具有后沿调光器和电变压器的用于低功率灯兼容性的系统和方法
【专利说明】具有后沿调光器和电变压器的用于低功率灯兼容性的系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本发明要求2013年3月13日提交的美国专利申请序列号N0.13/798，926的优先权，其继而要求2012年7月18日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/673，111和2012年7月3日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/667，685的优先权，其每个通过参考以它们的整体结合到本文。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及电子领域，并且更具体地涉及用于确保在一个或多个低功率灯与它们耦合到的电力基础设施之间的兼容性的系统和方法。
【背景技术】
[0004]许多电子系统都包括电路，例如与调光器相接的切换功率转换器或变压器。该相接电路(interfacing circuit)根据由调光器设定的调光等级(dimming level)将功率输送至负载。例如，在照明系统中，调光器对照明系统提供输入信号。该输入信号表示使照明系统调节输送至灯的功率的调光等级，并且因此根据调光等级来提高或降低灯的亮度。存在许多不同种类的调光器。通常，调光器产生输出信号，在该输出信号中交流(“AC”)输入信号的一部分被去除或归零。例如，一些基于模拟的调光器利用用于交流电设备的三极管(“三端双向可控硅开关”)来调制交流电源电压的各个周期的相位角。电源电压的相位角的该调制通常还被称为“切相(phase cutting)”电源电压，切相电源电压降低了提供至诸如照明系统的负载的平均功率，并且从而控制提供至负载的能量。
[0005]特定类型的基于三端双向可控硅开关的切相调光器称为前沿调光器。前沿调光器从AC周期的开始切相，以便在切相角期间，调光器“关闭”并且不供应输出电压到它的负载，并且然后在切相角之后转为“开启”并且传输切相输入信号到它的负载。为了确保正确操作，负载必须给前沿调光器提供足以维持在开启三端双向可控硅开关需要的电流之上的涌入电流的负载电流。由于调光器提供的电压的瞬间增加和在调光器中存在电容器，必须提供的电流通常基本上大于三端双向可控硅开关导通需要的稳态电流。附加地，在稳定状态操作中，负载必须给调光器提供负载电流以保持在为防止三端双向可控硅开关过早关断所需要的、被称为“保持电流”的另一个阈值之上。
[0006]图1描述照明系统100，其包括基于三端双向可控硅开关的前沿调光器102和灯142。图2描述与照明系统100相关的示例电压和电流图表。参考图1和图2，照明系统100从电源104接收AC供电电压VsumY。供电电压Vsuppw例如是在美国的标称60Hz/l 1V线路电压或在欧洲的标称50Hz/220V线路电压。三端双向可控硅开关106用作电压驱动开关，并且三端双向可控硅开关106的栅极端子108控制在第一端子110与第二端子112之间的电流。在栅极端子108上的在启动阈值电压值VF2上的栅极电压Ve将导致三端双向可控硅开关106开启，继而导致电容器121短路并且允许电流流过三端双向可控硅开关106和调光器102以产生输出电流iDIM。
[0007]假设灯142为电阻性负载，调光器输出电压νφ DIM在相应时刻t ο?Ρ 12从每个半周期202和204的开始起为零伏特，直到栅极电压Ve到达启动阈值电压值V F。调光器输出电压νΦ—DIM代表调光器102的输出电压。在定时器时段t QFF期间，调光器102削切或切割电源电压Vsupra以便调光器输出电压V C5 dim在时间时段t _期间保持为零伏特。在时刻t i，栅极电压Ve到达启动阈值电压值V F，并且三端双向可控硅开关106开始导通。一旦三端双向可控娃开关106开启，调光器电压V<s—DIM在时间时段t (^期间追踪电源电压V sumY。
[0008]—旦三端双向可控娃开关106开启，从三端双向可控娃开关106汲取的电流iDIM必须超过连接电流iATT以便将通过三端双向可控硅开关106的涌入电流维持在开启三端双向可控硅开关106必需的阈值电流之上。此外，一旦三端双向可控硅开关106开启，三端双向可控硅开关106继续导通电流iDIM，与栅极电压Ve的值无关，只要电流i DIM保持在保持电流值之上。连接电流值i ATT和保持电流值i 1是三端双向可控硅开关106的物理特征的函数。一旦电流iDIM下降到保持电流值i HC以下，即i DIM〈iHC，三端双向可控硅开关106关断(即，停止导通)，直到栅极电压Ve再次到达启动阈值电压值V F。在许多传统应用中，保持电流值通常是足够低的，以便理想地，当电源电压V sumY在时刻12在半周期202的结束附近接近零伏特时，电流iDIM下降到保持电流值i 之下。
[0009]可变电阻114与并联连接的电阻116和电容器118串联形成时序电路115以控制栅极电压ve在那时到达启动阈值电压值V Fm时刻t i ,在该时刻栅极电压ve到达启动阈值电压值VF。增加可变电阻114的电阻值会增加时间，而减少可变电阻114的电阻值会减少时间tQFF。可变电阻114的电阻值有效地设置用于灯142的调光值。双向二极管119提供电流到三端双向可控硅开关106的栅极端子108中。调光器102还包括电感器扼流圈120以平滑调光器输出电压八―DIM。基于三端双向可控硅开关的调光器102还包括连接跨过三端双向可控硅开关106和电感器扼流圈120的电容器121以减少电磁干扰。
[0010]理想地，对于电源电压Vsuppw的每个半周期，调制调光器输出电压V Φ,的相位角有效地在时间时段t,期间关断灯142并且在时间时段七(^期间开启灯142。因此，理想地，调光器102根据调光器输出电压νφ DIM有效地控制供应到灯142的平均能量。
[0011]基于三端双向可控硅开关的调光器102在许多情况下充分地起作用，例如当灯142消耗相当大量的功率时，例如白炽灯泡。然而，在调光器102加载有低功率负载(例如，发光二极管或LED灯)的情况下，该负载会汲取小量的电流iDIM，并且可能电流iDIM不能到达连接电流iATT，并且还可能在电源电压Vsuppw接近到达零伏特之前，电流i DIM会过早地下降到保持电流值以下。如果电流i DIM不能到达连接电流i ATT，那么调光器102会过早地断开，并且可能不传输输入电压Vsuppw的适当部分到它的输出。如果电流i DIM过早地下降到保持电流值以下，那么调光器102过早地关断，并且调光器电压V Φ DIM过早地下降到零。当调光器电压Vis DIM过早地下降到零时，调光器电压V ^5 dim不反映如由可变电阻114的电阻值设置的预期调光值。例如，当电流iDIM在显著早于调光器电压V φ_μμ206的t2的时刻下降到保持电流值iH。以下时，开启时间时段t M在早于12的时刻过早结束，取代在时刻12结束，从而减少了输送到负载的能量的量。因此，输送到负载的能量将不匹配对应于调光器电压νφ DIM的调光等级。此外，当V Φ DIM过早地下降到零，电荷会累积在电容器118和栅极108上，导致如果在相同半周期202或204期间Ve超过V F,那么三端双向可控硅开关106再次开启，和/或导致三端双向可控硅开关106在后续半周期期间由于该累积电荷而不正确地开启。因此，三端双向可控硅开关106的过早断开会导致在调光器102的时序电路中的误差并且在它的操作中的不稳定。
[0012]用调光器给光源调光在操作光源时节省能量并且还允许用户将光源的强度调节到期望的等级。然而，常规调光器例如基于三端双向可控硅开关的前沿调光器，其设计用于与电阻性负载例如白炽灯泡一起使用，通常在试图供应未加工的相位调制信号给电抗性负载例如电功率转换器或变压器时表现不好。
[0013]存在于电力基础设施中的变压器可以包括磁变压器或电变压器。磁变压器通常包括两个导电材料(例如铜)线圈，每个绕着具有高磁穿透性的材料(例如铁)的芯体缠绕，以便磁通量穿过两个线圈。在操作中，在第一线圈中的电流会在该芯体中产生变化磁场，以便变化磁场经由电磁感应感应跨过次级线圈两端的电压。因此，当在给耦接到初级线圈的部件与耦接到次级线圈的部件之间的电路中提供电隔离时，磁变压器会使电压电平上上下下地成阶梯状。
[0014]另一方面，电变压器是以与常规磁变压器相同的方式运转工作的设备，因为在提供隔离时它使电压电平上上下下地成阶梯状并且可以适应任何功率因子的负载电流。电变压器通常包括功率开关，其将低频电压波(例如，直流到400赫兹)转换成高频电压波(例如，10000赫兹的级别)。相当小的磁变压器可以耦接到该功率开关并且因此提供常规磁变压器的电压电平变换和隔离功能。
[0015]图3描述照明系统101，其包括基于三端双向可控硅开关的调光器102 (例如，像在图1所示的那个)、磁变压器122、以及灯142。该系统可以被用来，例如使高压(例如，110V、220V)变换成低压(例如，12V)，用于同卤素灯(例如，MR16卤素灯)一起使用。图4描述与照明系统101相关的示例电压和电流图表。参考图3和图4，当调光器102使用为与变压器122和低功率灯142连接时，灯142的低功率汲取会导致从调光器102汲取不足够的电流iDIM以便满足连接电流和/或保持电流要求。
[0016]为了进一步图示说明该潜在问题，在图3中描述了用于变压器122的等效电路模型，其表示磁变压器的物理行为。存在于变压器122中的寄生效应由与初级侧寄生电阻126(具有电阻值Rp)串联的初级侧寄生电感124(具有电感值Lp)和与次级侧等效电阻134(具有电阻值Rs)串联的次级侧等效电感132(具有电感值Ls)在用于变压器122的等效电路模型中表示，该模型损失和泄漏变压器线圈的电抗。寄生效应也由模型的“磁化分支”表示，该分支包括与分流支路寄生电阻130 (具有电阻值Rm)并联的分流支路等效电感128(具有电感值Lm)，该模型损失和泄漏变压器芯体的电抗。磁化电流^流到分流支路电抗，表示维持在芯体中的相互磁通量所需要的电流。本领域的技术人员将会认识到，iDIM=i