CN101843175B - 具有电流馈电的基于双极结型晶体管(bjt)的电子镇流器的改进效率和波峰因数的电路 - Google Patents

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Abstract

一种电流馈电的基于双极结型晶体管(BJT)的逆变器镇流器包括配置成驱动相应BJT开关的基极驱动电路和配置成连同相应的基极驱动电路来操作的高速驱动反峰值电流限制电路。

Description

具有电流馈电的基于双极结型晶体管(BJT)的电子镇流器的改进效率和波峰因数的电路
背景技术
本申请针对照明装置，更具体来说针对用于放电灯的镇流器电路。电流馈电的基于双极结型晶体管(BJT)的逆变器镇流器由于它们的固有的平行灯操作和输出变压器隔离的特征而广泛地应用于灯照明工业。提供变压器隔离允许照明***的换灯(re-lamping)和平行灯操作发生而不要求关闭整个***的功率逆变器。因此，当需要时能更换***中灯故障，而其余的灯维持在“开”状态中。因此，这也降低此类***的维护和操作成本。
在美国专利7,193,368(名称为“Parallel Lamps With InstantProgram start Electronic Ballast”，授予Chen等人，2007年3月20授权)中描述了一种电流馈电逆变器镇流器的示例，其具有用于与平行灯一起使用的即时程序启动配置。此镇流器利用程序启动镇流器的有益方面(例如，较长的灯寿命)并将其与即时启动镇流器的优点(例如，快速启动时间)组合以产生其中驱动平行灯的改进型灯镇流器。美国申请11/645,939(名称为“Switching Control For Inverter Startup AndShutdown”，授予Chen等人，2006年12月27日提交)中提出此类型的另一种电路，其描述包括低成本关闭电路的电流馈电的基于BJT的逆变器。授予Chen等人的美国专利7,193,368和授予Chen等人的美国申请11/645,939均通过引用将其整体结合于本文。
提供输出变压器隔离的现有电流馈电的基于BJT的镇流器***的缺点在于，由于隔离变压器和BJT的操作模式，它们往往具有与非隔离的灯照明镇流器相比较低的效率。因此，此类基于BJT的电子镇流器的具体问题与改进这些装置的操作效率的其基极驱动的优化有关。优化基极驱动信号的尝试普遍地导致BJT开关的基极到发射极结的过驱动(overdriving)。在BJT的基极通过平行二极管电阻器布置来驱动的情况中这尤其是个问题。在此类配置中，当基极到发射极结被过驱动时，BJT中发生功率耗散中的非期望增加，并且镇流器中存在更高的循环电流，从而导致较低的镇流器效率。由于过驱动而出现的另一个缺点在于，无效时间(dead-time)、即两个晶体管开关时间之间的重叠增加，从而导致更高的电流波峰因数。其中，电流波峰因数是峰值电流除以灯的均方根(rms)电流。ANSI标准要求电流波峰因数小于1.7。
而且，当连同高效灯来使用电流馈电BJT时，已知甚至在室温也发生条纹(striation)。条纹将其自己呈现为沿着灯长度的暗带，并且在使用高百分比氪(Kr)的灯中尤其普遍，其中氪(Kr)被用作为缓冲气体来改进灯的功效和效用。例如，高效率灯可以具有约40％至70％氪(Kr)的含量。
本申请的概念旨在解决这些和其他突出问题，因为它们涉及电流馈电的基于BJT的逆变器镇流器。
可能关注上文标识的问题和其他问题的现有技术包括美国专利4,682,082(名称为“Gas Discharge Lamp Energization Circuit”，授予MacAskill等人，1987年7月21日授权)；美国专利申请公布US2006/0103328(名称为“Striation Control For Current Fed ElectronicBallast”，授予Chen等人，2006年5月18日公布)；美国专利6,465,972(名称为“Electronic Elimination of Striations In Linear Lamps”，授予Kachmarik等人，2002年10月15日授权)；以及WO2006/051459(名称为ANTI-STRIATION CIRCUIT FOR A GAS DISCHARGE LAMPBALLAST，授予Fang，2006年5月18日公布)。
发明内容
一种电流馈电的基于双极结型晶体管(BJT)的逆变器镇流器包括配置成驱动相应BJT开关的基极驱动电路和配置成连同相应的基极驱动电路来操作的高速驱动反峰值电流限制电路。
附图说明
图1示出其中可使用本申请的概念的现有电子镇流器类型配置；
图2示出实现本申请的概念的图1的电路；以及
图3示出与本申请相关的概念的进一步实施例。
具体实施方式
转到图1，示出的是其中可以采用本申请的概念的具体电路。但是要认识到，本文描述的概念并非旨在仅限于此类电路，而且可以在其他灯照明控制电路中采用。据前述，图1是半桥电流馈电镇流器10，其包括第一或上方开关配置12和第二或下方开关配置14。这些开关配置分别包括BJT开关Q1和Q2。BJT开关Q1由第一或上方BJT控制或基极驱动电路16来控制，以及BJT开关Q2由第二或下方BJT控制或基极驱动电路18来控制。第一或上方BJT控制电路包括齐纳二极管D3、电容器C4、二极管D4、双向击穿二极管(diac)D5、二极管D6、电阻器R4和变压器绕组T2-2。第二或下方BJT控制电路18由二极管D7、电阻器R5和变压器绕组T2-3组成。
包括电容器C5和输出绕组T2-1的输出变压器***20向灯网络22提供输出信号，灯网络22包括灯连接器绕组T2-4和灯电容器C6、C7和C8。此外，还将例如功率齐纳二极管D1和D2的电路和包括电阻器R1、R2和R3、电容器网络C1、C2和C3和绕组T1-1和T1-2的电压输入网络结合在该电路中，以将脉冲的DC电流信号提供到BJT控制或基极驱动控制电路16、18，其又选择性地向BJT开关Q1、Q2供应驱动信号。
有关相当的电路的操作的更详细论述，可参考共同受让的美国专利6,989,637(名称为“Voltage Controlled Start-Up Circuit for ElectronicBallast，授予Chen等人，2006年1月24日授权)，通过引用将其整体结合于本文。
图1的电路10以及类似电路设计的问题在于，BJT开关Q1和Q2的过驱动导致Q1、Q2上增加的功率耗散以及电路内增加的循环电流，从而降低逆变器的效率。而且，无效时间开关的增加出现，导致灯电流增加的波峰因数。另一方面，BJT开关的欠驱动(underdriving)将导致BJT上的过高温度(例如高温ALT测试中所测量的)，从而导致镇流器的潜在故障。
本申请的概念通过以峰值电流限制电路(其在图2中示出并将结合图2描述为结合到BJT控制或基极驱动电路16、18中)来提供高速驱动从而允许优化对BJT开关的基极驱动，利用峰值电流限制电路的高速驱动不仅用于降低开关和逆变器磁损耗，而且通过增加BJT的接通/断开时间来改进波峰因数。
还可以实施对电路的新添加的更改来控制BJT开关Q1、Q2的开关速度以向一个或多个灯提供丰富且偶次谐波(even harmonic)的电压波形。这种偶次谐波波形用于减少或消除在其他情况下在新镇流器控制的一个或多个灯上可发现的可见条纹。
更具体地转到图2的镇流器电路10，将第一或上方BJT控制或基极驱动电路16重新设计成将彼此串联的电阻器R6的电阻与电容器C9的电容和BJT开关Q1的基极结合，作为其高速驱动峰值电流限制电路。而且，还将第二或下方BJT控制或基极驱动电路18重新设计成包括彼此串联的电阻器R7与电容器C10和BJT开关Q2的基极，作为其高速驱动峰值电流限制电路。
电容器C9和C10的结合使得降低第一控制电路16的电阻器R4提供的电阻的值和第二控制电路18的电阻器R5提供的电阻的值成为可能。通过包括电容器C9和C10，并由此降低电阻器R4和R5的值，增加了BJT开关Q1和Q2的开/关时间，从而实现逆变器操作的约1％至3％的更高逆变器效率。
但是，由于增加电容器C9和C10所出现的问题是，在BJT Q1和Q2接通时的基极到发射极电流的更高峰值的可能性。这种更高的峰值电流能导致BJT Q1、Q2的故障。因此，为了针对这种不合乎需要的结果进行保护，镇流器电路10还设计成具有第一控制电路16中的电阻器R6和第二控制电路18中的电阻器R7。这些电阻器分别与电容器C9和C10串联放置，操作用于降低相应控制电路16和18的峰值电流，由此保护BJT Q1、Q2免于在Q1和/或Q2接通/断开时接收到破坏性地高的峰值电流。同时，包括电阻器R6和R7提高了逆变器效率并降低了灯的电流波峰因数。
在图2的电路30的一个实施例中，电容器C9、C10和电阻器R6、R7的值选取成彼此相等，从而导致平衡的电路操作。但是，在一备选实施例中，通过有意地将电容器C9和C10的值选择成彼此不同和/或将电阻器R6和R7选择成彼此不同，将出现由电路30生成的波形中的不平衡。这种有意的不平衡在生成用于一个或多个灯的高且偶次谐波供应电压方面可能是有用的。这种高且偶次谐波供应电压在减少或消除灯中的可见条纹方面是有用的。具体来说，已知的是，期望创建关于供应到灯的信号的基本波形的高且偶次谐波含量以将条纹的频率增加到其中人眼能够检测到条纹效应的范围以上。通常，此频率大于约40Hz。
转到图3，镇流器电路40示出本申请仍有的进一步实施例。具体来说，除了结合电容器C9、C10和电阻器R6、R7之外，可以在绕组T2-2和通向输出绕组T2-1的输出线路之间添加单独的不平衡电阻器R8，将电阻器R8与基极驱动绕组T2-2串联放置。不平衡电阻器R8的添加在镇流器电路30的输出中提供不平衡，从而允许供应到灯的偶次谐波电压方面的改进。这种偶次谐波电压再次将用于最小化或消除一个或多个灯中的可见条纹。
要认识到，在图3中，可备选地与第二或下方控制电路18的基极驱动绕组T2-3和BJT开关Q2的发射极串联地***电阻器R8′(如以虚线示出的)以获取用于灯的更高的偶次谐波供应电压。还有进一步的是，如果同时使用R8和R8′，则能免去R6和R7。
电容器C9和C10的添加导致当正弦驱动绕组(例如，来自驱动绕组T2-2、T2-3)电压低(即，在交越(crossover))时将提供的BJT开关的接通和断开期间所需的电流。而且，除了降低两个BJT处于“开”状态中时的无效时间，此设计还降低开关损耗。这种布置降低循环电流，并因此作为结果逆变器的效率增加。因为灯的电流的峰值直接与无效时间相关，所以BJT的重叠越小，波峰因数越低。增加镇流器效率，并因此增加照明***的效率。
虽然当前新描述的电路的特定组件的值将部分地取决于具体实现，包括镇流器的操作频率，但是在至少一个实施例中，电阻器R4和R5可以在30-100欧姆的范围内，并且具体为40欧姆。电容器R6和R7可以在1-10欧姆的范围内，具体为5欧姆，而电容器C9、C10可以在47纳法到.22微法的范围内。不平衡电阻器R8可以在1-5欧姆的范围内。
如前论述的，图1和2示出本发明概念适合于电流馈电BJT逆变器镇流器，包括半桥镇流器逆变器。但是，这并非旨在将本发明概念限于图1和2的电路，相反这些概念可以用于其他基于BJT的电路中，例如其他电流馈电半桥和全桥镇流器电路，包括推拉电流馈电镇流器逆变器以及电压馈电系列谐振镇流器。该设计对于不调光(non-dimming)或调光(dimming)应用中使用的高含量氪混合物或其他适合的气体混合物灯也是有用的。
已经参考优选实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解前文详细描述后，其他人将想到修改和变化。本发明旨在视为包括所有此类修改和变化。

Claims (11)

1.一种电流馈电的基于双极结型晶体管(BJT)的逆变器镇流器，包括：
第一基极驱动电路(16)，配置成驱动第一BJT开关(Q1)，所述第一基极驱动电路(16)包括布置成接收驱动信号并选择性地将所接收的驱动信号供应到所述第一BJT开关的第一二极管-电阻器并联电路(D6、R4)；
第二基极驱动电路(18)，配置成驱动第二BJT开关(Q2)，所述第二基极驱动电路(18)包括布置成接收驱动信号并选择性地将所接收的驱动信号供应到所述第二BJT开关的第二二极管-电阻器并联电路(D7、R5)；
第一高速驱动峰值电流限制电路(C9、R6)，配置成连同所述第一基极驱动电路(16)来操作，所述第一高速驱动峰值电流限制电路(C9、R6)包括与所述第一二极管-电阻器并联电路并联地布置的第一电容器-电阻器串联电路(C9、R6)；以及
第二高速驱动峰值电流限制电路(C10、R7)，配置成连同所述第二基极驱动电路(18)来操作，所述第二高速驱动峰值电流限制电路(C10、R7)包括与所述第二二极管-电阻器并联电路并联地布置的第二电容器-电阻器串联电路(C10、R7)。
2.如权利要求1所述的镇流器，其中所述第一电容器-电阻器串联电路和所述第二电容器-电阻器串联电路中的电阻器和电容器的值彼此相等。
3.如权利要求1所述的镇流器，其中所述第一电容器-电阻器串联电路和所述第二电容器-电阻器串联电路中的电阻器和电容器的至少一个的值彼此不相等。
4.如权利要求1所述的镇流器，还包括与所述第一基极驱动电路的驱动绕组和所述第一BJT开关的发射极串联的不平衡电阻器。
5.如权利要求1所述的镇流器，还包括与所述第二基极驱动电路的驱动绕组和所述第二BJT开关的发射极串联的不平衡电阻器。
6.一种改进基于双极结型晶体管(BJT)的逆变器镇流器的效率和波峰因数的方法，包括：
选择包括第一并联二极管-电阻器电路的第一基极驱动电路的电阻器的电阻器值以获得期望的第一BJT接通速度，所述第一并联二极管-电阻器电路布置成接收驱动信号并选择性地将所接收的驱动信号供应到第一BJT开关；
选择包括第二并联二极管-电阻器电路的第二基极驱动电路的电阻器的电阻器值以获得期望的第二BJT接通速度，所述第二并联二极管-电阻器电路布置成接收驱动信号并选择性地将所接收的驱动信号供应到第二BJT开关；
提供第一高速驱动峰值电流限制电路以连同所述第一基极驱动电路来操作；
提供第二高速驱动峰值电流限制电路以连同所述第二基极驱动电路来操作；以及
其中提供所述第一和第二高速驱动峰值电流限制电路降低所述第一和第二BJT开关上的功率耗散。
7.如权利要求6所述的方法，其中提供所述第一和第二高速驱动峰值电流限制电路增加所述第一和第二BJT开关的断开时间。
8.如权利要求6所述的方法，其中提供所述第一和第二高速驱动峰值电流限制电路生成供应到由所述镇流器控制的灯的偶次谐波电压波形。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述第一高速驱动峰值电流限制电路的电阻器和电容器值的至少一个和所述第二高速驱动反峰值电流限制电路的电阻器和电容器值的至少一个彼此不同，其中偶次谐波电压波形被生成并供应到由所述镇流器控制的灯。
10.如权利要求6所述的方法，还包括与所述第一基极驱动电路的驱动绕组和所述第一BJT开关的发射极串联的不平衡电阻。
11.如权利要求6所述的方法，还包括与所述第二基极驱动电路的驱动绕组和所述第二BJT开关的发射极串联的不平衡电阻。
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