CN102196652A - 具有开路电压控制装置的镇流器 - Google Patents

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张伟强
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Abstract

本发明提出一种具有开路电压控制装置的镇流器，其包含一功率因子校正转换器，用以接收一交流输入电压并将该交流输入电压转换成一功率因子校正后的直流电压；一直流/直流转换器，连接至该功率因子校正转换器且具有一开关设置于该直流/直流转换器的一低压侧，用以根据该开关的开关切换将该功率因子校正后的直流电压转换成一直流输出电压；一逆变器，连接至该直流/直流转换器与一气体放电灯管，用以将该直流输出电压转换成一交流电压以驱动气体放电灯管；一控制器，连接至该直流/直流转换器的开关的一控制端，用以发出一开关控制信号以控制该开关的开关切换；以及一开路电压控制装置，用以检测与该镇流器的开路电压相关的一个电压，并且根据检测的结果调节该开关控制信号的占空比或脉冲密度或开关频率，藉此控制该镇流器的开路电压。

Description

具有开路电压控制装置的镇流器
技术领域
本案关于一种用于气体放电灯管的镇流器，尤指一种用于气体放电灯管的镇流器以及用来限制镇流器的开路电压控制装置。
背景技术
一般而言，开路电压(open circuit voltage，OCV)是指一个电子装置的两个端点之间在没有外部负载连接的情形下的电压差。在气体放电灯管的应用中，电子镇流器(electrical ballast)是用来限制流经气体放电灯管的电流量。因此，电子镇流器需要提供适当的开路电压，使得气体放电灯管能够有充足的能量来维持辉光放电(glow discharge)并且由辉光放电转变至弧光放电(arc discharge)。
图1显示传统用于气体放电灯管的镇流器的方块图。如图1所示，一电子镇流器是由一功率因子校正转换器(power factor corrector，PFC)102、一直流/直流转换器104、一输入滤波电容C1以及一逆变器106所组成，用以接受一交流输入电压Vin并且提供点亮气体放电灯管Lp1所需的能量。气体放电灯管Lp1可为一高强度放电灯管(high intensity discharge lamp，HID lamp)。功率因子校正转换器102是用来将交流输入电压Vin整流成一功率因子校正后的直流电压，以消除输入电流中的谐波杂讯。输入滤波电容C1连接至功率因子校正转换器102的输出端，以将功率因子校正转换器102所输出的直流电压中的杂讯与干扰滤除。直流/直流转换器104连接至输入滤波电容C1且为一降压式转换器(buck converter)，以将功率因子校正转换器102所输出的直流电压转换成一个较低的直流电压。逆变器106连接至直流/直流转换器104的输出端，以将直流/直流转换器104的输出直流电压转换成一交流电压，藉此驱动气体放电灯管Lp1。需注意的是若气体放电灯管Lp1为一直流灯管，则不需要逆变器106。直流/直流转换器104用来控制气体放电灯管Lp1的工作状态，使得气体放电灯管Lp1于稳定状态下以恒定电流模式或恒定功率模式来运作。
图2显示传统用于气体放电灯管的镇流器的方块图，其中显示出图1的直流/直流转换器104的详细电路。需注意的是在本篇说明书中，相似的元件以相同的元件编号来表示。在图2中，直流/直流转换器104为一降压式转换器且包含一开关Q1、一整流二极管D1、一电感L1，以及一电容C2。整流二极管D1与输入滤波电容C1并联，而电容C2与整流二极管D1并联。电感L1连接于整流二极管D1的阳极与电容C2的一端之间。开关Q1受一驱动器(未显示)所驱动进行开关切换。开关Q1具有一第一端(即正端)；一第二端(即负端)；以及一第三端(即控制端)。至于开关Q1的设置有两个方式。开关Q1可以设置在电容C1与整流二极管D1的阴极之间，亦即开关Q1设置在直流/直流转换器104的高压侧。然而，这种设置方式需要额外设置一个隔离元件如光耦合器来驱动开关Q1，因而会成本较高且使得开关Q1不容易驱动。另外，开关Q1可以设置在电容C1与整流二极管D1的阳极之间，亦即开关Q1设置在直流/直流转换器104的低压侧，如图2所示。这种设置方式使得开关Q1的第二端与输入滤波电容C1共用接地点而不需要设置隔离元件，并且开关Q1变得容易驱动，因而为广泛采用。直流/直流转换器104的运作说明如下。输入滤波电容C1上的电压的能量经由开关Q1的开关切换而传送至电感L1与电容C2。整流二极管D1在开关Q1截止后给电感L1提供电流回路。电感L1以及电容C2组成一输出滤波器，用以滤除经由开关Q1切换所输出的电压的杂讯。直流/直流转换器104的输出电压产生于电容C2上。
请参见图1与图8，其中图8显示气体放电灯管的镇流器中的灯管电压与灯管电流的波形图。在气体放电灯管Lp1点亮前，气体放电灯管Lp1镇流器需要提供一个适当的开路电压，例如300V，以便在气体放电灯管Lp1点亮后，提供足够的能量给气体放电灯管Lp1由辉光放电转变至弧光放电。因此，在气体放电灯管Lp1点亮前，灯管电压Vlamp为镇流器的开路电压。此外，在气体放电灯管Lp1点亮前，流经气体放电灯管Lp1的灯管电流Ilamp为零。在气体放电灯管Lp1点亮后，灯管电流Ilamp中的电流会上升且气体放电灯管Lp1的阻抗急速下降，使得气体放电灯管Lp1的灯管电压Vlamp下降。当气体放电灯管Lp1进入稳定状态后，气体放电灯管Lp1的阻抗为一稳态值(即灯管进入稳态工作时的阻抗)，使得灯管电压Vlamp的波形会与灯管电流Ilamp的波形在正负半周内周期变化。
在传统的镇流器中，会使用补偿电路来控制镇流器的开路电压，使得镇流器的开路电压大致限制于一预设范围。然而，补偿电路的电路结构通常是非常复杂且会降低镇流器的效率，同时会增加镇流器的成本。因此申请人提出一种电路结构简单的开路电压的控制装置，来控制镇流器的开路电压于一预设范围。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种用于气体放电灯管的镇流器，其具有电路结构简单的开路电压的控制装置，来控制镇流器的开路电压于一预设范围。
根据本发明的一广义实施态样，本发明提供一种用于气体放电灯管的镇流器，其具有一功率因子校正转换器，用以接收一交流输入电压并将该交流输入电压转换成一功率因子校正后的直流电压；一直流/直流转换器，连接至该功率因子校正转换器且具有一开关设置于该直流/直流转换器的一低压侧，用以根据该开关的开关切换将该功率因子校正后的直流电压转换成一直流输出电压；一逆变器，连接至该直流/直流转换器与一气体放电灯管，用以将该直流输出电压转换成一交流电压以驱动一气体放电灯管；一控制器，连接至该直流/直流转换器的开关的一控制端，用以发出一开关控制信号以控制该开关的开关切换；以及一开路电压控制装置，用以检测与该镇流器的开路电压相关的一个电压，并且根据检测的结果调节该开关控制信号的占空比或脉冲密度或开关频率，藉此控制该镇流器的开路电压。
附图说明
图1显示传统用于气体放电灯管的镇流器的方块图；
图2显示传统用于气体放电灯管的镇流器的方块图，其中显示出图1的直流/直流转换器的详细电路；
图3显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的代表性电路方块图；
图4显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的一第一实施例的电路方块图；
图5显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的一第二实施例的电路方块图；
图6显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的一第三实施例的电路方块图；
图7显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的一第四实施例的电路方块图；以及
图8显示气体放电灯管的镇流器中的灯管电压与灯管电流的波形图。
【主要元件符号说明】
Vin 交流输入电压
102 功率因子校正转换器
104 直流/直流转换器
106 逆变器
Lp1 气体放电灯管
300 开路电压控制装置
302 控制器
402 第一控制单元
404 第二控制单元
Ph1 隔离装置
S1  控制开关
Z1  齐纳二极管
C1  输入滤波电容
Q1  开关
D1  整流二极管
L1，C2 输出滤波器
R1  第一电阻
R2  第二电阻
R3  第三电阻
D2  二极管
Vs1 第一取样电压
Vs2 第二取样电压
Sc  开关控制信号
Voc’与镇流器的开路电压相关的电压
具体实施方式
体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图式在本质上当作说明的用，而非用以限制本案。
图3显示本发明的镇流器与开路电压控制装置的代表性电路方块图。与图2的传统用于气体放电灯管的镇流器互相比较，图3的镇流器增加了一个开路电压控制装置300，其连接至镇流器的一控制器302。控制器302连接于开关Q1的控制端，其设定为产生一开关控制信号Sc以控制开关Q1的开关切换。电容C1的低压侧为一第一参考电平，而电容C2的低压侧为一第二参考电平。开路电压控制装置300设定为检测与镇流器的开路电压相关的一个电压Voc’，例如直流/直流转换器104的输出电压或功率因子校正转换器102的输出电压减去直流/直流转换器104(由开关Q1、整流二极管D1、电感L1、电容C2组成)的输出电压的一个电压差，并且根据检测的结果产生一个检测信号，并且根据检测信号来控制开关控制信号Sc的占空比(duty ratio)或脉冲密度(pulse density)或开关频率(switching frequency)。通过取样镇流器的开路电压相关的一个电压Voc’以产生一个检测信号并且使用检测信号来调节用来控制开关Q1的开关切换的开关控制信号Sc的占空比或脉冲密度或开关频率，镇流器的开路电压便可以得到控制。在本实施例中，若灯管Lp1为一直流灯管时，逆变器106也可以去除。在本实施例中，镇流器的开路电压可以控制在预设范围，并且当直流/直流转换器104产生开路电压时，直流/直流转换器104可以控制在间歇工作模式下运作。
图4显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的一第一实施例的电路方块图。如图4所示，开路电压控制装置300包含一检测电路，其由一第一电阻R1、一第二电阻R2所组成。开路电压控制装置300更包含一开关控制装置，其由一控制开关S1以及一第三电阻R3所组成。控制器302包含一第一控制单元402、一第二控制单元404，以及一隔离装置Ph1。在本实施例中，与镇流器的开路电压相关的电压Voc’为直流/直流转换器104的输出电压Vo(亦即电容C2上的电压)。第一电阻R1与第二电阻R2串联于直流-直流转换器的电压输出端以及一信号接地端之间，其组成一分压器以将直流/直流转换器104的输出电压Vo(亦即电容C2上的电压)分割而产生一第一取样电压(sampled voltage)Vs1。控制开关S1为一双极接面晶体管(BJT)，其具有一基极连接至位于第一电阻与第二电阻中间的节点，以及一发射极连接至信号接地端，以及一集电极连接至第三电阻R3的一端。第三电阻R3的另一端连接至隔离装置Ph1与第一控制单元402之间的节点。第二控制单元404连接至开关Q1的控制端。第一控制单元402与第二控制单元404之间以隔离元件Ph1分隔开来。在本实施例中，隔离元件Ph1为一光耦合器。由于第一控制单元402的地电压为第二参考电平，而第二控制单元404的地电压为第一参考电平且与第一控制单元402的地电压不同，隔离元件Ph1乃为需要。控制开关S1的控制端(基极)接收第一电阻R1与第二电阻R2所组成的分压器所输出的第一取样电压Vs1，并且设定为当输出电压Vo(亦即电容C2上的电压)大于一预定值如300V时导通。当输出电压Vo(亦即电容C2上的电压)大于一预定值如300V使得控制开关S1导通时，控制开关S1的集电极电压便为低，使得隔离元件Ph1导通。此时，第二控制单元404便会截止，使得开关Q1截止。第一控制单元402设定为对气体放电灯管Lp1的灯管电压与灯管电流进行取样，并且根据取样的灯管电压及取样的灯管电流发出一功率限制信号(未显示)至开关Q1，使得气体放电灯管Lp1进入稳定状态后镇流器的输出功率固定在一恒定值上。在本实施例中，镇流器的开路电压可以控制在预设范围，并且当直流/直流转换器104产生开路电压时，直流/直流转换器104可以控制在间歇工作模式下运作。此外，控制开关S1亦可为一三极管(triode)、一金氧半场效晶体管(MOSFET)，或一隔离栅极双极晶体管(IGBT)。
图5显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的一第二实施例的电路方块图。在本实施例中。与镇流器的开路电压相关的电压Voc’为直流/直流转换器104的输出电压(亦即电容C2上的电压)。与图4互相比較，图5的开路电压控制装置300增加了一个齐纳二极管(zener diode)Z1，具有一阳极连接至第一电阻R1以及一阴极连接至直流-直流转换器的正电压输出端。齐纳二极管Z1用来克服控制开关S1的基极-发射极电压(Vbe)的公差(tolerance)。齐纳二极管Z1的另一个优点在于当气体放电灯管Lp1在正常运作时，齐纳二极管Z1截止使得电阻R1与R2的损耗(loss)为零。在本实施例中，镇流器的开路电压可以控制在预设范围，并且当直流/直流转换器104产生开路电压时，直流/直流转换器104可以控制在间歇工作模式下运作。
图6显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的一第三实施例的电路方块图。在本实施例中，与镇流器的开路电压相关的电压Voc’为功率因子转换器102的输出电压(亦即电容C1上的电压)减去直流/直流转换器104的输出电压(亦即电容C2上的电压)的一个电压。与图4不同的是，在图6中开路电压控制装置300的地电压为第二参考电压，并且开路电压是以间接的方式来检测。在图6中，第三电阻R3连接至一辅助电压Vcc，且开路电压控制装置300更包含一二极管D2连接于控制开关S1的集电极与第二控制单元404之间。在此实施例中，控制器302可以如图4所示包含第一控制单元及隔离光耦合器Ph1(未标示)，也可以将第一控制单元所承担的控制功能集成在第二控制单元中。如此一来，第一控制单元与隔离光藕Ph1便不需要。第一电阻R1与第二电阻R2组成的分压器将电容C1与C2上的电压差进行分割而产生一第二取样电压Vs2。若输出电压Vo(亦即电容C2上的电压)大于一预定值，例如300V，第二取样电压Vs2会不够高而无法使得控制开关S1导通。因此，控制开关S1便会截止且二极管D2会导通。藉此，第二控制单元404会由于二极管D2的导通而改变输出信号Sc，使得开关Q1截止。在气体放电灯管Lp1正常工作后，输出电压Vo(亦即电容C2上的电压)便会小于一预定值，例如300V，第二检测电压Vs2会足够高使得控制开关S1导通。因此，二极管D2会截止。藉此，第二控制单元404会由于二极管D2的截止而不受控于开路电压控制装置300，使得第二控制单元404产生开关控制信号Sc来控制开关Q1的开关切换。需注意的是二极管D2为非必要的元件。在本实施例中，镇流器的开路电压可以控制在预设范围，并且当直流/直流转换器104产生开路电压时，直流/直流转换器104可以控制在间歇工作模式下运作。
图7显示本发明的镇流器与开路电压的控制装置的一第四实施例的电路方块图。在本实施例中，与镇流器的开路电压相关的电压Voc’为功率因子转换器102的输出电压(亦即电容C1上的电压)减去直流/直流转换器104的输出电压(亦即电容C2上的电压)的一个电压。与图6互相比较，图7的开路电压控制装置300增加了一个齐纳二极管(zener diode)Z1，具有一阳极连接至第一电阻R1以及一阴极连接至直流-直流转换器104的负电压输出端。齐纳二极管Z1用来克服控制开关S1的基极-发射极电压(Vbe)的公差。在本实施例中，镇流器的开路电压可以控制在预设范围，并且当直流/直流转换器104产生开路电压时，直流/直流转换器104可以控制在间歇工作模式下运作。
本发明的另外一种实施态样为一种控制一气体放电灯管的镇流器的开路电压的方法，其包含下列步骤。首先，取样与该气体放电灯管的镇流器的开路电压相关的一个电压以产生一取样电压。接著，判断该取样电压是否大于一个预定电压值，并且根据判断的结果产生一检测电压。最后，根据该检测电压调节用来控制镇流器的开关切换的一开关控制信号的占空比或脉冲密度或开关频率，藉此控制该镇流器的开路电压于一预设范围。
总合来说，本发明提出一种用于气体放电灯管的镇流器，以及用以控制镇流器的开路电压的控制装置。本发明的开路电压的控制装置包含一检测电路与由控制开关所组成的开关控制装置。镇流器包含一控制器以输出一开关控制信号来控制镇流器中的直流/直流转换器中的开关的切换运作。检测电路系设定为取样与镇流器的开路电压相关的一个电压，并且判断取样的结果是否大于一预定电压值，藉此产生一检测信号。开关控制装置会根据检测信号来改变开关控制信号，藉此控制镇流器的开路电压于一预定范围内。此外，当直流/直流转换器104产生开路电压时，直流/直流转换器104可以控制在间歇工作模式下运作。
本案得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims (16)

1.一种气体放电灯管的镇流器，其包含：
一功率因子校正转换器，用以接收一交流输入电压并将该交流输入电压转换成一功率因子校正后的直流电压；
一直流/直流转换器，连接至该功率因子校正转换器且具有一开关设置于该直流/直流转换器的一低压侧，用以根据该开关的开关切换将该功率因子校正后的直流电压转换成一直流输出电压；
一控制器，连接至该直流/直流转换器的开关的一控制端，用以发出一开关控制信号以控制该开关的开关切换；以及
一开路电压控制装置，包含一检测电路以检测与该镇流器的开路电压相关的一个电压，以及一开关控制装置，连接至该检测电路以根据检测的结果驱动该控制器调节该开关控制信号的占空比或脉冲密度或开关频率，藉此控制该镇流器的开路电压。
2.如权利要求1所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该开路电压值在控制在一预设范围内。
3.如权利要求1所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，当直流/直流转换器产生该开路电压时，该开路电压控制装置使得该直流/直流转换器的开关在间歇模式下工作。
4.如权利要求1所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，更包括一逆变器，连接至该直流/直流转换器与一气体放电灯管，用以将该直流输出电压转换成一交流电压以驱动该气体放电灯管。
5.如权利要求1所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该直流/直流转换器为一降压式转换器。
6.如权利要求1所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该开路电压控制装置的该检测电路，连接至该直流/直流转换器，用以取样与该镇流器的开路电压相关的一个电压并产生一取样电压，并且该开关控制电路判断该取样电压是否大于一预定电压值，并且根据判断的结果产生一检测信号。
7.如权利要求6所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该控制器更包含：
一第一控制单元，设定为对该气体放电灯管的灯管电压与灯管电流进行取样，并且根据取样的结果发出一功率限制信号至该直流/直流转换器的开关，使得该镇流器的输出功率控制在一预定范围内；
一第二控制单元，连接至该开关控制电路与该直流/直流转换器的该开关的控制端，用以根据该检测信号调节该开关控制信号的占空比或脉冲密度或开关频率，藉此控制该镇流器的开路电压；以及
一隔离元件，连接于该第一控制单元与该第二控制单元之间，用以将该检测信号耦合至该第二控制单元。
8.如权利要求7所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该隔离元件为一光耦合器。
9.如权利要求6所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该检测电路包含：
一第一电阻，连接至该直流/直流转换器的输出端；以及
一第二电阻，与该第一电阻串联而组成一分压器，用以取样与该镇流器的开路电压相关的一个电压并产生一取样电压。
10.如权利要求6所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该开关控制电路包含：
一控制开关，具有一对电流传导端与一控制端，该控制端连接至该第一电阻与该第二电阻之间的一节点，用以接收该取样电压，并且设定为根据该取样电压是否大于该预定电压值而进行导通或截止，藉此产生该检测信号；以及
一第三电阻，连接至该控制开关的一电流传导端。
11.如权利要求6所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该开关控制电路更包含：
一二极管，连接于该控制开关的一电流传导端与该第二控制单元之间。
12.如权利要求6所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该检测电路更包含一齐纳二极管，连接于该直流/直流转换器的输出端与该第一电阻之间，用以来克服该控制开关S1的电流传导端之间的电压差的公差。
13.如权利要求6所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，该控制开关为一双极接面晶体管、一金氧半场效晶体管，或一隔离栅极双极晶体管。
14.如权利要求1所述的气体放电灯管的镇流器，其特征在于，与该镇流器的开路电压相关的一个电压为该直流/直流转换器的输出电压，或该功率因子校正转换器的输出电压减去该直流/直流转换器的输出电压的电压。
15.一种控制一气体放电灯管的镇流器的开路电压的方法，包含下列步骤：
取样与该气体放电灯管的镇流器的开路电压相关的一个电压以产生一取样电压；
判断该取样电压是否大于一个预定电压值，并且根据判断的结果产生一检测电压；以及
根据该检测电压调节用来控制镇流器的开关切换的一开关控制信号的占空比或脉冲密度或开关频率，藉此控制该镇流器的开路电压于一预设范围。
16.如权利要求15所述的控制一气体放电灯管的镇流器的开路电压的方法，其特征在于，该镇流器包含一直流/直流转换器，且该方法尚包括下列步骤：
当该直流/直流转换器产生该镇流器的开路电压时，该直流/直流转换器是控制在间歇工作模式下运作。
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