CN1130957C - 具有内含的功率因数校正的单开关镇流器 - Google Patents

Abstract

一个电子镇流器(200)，包括一个整流电路(20)，一个储能电感(38)，一个功率开关管(58)，一个用以驱动该功率开关管(58)的控制电路(50)，一个箝位二极管(46)，一个电压箝位电容(54)，一个大容量电容(34)，以及一个用来向一盏或多盏荧光灯(100)提供电源的输出电路(70)。在一个优选实施例中，该整流电路(20)包括一个全波二极管桥式整流器(22)以及一个高频滤波电容(24)，并且该输出电路(70)具有一个谐振电感(72)，一个谐振电容(82)，以及一个直流阻隔电容(88)。该镇流器(200)提供功率因数校正功能并向诸荧光灯提供高频电源，但仅需一个单独的功率开关管(58)以及一个单独的储能电感(38)。

Description

具有内含的功率因数校正的单开关镇流器

技术领域

本发明涉及镇流器的一般论题，特别是涉及具有内含的功率因数校正(功能)的单开关镇流器。

背景技术

传统的磁性线圈镇流器具有许多运行上的缺点，例如低的能源效率以及高的闪烁。电子镇流器克服了磁性镇流器的缺点，但其成本却高得可观。

一个普通类型的电子镇流器包括一个整流电路，一个用以提供功率因数校正的直流/直流开关变换器，一个高频逆变器，以及一个输出电路。这样的镇流器典型地需要三个以上的功率晶体管开关，此外还要有大量的其他元件，其中，诸如电感和变压器这样的磁性元件典型地是最昂贵的和最难以制造的。由于它的复杂性以及高昂的元件费用，使得这种镇流器价格昂贵，因此，竞争不过那些价格低廉的磁性镇流器。

最近，人们已经作出努力去设计一种能够跟廉价的磁性镇流器相竞争的电子镇流器电路，但并没有牺牲重要的性能上的优点，例如高的能源效率，微不足道的闪烁，高的功率因数，以及低的谐波畸变。

朝着这个目标，美国专利号5399944公开了一种新的电子镇流器电路，通过把一个功率因数校正变换器以及一个高频逆变器二者的功能组合到仅需一个功率晶体管开关的一个单独的变换器级，该电路在元件费用和产品成本方面得到了实质性的降低。该单独的变换器级包括两个分离的磁性元件，其中的一个是用于功率因数校正的电感，另一个是用于限制该晶体管开关上的峰值电压的“箝位”电感。由于磁性元件是在电子镇流器中使用的最大的和最贵的元件，所以这样就大大地偏离了降低材料与制造成本的目标，同时也存在研制一种能将磁性元件的数目减到最少的新型镇流器电路的巨大推动力。

发明内容

因此，显而易见，下述的一种电子镇流器将对现有技术作出重大改进，这种镇流器只需要最小数目的磁性元件，具有缩小了的物理尺寸以及较低的材料与制造成本，但这样做并不牺牲一些重要的优点，例如高功率因数与在交流电流中的低谐波畸变。

本发明的镇流器包括：一个具有一对输入端子和一对输出端子的整流电路，该输入端子适于接受交流电源；其特征在于：一个具有一个初级绕组和一个次级绕组的储能电感，该初级绕组被连接于该整流电路的一个第一输出端与一个第一节点之间，该次级绕组被连接于一个第二节点与一个第三节点之间；一个功率开关管连接于该第二节点与一个第四节点之间，该第四节点被连接于该整流电路的一个第二输出端；一个用于驱动该功率开关管的控制电路；一个连接于该第一节点与该第二节点之间的电压箝位电容器；一个具有一个阳极引出端和一个阴极引出端的箝位二极管，该阳极引出端被连接到该第一节点并且该阴极引出端被连接到该第三节点；一个连接于该第三节点与该第四节点之间的大容量电容；以及一个连接于该第二节点与该第四节点之间的输出电路，该输出电路包括至少两根适于连接到至少一盏荧光灯的输出接线。

本发明的镇流器还可包括初级绕组和次级绕组，它们彼此间应这样取向(指同名端安排)，使得从该第三节点到该第二节点的次级绕组上出现的正电压，跟从该整流电路的第一输出端到该第一节点的初级绕组上出现的正电压相符；以及一个连接于该第二节点与第四节点之间的输出电路还包括：一个连接于该第二节点与一个第五节点之间的谐振电感；一个连接于第六节点与一个第七节点之间的谐振电容；一个连接于第八节点与该第四节点之间的阻隔电容。

本发明的镇流器还可包括一个全波二极管桥式整流器以及一个高频滤波电容，该高频滤波电容跨接于该整流电路的两个输出端；一个具有栅极引出端、漏极引出端和源极引出端的场效应晶体管，该漏极引出端被连接到该第二节点，该源极引出端被连接到该第四节点，该第四节点被连接到该整流电路的第二输出端，并且该栅极引出端适于接收一组驱动信号，该信号使得该晶体管从漏极引出端到源极引出端之间或导通或截止；一个控制电路，其中包括一个脉冲宽度调制器，用于以可变的空度比驱动该场效应晶体管；以及其第五节点适于通过一盏荧光灯的第一灯丝连接到该第六节点，并且该第七节点适于通过该荧光灯的第二灯丝连接到该第八节点。

附图说明

图1描述根据本发明的，包括一个单独的功率开关管和一个单独的储能电感的电子镇流器。

图2是一份根据本发明的电子镇流器电路的一个优选实施例的简图。

图3A和图3B是根据本发明的变通的诸输出电路的图。

图4A和4B是根据本发明的，如图2所示的电子镇流器的一部分，在功率开关管断开与闭合期间的等效电路图。

具体实施方式

图1表示一个用以驱动一个含有一盏或多盏荧光灯的荧光灯负载100的电子镇流器200。该镇流器200包括一个整流电路20、一个储能电感38、一个功率开关管58、一个电压箝位电容54、一个具有阳极引出端48和阴极引出端44的箝位二极管46、一个大容量电容34、以及一个输出电路70。

该整流电路20有一对用以接受交流(AC)电源10的输入端12、1以及一对输出端30、32。该储能电感38包括一个连接于整流电路20的一个第一输出端30与一个第一节点52之间的初级绕组40，以及一个连接于一个第二节点56与一个第三节点36之间的次级绕组42。该功率开关管58被连接于该第二节点56与一个第四节点60之间，而该第四节点60被连接到整流电路20的第二输出端32。箝位二极管46的阳极引出端48被连接到该第一节点52，同时该阴极引出端44被连接到该第三节点36。大容量电容34连接于该第三节点36与该第四节点60之间。最后，该输出电路70跨接于该第二节点56与该第四节点60之间，并包括适于连接到由一盏或多盏荧光灯组成的荧光灯负载100的两根以上的输出接线90、92、96。

镇流器200将高频交流电流输送到荧光灯负载100并提供功率因数校正，但只需要一个单独的功率开关管58和一个储能电感38。从元件费用、物理尺寸、材料与制造成本等方面来看，镇流器200呈现出很多的优点。

在镇流器200的一个实际的实施例中，功率开关管58可从适用于大功率开关的多种可控制的器件中选用任何一种，例如一个场效应晶体管(FET)和一个双极的结型晶体管(BJT)。至于功率开关管58实际选用何种器件，则受到多种设计考虑的支配，例如功率开关管58所承受的电压和电流，控制电路50所提供的驱动信号的特性、以及该器件本身的材料成本。

镇流器200的一个优选实施例示于图2。该整流电路20包括一个全波二极管桥式整流器22，以及一个跨接于整流电路20的输出端30、32的高频滤波电容24。高频滤波电容24的功能是为功率开关管58在工作时产生的、频率超过20千赫的高频电流提供一条旁路。在电容24缺失的情况下，该高频电流将不得不直接地流过交流电源10，其最终结果将包括导致较低的功率因数以及较大的总的谐波畸变。在一个优选的实施例中，功率开关管58包括一个场效应晶体管，它具有一个栅极引出端132、一个漏极引出端134、以及一个源极引出端136。该漏极引出端134被连接到该第二节点56，该源极引出端136被连接到该第四节点60，并且该栅极引出端132适于接受由控制电路50提供的驱动信号。控制电路50包括一个用于在高频率下以可变的空度比驱动该功率开关管58的脉冲宽度调制器，以便提供功率因数校正，并经由输出电路70，向一盏或多盏荧光灯提供高频功率。

再参看图2，储能电感38的初级绕组40和次级绕组42彼此间应这样来取向(指同名端的安排)，使得从该第三节点36到该第2节点56的次级绕组42上出现的正电压，跟从整流电路20的第一输出端30到该第一节点52的初级绕组40上出现的正电压相符。而且，为了使储能电感38中的功率损耗减到最小，最好是初级绕组40和次级绕组42具有相等的圈数。

在一个实施例中，该输出电路70包括一个串联谐振电路，它由一个谐振电感72、一个谐振电容82以及一个直流(DC)阻隔电容88组成。具体地说，谐振电感72连接于该第二节点56与一个第五节点74之间，谐振电容82连接于一个第六节点80与一个第七节点84之间，以及直流阻隔电容88连接于一个第八节点86与该第四节点60之间。电容88的功能是阻隔输送到介于节点56与节点60之间的输出电路70的电压中的直流分量，使得在谐振电感72和谐振电容82的串联组合部件两端(即，介于节点56与节点84之间)能看到一个实质上没有直流(DC)分量的对称方波电压，由此使得一个实质上的正弦交流电流被输送到该荧光灯100。

在一个优选的实施例中，如图2所示，该第五节点74和该第六节点80通过一盏荧光灯104的第一灯丝102连接在一起，而该第七节点84和该第八节点86通过荧光灯104的第二灯丝106连接在一起。只要该第一灯丝102和第二灯丝106都是完整无损的并且被连接到各自的输出接线90、92、94、96，那么，由于存在一条让交流(AC)电流经由谐振电感72、第一灯丝102、谐振电容82、第二灯丝106和直流阻隔电容88流通的路径，将使输出电路开始工作。与此同时，流经诸灯丝102、106的交流电流将向诸灯丝提供为快速起动操作所需要的加热电流。若荧光灯104被拿走，或者该荧光灯诸灯丝102、106中的一个或两个受损，或者没有被连接到它们各自的输出接线90、92、94、96，则输出电路70停止工作。这样一种连接方案提供了令人满意的特征，即：出现灯丝开路或拿走荧光灯管时，该输出电路70将自动关闭。

一种适用于瞬间启动荧光灯的变通的连接方案示于图3A。在这里，该第五节点74与第六节点互连，第七节点84与第八节点86互连，并且一盏荧光灯104被连接于该第五节点74与该第八节点86之间。

图3B描述一种用于快速启动场合的变通的灯管连接方案，该方案使用一个输出变压器130以便在诸输出接线90、92、94、96与交流电源10之间提供电气隔离。该输出变压器130包括一个连接于该第五节点74与该第八节点86之间的初级绕组132，以及至少一个次级绕组134。次级绕组134可以包括抽头连接160、162，以便向每一组灯丝102、106提供加热电压。

现在转到图4A和图4B，将图2所示的该镇流器200的工作说明如下。

为了使主要地输送到该负载120的高频电流中出现的低频(例如120赫兹)“纹波”的数量减到最小，那个大容量电容34最好选用具有相当大的电容量数值的一种，通常为数十微法拉的数量级。因而，大容量电容34两端的电压V₄主要地保持一个直流数值，其大小取决于多种因素，包括交流电源10的电压、功率开关管工作时空度比的变化范围、以及输出电路70与荧光灯负载100的组合部件所呈现的负载120。

参看图4A和图4B，不论开关管58是导通还是截止，在电压箝位电容54两端的电压V₂都是一样的，并且等于大容量电容34两端的电压V₄跟呈现于节点30与节点32之间的整流后的交流电压V_in之间的差值。由此可见，该电压V₂以一种相反的方式跟踪该交流电源10的电压，所以当交流电源10的电压为最小值时，V₂达到最大值，反之亦然。

现在详细地参看图4A，在开关管58导通期间，充电电流从整流电路的第一输出端30流出，经过初级绕组40、电容54、开关管58，返回到整流电路的第二输出端32。由于在被考虑的这段期间内，初级绕组40两端的电压V₁实质上是恒定的，所以该充电电流实质上按线性方式增加，使得存储在初级绕组40中的能量数值越来越大。与此同时，随着开关管58的导通，输送到负载120(包括相同于图1的输出电路70以及该荧光灯负载100两部分)的电压等于0。此外，一个实质上线性增长的正电流从节点36经过次级绕组42流到节点56，使得能量从大容量电容34转移到次级绕组42。因为二极管46被反向偏置，所以在图4B中没有表示出来，并因此在开关管58闭合的整个期间，该二极管都处于截止状态。

一旦开关管58进入截止状态，流经次级绕组42的电流就开始急剧地减小。因而，次级绕组42两端的电压V₁颠倒其极性，并企图增加到一个极高的电平。然而，就在V₁可能增加到一个极高的电平之前，当节点52上的电压企图超过大容量电容34两端的电压V₄时，二极管46变为正向偏置并开始导通。等效地说，二极管46的箝位动作将次级绕组42两端的电压V₁限制于(V₄-V_in)，同时将开关管58两端的电压V₃限制于(2V₄-V_in)。随着二极管46现在导通，存储在初级绕组40中的能量被转移到大容量电容34，并且流经初级绕组40的电流开始以实质上线性的方式减小。随着开关管58截止(开路)，能量从大容量电容34经过次级绕组42输送到负载120。

从前面所述可以推断，对于流过初级绕组40的实质上按线性规律增加和减小的电流来说，并且从交流电源10的角度来看，该镇流器200的运行方式有点类似于普通的升压变换器电路，后者是人们所熟知的，并且在现有技术中广泛用于功率因数校正的目的。此外，由于在开关管两端的电压V₃在O与实质上等于(2V₄-V_in)的直流电平之间周期性地改变着，因此，该镇流器200向输出电路70提供一种实质上是方波的电压，这等效于在现有技术中由更加复杂的电路，例如半桥逆变器，所提供的电压。因此，所提出的镇流器200仅需一个单独的功率开关管58以及一个单独的储能电感38，就能通过输出电路70提供功率因数校准以及适于驱动荧光灯负载100的逆变器输出电压。

在一个按图2所示而构成的镇流器样机中，测得的功率因数为0.986，总谐波畸变为12％，以及三次谐波畸变为6.9％。荧光灯电流的波峰因数，这是在向荧光灯104输送的主要的高频(例如，超过20千赫)电流中不希望2有的低频(120赫兹)纹波数值的一种度量，的测量值为1.48，这就满足了关于荧光灯电流质量的可接受的镇流器性能标准。因此，所公开的镇流器200向诸荧光灯提供了功率因数校正以及适当的高频电流质量，而跟现有技术的各种方案相比，所需的电路规模是较小的。

所公开的镇流器电路200的主要优点是：它使用一个单独的功率开关管58连同一个储能元件38，使得为了实现一个功率因数校正电路和一个逆变器这两种功能，仅需一个单独的磁性元件。其结果是，电子镇流器200跟现有的各种方案相比，具有较小的物理尺寸、较低的元件费用、降低了的材料成本，而且更容易生产。

虽然本发明是参照于某一优选实施例来说明的，但是本专业的技术人员可以在不背离本发明的新精神和范围的前提下作出许多修改和变动。

Claims (10)

1.一个电子镇流器，包括：

一个具有一对输入端子和一对输出端子的整流电路，该输入端子适于接受交流电源；该电子镇流器特征在于包括：

一个具有一个初级绕组和一个次级绕组的储能电感，该初级绕组被连接于该整流电路的一个第一输出端与一个第一节点之间，该次级绕组被连接于一个第二节点与一个第三节点之间；

一个功率开关管连接于该第二节点与一个第四节点之间，该第四节点被连接于该整流电路的一个第二输出端；

一个用于驱动该功率开关管的控制电路；

一个连接于该第一节点与该第二节点之间的电压箝位电容器；

一个具有一个阳极引出端和一个阴极引出端的箝位二极管，该阳极引出端被连接到该第一节点并且该阴极引出端被连接到该第三节点；

一个连接于该第三节点与该第四节点之间的大容量电容；以及

一个连接于该第二节点与该第四节点之间的输出电路，该输出电路包括至少两根适于连接到至少一盏荧光灯的输出接线。

2.根据权利要求1所述的电子镇流器，其中该储能电感的初级和次级绕组彼此间应这样来取向(指同名端的安排)，使得从该第三节点到该第二节点的次级绕组上出现的正电压，跟从该整流电路的第一输出端到该第一节点的初级绕组上出现的正电压相符。

3.根据权利要求1所述的电子镇流器，其中该整流电路包括：

一个全波二极管桥式整流器；以及

一个跨接于该整流电路两个输出端的高频滤波电容。

4.根据权利要求1所述的电子镇流器，其中：

该功率开关管包括至少一个场效应晶体管和一个双极的结型晶体管；以及

该控制电路包括一个用于以可变的空度比驱动该功率开关管的脉冲宽度调制电路。

5.根据权利要求1所述的电子镇流器，其中该输出电路包括：

一个连接于该第二节点与一个第五节点之间的谐振电感；

一个连接于一个第六节点与一个第七节点之间的谐振电容；以及

一个连接于一个第八节点与该第四节点之间的直流阻隔电容器。

6.根据权利要求5所述的电子镇流器，其中该第五节点被连接到该第六节点，该第七节点被连接到第八节点，并且该第五节点和该第八节点之间，适于连接至少一盏荧光灯。

7.根据权利要求5所述的电子镇流器，其中该第五节点适于通过一盏荧光灯的第一灯丝连接到该第六节点，并且该第七节点适于通过该荧光灯的第二灯丝连接到该第八节点。

8.根据权利要求5所述的电子镇流器，还包括一个具有一个初级绕组和至少一个次级绕组的输出变压器，其中该第五节点被连接到该第六节点，该第七节点被连接到该第八节点，该输出变压器的该初级绕组连接于该第五节点与该第八节点之间，并且该输出变压器至少有一个绕组适于跟至少一盏荧光灯连接。

9.一个电子镇流器，包括：

一个具有一对输入端子和一对输出端子的整流电路，该输入端子适于接受一组交流电源；该电子镇流器的特征在于包括：

一个具有一个初级绕组和一个次级绕组的储能电感，该初级绕组被连接于该整流电路的一个第一输出端与一个第一节点之间，该次级绕组被连接于一个第二节点与一个第三节点之间，该初级和次级绕组彼此间应这样来取向(指同名端的安排)，使得从该第三节点到该第二节点的次级绕组上出现的正电压，跟从该整流电路的第一输出端到该第一节点的初级绕组上出现的正电压相符；

一个连接于该第二节点与一个第四节点之间的功率开关管，该第四节点被连接到该整流电路的第二输出端；

一个连接于该第一节点与该第二节点之间的电压箝位电容；

一个具有一个阳极引出端和一个阴极引出端的箝位二极管，该阳极引出端被连接到该第一节点，并且该阴极引出端被连接到该第三节点；

一个连接于该第三节点与该第四节点之间的大容量电容；

一个用于驱动功率开关管的控制电路；以及

一个连接于该第二节点与该第四节点之间的输出电路，该输出电路包括：

一个连接于该第二节点与一个第五节点之间的谐振电感；

一个连接于一个第六节点与一个第七节点之间的谐振电容；以及

一个连接于一个第八节点与该第四节点之间的直流阻隔电容；以及

至少两根适于跟至少一盏荧光灯连接的输出引线。

10.一个电子镇流器，包括：

一个具有一对输入端子和一对输出端子的整流电路，该输入端子适于接受一组交流电源；该电子镇流器的特征在于包括：

一个全波二极管桥式整流器以及一个高频滤波电容，该高频滤波电容跨接于该整流电路的两个输出端子；

一个具有一个初级绕组以及一个次级绕组的储能电感，该初级绕组被连接于该整流电路的一个第一输出端与一个第一节点之间，该次级绕组被连接于一个第二节点与一个第三节点之间，该初级和次级绕组彼此间应这样来取向(指同名端的安排)，使得从该第三节点到该第二节点的次级绕组上出现的正电压，跟从该整流电路的第一输出端到该第一节点的初级绕组上出现的正电压相符；

一个具有栅极引出端、漏极引出端和源极引出端的场效应晶体管，该漏极引出端被连接到该第二节点，该源极引出端被连接到该第四接点，该第四节点被连接到该整流电路的第二输出端，并且该栅极引出端适于接收一组驱动信号，该信号使得该晶体管从漏极引出端到源极引出端之间或导通或截止；

一个连接于该第一节点与该第二节点之间的电压箝位电容；

一个具有一个阳极引出端和一个阴极引出端的箝位二极管，该阳极引出端被连接到该第一节点，并且该阴极引出端被连接到该第三节点；

一个连接于该第三节点与该第四节点之间的大容量电容；

一个控制电路，其中包括一个脉冲宽度调制器，用于以可变的空度比驱动该场效应晶体管；以及

一个输出电路，包括：

一个连接于该第二节点与一个第五节点之间的谐振电感；

一个连接于一个第六节点与一个第七节点之间的谐振电容；

一个连接于一个第八节点与该第四节点之间的直流阻隔电容；以及

其中该第五节点适于通过一盏荧光灯的第一灯丝连接到该第六节点，并且该第七节点适于通过该荧光灯的第二灯丝连接到该第八节点。

Images