)耦合以將由鉗位電路(16)鉗位的電壓增大到足以允許燈(28)開啟的值，其中鉗位電路(16)與倍增器電路(82)協(xié)作以便于燈(28)的連續(xù)開啟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器，其中倍增器(82)阻止二極管(100、102、104、106、108、110)的正向偏置以實現(xiàn)較低的功率耗散。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器，其中倍增器(82)阻止二極管(100、102、104、106、108、110)的正向偏置，實現(xiàn)+/-.25V或更小的DC偏壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器，還包括阻塞電容器(42)，在操作上與燈(28)串聯(lián)并連接在端點(84)和端點(86)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的鎮(zhèn)流器，其中倍增器(82)在操作上與端點(84、86)連接以在端點(84)增加倒相器(12)的輸出電壓并通過端點(86)將負電荷存儲到阻塞電容器(42)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器，其中諧振電路(14)包括諧振電容器(40)，在操作上與節(jié)點(88)連接，并且鉗位電路(16)包括一對在操作上串聯(lián)的二極管(74、76)，其與電壓總線(20)和公共總線(24)連接；第一電容器(78)，在操作上連接在電壓總線(20)和公共節(jié)點(88)之間；和第二電容器(80)，在操作上連接在節(jié)點(88)和公共總線(24)之間并且與第一電容器(78)并聯(lián)，第一和第二電容器(78、80)與諧振電容器(40)串聯(lián)，其中每個二極管(74、76)在操作上跨接在相關的電容器(78、80)的兩端，以保持由切換頻率和電容器(40、78、80)的值所確定的在輸出端(84)上的輸出電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的鎮(zhèn)流器，還包括脈沖電路(18)，用于“接通”和“關斷”使倒相器12，脈沖電路(18)包括控制電路(122)，其控制對倒相器(12)供電；并且電荷泵電路(120)，其控制控制電路(122)的操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的鎮(zhèn)流器，其中電荷泵電路(120)和控制電路(122)協(xié)作產(chǎn)生一占空度，在該占空度倒相器(12)被“接通”一段預定的時間以產(chǎn)生足夠啟動燈(28)的電壓，和被“關斷”以將倒相器(12)的RMS減小到600V或更小。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的鎮(zhèn)流器，其中所減小的RMS是通過將倒相器(12)“接通”50毫秒或更少并且在剩余周期“關斷”而產(chǎn)生的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的鎮(zhèn)流器，其中倒相器(12)的減小的RMS有利于使用額定為600V的常規(guī)電力電纜。
全文摘要
根據(jù)本申請的一個方面，用于操作HID燈(28)的連續(xù)模式的電子鎮(zhèn)流器(10)包括被配置來產(chǎn)生控制信號的倒相電路(12)。諧振電路(14)在操作上與該倒相電路耦合以及與燈耦合，并且被配置成響應于接收由倒相電路產(chǎn)生的控制信號產(chǎn)生諧振電壓。鉗位電路(16)在操作上與該諧振電路耦合以限制該諧振電路兩端的電壓從而保護鎮(zhèn)流器的部件。倍增器電路(82)在操作上與諧振電路耦合以將由鉗位電路鉗位的電壓增大到足以允許燈開啟的值。鉗位電路與倍增器電路協(xié)作以便于燈的連續(xù)開啟。
文檔編號H05B41/292GK1638590SQ200410104479
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月2日
發(fā)明者L·R·內(nèi)羅內(nèi) 申請人:通用電氣公司