CN101849440A - 用于消除电解电容器上dc偏置的方法和***及用于电流馈入镇流器的关闭检测电路 - Google Patents

用于消除电解电容器上dc偏置的方法和***及用于电流馈入镇流器的关闭检测电路 Download PDF

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Abstract

提供消除基于双极结型晶体管(BJT)的逆变器镇流器中第一电解电容器与第二电解电容器中之一上的DC偏置的***和方法，所述逆变器镇流器具有仅与至少两个BJT开关中之一关联的关闭控制电路。占空因数相关电容器与镇流器的母线以及包括输出变压器原边绕组和谐振电容器的谐振电路串联连接。将平衡/充电电阻器一端连接在第一电解电容器与第二电解电容器之间而另一端连接到占空因数相关电容器和谐振电路。

Description

用于消除电解电容器上DC偏置的方法和***及用于电流馈入镇流器的关闭检测电路
技术领域
本申请涉及照明装置，更具体来说涉及放电灯的镇流器电路。
背景技术
电子镇流器利用电子电路来稳定荧光灯、高强度放电灯等的电流。可以使用包括“即时”启动、“快速”启动和“编程”启动的若干启动技术中之一来启动电子镇流器。即时启动技术在短期内将灯启动，因为它启动并操作镇流器而无需预热与之关联的阴极，这带来了镇流器设计的低成本，但是由于这种启动方法的剧烈特性而比其它启动协议使灯更快地耗损。快速启动技术同时启动镇流器和加热阴极，从而导致较长的启动时间而减轻冷启动对灯的阴极的有害影响。最后，编程启动技术采用在低辉光放电电流的阴极预热期，这对于频率开关应用增加了灯的寿命。
在2007年3月20日发布的授予给Chen等人的名为“ParallelLamps With Instant Program start Electronic Ballast”的美国专利号7193368中描述了一种包括用于与并联的灯结合使用的即时程序启动配置的镇流器。这种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)组合以得到其中驱动并联的灯的改进灯镇流器。
2006年12月27日提交的名为“Switching Control For InverterStartup And Shutdown”的美国申请号11/645939包括一种低成本关闭电路。
因此，将授予Chen等人的美国专利号7193368和授予Chen等人的美国申请号11/645939二者通过引用整体结合于本文中。
诸如上文所述的具有启动和关闭电路的缺点在于，关闭控制电路仅对双极结型晶体管(BJT)开关中之一起作用。因此，当该特定BJT开关的完全断开不会在短时间间隔内发生时，镇流器中串联连接的电解电容器上将存在不平衡。由于这种不平衡，镇流器的两个串联电解电容器中之一会遭受过电压，从而导致过载电容器出故障。
发明内容
提供消除基于双极结型晶体管(BJT)的逆变器镇流器中第一电解电容器与第二电解电容器中至少之一上的DC偏置(bias)的***和方法，所述逆变器镇流器具有仅与至少两个BJT开关中之一关联的关闭控制电路。占空因数(duty cycle)相关电容器与镇流器的母线(bus)以及包括输出变压器原边(primary)绕组和谐振电容器的谐振电路串联连接。将平衡/充电电阻器一端连接在第一电解电容器与第二电解电容器之间而另一端连接到占空因数相关电容器和谐振电路。
附图说明
图1图示其中可实现本申请的概念的基于电流馈入的电子镇流器。
图2图示与图1相似的简化电路，包括占空因数相关电容器和平衡电阻器。
图3说明图2的概念并进一步图示逆变器关闭检测电路。
具体实施方式
根据本文描述的多个方面和特征，提出促进用对开关装置(BJT)中之一的关闭控制消除基于电流馈入的电子镇流器电路中电解电容器上的DC偏置并提供用于此类电子镇流器的关闭检测电路的***和方法。
对于高强度放电(HID)灯***，双电平(bi-level)控制由于其简单性和能量成本效益而变得普遍。这种控制由于以低成本的高节能而在荧光放电照明***中也获得了普及。根据多个特征，描述了一种电流馈入自振荡即时程序启动镇流器，例如其可以应用于包括但不限于T5灯应用的许多灯照明***，并且该镇流器以减轻与常规集成电路(IC)控制的镇流器关联的问题的方式设计，常规集成电路(IC)控制的镇流器往往价格昂贵且可靠性较低。
参考图1，示出了镇流器拓扑100的示意图，其中该镇流器通过为镇流器100提供线控步进电平(step-level)开关机制来允许对照明***的双电平控制。例如，在其中为节能而期望断开灯/逆变器的情形中、例如在无人的房间中，镇流器100可以帮助关掉灯。镇流器100可以结合T5放电灯以及其它尺寸的包括但不限于T8、T4、T3、T2的放电灯或者其中需要线控步进电平开关的任何其它尺寸灯使用。镇流器100包括输入和功率因数控制(PFC)部分102和逆变器部分104，所述输入和功率因数控制部分102包括第一组元件。输入PFC部分102包括全桥整流器(D1-D4)、电感器L1、二极管D5、电容器C1、C2、C3和开关Q1。逆变器部分104包括开关部分(Q2、R2、W2)及(Q3、R3和W1)以及电容器C4、C5、C6、电感器L2、L3、二极管D6、双向开关二极管(diac)D7、电阻器R4和绕组T1。
PFC 102和逆变器104通过帮助根据多个方面触发关闭/重启机制的开关线路106耦合。例如，开关线路106中的开关108可以通过检测由与镇流器100关联的一个或多个灯进行照明的区域中是否有人的远程传感器(未示出)、例如移动传感器等进行触发。当移动传感器被激活时，开关108可以处于开路状态以允许镇流器正常工作。当移动传感器未被激活(例如在检测到没有人时)，可以触发开关108闭合，从而导致发起前述事件。
例如，当将输入功率施加到镇流器100时，通过电阻器R4对电容器C5充电。当C5两端的电压达到双向开关二极管D7的击穿电压时，高di/dt电流被施加给基极驱动绕组W1以发起逆变器振荡。当Q3导通(on)时，二极管D6使电容器C5放电。根据多个方面，Q3可以是双极结型晶体管(BJT)。低电压MOSFET Q4与双向开关二极管D7并联连接。齐纳(Zener)二极管D8、电阻器R5和电容器C7并联并从Q4的栅极连接到其源极。电阻器R1(与二极管D9串联)连接到开关线路106的一端，而开关线路106的另一端连接到“中性(Neutral)”或“带电(Hot)”输入线。
当开关线路106中的开关108处于“断开”位置(例如，开关108开路)时，在触发器电路110的Q4栅极至源极两端没有形成电压。因此，开关Q4为断开位置，电流馈入逆变器104处于正常工作条件。当开关线路106处于导通(或在其中采用相反逻辑的情况中为断开)时，经半整流的输入电压将按比例降低，并将平均电压施加给开关Q4的栅极至源极。此电压使Q4导通，并使电容器C5与绕组W1和电阻器R3并联。电容器C5有效地将基极驱动电流从Q3旁路，且逆变器振荡停止。同时，开关Q4阻止从启动电阻器R4在电容器C5上建立的电压。当打开开关线路106上的开关108时，开关Q4的栅极至源极电压下降，且开关Q4断开，从而允许通过电阻器R4对电容器C5充电，在二极管D7的击穿点，逆变器重启而镇流器操作恢复。
因此，在对镇流器100施加功率(例如使与之连接的灯开关导通)时，PFC部分102工作。通过电阻器R4的电流对电容器C5充电。一旦电容器C5上的电压达到双向开关二极管D7的击穿点，则双向开关二极管D7击穿，并对Q3的基极施加使Q3导通的高电流(di/dt)。在所施加电压波形的后续半个周期期间，Q2导通而Q3断开。此序列可以按每半个周期重复，其中开关Q2和Q3交替相应导通和断开状态。只要开关Q3导通，则电容器C5开始放电，因为D6导电。但是，当开关Q3断开时，电容器C5充电。因为与电容器C5关联的时间常数比开关Q3处于断开状态的半周期时段长，所以C5上的电压未达到双向开关二极管D7的击穿电压。通过将电容器C5与Q3的基极驱动绕组W1并联设置，降低通过Q3基极的电流，从而使Q3断开并关闭它电路部分，因此镇流器100也关闭。
转到图2，图示的是包括本申请最近实现的概念的前述电路的简化电路120。在图2中，先前给出的元件具有相似的标号。为清楚起见，没有提供对电流馈入镇流器的这部分的描述非必需的电路。例如，为了简明起见，用于关闭BJT开关Q3的关闭电路示出为关闭电路块122。
被实现来消除电路120内的DC偏置的新加元件包括占空因数相关电容器C8和平衡/充电电阻器R6。以图示用于消除DC偏置的备选实施例的虚线连接提供占空因数相关电容器C8′。二极管D10和D11视为已被包含在先前描述的电路中。但是，在那些电路中，它们可以被理解为已被结合在BJT开关Q2、Q3内。此处它们示为在晶体管外部。
图2还示出灯***124，其包括相对原边绕组T1的副边绕组T2以及分别与灯1、灯2和灯3串联设置的电容器C9、C10、C11。
图2的电路设计旨在解决由于实现包括低成本关闭电路的前述镇流器配置而可能发生的问题。如图2所示，关闭控制电路122仅结合开关Q2和Q3中的单个、在本例中为Q3实现。因关闭控制电路仅与BJT开关Q2、Q3中之一关联而产生的问题是，如果在短时间间隔内未发生BJT的完全断开，则发生电解电容器C2、C3中之一上的不平衡。由于这种不平衡，这两个串联电解电容器C2、C3中之一可能遭受过电压条件，从而导致所述电容器中之一出故障。电容器C2和C3的额定电压比镇流器120的最大母线电压低得多。
为了解决此潜在问题，图2图示包括与镇流器的谐振电路串联连接的占空因数相关电容器，所述谐振电路包括原边绕组T1和谐振电容器C6。通过此配置，在关闭镇流器期间以及如果所选开关(例如Q3)未在足够短的时间段内关闭，则将电容器C2和C3之间的负载的不平衡转移到占空因数相关电容器C8。更具体来说，给C8提供至少相对镇流器的母线电压设定(rate)的电压值，从而消除过电压问题。而且。通过降低该电容器(在该情况下为C8)上的电压，在不使电解电容器C2、C3过载的情况下加速逆变器的关闭。
提供平衡/充电电阻器R6以便能够在电容器C2和C3上保持充电平衡，以及还有助于在启动逆变器***的振荡之前将占空因数相关电容器C8充电到母线电压的中点，这设置逆变器的初始状态。
继续参考图2，电路120对于在镇流器的关闭操作期间、例如但不限于关闭发生在高温的时候(这是其中可能发生此类不合需要的不平衡的具体情形)消除不平衡DC情形尤其有用。
通常，在正常工作期间，这意味着例如开关Q2与Q3之间50/50的占空因数，电解电容器C2和C3上的最大电压将是母线电压的一半。例如，如果母线电压是450伏特，则电容器C2将有约225伏特，而电容器C3也将有225伏特。当然，这些值仅是示例，可以根据具体实现使用其它母线电压。
此外，因为此实现的关闭电路122仅与开关Q2、Q3中之一关联，所以关闭间可能导致将Q2和Q3的导通/断开时间改变为不同于50％的占空因数。而是，当尝试例如关闭Q3时，在完全关闭之前，Q3可能工作在小于50％的占空因数。这导致开关Q2工作在大于50％的占空因数。当然，这两个占空因数将合计为100％的占空因数。但是，由于Q2导通占空因数的较长部分，电容器C3将充电较长时段，因为对电容器C2和C3的充电基于开关C2和C3的占空因数。在关闭操作期间的某个时刻，开关Q2、Q3的这种不相等占空因数可能导致电容器C3经历整个母线电压，因此它将尝试充电到该母线电压。这导致C3过载，并可能导致镇流器出故障和/或损坏。
正如上文所概述的，为了解决此情形，将占空因数相关电容器C8和平衡/充电电阻器R6添加到该电路中。在正常运行期间，电容器C8由于其在电路中的位置而将母线电压一半的充电施加到其上。但是，当镇流器进入关闭操作并且占空因数变得不平衡时，对电容器C8的充电将开始减少，从而允许对电容器C2和C3的充电保持平衡。具体来说，由于对电容器C2和C3的充电，存在经由R6的高阻抗路径，因此这使该电路由于时间常数而表现为像是C8未连接到C2和C3。这样，通过此设计，所有电压感生的应力已被相对母线电压设定的电容器C8承接。
而且，因为电容器C8通过T1和C6放电以及电容器C8上有越来越小的电压(这在Q2导通时发生)，所以只有较少的能量可用于维持Q2的“导通”状态。因此，此设计还有助于断开镇流器，从而导致比先前布置更快的关闭。因此，电容器C8的添加提供了一种对先前在某些情况中发生的无偏置DC的解决方案并减少镇流器的断开时间。
但是，电容器C8的添加引入了与振荡刚开始时镇流器的初始导通相关的问题。具体来说，如果没有平衡/充电电阻器R6并且启动期间C8电压非常低，则电路120因Q3在长得多的持续时间保持导通。因此，在启动时，镇流器不平衡，这意味着随着多次启动，Q3遭受故障。平衡/充电电阻器R6一侧连接在C2和C3之间而另一端连接在C8、C6与T1之间以解决此问题。通过此布置，在电路振荡之前，使用电阻器R6将电容器C8充电到一半母线电压。例如，因为电荷存储在C2和C3上，所以还存在从C3经电阻器R6至电容器C8的路径，这将电容器C8充电到一半母线电压电平。这将需要少许的振荡延迟，以便允许C8充电到一半母线电压。在一个实施例中，电解电容器(C2、C3)中之一与占空因数相关电容器(C8或Ci′)之间的比率在50-600的范围内。
因为R6与C2或C3相比是大值，所以RC时间常数非常大。因此在关闭期间，R6提供C8相对C2和C3之间的绝缘。
虽然本申请电路的元件值可以根据多种实现来选择，但是在至少一个实施例中，电容器C2和C3可为大约47微法的电容器，而电阻器R6是大约一半兆欧的电阻器。这一般导致逆变器关闭期间约23秒的时间常数。在启动期间，电容器C8和电阻器R6之间的时间常数小得多，可能为大约25-100毫秒的时间常数，更具体来说为75毫秒的时间常数。所以，在镇流器***的启动期间充电时间非常快。
继续关注图2，可以在备选实施例中实现上文所述的电路。例如，以虚线示出的占空因数相关电容器C8′表示其中使用电容器C8′代替电容器C8的实施例。而且，在开关Q3上示出的关闭电路122还当然可以在开关Q2上。而且，虽然示出半桥开关布置，但是全桥BJT开关***还可以受益于本文描述的概念。
因此，通过实现包括电容器C8和电阻器R6的电路设计，解决了在关闭期间不平衡占空因数在电容器C2和C3上导致不平衡的DC偏置的问题，还消除关于启动的问题。
为了发起镇流器的关闭，关闭电路122将正常地接收例如美国专利申请号11/645939中描述的关闭指令，该专利申请被整体结合于本文。
转到图3，提供的是对电路120的改进，其将检测关闭操作是否已完成或是否需要向关闭电路122发出另一关闭指令。在此图示中，为了方便起见未示出C8′。具体来说，在此实施例中，提供一种关闭检测电路126，其包括设成与灯***124的副边绕组T2操作上耦合的绕组T-3。一旦关闭电路122发起关闭操作，则检测电路126的微控制器128配置成在某个时间延迟之后感测结点1 130处的电压以确定结点1处的值是0伏特还是某个其它非零电压值。操作中，经由绕组T3在结点1处设置电压，绕组T3将传递绕组T2上的任何电压。如果在T2检测到电压，则经由二极管D12、R7和R8传递该电压，其中R7和R8构成分压(divider)电路。电容器C12与电阻器R8并联设置以存储电压。基本上，如果确定结点1具有0值，则镇流器的关闭完成，因为在绕组T2未检测到能量。另一方面，如果在结点1发现电压，则微控制器128将经由线路132将第二关闭信号发送到关闭电路122。要理解，线路132可以是传送信号的任何已知方式。
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时本领域技术人员将设想出多种修改和替换。旨在将本发明视为涵盖所有此类修改和替换。

Claims (14)

1.一种消除基于双极结型晶体管的逆变器镇流器中第一电解电容器与第二电解电容器中至少之一上的DC偏置的***，所述逆变器镇流器具有可选地仅与至少两个双极开关中之一关联的关闭控制电路，所述***包括：
占空因数相关电容器，与所述镇流器的母线以及包括电感器绕组和谐振电容器的谐振电路串联连接；
平衡/充电电阻器，一端连接在所述第一电解电容器与所述第二电解电容器之间而另一端连接到所述占空因数相关电容器和所述谐振电路。
2.如权利要求1所述的***，其中所述占空因数相关电容器配置并定位成转移所述镇流器关闭时可能发生的、所述第一电解电容器与所述第二电解电容器上的电压的不平衡。
3.如权利要求1所述的***，其中所述占空因数相关电容器的额定电压至少与所述镇流器的最大母线电压一样大。
4.如权利要求1所述的***，其中所述平衡/充电电阻器配置成允许充电将所述占空因数相关电容器充电到在所述电解电容器中至少之一上的电压值。
5.如权利要求1所述的***，包括：
关闭检测电路，配置成检测在所述镇流器或照明***中之一的绕组的信号，并且配置成将关闭信号提供给所述关闭控制电路。
6.如权利要求1所述的***，其中所述电解电容器中之一与所述
占空因数相关电容器之间的比率在50-600的范围内。
7.如权利要求1所述的***，其中所述电解电容器中之一与所述
占空因数相关电容器之间的比率约为470。
8.如权利要求1所述的***，其中所述占空因数相关电容器与所述平衡/充电电容器之间的时间常数在25毫秒与100毫秒的范围内。
9.如权利要求1所述的***，其中所述占空因数相关电容器与所述平衡/充电电容器之间的时间常数在25毫秒与75毫秒的范围内。
10.一种消除基于双极结型晶体管的逆变器镇流器中第一电解电容器与第二电解电容器中至少之一上的DC偏置的方法，所述逆变器镇流器具有仅在至少两个双极开关中之一上的关闭控制电路，所述方法包括：
启动所述逆变器镇流器的关闭；以及
将电压不平衡从所述电解电容器中至少之一转移到占空因数相关电容器，所述占空因数相关电容器与所述镇流器的母线以及包括变压器绕组和谐振电容器的谐振电路串联连接。
11.如权利要求10所述的方法，还包括通过将电压转移到所述占空因数相关电容器加速所述逆变器镇流器的关闭。
12.如权利要求10所述的方法，还包括在启动所述逆变器镇流器之前通过平衡/充电电阻器对所述占空因数相关电容器充电，所述平衡/充电电阻器一端连接在所述第一电解电容器与所述第二电解电容器之间而另一端连接到所述占空因数相关电容器与所述谐振电路。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述占空因数相关电容器的额定电压至少与所述镇流器的最大母线电压一样大。
14.如权利要求10所述的***，包括：
关闭检测电路，配置成检测在所述镇流器或照明***中之一的绕组的信号，并且配置成将关闭信号提供给所述关闭控制电路。
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