CN1309460A - 具有互补开关的卤素灯电源变换器 - Google Patents

Abstract

卤素灯电源变换器电路包括:产生电力线电压的电源;把电力线电压整流并产生频率为电力线电压频率两倍的脉动直流电压的整流器;接收脉动直流电压的栅驱动电路,它驱动一对开关将脉动直流电压逆变,它还包括彼此串联连接的驱动电感、定时电感和定时电容;接收开关的输出信号、包括第一绕组和第二绕组的变压器及电容;变压器绕组的抽头;和连接到抽头的用于从变压器绕组接收驱动信号的灯,其中抽头(31)衰减在变压器绕组两端形成的信号。

Description

具有互补开关的卤素灯电源变换器

本发明涉及低电压卤素灯的镇流电路，更具体地说，涉及在脉动直流到交流逆变器中应用一对互补开关的镇流电路。

从高压电源(例如120伏，60Hz)给低压灯、特别是卤素灯供电的典型方法是利用传统的半桥高频逆变器。这些方法采用电平移动方案来周期性地接通和断开高压侧开关。一种方案可能在电源电压与低压灯之间采用降压变压器。这种方法的几个缺点是：工作在60Hz下的变压器比在高频下的大些和重些，降压变压器相当贵，并且当应用降压变压器时没有固有的短路保护。

本发明提供的卤素灯或其他低压灯镇流电路克服了上述的缺点。

描述一种用于向负载电路提供高频交流电流的镇流电路，这负载电路包括低压卤素灯或其它热丝灯和自耦变压器，或分离耦合变压器和电容。镇流电路包括交流-直流变换器电路和脉动直流到交流逆变器，其中，交流-直流变换器电路包括全波整流器和电容，而脉动直流到交流逆变器包括在母线导体与参考导体之间串联连接的第一和第二开关。这两个开关在通过交流电流的公共节点和控制节点上连接在一起。在控制节点和公共节点之间还连接着包括一个电容和两个电感的串联连接的电路。在控制节点和公共节点之间的电压用来决定相关的开关的导电状态，其中串联连接的电路的时间常数决定了工作频率。

在母线导体与参考导体之间还包括串联连接的第一和第二电阻，这两个电阻也连接到控制节点。第三电阻连接在公共节点和母线导体与参考导体中的一个之间，以便设定控制节点相对于公共节点的的起始极性。

图1是根据本发明的卤素灯电源变换器电路的最佳实施例的原理图；

图2-7说明能用在图1电路的其它类型的开关；

图8是桥式整流器典型输出电压(VBUS)波形图；和

图9是卤素灯典型电压(VLAMP)波形图。

图1描述驱动12伏卤素灯12的电源变换器电路10。分别控制开关14和16来把来自全波桥式整流器18的脉动直流电流转变为交流电流，以便供给包括电感/变压器绕组24和电容26的负载电路22，其中全波桥式整流器18连接到交流电源20(例如120伏，60Hz)。在母线导体28与参考导体30之间有脉动直流母线电压(VBUS)。负载电路22也包括卤素灯12，它如图所示连接在节点或变压器绕组24的抽头31和节点32之间，节点32还把变压器绕组36连接到电容34。电容36用来把节点32电压维持在大约1/2母线电压(VBUS)。设置控制电路38，它与开关(14,16)一起构成逆变器电路配置。

电容36从母线导体28到参考导体30跨接在桥式整流器两端。设置电容36是为了防止脉动直流电压在各周期之间降为零。因此，电容36可以比典型的滤波电容小很多(例如0.1μF)。这样，从电力线看去可以获得接近1的功率因数。通过防止脉动直流电压达到零，就维持了再生控制电路38的正常工作，电路不需要再启动。如果以纯直流电流给母线导体28供电，则控制电路38会满意地工作，但是，对于卤素灯电源变换器的工作则不需要这样，并且可避免使用电解电容。

在图1的电源变换器10中，开关14和16在例如下面的意义上是彼此互补的：如图1所示，开关14可以是n沟道增强型器件，而开关16可以是p沟道增强型器件。如图2和3所示，在一个实施例中，每个开关14和16包括固有的反向导电二极管40和42。当用MOSFET来实施时，每个开关14和16有各自的栅极，或控制端子。从开关14的栅极到源极的电压控制该开关的导电。与此相似，从开关16的栅极到源极的电压控制该开关的导电。如所示，开关14和16的源极在公共节点44连接在一起。在开关14和16的栅极在公共控制节点44相互连接的情况下，在控制节点46和公共节点44之间的信号电压控制开关14和16两者的导电状态。开关的漏极分别连接到母线导体28与参考导体30。

另一方面，可以用绝缘栅极双极晶体管(IGBT)开关来实现开关14和16，例如分别示于图4和5中的p沟道和n沟道器件。可是，如图4和5所示的那样每个IGBT分别带有反向导电的二极管48和50。IGBT优于MOSFET的地方是：它们通常有较高的额定电压，使得使用相同IGBT的电路可以具有宽的直流输入电压值范围。此外，开关14和16可以用双极性结型晶体管(BJT)开关来实施，例如分别示于图6和7的NPN和PNP器件。象IGBT开关那样，图6和7的BJT开关分别带有反向导电的二极管52和54。

回头来参考图1，连接在控制节点46和公共节点44之间的栅极驱动电路38控制开关14和16的导电状态。栅极驱动电路38包括与电感变压器绕组24相互耦合的驱动电感58，并且此驱动电感的一端连接到公共节点44。变压器绕组24连接到公共节点44的这一端可以是由电感绕组58和24组成的变压器的一个抽头。根据示于这些电感符号旁的黑点来确定电感58和24的极性。驱动电感58为栅极驱动电路38提供驱动能量。第二电感60和定时电容62串联连接到驱动电感58的另一端，处在节点46和电感58之间。

本实施例中包括齐纳二极管64和66的双向电压箝位电路63，把栅极对源极电压的正和负的变化范围箝位在例如由所示的背对背齐纳二极管的额定电压所决定的各自限度内。在开关14和16由MOSFET或IGBT构成的情况下，希望有双向电压箝位电路，可是，在开关由BJT构成的情况下，不需要双向电压箝位电路，因此可去掉它。

最好在节点44和46之间设置电容68来可预测地限制节点44和46之间的栅极对源极电压的变化率。这有利于保证例如在开关14和16的开关方式下的空载时间间隔，在这空载时间间隔内，在两个开关中任一个被接通的时间之间，两个开关都被截止。

电阻70和72串联连接在母线导体28与参考导体30之间。如所示，第三个电阻74跨接于开关16两端。如果开关14和16的占空比相等，则电阻70和72的数值最好相等。在这情况下，在稳态期间公共节点44处的平均电压大约是母线电压(V_BUS)的1/2，而把电阻70和72的数值设为相等，就使得中间节点46处的平均电压也大约是母线电压(V_BUS)的1/2。

电阻74起着充电电阻的作用，并且最好连接在公共节点44和参考导体30之间，如图1所示。电阻74也可以连接在公共节点44和母线导体28之间。电阻74以下述的方式在起始通电期间帮助启动第一和第二开关14和16的再生控制。在电源20供电时，电容62最初通过电阻70、72和74充电。在接通电源20的瞬时，电容62两端电压为零，而在启动期间，由于电容62充电的相对长的时间常数，串联连接的电感58和60基本上起短路作用。如果电阻70、72和74例如是等值的，则在母线起始通电时在公共节点44的电压大约是母线电压(V_BUS)的1/3。这时，流过电阻70的电流大致被电阻72和由电容62、电感60、电感58和电阻74所串联连接成的序列所等分。这样，电容62被从左到右递增地充电，如图1所示，直到它到达上开关14的栅极-源极电压的阈电压(例如2-3伏)为止。在这时刻，上开关14切换到导通方式，这导致该开关把电流提供给负载电路22。跟着，在负载电路所形成的电流通过电感24和58之间的电感耦合，产生对第一和第二开关的再生控制。输出电容76与电阻74并联。

与过去用于气体放电灯的镇流电路不同，本发明的工作频率不决定于谐振负载电路。在图1所示的实施例中，工作频率分别决定于串联连接的电感58、60和电容62的时间常数。因此，控制电路38的工作频率由下面的公式给出： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}{C}_1{L}_8}-----\left(1\right)$ 其中，C_t是电容62，而L_g是电感60。

卤素灯电源变换器的优选工作频率是30kHz-90kHz，可是，该参数并不是要求严格的。应当指出，在脉动直流母线从电力线的谷点到峰点变化时，逆变器频率将改变。在峰点，频率最低，接近30kHz，在谷点，逆变器频率最高，接近100kHz。该逆变器频率的这种变化使发射扩展在宽的频率范围内。这样，逆变器频率被母线电压脉动所调制，这显著地减小电力线上的传导电磁干扰(EMI)发射。

本发明起码满足下面列举的卤素灯工作的五个准则：

1．输出电压低(例如12伏)。

2．电压峰值因数低于2，这意味着峰值输出电压不超过额定灯电压的两倍(例如12伏灯情况下的24伏)。这保证了不会在灯内起弧。还有，这低的峰值因素改善了逆变器电路的效率。

3．电源变换器不降低灯的寿命。

4．电源变换器能防止短路。

5．电源变换器价廉。

关于第一个准则，图1表示了连接到由绕组24和绕组58组成的自耦变压器的低压绕组24。

关于满足第二个准则的解释如下：

如早已讨论过的那样，母线导体28有脉动直流电压，如图8所示。如过去指出的那样，由于使用了电容36，图8中的波形在谷点不为零。为了便于解释，假定交流源20是典型的120伏60Hz正弦波。因此，峰电压是120 $\sqrt{2}$ ≈169.7伏。控制电路38的再生循环在电力线峰点以大约30kHz、在非零谷点以大约90kHz把节点44交替地连接到母线导体28和参考导体30上。因此，在自耦变压器(24，58)的上连接点出现的波形大致是30-90kHz的方波，这些方波有加到其上的120Hz正弦包络线，如图9中用图解法说明的。请注意，为了可读性，图9示出在120Hz包络线下的3kHz波形。自耦变压器的串联绕组(24，58)对由抽头31提供的连接到灯12的公共绕组的比值是这样选择的，使得例如对于12伏灯、灯电压是12伏的方根值(RMS)。因为包络线是正弦波，所以从灯12处看去的峰值电压将是 $12\sqrt{2}$ ≈17伏。因而，峰值因数是17/10=1.7，它以相当大的余量小于2。

简单地通过保证自耦变压器(24,58)的公共绕组上出现的RMS灯电压与额定的灯电压(例如12伏)匹配，并如上所述地保证峰值因数小于2，来满足准则三。这防止在灯内发生破坏性的起弧。

因为增加了自耦变压器(24,58)处的漏感，所以满足第四准则。在先有技术的典型的电源变换器中，简单地用降压变压器把线电压从120伏降到12伏。万一变压器次级绕组两端发生短路，降压变压器的漏感不足以防止破坏性的高电流的流动。在本发明的卤素灯电源变换器中，有最佳的30kHz下的适当的漏感来把电流限制在安全值下。

满足第五准则的理由如下。因为变压器和电感工作在30kHz下，例如与60或120Hz相比，如本领域中众所周知的，变压器和电感可以具有小得多的尺寸。此外，不需要用于满足控制电路38工作要求的电解滤波电容。电容36是小电容(例如0.1μF)，并且只需要大到足以在加于母线导体28的脉动直流电流的谷点能维持控制电路38再生工作就足够了。此时，流过灯12的电流是非常小的，因此，电容36可以非常小。

这样，本发明描述了一种驱动12伏灯的电源变换器，其电力线电压20被整流，并供给逆变器(38,14,16)的母线导体28，所以不需要平滑电容。在这种设计中，把脉动直流波形加到母线导体28上，其基频是电力线频率的两倍。该脉动直流被不需要电平移动的互补开关对(14,16)所逆变。开关14和16在节点44分开。抽头31把在自耦变压器(24,58)两端形成的逆变电压变为大约12伏均方根值(rms)。这种低成本方法以高频向12伏灯供电，这就减小了电感元件的尺寸。应当理解，所公开的电源变换器可以用作灯系统的一个组成部分或作为一个外部电源变换器。

对于额定电压12伏的灯，在120伏交流电网电压的情况下，图1电路的作为例子的元件值如下：

负载电感(24)…………………………10毫亨

(24)与(58)的匝数比…………………3

负载电容(26)…………………………0.22微法

电容(36)    …………………………0.22微法

驱动电感(58)…………………………75毫亨

定时电感(60)…………………………1毫亨

定时电容(62)…………………………22纳法

齐纳二极管(64,66)每个………………10伏

电容(68)    …………………………2.2纳法

电阻(70,72,74)每个…………………270k欧

电容(76)    …………………………470皮法

虽然已经结合本发明的特殊实施例描述了本发明，但是对于在本领域的技术人员来说，根据上面的描述，许多比较方案、修改和变化将变得显而易见。因此，要把所有这些比较方案、修改和变化包括在所附的权利要求书的精神和宽的范围内。

Claims (14)

1．一种电源变换器电路，它包括：

产生电力线电压的电源(20)；

整流器(18)，用来把电力线电压整流并产生频率为电力线电压频率的两倍的脉动直流电压；

栅驱动电路(38)，用来接收所述脉动直流电压，该栅驱动电路驱动一对开关(14,16)，后者在不需电平移动的情况下被控制来将脉动直流电压逆变，其中所述栅驱动电路还包括彼此串联连接的驱动电感(58)、定时电感(60)和定时电容(62)、它们进一步连接到开关(14,16)、以便控制开关(14,16)的工作；

包括第一变压器绕组(58)和第二变压器绕组(24)的变压器和电容(26)，用来接收来自所述开关(14,16)的输出信号；

变压器绕组(24)的抽头(31)；和

连接到所述抽头(31)的用于接收来自所述变压器绕组(24)的驱动信号的灯(12)，其中所述抽头(31)衰减在所述变压器绕组两端形成的信号。

2．根据权利要求1的本发明，其特征在于所述灯是卤素灯。

3．根据权利要求1的本发明，其特征在于所述电源变换器是所述灯系统的组成部分。

4．根据权利要求1的本发明，其特征在于所述电源变换器在所述灯系统的外面。

5．根据权利要求1的本发明，其特征在于所述栅驱动电路(38)和所述开关(14,16)构成逆变器，并且所述逆变器的频率随着所述脉动直流母线的变化而变化。

6．根据权利要求5的本发明，其特征在于在所述电源线处在其峰点时所述逆变器的频率最低，而在所述电源线处在其谷点时所述逆变器的频率最高，从而所述逆变器频率被所述母线电压的脉动所调制，使发射在宽的频率范围内扩展，从而减小在所述电源线上的传导电磁干扰(EMI)发射。

7．一种用于镇流器的电源变换器(10)，它从高压交流电源向包括低压灯(12)的负载电路(22)提供低压交流电流，所述电源变换器包括：

(a)连接到母线导体28和参考导体(30)的全波整流器电路；

(b)脉动直流到交流变换器电路，它包括串联连接在所述母线导体(28)和所述参考导体(30)之间的第一和第二开关(14,16)，后者在有所述交流电流通过的所述公共节点(44)连接在一起并且具有共用控制节点(46)，所述控制节点和所述公共节点之间的电压决定所述相关开关的导电状态；

(c)负载电路(22)，它包括：

(ⅰ)在所述公共节点(44)和所述参考导体(30)之间串联连接的变压器(24)和电容(26)，所述变压器具有足够的漏感来提供短路保护；和

(ⅱ)低压灯(12)，它连接到所述自耦变压器的公共绕组两端的节点；和

(d)接在所述公共节点和所述控制节点之间的再生控制电路，它包括：

(ⅰ)第一驱动电感(58)，它以这样的方式与所述变压器相互耦合，即，其上感应的电压与所述交流电流(60)的瞬时变化率成正比；

(ⅱ)第二串联连接的定时电感；和

(ⅲ)串联连接的定时电容(62)，这样来选择所述定时电容和定时电感，使得它们串联连接的时间常数决定所述电源变换器的工作频率。

8．权利要求7的电源变换器，其特征在于所述灯(12)包括热丝灯。

9．权利要求7的电源变换器，其特征在于所述灯(12)包括卤素灯。

10．权利要求7的电源变换器，其特征在于所述自耦变压器(24)包括相互耦合的电感。

11．权利要求7的电源变换器，其特征在于：

(a)所述开关(14,16)包括金属氧化物场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关中的一种；和

(b)双向电压箝位电路(62)连接在所述控制节点(46)和所述公共节点(44)之间。

12．权利要求11的电源变换器，其特征在于所述双向电压箝位电路(62)包括背对背齐纳二极管(64,66)。

13．权利要求7的电源变换器，其特征在于所述开关(14,16)包括双极性结型晶体管(BJT)开关。

14．一种用于镇流器的电源变换器，它从高压电源(20)向包括低压灯(12)的负载电路(22)提供低压交流电流，所述电源变换器包括：

(a)连接在母线导体(28)和参考导体(30)之间的交流到脉动直流变换器电路(18)，它包括与小的第一电容(36)桥接的全波整流器；

(b)脉动直流到交流变换器电路，它包括串联连接在所述母线导体(28)和所述参考导体(30)之间的第一和第二开关(14,16)，后者在有所述交流电流通过的公共节点(44)连接在一起并且具有共用控制节点(46)，在所述控制节点和所述公共节点之间的电压决定所述相关的开关的导电状态；

(c)串联连接在所述母线导体与参考导体(28,30)之间的第一和第二电阻(70,72)，它们的中间节点连接到所述控制节点(46)；

(d)连接在所述公共节点(44)和所述母线导体(28)与所述参考导体(30)中的一个之间的第三电阻(74)；

(e)自耦变压器(24)，其一端连接到所述公共节点(44)；

(f)第二电容(26)，它连接在所述参考导体30和所述自耦变压器(24)的另一端之间；

(g)连接到所述自耦变压器(24)中心端的第一灯节点(31)；

(h)第二灯节点(32)，它连接到在所述自耦变压器(24)与所述第二电容(26)之间的公共点，以便把所述低压灯连接在所述第一和第二灯节点(31,32)；

(i)与所述第三电阻(74)并联的第三电容(76)；

(j)连接在所述公共节点(44)和所述控制节点(46)之间的第四电容(68)；

(k)第一驱动电感(58)，它与所述自耦变压器(24)以这样的方式相互耦合，即，其上感应的电压与所述交流电流的瞬时变化率成正比；

(l)第二定时电感(60)，它的一端连接到所述驱动电感(58)；和

(m)串联连接在所述控制节点(46)和所述定时电感(60)的另一端之间的第五定时电容(62)，这样来选择所述定时电容和所述定时电感，使得串联连接到定时电容(62)的所述定时电感(60)的定时常数决定所述电源变换器(10)的工作频率。

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