專利名稱：用于在正常操作和調(diào)光期間具有高效率的高功率因數(shù)鎮(zhèn)流器的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及電子照明鎮(zhèn)流器，更具體地，本發(fā)明涉及用于具有高功率因數(shù)且還可有效調(diào)光的高效鎮(zhèn)流器的方法和設(shè)備。


發(fā)明內(nèi)容
公開了用于對具有高功率因數(shù)的可調(diào)光鎮(zhèn)流器電路供電的方法和設(shè)備。所述可調(diào)光鎮(zhèn)流器電路包括連接到第一節(jié)點和第二節(jié)點的電源，該電源具有以線頻率交變的電流。第一節(jié)點和第二節(jié)點通過用于存儲能量并且提供第一(高)頻率的電流的電容器形式的能量存儲設(shè)備而彼此連接，這超過電源的線頻率并且對線頻率呈現(xiàn)高阻抗。這個電容器的電容值相對于負(fù)載足夠小，使得其不使來自電源的整流AC輸入畸變。第一開關(guān)能夠選擇性地通過第一節(jié)點將能量存儲設(shè)備耦合到諧振電路。諧振電路具有諧振頻率并且在第一頻率的周期的第一部分期間存儲能量，從而導(dǎo)致發(fā)光。第二開關(guān)能夠選擇性地通過第二節(jié)點來耦合諧振電路，使得在諧振電路中存儲的能量基本上通過電容器再循環(huán)。當(dāng)?shù)诙_關(guān)閉合時，這在第一頻率的周期的第二部分期間使得燈上的電壓反轉(zhuǎn)，從而也導(dǎo)致發(fā)光。

背景技術(shù)：
在光源(例如氣體放電燈、熒光燈、發(fā)光二極管等)領(lǐng)域中，許多光源可呈現(xiàn)負(fù)電阻，這導(dǎo)致電源增大所提供的電流量。如果在工作期間不以某種方式限制所述電流，則所述電流會快速增大，直到發(fā)生光源的災(zāi)難性故障。為了限制電流，通常提供鎮(zhèn)流器電路，鎮(zhèn)流器電路控制提供給光源的電流量，以保持光的穩(wěn)態(tài)、無閃爍的生成。最初的鎮(zhèn)流器是磁類型的，其對電源呈現(xiàn)大電感。這種鎮(zhèn)流器相對于電源提供的電壓在負(fù)載處產(chǎn)生大部分為同相的電流，這導(dǎo)致高的功率因數(shù)。然而，磁鎮(zhèn)流器的效率很低。磁鎮(zhèn)流器還具有其它缺點，包括相對較大和沉重，并且易于產(chǎn)生聽得見的嗡嗡聲。此外，它們是溫度相關(guān)的，并且在寒冷時，它們可能難以在燈中導(dǎo)致電離并因此難以產(chǎn)生光。磁鎮(zhèn)流器基本上已被用以向熒光燈提供適當(dāng)?shù)膯雍凸ぷ鞴β实母鼮榘察o、更小的電子鎮(zhèn)流器所替代。此外，電子鎮(zhèn)流器通常較小且較緊湊，并且能夠與熒光燈泡(管)集成在一起以產(chǎn)生緊湊型熒光燈(“CFL”)。電子鎮(zhèn)流器依賴電子開關(guān)電路來切換輸入電壓，以向熒光燈的各節(jié)點產(chǎn)生高頻(通常為20kHz或更高)的電壓。通常，鎮(zhèn)流器包含“儲能電路(tank circuit)”(也稱作諧振電路)，該儲能電路將線電壓增大到更高電壓，通常為從200到600伏之間的電壓，以便在工作期間引發(fā)電離并保持熒光燈的光輸出。
功率因數(shù)通常被定義為真實功率與視在功率的關(guān)系。然而，電子鎮(zhèn)流器通常表現(xiàn)出較低的功率因數(shù)，這意味著電流與電壓不同相。較低功率因數(shù)意味著電力公司在能量傳輸方面效率較低。此外，隨著熒光照明的使用變得廣泛，住宅應(yīng)用中的較低的功率因數(shù)越來越受到電力公司的關(guān)注。一些鎮(zhèn)流器已包括功率因數(shù)校正電路，所述功率因數(shù)校正電路可包括用于監(jiān)視和調(diào)整電流以使電流相對于線電壓同相的集成電路、電容器和其它部件，然而這種功率因數(shù)校正電路通常由于這些部件的損耗而導(dǎo)致效率不高，并且其增加了鎮(zhèn)流器的成本。參見美國專利5,804,929，該專利公開了使用跨接于整流器的輸出、類似于圖1所示的電容器120的高頻旁路電容器，該高頻旁路電容器被配置為在120Hz表現(xiàn)出相對高的阻抗。此外，這種鎮(zhèn)流器電路通常包括低溫、高壓電解電容器，這大大限制了鎮(zhèn)流器的壽命。
由于電子鎮(zhèn)流器相對于磁鎮(zhèn)流器具有更小的尺寸和重量(這允許緊湊型熒光燈(“CFL”)合并燈(光源)和鎮(zhèn)流器)，因此，通常僅在用于CFL時依賴于電子鎮(zhèn)流器。因此，CFL具有與燈集成在一起的鎮(zhèn)流器。在其它應(yīng)用中，例如當(dāng)使用“線性”或“管狀”熒光燈時，鎮(zhèn)流器是與燈分離的，從而允許燈與鎮(zhèn)流器相分離地放置。
過去，使用鎮(zhèn)流器就不具有對光源進(jìn)行調(diào)光的能力。利用常規(guī)鎮(zhèn)流器難以在處于低調(diào)光水平的熒光管中維持電離，從而導(dǎo)致燈的閃爍。現(xiàn)在，較新式的鎮(zhèn)流器允許在一定程度上對光源進(jìn)行調(diào)光，但是仍然存在使調(diào)光局限于窄范圍的光輸出的問題。具體地，許多鎮(zhèn)流器會在光源熄滅之前有效地將調(diào)光限制到窄范圍的光輸出，即燈擾人地開始閃爍。此外，能量節(jié)省與調(diào)節(jié)的光量是不相稱的。因而，如果光被調(diào)節(jié)到某個水平(例如其輸出的25％)，則期望的是能量節(jié)省是與之相稱的(例如只使用25％的能量)。然而，在許多情況下，對于給定的光輸出的降低，只節(jié)省了小部分的能量。因而，節(jié)省能量的好處未充分實現(xiàn)。因此，需要用于照明應(yīng)用的高效且可調(diào)光的鎮(zhèn)流器。



圖1a-g示出了具有功率因數(shù)校正電路的常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)鎮(zhèn)流器電路及其中產(chǎn)生的各種電壓波形。
圖2a-c示出了根據(jù)本發(fā)明的原則的、具有基于本發(fā)明的高功率因數(shù)的鎮(zhèn)流器電路的一個實施例的框圖及其中產(chǎn)生的電壓波形。
圖3是圖2a的示例性鎮(zhèn)流器電路可實施的過程的流程圖。
圖4a和4b是可實現(xiàn)圖3的示例性過程的示例性電路的示意圖。
圖4c示出了結(jié)合使用調(diào)光器的情況下的電壓的波形。
圖4d示出了本發(fā)明的另一個實施例的示意圖。
圖5示出了與圖4a的電路的示例性整流器的操作相關(guān)的電壓波形圖。
圖6是示出圖4a的電路的示例性調(diào)節(jié)器的操作的電壓波形圖。
圖7和8是示出圖4a的示例性電路的操作的電路。
圖9是示出在圖4a的諧振電路中在光源處的電壓的電壓波形圖。
圖10a-c示出了用于鎮(zhèn)流器的儲能電路中的電感器芯的一個實施例。

具體實施例方式 在此描述了用于具有高功率因數(shù)的可調(diào)光鎮(zhèn)流器的方法和設(shè)備。在所述的例子中，描述了可通過單個諧振電路使電源直接與光源接口的、具有高功率因數(shù)的可調(diào)光鎮(zhèn)流器電路。另外，所述可調(diào)光鎮(zhèn)流器包括高頻濾波電容器，以使在操作期間降低進(jìn)入電源的高頻能量，從而提高效率。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)電路鎮(zhèn)流器的一個實施例，該現(xiàn)有技術(shù)電路鎮(zhèn)流器包括提供家用電力的電源102，所述家用電力在美國通常為120VAC/60Hz的形式，在其它國家為240VAC/50Hz的形式。盡管在這里公開了基于“家用電壓”的各種實施例，但是這可以是任何可容易獲得的電壓，并且不排除對其它商用或工業(yè)電壓的應(yīng)用。因而，例如本發(fā)明的原理可以適用于其它電壓和頻率，例如商業(yè)飛機(jī)中使用的400Hz AC系統(tǒng)。因此，有關(guān)電源特性的其它變化是可能的，這可能影響各部件的精確值。
包括全波橋式整流二極管組件的整流器106對AC電壓進(jìn)行整流，以產(chǎn)生未經(jīng)濾波的、經(jīng)整流的DC電壓?？纱嬖谏鲜龅墓β室驍?shù)校正電路108，并且該功率因數(shù)校正電路108通?？梢院喜⒏邏弘娊怆娙萜骰蚱渌娙萜鳌⒓呻娐泛推渌考?。開關(guān)電路110通常包括以高頻切換的兩個晶體管，并且包括用于驅(qū)動晶體管以通常為20kHz或更高的高頻進(jìn)行切換的自諧振電路。所謂的“儲能”電路112包括電感和電容值的組合以便建立諧振頻率，并且將DC線電壓增大到通常為200伏左右或更高的較高值。在一些環(huán)境中，因為燈泡中的燈絲的電阻值影響儲能電路的諧振頻率，所以燈泡中的燈絲的電阻值可以被認(rèn)為是儲能電路的一部分。然而，除非另外說明，這里所指的儲能電路不包括燈泡燈絲。在不同的國家中，例如在美國、歐洲或亞洲，燈泡中燈絲的電阻值分別被標(biāo)準(zhǔn)化為不同的值。
圖1b中示出了電源102產(chǎn)生的電壓波形。通常，電壓波形120為頻率為60Hz頻率或每秒60周期的正弦形的波形，并且因此，半周期是1/120秒。在美國，電壓通常額定在120伏(RMS)或約160伏的峰值，當(dāng)然會存在一些小的偏差(例如一些電力公司可能以115或110VAC工作)。
提供電壓波形120，以輸入到圖1a的整流器電路，并且圖1c中的電壓波形122是整流器的輸出。在這種情況下，圖1b中的波形的負(fù)部分被反相以形成正部分122b，從而產(chǎn)生經(jīng)整流的(AC)正弦波形。因而，每個半周期具有正弦波的一部分的形狀。每個波形122a、122b的頻率是120Hz或60Hz線頻率的1/2周期時間(速率的兩倍)。因此，所示的波形是未經(jīng)濾波的、經(jīng)整流的正弦波。
在現(xiàn)有技術(shù)的鎮(zhèn)流器中，通常其自身包括大型電解電容器，或者大型電解電容器自身作為功率因數(shù)校正電路108的一部分，用以過濾120Hz的波紋。被設(shè)計用于濾除在經(jīng)整流的電源波中的120Hz波紋的這類濾波電容器的存在會產(chǎn)生圖1d所示的波形132。在圖1d中，電壓132a的上升為電解電容器充電，直到波形132b的峰值點。在該點，輸出電壓通常會下降，但是電容器在132c隨時間放電，從而防止經(jīng)整流的輸出電壓的快速降低。結(jié)果是圖1e所示的電壓波形142，電壓波形142在初始啟動后具有一系列頂峰(crest)143，后面跟隨的是在其之間略微降低的電壓。平均電壓通常略微高于標(biāo)稱AC線電壓額定，通常在150V左右，但是為DC，然而，具有專用功率因數(shù)校正電路的其它實施例可以高達(dá)350V。
圖1a的開關(guān)電路110以快速的順序交替地使晶體管T1 105和T2 107接通和關(guān)斷。通常，當(dāng)T1閉合時，T2斷開，反之亦然。然而，在兩個開關(guān)均斷開的這些事件之間通常存在一些“死時間(dead time)”。斷開和閉合通常以20kHz到100kHz的任何頻率發(fā)生。某些節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)需要至少40kHz頻率的開關(guān)頻率。為了說明，可以假定頻率為20kHz左右。通常，18kHz是下限，而80kHz可以是上限。
在圖1f中，晶體管上存在的開關(guān)電壓被示為方波150。與60Hz(或50Hz)的線頻率相比，開關(guān)頻率通常是非常高的(例如20kHz)，這樣，相對于前面的附圖中的時間比例，圖1f中的時間比例是不同的(即擴(kuò)展了)。晶體管的輸出實質(zhì)上是輸入到圖1a的儲能電路112的方波。
具有諧振頻率并且被調(diào)諧到略低于開關(guān)頻率的頻率的儲能電路的功能是使導(dǎo)入的能量再循環(huán)，并且使導(dǎo)入電壓“提升”到200-600伏左右。這個電壓高到足夠啟動和保持熒光燈泡上的電離。燈泡自身一旦電離，則用于限制其端子上的電壓。因而，圖1g示出了由于燈泡的電離所導(dǎo)致的箝位而具有平頂?shù)拇篌w成形的正弦波160，為了實用的目的，該正弦波160可以視為方波。圖1b的波形具有與圖1a相同的高開關(guān)頻率，但是處于通常存在于燈的端子處的高電壓。DC耦合電容器濾除輸入到儲能電路的DC分量并且使流入燈管的電流平衡，從而產(chǎn)生圖1g中的正弦波的負(fù)部分(例如波形的低于0伏的對稱部分)。在現(xiàn)有技術(shù)中，燈泡一旦電離，則其在正常操作期間不斷地被電離。
盡管這類現(xiàn)有技術(shù)電路在燈中提供適當(dāng)?shù)墓馍?，但其難以允許在寬范圍的光輸出上對光源進(jìn)行調(diào)光。此外，這類現(xiàn)有技術(shù)電路在調(diào)光時不是能量有效的。如果不具有功率因數(shù)校正電路，則其功率因數(shù)低。如果有功率因數(shù)校正電路，則電路包含附加部分，從而增加了其成本。
圖2示出了本發(fā)明的一個實施例的框圖，其中，鎮(zhèn)流器電路200被配置成具有大體上逼近功率因數(shù)一的高功率因數(shù)(例如0.90-0.99等)。具體地，示例性鎮(zhèn)流器電路200包含在單級阻抗轉(zhuǎn)換中執(zhí)行的功率因數(shù)校正能力，從而在保持基本相同的功能性的同時而不需要單獨的高功率因數(shù)校正電路。因而，相對于現(xiàn)有技術(shù)，所需部件較少。
在圖2的例子中，鎮(zhèn)流器200包含連接到整流器210的電源205。電源205通常是提供商用電壓(例如120或240VAC)的交流電壓源，該電壓源具有以線頻率(例如60赫茲(Hz))交變的幅值。通常還包括線路濾波器(未示出)，以防止噪聲被導(dǎo)回到電力網(wǎng)絡(luò)中。整流器210通常是全波整流器，其將通過電源提供的負(fù)電壓值反相，從而將線電壓的頻率加倍(例如到120Hz)。整流器210將經(jīng)整流的電壓傳送到第一節(jié)點212和第二節(jié)點214。提供給節(jié)點212和214的整流器210的輸出類似于圖1c所示的波形。整流器提供未經(jīng)濾波的、經(jīng)整流的電壓。該電壓是DC，并且具有經(jīng)整流的AC電壓波形的形狀。
通過例如聚丙烯電容器215等的高頻能量存儲設(shè)備(這里也被稱作旁路電容器)來連接第一節(jié)點212和第二節(jié)點214。在圖2的例子中，選擇電容器215的電容值，使得它對經(jīng)整流的電壓(即在線頻率)呈現(xiàn)較大阻抗，從而在鎮(zhèn)流器操作期間基本不影響通過整流器210提供的經(jīng)整流的電壓。通常，這在線頻率呈現(xiàn)出數(shù)千歐姆的阻抗。這會在開關(guān)頻率提供通常在不到30歐姆的范圍內(nèi)的低阻抗。這不同于使用跨接于整流器的輸出的高電壓、低頻電容器(例如大值電解電容器)來濾除由于線頻率而造成的120Hz波紋(這消除了整流器輸出中的“谷”)的現(xiàn)有技術(shù)。選擇圖2的例子中的電容器215的電容值，以存儲在高頻(通常在千赫(20-80kHz)范圍內(nèi))釋放的能量。這樣，圖2的例子中的電容器215的值接近0.1到3微法(μF)，并且由任何適合于具有所需要的功率輸出(在這個實施例中約為25瓦)的鎮(zhèn)流器的材料(例如聚丙烯等)構(gòu)成。在其它實施例中，對于具有約120到250瓦的功率輸出的鎮(zhèn)流器，電容器215的值可以為約1到30μF。以更通用的術(shù)語來說明，電容器215的電容值相對于每瓦輸出照明的功率通常在4到120納法(nF)的范圍，而在使用120VAC時，通常為50nF/瓦左右。如果使用240VAC，則電容值是上述值的一半。電容器215通常是聚丙烯電容器，這種電容器的壽命遠(yuǎn)大于通常在常規(guī)鎮(zhèn)流器中使用的大型電解電容器。
鎮(zhèn)流器電路200還包括連接到節(jié)點212和214的調(diào)節(jié)器220(通常在業(yè)界被稱作輔助供給電路(housekeeping supply circuit))。調(diào)節(jié)器220產(chǎn)生超過第一閾值(例如10伏等)的基本恒定的電壓，以向驅(qū)動器225供電。因為節(jié)點212和214處的電壓未被過濾，所以調(diào)節(jié)器需要向驅(qū)動器225提供穩(wěn)定的輸入電壓。來自整流器的電壓波形在每個半周期處具有“谷”，在所述谷中電壓降到0或接近零(盡管時間短)。在所示出的例子中，驅(qū)動器225被配置成以高頻交替地激勵第一晶體管235和第二晶體管240中的一個，所述高頻通常為20kHz或更高頻率，在這里被稱作開關(guān)頻率。示例性晶體管235和240均是使用垂直N-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)場效應(yīng)晶體管來實現(xiàn)的，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，晶體管235和240可以由任何其他適當(dāng)?shù)墓虘B(tài)開關(guān)設(shè)備(例如P-溝道金屬氧化物場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、橫向N-溝道模式MOS晶體管、雙極晶體管、閘流管、柵極關(guān)斷(GTO)設(shè)備等)來實現(xiàn)。
驅(qū)動器225以及晶體管235和240形成為一種半橋拓?fù)?，其實施是為了使諧振電路或“儲能電路”245為所示出的例子中的光源250供電。為形成半橋拓?fù)?，第一晶體管235的漏極連接到第一節(jié)點212，并且第二晶體管240的源極連接到第二節(jié)點214。因而，存在于節(jié)點212上和第一晶體管235的漏極上的電壓是圖2b所示的整流電壓波形260。晶體管235和240的柵極分別被連接到驅(qū)動器225的第一和第二輸出，并且晶體管235的源極被連接到晶體管240的漏極，二者還連接到諧振電路245。由于晶體管235以圖2b中的高頻方波265來切換來自節(jié)點212的電壓，因此輸入252處的結(jié)果電壓是經(jīng)圖2c所示的線頻率調(diào)制的高頻方波。圖2b和2c均示出了周期為兩倍線頻率的上述“谷”260。
諧振電路245具有略低于晶體管的開關(guān)頻率的高諧振頻率。通常，可用于實際目的的最低頻率是18kHz，而上限受其它實際考慮因素所限制，但是可以高達(dá)80kHz。諧振電路還被連接到第二節(jié)點214和光源250(例如氣體放電燈、熒光燈、發(fā)光二極管(LED)等)。
具體地，第一輸入252被連接到NMOS晶體管235和240的源極和漏極。諧振電路245的第一輸出253通過光源250的第一燈絲255而連接到諧振電路245的第二輸入254。此外，在圖2的例子中，諧振電路245的第二輸出256通過光源(例如燈或燈管)250的第二燈絲260而被連接到第二節(jié)點214。如下面所詳細(xì)描述的，諧振電路245可以被視為使燈管的阻抗與電源匹配的耦合設(shè)備。諧振電路的功能是存儲能量并且選擇性地以開關(guān)頻率向光源250充能和釋放能量，所述開關(guān)頻率大大超過處于線頻率的經(jīng)整流的電流的線頻率，從而激發(fā)光源250可視地發(fā)光。此外，諧振電路245對電源205呈現(xiàn)阻抗，從而限制流入光源250中的電流。儲能電路通過使儲能電路中的能量循環(huán)而增大輸入的線電壓，并且在燈泡250的端部上呈現(xiàn)交變電壓。在本發(fā)明中，燈泡被電離，或可以說，在輸入電源電壓的每個半周期(120Hz)的開始處被點亮。
儲能電路呈現(xiàn)可變的輸入阻抗。當(dāng)在節(jié)點252處的輸入電壓剛要上升時(例如圖2c的方波270所示)，由于儲能電路的高的Q因數(shù)(表示無載電路)，因此阻抗較高。當(dāng)輸入電壓低時，燈泡還未被電離，并且儲能電路具有高的Q因數(shù)。當(dāng)輸入電壓增大時，燈泡被電離，導(dǎo)致儲能電路的Q因數(shù)較低，從而允許更多電流流動。這意味著負(fù)載上的電流在很大程度上與來自源極的電壓同相，這導(dǎo)致鎮(zhèn)流器的高功率因數(shù)。
圖3示出了鎮(zhèn)流器電路200可以在連接到電源(例如交流電源等)時實現(xiàn)的示例性過程300。如果電被提供給鎮(zhèn)流器，則示例性過程300開始為高頻旁路電容器(對應(yīng)于圖2a的電容器215)充電。具體地，旁路電容器對電源的線頻率電流(例如60Hz、120Hz等)呈現(xiàn)大的阻抗(框310)。另外，示例性過程300提供能量，以便向用于為驅(qū)動器電路供電的調(diào)節(jié)器供電(框310)。在圖3的例子中，示例性過程300通過第一節(jié)點將電源(例如電源等)耦合到諧振電路(框315)。作為響應(yīng)，電源以線頻率(60Hz)向諧振電路供給能量，電源供給的能量與在高頻(例如約40kHz或任何開關(guān)頻率)的來自電容器的能量混合(框320)。具體地，在第一晶體管閉合時，旁路電容器通過第一節(jié)點以電流的形式提供高頻能量。當(dāng)諧振電路接收線頻率能量和高頻能量(以電流的形式)時，諧振電路具有正幅值的電壓，從而在第一半周期使連接到諧振電路的光源將氣體電離，并且從其中發(fā)光(框325)。
在從光源發(fā)光后，示例性過程300接著將諧振電路耦合到第二節(jié)點(框330)。結(jié)果，諧振電路具有負(fù)幅值的電壓，并且能量在儲能電路內(nèi)以及在旁路電容器內(nèi)循環(huán)，從而在第二半周期期間使所連接的光源將氣體電離并且發(fā)光(框340)。在這個時間內(nèi)，還從電源向旁路電容器充電。示例性過程300確定電源是否仍然在供電(框345)。如果供電，則示例性過程返回框305。反之，如果未向鎮(zhèn)流器供電，則示例性過程結(jié)束。在本發(fā)明中，在經(jīng)整流的、未經(jīng)濾波的DC輸入電壓處于“谷”的短暫的時間段內(nèi)不存在電離。該點對應(yīng)于AC輸入線電壓的過零點。燈泡未被電離的時間段通常為至少200微秒。然而，這么短的時間段是人眼感知不到的，并且燈泡可以由于燈泡中熒光體的余輝而發(fā)光。
在圖3的例子中，示例性過程300中的高頻能量被存儲在旁路電容器中，在操作中旁路電容器不斷再循環(huán)高頻能量。高頻電流具有的頻率通常在約20到80KHz的范圍中。因而，根據(jù)示例性過程300，高頻能量不斷地通過旁路電容器以開關(guān)頻率再循環(huán)，從而防止實質(zhì)的能量損耗。此外，電源通過低阻抗路徑被直接連接到諧振電路，以防止實質(zhì)的能量損耗。因此，所得到的電路實現(xiàn)了總體上具有高功率因數(shù)、高效率和接近理想頂峰的因數(shù)的過程。
圖4a是可以實現(xiàn)示例性過程300(圖3)的示例性電路400的示意圖。在圖4中，電源205通過線路濾波器401連接到整流器210，線路濾波器401將電源205與鎮(zhèn)流器電路的其余部分所產(chǎn)生的噪聲(例如電磁干擾等)隔離開。下面會對此作更詳細(xì)的討論。更具體地，提供家用電力的電源205的第一端子402通過濾波器405而被連接到二極管403的陽極和二極管404的陰極。二極管403的陰極被連接到第一節(jié)點212，并且二極管404的陽極被連接到第二節(jié)點214。此外，電源205的第二端子405通過濾波器405而被連接到二極管406的陽極和二極管408的陰極。二極管406的陰極被連接到第一節(jié)點212，并且二極管408的陽極被連接到第二節(jié)點214。第一節(jié)點212和第二節(jié)點214通過電容器215連接在一起，電容器215對高頻能量呈現(xiàn)低阻抗。
對于23瓦的光源，電容器215的值通常為0.8-1.5μF的聚丙烯電容器，而對于5瓦的光源，電容器215的值為0.22μF。可以根據(jù)輸出負(fù)載而適當(dāng)?shù)卣{(diào)整該值，但是對于典型的CFL，該值通常是4μF或更低。電容器215的值足夠小，以便不影響節(jié)點212處的輸出的經(jīng)整流的電壓。具體地，該值不應(yīng)使得節(jié)點212處存在的輸出電壓下降15％或比其在每個半周期的末尾處的整流器輸出的峰值電壓低。換言之，“谷”底處的電壓應(yīng)當(dāng)不超過10-18伏。
電壓調(diào)節(jié)器220還連接到第一和第二節(jié)點212和214，并且被配置成向驅(qū)動器電路提供基本恒定的輸出電壓。在所示出的例子中，使用通過電阻器412連接到第一節(jié)點212的NMOS晶體管410來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)器220。NMOS晶體管410的漏極通過電阻器414而被連接到其相應(yīng)柵極。NMOS晶體管410的柵極還通過可選的電阻器421而連接到晶體管416的集電極，晶體管416的基極連接到齊納二極管418的陽極。電阻器421降低晶體管的增益，從而降低晶體管410中振蕩的可能性。齊納二極管418的陰極被連接到NMOS晶體管410的源極。
另外，晶體管416的基極通過電阻器420而被連接到第二節(jié)點214，并且其發(fā)射極通過電阻器422而被連接到第二節(jié)點214。在圖4的例子中，NMOS晶體管410的源極被連接到二極管424的陰極，并且二極管424的陽極通過例如為通常具有10-30μF的值的電容器426(在這里被稱作輔助濾波電容器(Housekeeping filter capacitor))的能量存儲設(shè)備而被連接到第二節(jié)點214。如下所述，電容器426在其中存儲能量，以輔助向驅(qū)動器225提供基本恒定的電壓，甚至與調(diào)光器的操作相結(jié)合。電容器426也被用作“自舉充電電容器”，用于協(xié)助二極管430為下面要討論的電容器432充電。因而，電容器426還與驅(qū)動器225結(jié)合而起作用，但是為了說明的目的，其被示出為調(diào)節(jié)器220的部件。
在圖4a示出的例子中，使用用于選擇性地激勵晶體管235和240的任何適當(dāng)?shù)碾娐穪韺崿F(xiàn)驅(qū)動器225。圖4a的示例性電路中的驅(qū)動器225包括例如International RectifierTM(國際整流器)2153，該整流器是自振蕩半橋驅(qū)動器電路428。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可以實現(xiàn)任何適當(dāng)?shù)尿?qū)動器電路用于執(zhí)行驅(qū)動器225提供的功能(例如555定時器、處理器或包括PWM方波生成器等的其他的適當(dāng)脈沖的源等)。在其它實施例中，晶體管235和240可以與驅(qū)動器電路428集成在一起(例如諸如STMicroelectronicsTM L6574等的集成電路等)。
參照驅(qū)動器225，調(diào)節(jié)器220通過二極管424來提供基本恒定的(即經(jīng)調(diào)節(jié)的)電壓，二極管424還將電壓調(diào)節(jié)器220與驅(qū)動器225隔離。不同的是，二極管424在第一節(jié)點212的電壓低于電容器426中存儲的電壓時防止電流從電容器426流到調(diào)節(jié)器220中。在圖4的實施例中，電容器426和二極管424的陰極還被連接到驅(qū)動器電路428的供電電壓(Vcc)，以向驅(qū)動器電路428提供基本恒定的電壓。電容器的值可以調(diào)整大小，以便能與例如相位控制調(diào)光器等的調(diào)光器一起操作，調(diào)光器可以限制提供給整流器并因此到鎮(zhèn)流器的電壓。因而，即使調(diào)光器在某個時間段通過對到鎮(zhèn)流器的輸入電壓波形進(jìn)行箝位而對輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，電容器也必須調(diào)整大小，以向驅(qū)動器提供足夠的電力，以允許它繼續(xù)在最大的調(diào)光范圍中工作。電容器426和二極管424的陰極還被連接到二極管430的陽極，二極管430的陽極通過相應(yīng)的陰極連接到驅(qū)動器電路428的高端浮動供電電壓(VB)。此外，二極管430的陰極通過電容器432而連接驅(qū)動器電路428的高端浮動供電偏置電壓(Vs)，該電容器向開關(guān)FET 235提供驅(qū)動電力。
在圖4a所示的實施例中，驅(qū)動器電路428的頻率是通過選擇不同的電阻和電容值來調(diào)整的。更具體地，驅(qū)動器電路428的管腳3上的振蕩定時電容器輸入(CT)通過電容器434而被連接到第二節(jié)點214。此外，驅(qū)動器電路428的振蕩器定時電阻器輸入(RT)通過可調(diào)節(jié)的電阻器436或阻抗(例如電位計、呈現(xiàn)可變電阻或阻抗的晶體管等)而被連接到驅(qū)動器電路428的振蕩定時電容器輸入(CT)。在這種結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動器電路428的開關(guān)頻率可以通過調(diào)整電阻器436的電阻而被可變地控制，電阻器436的電阻通常是在例如制造期間設(shè)定的。在其它實施例中，對于電阻器436，可以使用固定的電阻值。
在所示出的例子中，電阻器436的電阻值和電容器434的電容值將驅(qū)動器電路428配置成產(chǎn)生頻率在約20到100kHz的范圍內(nèi)的脈沖。具體地，由驅(qū)動器電路428交變地產(chǎn)生脈沖，并且通過高端柵極驅(qū)動輸出(HO)和低端柵極驅(qū)動輸出(LO)來輸出所述脈沖。換句話說，在開關(guān)頻率的周期的第一個半周期內(nèi)(即單個周期的時間段的一半)，驅(qū)動器電路428的高端柵極驅(qū)動輸出產(chǎn)生脈沖。在開關(guān)頻率的周期的第二個半周期內(nèi)(即周期的低端)，驅(qū)動器電路428的低端柵極驅(qū)動輸出產(chǎn)生脈沖。通常，脈沖之間存在晶體管都未接通的死時間，例如在第一個脈沖結(jié)束之后而第二個脈沖開始之前的時間。
在圖4a的實施例中，高端柵極驅(qū)動輸出(HO)還被連接到NMOS晶體管235的柵極，并且管腳5上的低端柵極驅(qū)動輸出(LO)被連接到NMOS晶體管240的柵極。在其它例子中，驅(qū)動器電路428可以通過電阻器而被連接到晶體管235和240的柵極，以阻止例如寄生振蕩。如果存在電阻器，則這些電阻器在31歐姆左右。NMOS晶體管235和240也分別通過其源極和漏極而連接到驅(qū)動器電路428的高電壓浮動供電返回(Vs)。NMOS晶體管235的漏極被連接到第一節(jié)點212，并且NMOS晶體管240的源極被連接到第二節(jié)點214。
如上所述，NMOS晶體管235的源極和NMOS晶體管240的漏極被連接到用于選擇性地在其中存儲電荷的諧振或“儲能”電路245。在所示出的例子中，諧振電路245包括與電感器444串聯(lián)的電容器442。電容器442部分起到隔直流電容器的作用。在一些實施例中，根據(jù)經(jīng)驗，其值大約是電容器215的值的1/10。然而，可以使用其它比率，但是所述其他比率不能優(yōu)化功率因數(shù)。通常，電容器442的值為從1μF到0.01μF。
電感器444通常是能夠處理大的峰值電流的有隙芯電感器(gappedcore inductor)。由于該電感器既處理較低的線頻率電流(例如120Hz)又處理較高的開關(guān)頻率電流(例如20-100kHz)并且必須避免在較低頻率的飽和，因此，這個電感器比用于相同功率的典型的現(xiàn)有技術(shù)鎮(zhèn)流器中的電感器大。這與處理經(jīng)濾波整流的DC輸出電壓從而產(chǎn)生具有小波紋的大體上恒定的DC電壓的現(xiàn)有技術(shù)的鎮(zhèn)流器是不同的。因此，儲能電路中的現(xiàn)有技術(shù)電感器未被設(shè)計成傳導(dǎo)線頻率電流。在圖4a中，電感器存儲來自低頻和高頻電流二者的能量。電感器有間隙以便減少在操作期間產(chǎn)生的熱量并消除低頻電流的峰值電流(在某些實施例中可以是3-4安培)的飽和。間隙的大小取決于芯材的磁導(dǎo)率，并且通常在0.1”到0.3”的范圍內(nèi)，該間隙遠(yuǎn)大于可在典型的現(xiàn)有技術(shù)鎮(zhèn)流器中找到的間隙。此外，為處理大電流，所使用的接線通常是“利茲(Litz)”線(也稱為絞合線(Litzendrahtwire))，該接線由一定數(shù)量的精細(xì)的、分別絕緣的鉸線制成，所述鉸線被特別編織或交織在一起，以降低外皮影響，并且因而對高頻電流呈現(xiàn)較低電阻以便降低RF損耗。電感器的等級主要由高頻操作來確定，并且可以通過下面的公式來粗略確定大小30/瓦＝X mH，其中“瓦”表示來自光源的期望輸出。電感器的值必須使得該電容器允許電路在所期望的頻率范圍(18-80kHz)內(nèi)工作，并且最好高于40kHz，以便滿足特定的能量效率標(biāo)準(zhǔn)。因而，根據(jù)經(jīng)驗，15瓦的光源通常需要30/15＝2mH的電感器。此外，電感的值根據(jù)下面的等式(1)隨所需的工作頻率而變化。因而，可以使用范圍達(dá)到結(jié)果電感的3倍或上述結(jié)果的1/3的各種值，換言之，該范圍可以從低至2/3mH到高至6mH。當(dāng)儲能電路的諧振頻率增大時，電感器的電感值降低。圖10a-c示出典型電感器芯的一部分的尺度，其中，圖10a示出了電感器的側(cè)視圖1000a，圖10b示出了端視圖1000b。在圖10c中示出了包括“雙E”芯1004a、1004b的電感器1002。下列值通?？捎糜谠?0kHz達(dá)到38瓦的功率輸出的范圍，其中A＝1”，B＝0.63”，C＝0.25”，D＝0.507”，E＝.74”，F(xiàn)＝0.25”，并且間隙在0.1和0.3”之間。但是可以高至0.5”。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，各種形狀、接線、材料和結(jié)構(gòu)均是可能的，以便滿足電感器的功能性需求。
電感器444通過電容器446而被連接到第二節(jié)點214，以在其中存儲電荷并且激發(fā)光源。此外，電感器確保電流與電源電壓同相，從而有利于電路的高功率因數(shù)。此外，電感器444通過第一燈絲255而被連接到電容器448。電容器448還通過第二燈絲260連接到第二節(jié)點214。電容器448接收電流并且在其中存儲電荷，以通過流過燈絲255和260的電流來激發(fā)光源。下面的等式1描述了示例性諧振電路245的諧振頻率 等式[1] 其中fR是電路的諧振頻率，L444是電感器444的電感值，C442是電容器442的電容值，C446是電容器446的電容值，并且C448是電容器448的電容值。在所示出的實施例中，電容器446被配置成具有不同的值，使得電容器446具有與電容器448不同的能量潛力。具體地，電容器446提供較大的電壓，以允許開啟燈250(圖2)。電容器446和電容器448的總和影響儲能電路的諧振頻率。通常，電容器448的值由流過燈絲的期望電流來確定，燈絲具有通常由制造商設(shè)定或由具體國家的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主體設(shè)定的電阻。電容器215、電容器442和電容器446通常由聚丙烯制成，但是可以由聚酯制成，只要每個電容器均具有低的等效串聯(lián)電阻(ESR)值即可。由于電解電容器通常具有大的ESR特性，因此，這些電容器通常不是電解電容器。
電路中的部件的值根據(jù)燈的輸出功率和所期望的諧振頻率而變化。下表中示出了在某些實施例中某些部件用于120VAC操作的值 在實施例1和3中，操作是針對CFL燈泡的，而實施例2是針對一對4腳的管狀燈泡的。對于實施例1和2，電感器可由Elna線軸部分#CPH-E34/14/9-1S-12PD-Z制成。對于實施例3，電感器可由Elna/Fair-Rite芯#9478375002制成。在上述實施例中，對于15-42瓦的輸出功率，可以使用1μF的電容器。
圖4a中示出的電路的其它值概括如下 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，可以使用其它值或類型的部件。
由于電壓調(diào)節(jié)器電路220的存在，圖4a的實施例適于與調(diào)光器一起操作。由于節(jié)點212上存在的電壓是未經(jīng)濾波的、經(jīng)整流的AC電壓(例如DC)，因此，該電壓具有零伏的周期性谷。圖4c示出了節(jié)點212處存在的典型半周期的經(jīng)整流的電壓波形472。當(dāng)在節(jié)點212處DC電壓為零時，電壓調(diào)節(jié)器電路220保證仍然向驅(qū)動器電路225提供穩(wěn)定的DC輸出電壓。
當(dāng)與調(diào)光器一起工作時，提供給鎮(zhèn)流器電路的電壓可以不是圖4c中的波形472所示的電源。當(dāng)工作時，調(diào)光器通常在某限定的時間段內(nèi)將一部分波形箝位到零。該時間段部分地通過用戶改變調(diào)光器中的電位計以影響不同的調(diào)光電平來確定。因而，在一種情況下，如圖4c所示，時間可以被設(shè)定在t1470。結(jié)果的電壓波形474具有在t1之前的被箝位到零的部分，使得結(jié)果波形具有輸入到鎮(zhèn)流器的電源電壓為零的時間段。波形474下面的陰影部分表示提供給鎮(zhèn)流器的能量，并且提供給鎮(zhèn)流器的能量越少，則光源產(chǎn)生的光越少。
因而，在直到t1的時間段內(nèi)，電壓調(diào)節(jié)器電路220保證驅(qū)動器電路仍然接收到DC工作電壓。然而，如果鎮(zhèn)流器電路從不與調(diào)光器一起使用(或調(diào)光器本身從未被使用過)，則類似于474的電壓波形不會出現(xiàn)，并且節(jié)點212處的電壓總是與波形472相似。
在這種情況下，電壓調(diào)節(jié)器電路220可以被簡化成圖4d所示的實施例。在圖4d中，電壓調(diào)節(jié)器電路包括三個部件電容器426、電阻器485和二極管495。在這個實施例中，電阻器通常具有47k-90k歐姆的值并且，向驅(qū)動器電路428提供足夠的平均電壓?？赡苡斜匾褂镁哂袃?nèi)部齊納二極管的驅(qū)動器電路428的版本，內(nèi)部齊納二極管提供過壓保護(hù)并使用被添加到驅(qū)動器電路的調(diào)節(jié)版本的串聯(lián)二極管。當(dāng)節(jié)點212處的電壓低于所需的Vcc電壓時，電容器426放電，從而提供必要電壓以驅(qū)動所述電路428。二極管495阻止電容器426中的電荷通過電阻器485放電。這個二極管是可選的，這依賴于所期望的燈泡的光激發(fā)的速度。然而，在這個實施例中，由于調(diào)光器對輸入電壓的箝位，電容器426可能未被足夠快速地充電以在使用調(diào)光器時提供必要的電壓。然而，盡管不可調(diào)光，但這個實施例提供了高功率因數(shù)的鎮(zhèn)流器，這種整流器可提供許多益處。
結(jié)合圖示了電路400的操作的圖5-9來解釋圖4a的例子中的操作。如上所述，整流器電路210對通過電源205提供的電流進(jìn)行整流，從而產(chǎn)生在120Hz的電壓波形。圖5的示例性波形示出了第一節(jié)點212和第二節(jié)點214之間的電壓差，該電壓差由附圖標(biāo)記505表示。如圖所見，由于電容器215如前所述對電源205的線頻率呈現(xiàn)大的阻抗并且基本不影響節(jié)點212和214處的經(jīng)整流的交變電流(DC)，所以波谷到達(dá)零或接近零(小于10-18伏)。因此，節(jié)點212處的電壓在每個半周期從峰值電壓下降到基本上為零伏。電容器215的值不應(yīng)明顯影響整流器的低頻輸出電壓波形。
另外，線路濾波器401被配置成阻止來自電容器215的高頻能量回到電源205。線路濾波器401不必存在于實現(xiàn)本發(fā)明的商業(yè)產(chǎn)品中，但是，當(dāng)鎮(zhèn)流器被設(shè)計成為40瓦或更高的熒光燈供電時，通常包括某種形式的濾波器電路。如圖4b所示，線路濾波器可以包括其它部件，例如可熔斷的鏈接464和瞬時抑制器466(這些盡管不是濾波所必需的，但仍然可以存在)。濾波器包括跨接于輸入干線的電容器462以及與輸入干線串聯(lián)的扼流圈460a和460b。電容器通常為0.1μF，并且每個扼流圈通常為190μH。該線路濾波器使由鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的高頻信號衰減，以使其不被回引到電源。瞬時抑制器被示出為線路濾波器的一部分，而其保護(hù)來自電源的瞬時電壓尖峰。除了濾波器401，還可以包括電阻器465，該電阻器有效地吸收對于某些應(yīng)用可利于鎮(zhèn)流器的調(diào)光的能量。如果存在該電阻，則對于10瓦的CFL，可以使用30歐姆、5瓦的值。
返回圖4a，電壓調(diào)節(jié)器220和電阻器414的操作使NMOS晶體管410具有柵極源極電壓，并且作為響應(yīng)，NMOS晶體管410接通以傳導(dǎo)電流。在所示的例子中，電阻器412通常將晶體管410配置成在安全工作區(qū)中并且在過多的電流流動的情況下工作，其經(jīng)歷失敗，從而使晶體管410與節(jié)點212分開。最初，齊納二極管418向晶體管416的基極傳導(dǎo)電流，從而通過呈現(xiàn)晶體管410的大阻抗而使得NMOS晶體管410阻斷流入第二節(jié)點214的電流，晶體管410使電流流向驅(qū)動器電路428的管腳1上的柵極驅(qū)動供電電壓(Vcc)。當(dāng)電流流向柵極驅(qū)動供電電壓時，電容器426將電流能量存儲為電壓，以向驅(qū)動器電路428提供基本恒定的電壓。結(jié)果，驅(qū)動器電路428接通，并且通過其相應(yīng)的輸出以由可調(diào)節(jié)的電阻器436的電阻值和電容器434的電容值確定的頻率而產(chǎn)生脈沖。在某些實施例中，可調(diào)節(jié)的電阻器可以被連接到另一個串聯(lián)電阻(通常為33k左右)，以避免可調(diào)節(jié)的電阻器被設(shè)置成零(或極低的)電阻而導(dǎo)致可能損壞驅(qū)動器集成電路的情況。在其它實施例中，可以在制造期間設(shè)置可調(diào)節(jié)的電阻器，以便調(diào)整在諧振電路中的不準(zhǔn)確的部件，并且設(shè)置晶體管的開關(guān)頻率。在其它實施例中，可調(diào)節(jié)的電阻器436可以是固定值的電阻器或依賴于期望工作頻率的等效物。
然而，當(dāng)齊納二極管418上的電壓超過相應(yīng)的擊穿電壓(例如大約-14.0伏等)時，齊納二極管418進(jìn)入通常被稱作“雪崩擊穿模式”的模式，并且允許電流從其陰極流向其陽極。作為響應(yīng)，電流流過電阻器420，并且使晶體管416具有基極-發(fā)射極電壓(VBE)，從而接通晶體管416。晶體管416將電流汲到第二節(jié)點214，這降低NMOS晶體管410的柵極-源極電壓和通過齊納二極管418的電流。一旦齊納二極管418中的電流未超過設(shè)計的調(diào)節(jié)器值的輸出，則齊納二極管418恢復(fù)到設(shè)計值，并且減少流入電阻器420中的電流。換言之，如圖6的例子所示，通過降低由附圖標(biāo)記605表示的NMOS晶體管410的源極處的電壓，提供給驅(qū)動器電路428的電壓基本上不超過預(yù)定的閾值電壓(Vmax)。在圖4的例子中，選擇電阻器422的電阻值，使得減少晶體管416的環(huán)路增益，以防止振蕩，并且選擇電阻器420的電阻值，以阻止泄漏電流經(jīng)由齊納二極管418流到晶體管416的基極。
因而，示例性電壓調(diào)節(jié)器220被配置成向驅(qū)動器225提供基本恒定的(即經(jīng)調(diào)節(jié)的)電壓。當(dāng)經(jīng)由整流器210提供的經(jīng)整流的電壓降低到預(yù)定的閾值電壓(VT)以下時，電壓調(diào)節(jié)器220輸出的電壓降低。然而，如圖6的例子所示，能量存儲設(shè)備426具有超過最小閾值電壓(VT)的相應(yīng)電壓，并且持續(xù)向驅(qū)動器電路428提供能量。另外，當(dāng)節(jié)點212處的電壓降低到調(diào)節(jié)器120的電壓以下時，二極管424阻止電流從電容器426回流到NMOS晶體管410并阻止電流經(jīng)由212從不斷放電的儲能電路回流到電阻器412。
驅(qū)動器電路428被配置成產(chǎn)生以遠(yuǎn)高于線頻率的開關(guān)頻率交替地激勵晶體管235和240之一的信號。具體地，在開關(guān)頻率的單個周期的第一個半周期(或其中一部分)期間，驅(qū)動器電路428的高端輸出(HO)產(chǎn)生高端脈沖，以導(dǎo)通晶體管235，同時使晶體管240關(guān)斷。通常，高端脈沖的時長不超過開關(guān)頻率的一個周期的時間段的一半。當(dāng)驅(qū)動器電路428導(dǎo)通晶體管235時，晶體管235將節(jié)點212經(jīng)由低阻抗路徑而耦合到諧振電路245。
圖7的例子示出了圖4a的鎮(zhèn)流器電路400的等效電路700。在這個圖示中，經(jīng)整流的AC電壓(例如每個波形是正弦波的一半的時變DC電壓波形)被表示成未經(jīng)濾波的經(jīng)整流的電源705，電源705產(chǎn)生類似于圖5中所示波形的波形。最初，由于晶體管740被關(guān)斷，由附圖標(biāo)記702表示的電流所表示的能量從電源705和電容器715流入諧振電路中。電流702包括基于(兩倍)線頻率(2×60Hz＝120Hz)的電流和高頻電流(例如20kHz)的電流二者。在圖7的例子中，電容器742對低頻電流呈現(xiàn)高阻抗，從而使流入電感器744中的線頻率電流成形。當(dāng)電流離開電感器744時，由附圖標(biāo)記704表示的具有高頻電流的電流流入電容器746中，電容器746將一部分電流存儲為電壓。另外，由附圖標(biāo)記706表示的具有線頻率電流和高頻電流的電流流入燈絲755中，并且一部分電流在電容器748中被存儲為電壓。當(dāng)這個過程發(fā)生在經(jīng)整流的AC電壓的半周期的開始處時，在燈泡上沒有足夠的電壓來導(dǎo)致電離以及產(chǎn)生光。然而，當(dāng)節(jié)點712處的輸入電壓增大并且諧振電路中存儲的能量也增加時，光源750上的電壓快速地增大到足以啟動電離的電壓點，并且保持在光源750處產(chǎn)生光。當(dāng)這出現(xiàn)時，作為光源750中線路電流和高頻電流的結(jié)果，光源750發(fā)出通常在視覺上可察覺的光。另外，在所示的例子中由附圖標(biāo)記708表示的線頻率電流和一部分高頻電流離開諧振電路245并且返回到電源705和電容器715。在開關(guān)頻率的第一個半周期結(jié)束之前，電容器715中存儲的能量被釋放至其最低水平。由于晶體管在儲能電路的諧振頻率以上的頻率下工作，所以晶體管在零或接近零的電流電平被切換。
在開關(guān)頻率的時間周期的第二個一半內(nèi)，驅(qū)動器電路428的低端輸出(LO)產(chǎn)生低端脈沖，以剛好在晶體管235關(guān)斷之后導(dǎo)通晶體管240。當(dāng)驅(qū)動器電路428導(dǎo)通晶體管240時，晶體管240將節(jié)點214經(jīng)由低阻抗路徑而耦合到諧振電路245。第二脈沖的時長通常小于于開關(guān)頻率的時間周期的50％(例如小于半周期)。
圖8的例子示出了當(dāng)開關(guān)840閉合時的鎮(zhèn)流器電路400(圖4)的等效電路800。發(fā)生了兩個同時事件。首先，低頻電流807不斷地對電容器815充電。注意，在開關(guān)835閉合之后電容器815被放電至其最低點。在開關(guān)835斷開之后，電容器815不再放電，而是通過來自源805的未經(jīng)濾波的經(jīng)整流的電壓被再充電。第二，當(dāng)開關(guān)840閉合時，沒有電流流動并且沒有存儲在電感器中的能量。一旦開關(guān)840閉合，則諧振電路中的電容器放電，從而產(chǎn)生電流。當(dāng)晶體管840將節(jié)點814耦合到諧振電路時流動的電流806a是電流802和804的和(來自電容器846和848中的電荷)。與電容器846和848相比，電容器842基于先前流過其的低頻電流(未被燈泡箝位)而存儲了額外的電荷。電流806a流過開關(guān)840回到806b所示的諧振電路。因而，諧振電路中的能量再循環(huán)。同時，電感器和電容器846和848上的電壓改變極性，而這導(dǎo)致光源750上的電壓經(jīng)歷在之前的開關(guān)半周期中出現(xiàn)的電壓的負(fù)“鏡像”。
如上所述，通過接通晶體管840，諧振電路通過低阻抗路徑而被連接到第二節(jié)點814。作為響應(yīng)，電容器842、846和848將其中的電壓釋放為分別由附圖標(biāo)記806a、802和804表示的電流。電流802和804流入電感器844中，并且對電容器842充電作為電壓，從而使諧振電路245具有相對于第二節(jié)點814的負(fù)電壓。由于電流離開電容器846和848，光源850被激發(fā)以發(fā)出可視光。在一延遲后，電容器842放電，從而產(chǎn)生流入節(jié)點814中的、由附圖標(biāo)記806表示的電流。在載波頻率的第二個半周期的末尾，諧振電路基本上沒有存儲能量，并且全部能量被存儲在電感器中，其中電流流動(如果有的話)非常少。因而，即使在沒有電流流過開關(guān)時，驅(qū)動器電路也不斷地驅(qū)動開關(guān)835和840。
因而，在圖7中，當(dāng)開關(guān)735閉合時，由線電壓(未經(jīng)濾波的DC電壓)和電容器715中的很少的能量兩者給諧振電路加電，這被加入到已經(jīng)存儲在諧振電路中的能量。接著，在圖8中，在開關(guān)周期的下一個半周期中，開關(guān)835斷開，而開關(guān)840閉合。諧振電路中的電容器放電，從而使燈泡上的電壓變成負(fù)電壓。假定燈泡已被電離，燈泡充當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器，用于限制可存在于其端子上的最大絕對電壓。在燈泡的電離期間，電流802大部分是恒定的，并且電流804隨AC輸入線路電流而變化。應(yīng)當(dāng)注意，這個說明是根據(jù)處于高頻的單個開關(guān)周期來進(jìn)行的，而對于其中來自電源的輸入電壓可以是較低或較高的電壓從而影響電路中各元件的相關(guān)電荷、電壓和電流的其它開關(guān)周期，重復(fù)所述過程。
圖9所示的電壓波形示出了在操作期間跨接于光源的諧振電路中的電壓。圖9示出了一定數(shù)量的半線路周期(120Hz)，其中給定的半周期A906是線頻率的一半(例如120Hz或.008秒)。以圖9中示出的時間比例，處于開關(guān)頻率(例如40kHz)的各電壓901是難以單獨辨識的，因而附圖不必按比例繪制。(如果按比例繪制，那么高開關(guān)頻率的波形會難以辨別)。
時間段A 906中的每個半線路周期示出了類似的圖案。在出現(xiàn)在半周期的開始處的時間段B 900中，圖7的開關(guān)735引入來自經(jīng)整流的AC線路的能量。然而，由于經(jīng)整流的AC電壓剛好從零伏起增大，因此，引入諧振電路的能量相對較小。此外，旁路電容器715中存儲的任何能量同樣被加到諧振電路。能量作為電壓被存儲在諧振電路的電容器中。由于諧振電路中存儲的能量的累積，與經(jīng)整流的AC電壓的增加相比，光源上的電壓增加得更快。接著，開關(guān)735斷開，并且在此后不久，圖8中描述的開關(guān)740閉合。在該點，能量從電容器轉(zhuǎn)換到電感器并且以相反的極性回到電容器，而燈泡上的電壓被反轉(zhuǎn)。在圖9中的短時間段B 900內(nèi)，由于燈管未被電離，在無負(fù)載的諧振電路中電壓快速地增大。在燈管中沒有發(fā)生電離，并且盡管可能存在某些由燈管中的磷光而產(chǎn)生的持續(xù)的光，但是沒有發(fā)生用以產(chǎn)生光的激活的電離。
這個過程在燈管上增加電壓，直到發(fā)生電離(20-35伏左右的諧振電路的輸入電壓)，電離在時間段C 902的開始處發(fā)生。燈管充當(dāng)電壓箝位調(diào)節(jié)器，以保持其上的電壓恒定(即電壓的幅值或絕對值，而不管它是正值還是負(fù)值)，該電壓在圖9中被示出為平均電離電壓電平910。在該半周期的剩余部分的大部分中，這個過程持續(xù)，直到至諧振電路的未經(jīng)濾波的DC輸入電壓處于不再保持電離的點以下。這示出為時間段D 904。因而，在電離之前，諧振電路中的所有能量被循環(huán)，并且在電離之后，諧振電路中的大部分能量被循環(huán)(因為一部分被傳送到燈泡用于產(chǎn)生光)。
在輸入到儲能(由晶體管735和740來切換)的經(jīng)整流的AC的開始、峰和下降電壓邊緣上，電壓是變化的，并且燈泡的恒定電離電壓導(dǎo)致要被電容器742和電感器744線性處理的電流的大的變化。與具有經(jīng)濾波的DC供給的常規(guī)鎮(zhèn)流器相比，電流中的該變化導(dǎo)致Q值的大的變化。
因而，在半周期開始和半周期結(jié)束處存在示出為周期E 908的短時間段，其中在燈管上未發(fā)生電離，并且沒有由于電離而產(chǎn)生的光。因此，不同于啟動燈管中的電離并且在正常操作(例如當(dāng)向鎮(zhèn)流器供電時)期間保持電離的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明在每個半周期或每秒120次啟動電離。此外，每隔半個周期存在由于電離停止而沒有產(chǎn)生光的時間段。然而，電壓過低不能產(chǎn)生電離的時間段是非常短的，并且不會產(chǎn)生人可察覺的狀況。
以線頻率流入諧振電路中的電流在很大程度上被保持為正弦波，這意味著電流負(fù)載在很大程度上與來自電源的處于線頻率的電壓同相。此外，諧振電路在半周期之間的時間段內(nèi)不存儲任何使低頻電流畸變的顯著的能量(電感性或電容性)，從而使得諧振電路對電源表現(xiàn)為電阻負(fù)載。因而，本電路在操作期間保持高的功率因數(shù)。具體地，由于流過諧振電路的電流大體上類似于正弦波，因此所示例子的頂峰因數(shù)大約為2的平方根(例如約1.5)，這接近理想的頂峰因數(shù)。這與需要專用的功率因數(shù)校正電路以得到適當(dāng)?shù)捻敺逡驍?shù)的現(xiàn)有技術(shù)的鎮(zhèn)流器形成對比。
另外，由于高頻能量通過非電解的旁路電容器不斷地再循環(huán)，因此，本發(fā)明的示例性鎮(zhèn)流器電路不需要在常規(guī)鎮(zhèn)流器中使用的大電解電容器來存儲相當(dāng)量的低頻能量。此外，對電源205呈現(xiàn)的阻抗僅通過諧振電路來改變，并且示例性電路400只包含單個電感器。這樣，這里描述的實施例相對于電源能夠利用單級處理來實現(xiàn)高功率因數(shù)(通在.9以上)，而無需包括在常規(guī)的功率因數(shù)校正電路中找到的部件。另外，由于所述例子不需要大的、高壓、低溫電解電容器，因此，本發(fā)明的鎮(zhèn)流器的壽命大大增加。
本發(fā)明的其它益處包括在可預(yù)測且較寬的范圍中有效對光源調(diào)光的能力。盡管鎮(zhèn)流器自身未提供任何調(diào)光并且需要為此與調(diào)光器電路交互，但鎮(zhèn)流器電路可有效地與在2008年9月5日提交的第12/205,564號美國專利申請中公開的調(diào)光器一起使用，根據(jù)35U.S.C.§119(e)，該申請要求2008年2月8日提交的標(biāo)題為“Two-Wire Dimmer Switch forDimmable Fluorescent Lights”的序列號61/006,967的美國臨時專利申請的權(quán)益，在此通過引用將二者中的每個申請的所有教導(dǎo)合并于此。對電壓調(diào)節(jié)器中的輔助電解電容器的充電是在從調(diào)光器的輸出產(chǎn)生的電壓波形的最開始處進(jìn)行的，其中調(diào)光器消耗當(dāng)相位控制的調(diào)光器接通為鎮(zhèn)流器的輸入旁路電容器充電時所產(chǎn)生在室內(nèi)接線中的存儲的電感。正好在輔助電容器充電期間的這個時間內(nèi)，如果輸入旁路電容器的電流未被串聯(lián)調(diào)節(jié)器所呈現(xiàn)的負(fù)載所抑制，這通常導(dǎo)致該電流環(huán)繞(ringing)。
盡管這里已描述了某些方法、設(shè)備、系統(tǒng)和制造的物品，但是該專利所涵蓋的范圍不限于此。相反，該專利涵蓋在文字上或者在等效原則下清楚地落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有方法、設(shè)備、系統(tǒng)和制造的物品。
權(quán)利要求
1.一種鎮(zhèn)流器電路，包括
連接到第一節(jié)點和第二節(jié)點的整流器，該整流器被配置成提供以線頻率的兩倍而變化的未經(jīng)濾波的DC電壓的輸出，所述DC電壓是從以所述線頻率交變的AC電壓電源中整流的，其中所述第一節(jié)點被連接到旁路電容器的第一端子，并且所述第二節(jié)點被連接到所述旁路電容器的第二端子，所述旁路電容器以超過所述線頻率的第一頻率存儲能量，其中在所述線頻率，所述旁路電容器對所述未經(jīng)濾波的DC電壓呈現(xiàn)高阻抗；
連接到所述第一節(jié)點的第一開關(guān)，所述第一開關(guān)能夠選擇性地將所述第一節(jié)點耦合到諧振電路，所述諧振電路具有諧振頻率并且被配置成連接到光源，其中所述諧振電路在所述第一頻率的周期的第一部分期間存儲能量；
第二開關(guān)，所述第二開關(guān)能夠選擇性地將所述諧振電路連接到所述第二節(jié)點，所述第二開關(guān)使在所述諧振電路中存儲的所有或一部分能量在所述第一頻率的周期的第二部分期間再循環(huán)到所述諧振電路中。
2.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述旁路電容器的值使得所述未經(jīng)濾波的DC電壓在所述線頻率的每個半周期下降到小于18伏。
3.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述旁路電容器在所述線頻率的每個半周期被放電。
4.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，還包括以高于所述第一頻率的開關(guān)頻率交替地驅(qū)動所述第一和第二開關(guān)之一的驅(qū)動器電路。
5.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述諧振電路包括
第一電容器，所述第一電容器具有連接到所述第一和第二開關(guān)的第一端子；
電感器，所述電感器具有連接到所述第一電容器的第二端子的第一端子，其中，所述電感器的值允許所述線頻率的未經(jīng)濾波的直流電流以及所述第一頻率的第二電流同時流過所述電感器而不使所述電感器飽和；
第二電容器，所述第二電容器具有連接到所述電感器的第二端子的第一端子，該電容器的第二端子連接到所述第二節(jié)點；以及
第三電容器，所述第三電容器具有第一端子和第二端子，該第一端子和該第二端子被配置成連接到所述光源的第一和第二燈絲。
6.如權(quán)利要求5所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述旁路電容器的值被選擇成使得所述光源在所述線頻率的每個半周期點亮。
7.如權(quán)利要求5所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，被配置成連接到所述光源的諧振電路被連接到所述光源，其中，所述電感器和所述第一電容器能夠同時限制提供給所述光源的第二電流以及所述線頻率的未經(jīng)濾波的DC電流的流動。
8.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，被配置成連接到所述光源的諧振電路被連接到所述光源，其中，所述整流器的第一端子在所述第一頻率的第一部分期間通過諧振網(wǎng)絡(luò)而被連接到所述光源，而所述整流器的第二端子在所述第一頻率的第二部分期間通過諧振網(wǎng)絡(luò)而被連接到所述光源，其中，所述光源在某個時間段以與所述線頻率的周期的兩倍對應(yīng)的速率而周期性地不被電離。
9.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，被配置成連接到所述光源的諧振電路連接到所述光源，并且其中，所述光源在所述AC電壓跨越零伏時不被電離。
10.如權(quán)利要求2所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述電容器包括聚丙烯電容器，當(dāng)家用電力是120v時，該聚丙烯電容器的電容值相對于每瓦要被連接到所述諧振電路的光源的電力在25-100納法的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求10所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述第二電容器是具有從0.01μF到1μF的值的聚丙烯電容器。
12.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述鎮(zhèn)流器與熒光燈泡集成在一起，以形成緊湊型熒光燈。
13.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述諧振電路被配置成連接到管狀熒光燈泡。
14.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述諧振電路被配置成將所述光源的阻抗與未經(jīng)濾波的經(jīng)整流的DC電壓源的輸出相匹配。
15.如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流器電路，還包括
電壓調(diào)節(jié)器電路，該電壓調(diào)節(jié)器電路被配置成向用于驅(qū)動所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的驅(qū)動器電路提供經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸入電壓，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器電路被配置成在來自所述電源的所述AC電壓由調(diào)光器處理時向所述驅(qū)動器提供所述經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸入電壓。
16.一種為鎮(zhèn)流器電路供電的方法，包括
在連接到全波橋式整流器的輸出的非電解旁路電容器中充電，其中，所述旁路電容器的值使得所述旁路電容器在線頻率的每個半周期被放電；
在所述旁路電容器中存儲能量，以隨后從所述旁路電容器產(chǎn)生高頻電流，所述旁路電容器連接到第一節(jié)點和第二節(jié)點；
在第一時間段，選擇性地將所述旁路電容器經(jīng)由所述第一節(jié)點耦合到諧振電路，其中，將所述諧振電路耦合到所述第一節(jié)點導(dǎo)致在光源處的電壓，其中，在所述光源處的所述電壓是來自全波橋式整流器的以所述線頻率輸出的第一電流、來自所述旁路電容器的高頻電流以及在所述諧振電路中存在的第二電流的組合的結(jié)果；以及
在第二時間段，選擇性地將所述諧振電路耦合到所述第二節(jié)點，其中，耦合所述第二節(jié)點在所述光源處的諧振電路中產(chǎn)生負(fù)電壓，并且允許來自所述全波橋式整流器的能量被存儲在所述旁路電容器中。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，選擇性地將所述旁路電容器經(jīng)由所述第一節(jié)點耦合到諧振電路的步驟包括將所述諧振電路耦合到整流器的第一端子，其中，所述整流器生成未經(jīng)濾波的DC電壓，所述未經(jīng)濾波的DC電壓具有在所述線頻率的兩倍的經(jīng)整流的正弦波形。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，當(dāng)所述整流器的輸入處的AC電壓跨越零電壓點時，所述光源處的所述電壓不足以使燈泡電離。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括以下步驟
調(diào)節(jié)連接到用于驅(qū)動所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的驅(qū)動器電路的可變電阻器，以改變所述第一時間段和所述第二時間段。
20.一種鎮(zhèn)流器電路，包括
全波橋，所述全波橋被配置成接收線頻率的AC電壓，所述全波橋具有第一節(jié)點和第二節(jié)點，所述全波橋被配置成在所述第一節(jié)點處提供具有經(jīng)整流的AC電壓波形的未經(jīng)濾波的DC電壓，所述全波橋被配置成提供所述線頻率的第一電流；
旁路電容器，所述旁路電容器包括具有小于3μF的值的非電解電容器，所述旁路電容器具有連接到所述第一節(jié)點的第一端子和連接到所述第二節(jié)點的第二端子，所述旁路電容器被配置成提供高頻的第二電流；
驅(qū)動器電路，所述驅(qū)動器電路被配置成周期性產(chǎn)生第一驅(qū)動信號和第二驅(qū)動信號；
第一固態(tài)開關(guān)，所述第一固態(tài)開關(guān)被連接以接收所述第一驅(qū)動信號，所述第一固態(tài)開關(guān)具有連接到所述第一節(jié)點的第一端子和連接到第三節(jié)點的第二端子，所述第一固態(tài)開關(guān)被配置成在被所述第一驅(qū)動信號驅(qū)動時將所述第一節(jié)點連接到所述第三節(jié)點，從而向所述第三節(jié)點提供所述第一電流和所述第二電流；
第二固態(tài)開關(guān)，所述第二固態(tài)開關(guān)被連接以接收所述第二驅(qū)動信號，所述第二固態(tài)開關(guān)具有連接到所述第三節(jié)點的第一端子和連接到所述第二節(jié)點的第二端子；以及
諧振電路，所述諧振電路包括第一電容器、電感器、第二電容器和第三電容器，其中
所述第一電容器具有連接到所述第三節(jié)點的第一端子，所述第一電容器具有小于0.2μF的值；
所述電感器具有連接到所述第一電容器的第二端子的第一端子，并且具有連接到所述第二電容器的第一端子的第二端子，
所述第二電容器具有連接到所述第二節(jié)點的第二端子，
所述電感器的第二端子被配置成經(jīng)由氣體放電燈的第一燈絲的第一燈絲端子而連接到所述第三電容器的第一端子，
具有第二端子的所述第三電容器被配置成連接到所述氣體放電燈的第一燈絲的第二燈絲端子，
其中，所述第三電容器被配置成連接到所述氣體放電燈的第二燈絲的第一燈絲端子，并且所述第二節(jié)點被配置成連接到所述氣體放電燈的第二燈絲的第二燈絲端子，以及
其中，所述電感器被調(diào)整大小，使得所述電感器在峰值電流流過所述電感器期間不飽和，當(dāng)整流器的輸出處于其最高輸出電壓時所述峰值電流包括所述第一電流和所述第二電流。
21.如權(quán)利要求20所述的鎮(zhèn)流器電路，還包括
輔助供給電路，所述輔助供給電路被連接以接收在所述第一節(jié)點處的所述未經(jīng)濾波的DC電壓，所述輔助供給電路被配置成向所述驅(qū)動器電路提供輸入電力。
22.如權(quán)利要求21所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述輔助供給電路包括
電阻器，該電阻器具有第二端子以及連接到所述第一節(jié)點的第一端子；及
輔助濾波電容器，該輔助濾波電容器具有連接到所述電阻器的所述第二端子的第一端子和連接到所述第二節(jié)點的第二端子，其中該第一端子向所述驅(qū)動器電路提供輸入電力。
23.如權(quán)利要求21所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述輔助電路包括
第一電阻器，該第一電阻器具有第二端子及連接到所述第一節(jié)點的第一端子；
第一晶體管，該第一晶體管具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到所述第一電阻器的第二端子，所述第一晶體管的所述第二端子連接到第四節(jié)點；
二極管，該二極管具有連接到用于提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓的第四節(jié)點的陽極和連接到第四電容器的第一端子的陰極，所述第四電容器具有連接到所述第二節(jié)點的第二端子；以及
齊納二極管，該齊納二極管具有連接到所述第四節(jié)點的陰極和經(jīng)由第二電阻器連接所述第二節(jié)點的陽極。
24.如權(quán)利要求21所述的鎮(zhèn)流器電路，還包括
所述氣體放電燈，其中，所述氣體放電燈包括熒光燈。
25.如權(quán)利要求21所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述鎮(zhèn)流器被配置成與包括至少一個管狀熒光燈的所述氣體放電燈一起工作。
26.如權(quán)利要求21所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，對于輸出額定在小于42瓦的燈，所述電感器的值在0.23和2.1mH之間。
27.如權(quán)利要求24所述的鎮(zhèn)流器電路，其中，所述氣體放電燈在每個半周期期間周期性地不被電離。
28.一種操作鎮(zhèn)流器以使熒光燈泡發(fā)光的方法，包括以下步驟
由第一固態(tài)開關(guān)選擇性地以開關(guān)頻率切換線頻率的經(jīng)整流的AC電壓，從而向諧振電路提供多個經(jīng)切換的DC電壓；
由所述諧振電路向所述熒光燈泡產(chǎn)生多個交變的燈泡電壓，其中
在所述熒光燈泡未被電離的第一時間段，所述多個交變的燈泡電壓的第一部分增大電壓的幅值，
在第二時間段，由于發(fā)生在所述熒光燈泡中的電離，所述多個交變的燈泡電壓的第二部分保持電壓的幅值的恒定，
在所述熒光燈泡未被電離的第三時間段，所述多個交變的燈泡電壓的第三部分降低電壓的幅值，以及
其中，所述第一時間段、所述第二時間段和所述第三時間段發(fā)生在所述線頻率的半周期期間。
全文摘要
用于為可調(diào)光的并具有高功率因數(shù)的鎮(zhèn)流器供電的方法和設(shè)備。鎮(zhèn)流器電路包括被配置成激勵諸如熒光燈等的光源的諧振電路、整流器、旁路電容器以及驅(qū)動器電路。具體地，旁路電容器存儲能量以產(chǎn)生高頻電流，所述高頻電流被引入諧振電路中，以使能量在諧振電路中不斷地再循環(huán)，從而導(dǎo)致電路具有高功率因數(shù)。此外，由于流入諧振電路中的電流基本上是正弦的，因此，電路通常具有理想的頂峰因數(shù)，從而提高了光源的壽命。
文檔編號H05B41/298GK101606440SQ200880000671
公開日2009年12月16日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月8日
發(fā)明者雷·詹姆斯·金 申請人:純光浦有限公司