專利名稱：Hid鎮(zhèn)流器的制作方法
HID鎮(zhèn)流器
本發(fā)明涉及功率控制裝置，用于將電力從公共設(shè)施為負(fù)載提供所 需的電壓和電流特性。更具體地，但不是排他地，本發(fā)明涉及一種 方法和裝置，用于經(jīng)由燈鎮(zhèn)流器向高強度放電燈提供電流，具有降 低的功率損耗。
有許多已知的情況應(yīng)將功率提供到負(fù)載。在這些情況下，對提供 到負(fù)栽的功率必須嚴(yán)格進(jìn)行控制，以便滿足但不超過該負(fù)載中的閾 值。負(fù)載的一個實例是燈。高強度放電燈是燈的一個品種。
高強度放電(HID)燈已可利用多年了，它由密封的、通常是雙層 的外殼組成，在外殼中發(fā)生等離子放電。放電使氣體電離，根據(jù)放 電外殼中氣體的成分，氣體將以各種波長發(fā)光。
為獲得最長的壽命，有效的能量轉(zhuǎn)換和安全操作要求在啟動和運 行期間都精密控制燈的操作條件。在啟動階段期間，必須在燈上加 上高達(dá)數(shù)千伏的初始高壓，以啟動放電。然后必須嚴(yán)密控制進(jìn)入燈 內(nèi)的功率和電流，直到達(dá)到其正常的熱運行條件。隨著燈從操作的 啟動模式轉(zhuǎn)為操作的正常運行階段，燈上的電壓和燈的阻抗都有顯 著變化。用來使燈運行的任何鎮(zhèn)流器必須考慮到這一點。
早期的無源鎮(zhèn)流器由與電源串聯(lián)的電感器組成，它粗略地限制進(jìn) 入燈的電流，如

圖1所示。電感器L1的阻抗選擇為比有效燈阻抗大， 以便在操作期間以及其整個壽命中，燈特性的改變對燈電流的影響 減小。輸入端上需要有電容器C1，以在電感器迫使電流滯后90度時， 使功率因數(shù)(PF)更接近于1。此外，需要有點火器電路Il,來提供 高電壓，以使燈初始起弧(strike)。
由于Ll、 Cl和II的大尺寸、Ll中的損耗以及在鎮(zhèn)流器的操作
電壓范圍和壽命內(nèi)維持良好PF的問題，業(yè)界已轉(zhuǎn)向有源電子解決方 案。目前的電子解決方案可由Otto Jagschitz的美國專利4，725,762作 為示例。這示于圖2。此處使用一個全橋電路，用于雙重目的產(chǎn)生使燈起弧的高頻諧 振電壓以及在運行條件期間的低頻受控電流。在正常操作時，Q3和Q4以適當(dāng)?shù)牡皖l接通和斷開，以使Q3接 通時，Q4斷開，反之亦然。如果Q3接通，則Q1總是斷開，同樣如 果Q4接通，則Q2總是斷開。假定Q3接通，則Q2以高于Q3和Q4 的頻率交替接通和斷開(脈沖寬度調(diào)制PWM)，以控制通過負(fù)載的 電流。由于在Q2接通前L1中的任何電流都將流入Dl,則在D2陰 極上的電壓降到零之前Q2必須使此電流換向。Q2接通的順序示于 圖3的波形中。在時間TO,電流流入L1和D1中，且在Q2上出現(xiàn) 全電壓。在時間T1， Q2開始接通，且其中的電流上升，直到在時間 T2， Q2中的電流等于L1中的電流。Q2中的電流繼續(xù)上升，因為D1 現(xiàn)在向相反方向?qū)?，并且它開始恢復(fù)，并在T3達(dá)到"^值。到時間 T4時，Dl已全部恢復(fù)，其電流降到零，且Q2上的電壓現(xiàn)在降到一 個j氐值。由時間Tl到T3期間的波形將明顯看出，Q2中有電流流過， 且其上有全高壓饋送，所以當(dāng)其接通時會耗散大量能量。在此期間 流過的峰值電流是L1中的電流和D1中的峰值反向恢復(fù)電流之和。參閱圖4。在時間T6， Q2開始斷開，并在Ll中電流試圖減小 的瞬間，其上的電壓上升到全電源，且在L1和Q2中流過的電流之 差流入D1。 Q2中的電流繼續(xù)下降，而D1中的電流繼續(xù)上升，直到 時間T7時Q2斷開，而Dl導(dǎo)通L1中的全部電流。從波形可以看出， 從時間T6到T7， Q2上有全電源電壓并有電流流過，所以耗散了大 量能量。當(dāng)Q4接通而Ql隨D2中的二極管電流開關(guān)時，也會發(fā)生類似的 情況。這種開關(guān)方法稱為硬開關(guān)。橋接電路可以從能給出適當(dāng)穩(wěn)定高壓軌的許多眾所周知的電子 PFC級中的任一級提供?，F(xiàn)有技術(shù)有三個主要方面的不足。1) 在全橋開關(guān)中的硬開關(guān)導(dǎo)致功率損耗增加，如上所述；而且2) 硬開關(guān)導(dǎo)致產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，它必須在鎮(zhèn)流器中通過 濾波加以抑制；而且3) 由于L1和C1所形成的單級濾波器，燈中的電流波紋很顯著。本發(fā)明的一個目的是至少部分減輕上述問題。 本發(fā)明實施例的一個目的是提供可以是電路形式的裝置，用于控 制加到負(fù)載的電流，以使負(fù)載中的電流滿足所需閾值但不超過預(yù)定本發(fā)明實施例的一個目的是提供一種燈鎮(zhèn)流器以及用于操作燈鎮(zhèn) 流器的方法，其中開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)僅在開關(guān)元件上加零或最小 電壓時才進(jìn)行切換。因此功率損耗大大減少。按照本發(fā)明的第一方面，提供了用于向負(fù)載提供電流的功率控制 裝置，它包括全/半橋開關(guān)電路，包括至少一個開關(guān)元件，當(dāng)其接通時用于向 負(fù)載供電；以及部件，用于僅在所述開關(guān)元件上加基本上零電壓時，切換所述開 關(guān)元件的狀態(tài)。按照本發(fā)明的第二方面，提供一種用于向負(fù)載提供電流的方法， 包括以下步驟在正常操作模式，經(jīng)由包括全/半橋開關(guān)電路的功率控制裝置向 所述負(fù)載提供低頻受控電流；以及僅當(dāng)向開關(guān)元件加基本上零電壓時，切換所述全/半橋開關(guān)電路 中至少一個開關(guān)元件的狀態(tài)。本發(fā)明實施例提供的優(yōu)點是，燈鎮(zhèn)流器電路中的開關(guān)元件僅在零 電壓條件下開關(guān)，以使與現(xiàn)有技術(shù)的鎮(zhèn)流器相比其耗散的功率減少。
現(xiàn)僅以舉例方式，參閱附圖對本發(fā)明實施例加以說明，附圖包括圖1示出現(xiàn)有技術(shù)鎮(zhèn)流器；圖2示出另 一現(xiàn)有技術(shù)鎮(zhèn)流器；圖3示出現(xiàn)有技術(shù)電路的零件響應(yīng)；圖4示出在現(xiàn)有技術(shù)電路零件的響應(yīng)；圖5示出按照本發(fā)明實施例的燈鎮(zhèn)流器；圖6示出定時和其它參數(shù)的發(fā)展；以及圖7示出圖5電路中某些參數(shù)的發(fā)展。本發(fā)明組合了電流源和零電壓開關(guān)(ZVS)的功能，而將諧振起 弧功能保留到一個全橋功率轉(zhuǎn)換級中，降低了功率損耗、燈中的波 紋電流、EMI,并改進(jìn)了效率。雖然具體描述的實施例是就燈鎮(zhèn)流器加以說明的，但應(yīng)理解，本 發(fā)明的實施例一般適用于對不同類型負(fù)載的應(yīng)用進(jìn)行功率控制。開關(guān)Ql-4示為雙極器件，但同樣可以是MOSFET或任何其它類 型的電子開關(guān)。二極管Dl和電容器C3可以是開關(guān)Ql的一部分， 或是單獨的。如果C3是開關(guān)元件的一部分，則它可由并聯(lián)的附加電 容增大。Q2、 D2、 C4和Q3、 Q4和D3、 D4也類似。參閱圖5。在正常操作期間，Q3和Q4在#<頻交替"^妄通。當(dāng)Q3 接通時，Q4斷開，反之亦然。在Q3接通時，通過使用ZVS的脈沖 寬度調(diào)制(PWM)使Q2以這種方式接通和斷開，以便維持燈中的 電流基本上恒定不變。在這種模式，對于Q3接通的所有時間，Ql 均斷開。C2的值是這樣的在它用于使Q2接通或斷開的時間期間， 其電壓基本上不變。以下參閱圖6和7中的波形說明ZVS動作。對于Q2斷開，假定Q3和Q2都接通，且Q2和L2中的電流已 上升，圖6中的時間T0。當(dāng)它達(dá)到由控制器確定的預(yù)設(shè)值，Q2在時 間Tl斷開，且其上的電壓開始上升，因為L2中的電流使C3和C4 的組合電容充電。C3和C4的組合值限制了 Q2上電壓的上升速率。 當(dāng)電壓達(dá)到電源軌時，Dl導(dǎo)通。L2現(xiàn)將其儲存的能量放電到C2中， 且電流流過D1，直到L2中的電流到i^，在這一點D1停止導(dǎo)通。參閱圖7。在時間T3， L2中的電流現(xiàn)在反向，因為Dl恢復(fù)， 且它與C3和C4的組合電容形成諧振環(huán)，且Q2上的電壓下降，直 到它在時間T4到達(dá)零，此時D2導(dǎo)通。然后控制器再次接通Q2，且 只要Q3為接通，該循環(huán)就反復(fù)進(jìn)行。當(dāng)Q3斷開且Q4接通時，則Ql以與Q2相同方式接通和斷開， 而對于Q4接通的所有時間Q2都斷開。這樣，Ql和Q2用其上基本 上零伏電壓接通和斷開，所以具有最小的開關(guān)損耗。顯然，開關(guān)上 電壓改變的速率由C3、 C4和L2確定，所以通過改變EMI和/或功 率損耗的這些值就可對該速率進(jìn)行優(yōu)化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，圖5的電路含有一個額外的LC濾波器級，這 樣就導(dǎo)致燈中的電流波紋減少，并減少了由這種過多波紋電流引起 的聲電弧諧振的可能性。在燈啟動和起弧期間，Q1和Q2在高頻被交替驅(qū)動，以便使L1/C1 諧振，并在燈上產(chǎn)生所需的高電壓，以使其起弧。備選的是，Q3和Q4可在高頻被驅(qū)動，或其自身或與Ql和Q2 一起，以使L1/C1諧振，并產(chǎn)生高電壓來啟動燈。在燈開始放電后，Ql和Q2的操作進(jìn)入前述的正常運行條件， 以控制燈電流。已對本發(fā)明的實施例作了說明，其中開關(guān)的狀態(tài)，即是接通還是 斷開，僅在開關(guān)元件上的電壓基本上為零或大大降低時的那一點才 改變。這樣，器件所耗散的功率就受到控制。以上僅用舉例的方式對本發(fā)明實施例作了說明。應(yīng)理解，在不背 離本發(fā)明范圍的前提下可以作修改。特別是應(yīng)理解，本發(fā)明的實施 例可與半橋布置一起使用。
權(quán)利要求
1.用于向負(fù)載提供電流的功率控制裝置，包括全/半橋開關(guān)電路，包括至少一個開關(guān)元件，所述開關(guān)元件當(dāng)接通時向負(fù)載供電；以及部件，僅當(dāng)在所述開關(guān)元件上加基本上零電壓時，切換所述開關(guān)元件的狀態(tài)。
2. 如權(quán)利要求1所述的功率控制裝置，其中所述裝置包括燈鎮(zhèn) 流器，所述負(fù)載包括燈，且所述全/半橋開關(guān)電路包括全橋開關(guān)電路。
3. 如權(quán)利要求2所述的功率控制裝置，其中所述全橋開關(guān)電路 包括兩對成對角的開關(guān)元件，每對中相應(yīng)的第一開關(guān)元件包括所述 至少一個開關(guān)元件，并布置成當(dāng)所述對中剩余的開關(guān)元件接通時 它反復(fù)接通和斷開，而當(dāng)所述剩余的開關(guān)元件斷開時它保持?jǐn)嚅_。
4. 如權(quán)利要求3所述的功率控制裝置，其中所述兩個剩余的開 關(guān)元件串聯(lián)連接，并在高和低電源之間。
5. 如權(quán)利要求4所述的功率控制裝置，其中所述燈經(jīng)由第一燈 端子連接到所述剩余的開關(guān)元件之間的節(jié)點。
6. 如權(quán)利要求3所述的功率控制裝置，其中兩個第一開關(guān)元件 串聯(lián)連接，并在高和低電源之間。
7. 如權(quán)利要求6所述的功率控制裝置，其中所述兩個第一開關(guān) 元件之間的節(jié)點經(jīng)由第 一和第二電感元件連接到第二燈端子。
8. 如權(quán)利要求7所述的功率控制裝置，還包括電容器，所述電 容器連接在低電源與第 一和第二電感元件之間的節(jié)點之間。
9. 如權(quán)利要求2到8中任一項所述的功率控制裝置，還包括 電容器，與第一和第二燈端子之間的所述燈并聯(lián)連接，并布置成與連接到第二燈端子的第一電感元件一起提供諧振電路，以在操作 的啟動模式期間使所述燈起弧。
10. 如權(quán)利要求3所述的功率控制裝置，還包括與每個第一開關(guān) 元件并聯(lián)布置的電容器元件。
11. 如權(quán)利要求10所述的功率控制裝置，其中每個第一開關(guān)元 件包括MOSFET，且所述電容器元件包括所述MOSFET的寄生電容。
12. 如權(quán)利要求11所述的功率控制裝置，還包括與所述MOSFET 的所述寄生電容并聯(lián)連接的另一電容器。
13. 如權(quán)利要求10所述的功率控制裝置，其中每個第一開關(guān)元 件包括雙極器件，且所述電容器元件包括與所述第一開關(guān)元件并聯(lián) 連接的分立電容器。
14. 如權(quán)利要求3所述的功率控制裝置，還包括與每個所述第一 開關(guān)元件并聯(lián)的二極管元件。
15. 如權(quán)利要求14所述的功率控制裝置，其中所述第一開關(guān)元 件包括MOSFET,且所述二極管元件包括所述MOSFET的寄生二極 管。
16. 如權(quán)利要求15所述的功率控制裝置，還包括與所述MOSFET 的所述寄生二極管并聯(lián)連接的另一二極管元件。
17. 如權(quán)利要求14所述的功率控制裝置，其中所述第一開關(guān)元 件包括雙極器件，且所述二極管元件包括與每個所述第一開關(guān)元件 并聯(lián)連接的分立二極管。
18. 如權(quán)利要求7所述的功率控制裝置，還包括 第一和第二二極管，串聯(lián)連接在高和低電源之間，第一和第二二極管之間的節(jié)點連接到所述第 一和第二電感元件之間的節(jié)點。
19. 一種在負(fù)載中提供電流的方法，包括以下步驟 在正常操作模式，經(jīng)由包括全/半橋開關(guān)電路的功率控制裝置向所述負(fù)載提供低頻受控電流；以及僅當(dāng)向所述開關(guān)元件加基本上零電壓時，切換所述全/半橋開關(guān) 電路中至少一個開關(guān)元件的狀態(tài)。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述負(fù)載包括燈，所述全/ 半橋開關(guān)電路包括全橋開關(guān)電路，且所述功率控制裝置包括燈鎮(zhèn)流 器。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟 向所述全橋開關(guān)電路的兩對成對角的開關(guān)元件提供控制信號，以選擇性地接通和斷開所述開關(guān)元件，由此每對中的第一開關(guān)元件僅在所述對中剩余的開關(guān)元件接通時，才 按照零電壓開關(guān)順序被接通。
22. 如權(quán)利要求20或21所述的方法，其中所述第一開關(guān)元件在 所述全橋開關(guān)電路中串聯(lián)連接，所述方法還包括以下步驟確定在兩個第一開關(guān)元件之間的節(jié)點上電壓何時達(dá)到預(yù)定的閾值 電壓；以及當(dāng)達(dá)到所述閾值電壓時，接通所述第一開關(guān)元件之一。
23. 如權(quán)利要求18到20中任一項所述的方法，還包括以下步驟 在操作的啟動模式期間，經(jīng)由諧振電路使所述燈起弧。
24. 裝置，基本上如上文參閱附圖中圖5到7所述而構(gòu)建和布置。
25. 方法，基本上如上文參閱附圖中圖5到7所述。
全文摘要
公開了一種用于向負(fù)載提供電流的方法和裝置。該裝置包括全橋或半橋開關(guān)電路，該電路包括至少一個開關(guān)元件，用于當(dāng)接通時向負(fù)載供電；以及部件，用于僅當(dāng)在開關(guān)元件上加基本上零電壓時，切換開關(guān)元件的狀態(tài)。
文檔編號H05B41/288GK101116379SQ200580048073
公開日2008年1月30日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者C·J·斯梅瑟斯特 申請人:哈佛工程有限公司