專利名稱：鎮(zhèn)流電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使電燈工作的鎮(zhèn)流電路，包括一個變流器，用于產(chǎn)生交變電壓，具有至少一個開關(guān)元件；一個負荷電路，接變流器，具有一些供接電燈用的端子；一個驅(qū)動電路，接開關(guān)元件，供產(chǎn)生使開關(guān)元件交替通斷的驅(qū)動信號；一個測量電路，接負荷電路和驅(qū)動電路，供產(chǎn)生作為負荷電流測定結(jié)果的第一信號。
從美國專利4,952,849可了解到這種鎮(zhèn)流電路的情況。
鎮(zhèn)流電路，也叫做電子燈鎮(zhèn)流器，通常有一些變流器給負荷提供基本上呈方波的高頻電壓輸出。負荷一般包括工作過程中由電燈組成的負荷電路。一般的變流電路都有電力變換線路(即一些晶體管)將輸入的直流變換成所要求的高頻交流輸出。
控制電路，如Fellows等人的美國專利4,952,849所公開的那一種，供驅(qū)動電路饋電變流器的開關(guān)線路，檢測負荷電流從而控制開關(guān)線路。各開關(guān)都處于接通狀態(tài)，為的是最大限度地減少過渡過程期間對開關(guān)造成的損害。這通常叫做零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)。這種轉(zhuǎn)換方法最大限度地減小開關(guān)接通過程中開關(guān)兩端的電壓。
變流器的開關(guān)頻率一般高于諧振電路的諧振頻率，即維持諧振電路處于感性狀態(tài)。維持電路處于感性狀態(tài)，在ZVS線路中各電源開關(guān)之間的切換過渡過程中極為關(guān)鍵，否則會導(dǎo)致電力大量損耗，使電路中各元件損壞。
實現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換通常采用的一個方法是維持開關(guān)頻率使其高于諧振頻率，如Steigerwald在1998年4月的《電氣與電子工程師協(xié)會工業(yè)電子學(xué)學(xué)報》第174～181頁上發(fā)表的題為“半橋式諧振變換器電路布局的比較”一文中所述的那樣。這種以頻率為基礎(chǔ)的線路不難用壓控振蕩器(VCO)付諸實施。但這種控制方法嚴格要求需要預(yù)先知道諧振頻率，以確定掃頻區(qū)。在簡單的應(yīng)用中，例如在單個電燈的LC諧振變流器為基礎(chǔ)的電源和電子鎮(zhèn)流器中，只要各變流器是在高品質(zhì)因數(shù)條件下運行，最高增益頻率在負荷和線路變動的過程中基本不變。在這些情況下，以頻率為基礎(chǔ)的控制方法效果良好。
然而，在某些情況下，諧振電路的特性會隨電燈負荷、母線電壓、環(huán)境條件或元件的老化而改變。以頻率為基礎(chǔ)的簡單控制方法可能不能適應(yīng)新的掃頻區(qū)從而不能維持零電壓轉(zhuǎn)換。
Nalbant在1995年3月的《電氣與電子工程師協(xié)會應(yīng)用工業(yè)電子學(xué)會議記錄》第657～664頁上發(fā)表的題為“新型經(jīng)改進的控制技術(shù)”一文中所述的電路，通過將工作頻率提高到諧振頻率以上實現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換通過調(diào)定流經(jīng)負荷匹配網(wǎng)路電流的閾值進行。達到其中一個這些閾值時，變流器中發(fā)生轉(zhuǎn)換。這種方法的缺點是，必須選擇和調(diào)定閾值，還必須采用復(fù)雜的邏輯電路。若電流值大幅度波動，可能會達不到閾值，而且可能會使轉(zhuǎn)換周期不準或工作頻率失調(diào)。
因此，本發(fā)明的目的是提供電源或鎮(zhèn)流器的一種裝有變流器因而消除了現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷的零電壓轉(zhuǎn)換線路。
因此，本發(fā)明書開端所述的鎮(zhèn)流電路，按照本發(fā)明具有這樣的特點驅(qū)動電路還配備有相移電路，供產(chǎn)生相對于第一信號相移的第二信號，且驅(qū)動電路有個控制裝置，供控制得使驅(qū)動信號基本上與第二信號同相。
相移電路使第一信號與驅(qū)動信號之間，從而也使負荷電路中的電流與變流器產(chǎn)生的交變電壓之間，在相角上偏移，從而避免變流器容性運行，有效實現(xiàn)ZVS。
第二信號最好相對于第一信號相移預(yù)定的正相角，從而使變流器產(chǎn)生的交變電壓導(dǎo)超前于第一信號預(yù)定的正相角。在這種情況下，相移電路簡單。
本發(fā)明的鎮(zhèn)流電路，在第二信號過零值時，驅(qū)動信號使開關(guān)元件導(dǎo)通，因而效果良好。
大家知道，制取相移電路較容易而可靠的方法是采用全通濾波器。
為抑制第一信號的低頻分量，最好在鎮(zhèn)流電路中裝一個濾波器。
變流器采用半橋式變流器同樣可以使本發(fā)明的鎮(zhèn)流電路取得良好的效果。
參看附圖和下面的詳細說明及權(quán)利要求書可以清楚理解本發(fā)明的上述和其它目的、特點和優(yōu)點。
附圖中

圖1是本發(fā)明一個實施例電源的方框圖；圖2是變流器和電源的原理圖；圖3是電源的方框圖，舉例說明了驅(qū)動電路的各項功能；圖4是部分驅(qū)動電路的原理圖，舉例說明了高通濾波器、增益控制、相移電路和波形整形功能；圖5是部分驅(qū)動電路的半原理半邏輯的電路圖，舉例說明了波形整形和PWM(脈寬調(diào)制)功能；圖5A是圖5計時電路和半方框半原理的電路圖；圖6是說明起動流程的原理圖；圖7是說明與起動有關(guān)的掃頻功能的原理圖；圖8是說明橋式驅(qū)動線路的原理圖；圖8A是說明驅(qū)動器IC(集成電路)各功能的原理圖；圖9是流經(jīng)諧振電路的電流、相移信號和各開關(guān)開關(guān)順序的時間曲線。
圖1中所示的電源電路包括電壓源V、變流電路A、諧振電路B和控制變流電路A的驅(qū)動電路C。電壓源V是直流電壓源，經(jīng)線路RL1和RL2給變流電路A供電。不然也可以將交流電壓源與整流電路結(jié)合起來使用，這時還包括功率校正。變流電路A取電壓饋電半橋式的電路布局，由驅(qū)動電路C控制。諧振電路B接收變流電路A在線路100和102上基本上呈方波的輸入。在此實施例中，負荷為多并聯(lián)負荷燈系。
驅(qū)動電路C經(jīng)線路104接收與流經(jīng)諧振電路B的電流成正比的電壓信號。相移電路在驅(qū)動電路C中使檢測出的電流信號相移預(yù)定的相角。相角φref輸入系統(tǒng)中。這個相角在明暗可調(diào)的燈系中還可用作明暗調(diào)節(jié)接口。提供給變流器的驅(qū)動信號106和108根據(jù)此相移電流信號進行零電壓轉(zhuǎn)換和控制變流電路A。
現(xiàn)在翻到圖2。變流電路A有一對開關(guān)Q1和Q2呈半橋式結(jié)構(gòu)配置，在驅(qū)動控制電路C的控制下，電壓源V來的直流電壓轉(zhuǎn)換成變流器輸出端兩端大致呈方波的高頻交流輸出信號。本實施例說的是具一對開關(guān)的半橋式變流器，但這里所述的開關(guān)線路也適用于具四個開關(guān)的全橋式電路布局。在這種結(jié)構(gòu)中，各開關(guān)是成對而不是逐個控制的。
開關(guān)Q1和Q2最好是MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，但也可采用BJT(雙極結(jié)晶體管)作為電源開關(guān)。開關(guān)Q1與寄生二極管D1并聯(lián)連接。開關(guān)Q1還可與一個緩沖電容器并聯(lián)連接，這里可能包括開關(guān)Q1附帶的結(jié)電容器。同樣，開關(guān)Q2與寄生二極管D2并聯(lián)連接，也可與一個緩沖電容器并聯(lián)連接，從而可能包括開關(guān)Q2附帶的結(jié)電容器。開關(guān)Q1的漏極經(jīng)干線RL1接電壓源V的輸出端。開關(guān)Q1的源極接開關(guān)Q2的漏極。開關(guān)Q1的控制柵通過電阻器R10和二極管D10組成的并聯(lián)電路經(jīng)控制線路108接驅(qū)動電路C相應(yīng)的柵控制端。二極管D10的正極接開關(guān)Q1的控制柵。二極管D10的作用是迅速清除控制柵的電荷從而提高轉(zhuǎn)換速度。開關(guān)Q2的控制柵同樣經(jīng)控制線路106接驅(qū)動電路C的柵控制端。開關(guān)Q2也有類似的電阻器R12和二極管D12組成的并聯(lián)電路。這個個別電路與MOSFET開關(guān)Q1和Q2配合使用。不同的柵驅(qū)動采用雙極晶體管開關(guān)進行，這方面屬于本發(fā)明的范圍。
線路100將開關(guān)Q2的源極與開關(guān)Q1的漏極之間的中點I與隔直流電容器Cbk的一端連接起來。電容器Cbk的作用是隔離節(jié)點I處產(chǎn)生的變流器輸出電壓直流分量。線路112將中點I經(jīng)電阻器R14與驅(qū)動電路C連接起來，這下面即將說明。線路102接開關(guān)Q2的漏極。線路100和線路102用作變流電路C的輸出端。變流器A的輸出為基本上呈方波的信號。
繼續(xù)參看圖2。諧振電路B的作用是對去負荷的電壓和電流波形整形，負荷可以是例如并聯(lián)連接的即時起動熒光燈L1,L2,L3,L4負荷，各熒光燈分別與鎮(zhèn)流電容器CL1,CL2,CL3,CL4串聯(lián)連接。
諧振電路B有一個諧振電感線圈Lr，經(jīng)線路100與隔直流電容器Cbk串聯(lián)連接。諧振電容器Cr與隔離變壓器T1的初級線圈并聯(lián)連接。
諧振電路B對變流電路A方波電壓輸出的濾波作用使電流大致呈正弦波形流通。此電流可由線路102上小阻值R20兩端的壓降檢測出來。線路104上檢測出的電流信號輸入驅(qū)動電路C，這下面即將說明。
圖3的方框圖示出了驅(qū)動電路C的各組成部分。電流檢測電路200檢測RS1兩端的壓降。高通濾波器204用來濾除檢測出的電流的一個頻率分量。工作頻率相應(yīng)的頻率分量可以通過，但較低的頻率信號分量就受到抑制，不能存在于電流信號中。這里利用了自動增益控制206來控制信號的振幅從而防止其對電路元件的飽和作用。相移電路208使信號相移φref角。波形整形電路210由相移電流信號過零點時激發(fā)。脈寬調(diào)制器212產(chǎn)生開關(guān)脈沖，柵驅(qū)動器216控制各開關(guān)的開關(guān)時間和相應(yīng)的工作循環(huán)。起動邏輯電路214使燈從起動過渡到穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài)。
現(xiàn)在翻到圖4。電流檢測電路200是個差動放大器，其作用是檢測R20兩端的壓降。R22,R22,R24,R26,R28和R30接操作放大器202(例如LT1122)，從而在線路106上提供正比于諧振電路B中電流的輸出電壓信號。信號是工作頻率下的信號，基本上呈正弦形，且其各頻率分量較低。高通濾波器204接收檢測出的電流信號。本發(fā)明同樣適用于更高級的諧振電路。因此，可以有多個低頻分量使濾波器204所抑制的電流信號振蕩。
高通濾波器204的輸出端配備有自動增益控制器206，從而避免檢測出的電流使線路元件飽和。一對倒相操作放大器220和222用來調(diào)節(jié)信號的大小并提供正的增益系數(shù)。信號的調(diào)節(jié)選用操作放大器外電阻R34/R36與操作放大器222電阻器R34/R40的比值進行。鑒于流經(jīng)電路的信號其振幅可能波動，因而用自動增益控制器224來維持信號使其處于給定范圍內(nèi)。自動增益控制器224包括操作放大器226。增益由與阻抗R42并聯(lián)的壓控電阻器(例如JFET T1)控制。JFET T1的柵極接阻抗R44、二極管D20、齊納二極管D22和RC電路組成的反饋通路，RC電路則由電阻R46和電容C12組成。另一個倒相放大器226通過選擇電阻器R52和R54進一步調(diào)節(jié)信號。
信號的相移由相移電路208進行，相移電路208包括串聯(lián)連接的成對全通濾波器228和230。全通濾波器裝有操作放大器，例如LT1122。如本技術(shù)領(lǐng)域所周知的那樣，這類濾波器的環(huán)路增益為1，但對通過其中信號提供的相移角預(yù)定。
本發(fā)明的線路可以在驅(qū)動過程中調(diào)節(jié)相角。上面說過，檢測出的電流信號采用正相角，確保用相移信號的過零點作為接通變流電路A中各開關(guān)的控制信號時零電壓轉(zhuǎn)換。理論上，選擇任何正相角可確保零電壓轉(zhuǎn)換。但實際上，由于用MOSFET的結(jié)電容作為開關(guān)Q1和Q2，因而需要極小的相角。
相角可用開環(huán)或閉環(huán)為基礎(chǔ)的線路實現(xiàn)。在開環(huán)線路中，相移量可通過分別選擇與分別接全通濾波器228和230不倒相輸入端的電容器C14和C16并聯(lián)的電阻器R56和R58的數(shù)量預(yù)選。不然也可以采用壓控電阻器，例如JFET(結(jié)場效應(yīng)晶體管)。從本電路可以看到，采用了兩個全通濾波器，但也可以考慮采用更多或更少的濾波器。最佳相移可以憑經(jīng)驗根據(jù)電路特性(例如，若電流中采用開關(guān)Q1和Q2則為并聯(lián)于開關(guān)Q1和Q2的緩沖電容器的電容)或電流確定。
作為另一種選擇，可采用閉環(huán)線路。在此情況下，輸出電壓的調(diào)節(jié)可通過檢測負荷兩端的輸出電壓進行。鑒于輸出電壓隨工作頻率或相角的變化而變化，因而可以通過調(diào)節(jié)相角調(diào)節(jié)輸出電壓，從而產(chǎn)生合乎要求的輸出電壓。這種線路可應(yīng)用于調(diào)節(jié)光明暗度的鎮(zhèn)流器中。
信號相移之后，接著是波形整形電路210對開始轉(zhuǎn)換的計時，下面即將說明。裝有電容器C18的濾波器對信號起整形作用，緩沖器230是個電壓跟隨器，加在電路之間提供低的輸出阻抗并與輸入端分隔開。緩沖器230的輸出端在線路119上。不倒相放大器232(圖5)包括操作放大器234，選擇電阻器R60和R62來調(diào)節(jié)電壓。濾波器236包括電阻器R64和C20。
繼續(xù)參看圖5，轉(zhuǎn)換信號由計時電路產(chǎn)生，計時電路可以是例如摩托羅拉公司出品的555計時IC300，這里附帶了其技術(shù)規(guī)格以供參考，如圖5A所示。計時器300構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)方式，即驅(qū)動信號通過相移電流信號的過零激發(fā)成“起作用”狀態(tài)。比較器310將濾波器236來的大致呈正弦形的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于相移電流信號過零點的方波系。比較器改變該過零點以調(diào)定轉(zhuǎn)換脈沖的前沿。所加的電壓V1再加上電阻器R66和R68以及二極管D30，對加到變流器I1的信號起適當?shù)恼{(diào)節(jié)作用。高通濾波器238包括電容器C22和并聯(lián)連接的電阻器R70和二極管D32，與變流器I2一道對線路120上的信號進一步起整形作用，線路120接計時器300的觸發(fā)輸入端(插腳2)。在此工作方式下，閾端子(插腳7)和放電端子(插腳6)連接在一起。插腳5處的控制電壓借助于帶電阻器R72和R74的分壓器預(yù)調(diào)定到某一恒定值。輸出端子(插腳3)的輸出信號出現(xiàn)在線路122上。計時電路300在線路122上的輸出信號和起動電路320在線路123上的輸出通過用作電子開關(guān)的“或”門214。
如圖6～7中所示，起動電路320起初始掃頻引燃電燈的作用。起動電路210包括壓控振蕩器(VCO)312、圖6中的單脈沖觸發(fā)器314和直流電壓檢測和調(diào)節(jié)電路316(圖7)。VCO312最好是麻薩諸塞州諾伍德模擬器件公司出品的AD654電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，這里附帶了其技術(shù)規(guī)范以供參考，但可以考慮在此電路采用任何適當?shù)腣CO。圖7中的比較器318和單脈沖觸發(fā)器320。下面說明起動過程。圖6中，直流母線電壓V完全形成之前，線路130上的電壓低，觸發(fā)器314的輸出端插腳Q高。VCO312開始在高頻區(qū)fstart工作，從而在線路123上產(chǎn)生高頻方波信號。諧振電路B的輸出電壓因高頻運行和直流母線電壓V較低而低。
直流母線電壓增加到預(yù)調(diào)定閾值時，圖7中比較器318的輸出電壓就調(diào)低。這反過來觸發(fā)了觸發(fā)器320，并使線路130上的電壓調(diào)高。實際上，圖6中，在VCO312的控制電壓端子(插腳4)輸入的電壓是逐漸下降的，從而使VCO312產(chǎn)生的輸出頻率下降。這個過程完成了從高頻Fstart到較低工作頻率fop的掃頻過程，從而使諧振電路輸出到燈L1,L2,L3和L4的電壓逐漸增加，直到各燈點燃起來為止。各燈工作之后，線路122中經(jīng)處理的電流信號觸發(fā)觸發(fā)器314，“或”門322起阻擋線路123上輸出信號的作用。接著，圖3中的電源以預(yù)定的相角在自振蕩頻率下工作。
現(xiàn)在翻到圖8。信號124在邏輯反相器16處反相。信號接著傳送到門驅(qū)動器330的“輸入”端子，門驅(qū)動器330可以是例如加利福尼亞州埃爾斯昆多市國際整流器公司出品的IR2111半橋式驅(qū)動器集成電路，這里附帶了其技術(shù)規(guī)范，如圖8A所示。繼續(xù)參看圖8。門驅(qū)動器330包括邏輯電路以便將單方波輸入信號(例如線路124上的輸入信號)轉(zhuǎn)換成線路108和106上的兩個獨立驅(qū)動信號，分別控制開關(guān)Q1和Q2。門驅(qū)動器330可構(gòu)制得得以產(chǎn)生信號108和106，從而存在Q1或Q2都不導(dǎo)通的消隱脈沖持續(xù)時間。
圖9的時間曲線示出了上述電路產(chǎn)生的波形。流經(jīng)諧振電路B的電流在曲線上以信號500表示。在驅(qū)動電路C中，該信號對應(yīng)于線路114上的電壓信號，與電流成正比，且由高通濾波器204(見圖3-4)將其較低的頻率分量濾除掉。如上所述，線路114上的信號通過自動增益控制206和相移電路208。相移信號502相當于相移電路208在線路118(見圖4)上的輸出。相移信號502按對應(yīng)于如上所述的φref的量504相移。信號502的過零點用作控制轉(zhuǎn)換過程的基準。因此，在過零點508，開關(guān)Q1截止，如線510(實線)所示，且開關(guān)Q2導(dǎo)通，如線512(點劃線)所示。從圖中可以看到，Q2在Q1截止的同時導(dǎo)通。消隱時間514通常由驅(qū)動器304提供，從而使Q1和Q2都截止短暫的一段時間。
上面已介紹本發(fā)明目前認為是最佳的實施例，但本技術(shù)領(lǐng)域的行家們都知道，在不脫離本發(fā)明在所附權(quán)利要求書中所述的范圍的前提下是可以對上述實施例進行種種修改的。因此，這里公開的內(nèi)容僅僅是舉例而已，并不是對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1．一種使電燈工作的鎮(zhèn)流電路，包括一個變流器，用于產(chǎn)生交變電壓，具有至少一個開關(guān)元件；一個負荷電路，接變流器，具有一些供接電燈用的端子；一個驅(qū)動電路，接開關(guān)元件，供產(chǎn)生使開關(guān)元件交替通斷的驅(qū)動信號；一個測量電路，接負荷電路和驅(qū)動電路，供產(chǎn)生作為負荷電流測定結(jié)果的第一信號；其特征在于，驅(qū)動電路還包括一個相移電路，供產(chǎn)生相對第一信號相移的第二信號，且驅(qū)動電路包括控制裝置，供控制得使驅(qū)動信號基本上與第二信號同相。
2．如權(quán)利要求1所述的鎮(zhèn)流電路，其特征在于，第二信號相對于第一信號相移預(yù)定的正相角，從而使變流器產(chǎn)生的交變電壓超前于第一信號預(yù)定的正相角。
3．如權(quán)利要求1或2所述的鎮(zhèn)流電路，其特征在于，驅(qū)動信號在第二信號過零時使開關(guān)元件導(dǎo)通。
4．如權(quán)利要求1,2或3所述的鎮(zhèn)流電路，其特征在于，相移電路包括一個全通濾波器。
5．如以上任一或多個權(quán)利要求所述的鎮(zhèn)流電路，其特征在于，驅(qū)動電路有一個濾波器，供抑制第一信號的低頻分量。
6．如以上任一或多個權(quán)利要求所述的鎮(zhèn)流電路，其特征在于，變流器包括一個半橋式變流器。
全文摘要
一種鎮(zhèn)流電路,包括:一個變流器,供產(chǎn)生交變電壓用,具有至少一個開關(guān)元件;一個負荷電路,接變流器,且具一些供接電燈用的端子;一個驅(qū)動電路,接開關(guān)元件,供產(chǎn)生使開關(guān)元件交替通斷的驅(qū)動信號;一個測量電路,接負荷電路和驅(qū)動電路,供產(chǎn)生作為負荷電流測定結(jié)果的第一信號。此外,驅(qū)動電路還包括一個相移電路,供產(chǎn)生相對于第一信號相移的第二信號,且驅(qū)動電路包括控制裝置,供控制得使驅(qū)動信號基本上與第二信號同相。由于第一信號與驅(qū)動信號之間的相移,有效避免了容性工作狀態(tài)。
文檔編號H05B41/298GK1216670SQ97193942
公開日1999年5月12日 申請日期1997年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月23日
發(fā)明者C·青, J·常 申請人:皇家菲利浦電子有限公司