专利名称：具有脉冲操作的连续模式镇流器的制作方法
技术领域：
本申请涉及操作灯的高频谐振倒相电路。更具体地，本申请涉及从灯的输出端的断路状态连续操作到灯的输出端的短路状态的谐振倒相电路，并将利用对其特定的参考来说明。
背景技术：
通常，高频倒相器使用谐振模式来点亮灯。谐振模式的操作要求倒相器操作邻近其谐振频率的谐振电路，以使输出电压能达到足够的幅度，通常2kV-3kV，以便点亮灯。在基波切换频率上，谐振模式的开始引起高电流流经半导体器件和镇流部件。谐振电路的部件必须比稳定状态操作通常所需的部件更大并更昂贵。另外，更高的电流尽管实现了所要求的输出电压，但是导致倒相器在初始启动期间比在稳定状态操作期间耗散更多的功率。为了减少功率耗散，倒相器必须被“接通”和“关断”以减少功率耗散。
为了纠正上述问题，可以采用比基频更高的频率下的谐振模式，这需要较少的流经倒相器部件的电流。但是，因为方波被施加到在基波切换频率的三次谐波或更高次谐波上谐振的电路，所以不能达到期望的零切换。该倒相电路还可能遇到操作的容性模式，这可以引起对功率MOSFET的本征二极管的损害。如果倒相器中没有过多的功率耗散，则倒相器仍然不能连续工作，并且必须用脉冲“接通”或“关断”倒相器以减少功率耗散。
期望连续操作倒相器而没有高的功率耗散。本申请设计了一种克服上述问题及其它问题的新的和改进的方法和设备。
发明内容
根据本申请的一个方面，用于操作HID灯的连续模式的电子镇流器包括配置成产生控制信号的倒相电路。谐振电路在操作上与该倒相电路耦合以及与灯耦合，并且被配置成响应于接收由倒相电路产生的控制信号来产生谐振电压。钳位电路在操作上与谐振电路耦合以限制谐振电路两端的电压从而保护镇流器的部件。倍增器电路在操作上与谐振电路耦合以将由钳位电路钳位的电压增大(boost)到足以允许灯开启的值。钳位电路与倍增器电路协作以便于灯的连续开启。
图1示例说明根据本申请的原理的镇流器电路；图2更加详细地描述在镇流器电路中使用的倍增器；图3更加详细地描述在镇流器电路中使用的脉冲电路；图4A-B描述控制脉冲电路的功率控制器的电荷泵电路；图5示出在开路状态期间电荷泵电流关于时间的曲线；图6示出在灯初始点亮期间电荷泵电流关于时间的曲线；以及图7示出在稳定状态操作期间电荷泵电流关于时间的曲线。
具体实施例方式
参考图1，镇流器电路10包括倒相电路12、谐振电路14、钳位电路16和脉冲电路18。通过从正电压端22引出的电压导线20和与地或公共端26连接的公共导线24向倒相器12施加DC电压。经由灯连接器30、32为灯28供电。
倒相器12包括比如MOSFET的开关34和36(串联在导线20和40之间)，以激励谐振电路14。通常，谐振电路14包括用于设置谐振工作频率的谐振电感器38和谐振电容器40。DC阻塞电容器42防止过多的DC电流流经灯28。缓冲电容器44允许倒相器12以零电压切换进行操作，其中当它们的对应漏-源电压为零时MOSFET 34和36接通和关断。
开关34和36协同在节点46提供方波，以激励谐振电路14。分别从开关34和36引出的门或控制线48和50中的每一个包括各自的电阻52、54。二极管56、58并联连接到相应的电阻52、54，使得开关34、36的关断时间快于接通时间。得到不相等的关断和接通时间提供一个开关34、36同时处于非导通状态的时间，使得通过使用存储在电感器38中的剩余能量允许节点46处的电压从一个电压状态(例如450伏)转变到另一个电压状态(例如0伏)。
继续参考图1并进一步参考图3，通常被表示为60、62的门驱动电路，还包括电感器64、66，所述电感器64、66是与电感器68相互耦合的次级绕组。门驱动电路60、62用于控制相应开关34和36的操作。更具体地，门驱动电路60、62使开关34在第一个半周期保持“接通”而开关36在该第二个半周期保持“接通”。在节点46处生成方波并且用于激励谐振电路14。双向电压钳70、72分别与电感器64、66并联，该双向电压钳中的每一个包括一对背靠背的齐纳二极管。双向电压钳70、72用作将栅-源电压的正和负漂移钳位到由背靠背的齐纳二极管的额定电压确定的相应的界限。
继续参考图1，通过钳位电路16的串联的二极管74和76钳位倒相器12的输出电压以限制生成的用于开启灯28的高电压。钳位电路16进一步包括电容器78、80，它们实质上互相并联。每个钳位二极管74、76跨接相关的电容器78、80。在灯开启之前，灯的电路处于开路，因为灯28的阻抗被看作为非常高的阻抗。电容器42两端的高电压由点亮灯的倍增器82产生。谐振电路14包括电容器40、42、78、80和电感器38，并在谐振附近被驱动。当节点82处的输出电压增加时，二极管74、76开始钳位，防止电容器78、80两端的电压改变符号，并且将输出电压限制到不能引起倒相器12部件过热的值。当二极管74、76正钳位电容器78和80时，谐振电路变成由电容器40和电感器38组成。因此，当二极管74、76不导通时，达到谐振。
当灯28点亮时，其阻抗快速减小到大约5Ω。节点88处的电压相应地减小。二极管74、76停止钳位电容器78、80。谐振再次被电容器40、42、78、80和电感器38控制。
继续参考图1并进一步参考图2，倍增器电路82增大由钳位电路16限制的电压。倍增器82跨接电容器42到端点84、86，以通过在节点84倍增倒相器12输出的电压来得到开启电压。在该操作的开始，倒相器12将电压施加到端点84、86。电容器90、92、94、96、98与二极管100、102、104、106、108、110协作以在半个周期积累电荷，而在另外半个周期负电荷通过端点86被转储到电容器42。通常，当倒相器12的电压是峰到峰500V时，端点84、86之间的电压上升到大约-2kVDC。
倍增器82是低DC偏置电荷泵倍增器。在稳定状态操作期间，倍增器82仅施加一个小的dc偏置(大约0.25伏)给灯，这不会影响电灯的工作或寿命。
继续参考图1，脉冲电压18用于“接通”和“关断”倒相器12。通常，当灯28处于开路时，倒相器12的功率耗散大约是12～15W。通常这不会引起问题，除非电缆线路必须经受住大约1.6kVDC的电压，这在利用通常额定为600V RMS的标准电缆时设定界限。脉冲电路18“接通”倒相器12，对灯28施加持续大约40-50毫秒的高压，并且在剩余周期“关断”倒相器12。所得的RMS只有600V，允许使用常规的600V导线电缆。另外，该占空度将断路中的功率耗散降低到大约2/3W，因为倒相电路在约90％的周期中被关闭。
继续参考图1并进一步参考图3，电荷泵电路120操作脉冲电路18的控制电路122。在一个实施例中，控制电路122是由德州仪器(Texas Instruments)制造的UC3861电路，但是可以理解可使用任何其它合适的控制电路。控制电路122与端点26和86连接，并且与电荷泵电路120的端点124连接。电荷泵电路120通过端点126从钳位电路16获得能量。开始，当灯28没有点亮时，倒相器12驱动倍增器电路16到一个负电压(在这个实施例中接近-2kV)，对电荷泵电路120的电解电容器128充电。耗尽模式开关130处于导通模式。随着负电压上升，在开关130的栅上的电压在负降低直到开关130关断，这允许电容器132通过串联电阻134充电。电阻134通过线路136被连接到控制电路122的5V的参考电压。当电容器132充电到大约2V时，其使得控制电路122的故障引脚138能够切断控制电路122和倒相器12。更具体地，与线路140、142连接的控制电路122的输出驱动器被禁用，关断将电压施加到倒相器12的相互耦合的电感器64、66的初级绕组68。电解电容器128停止通过倒相器12充电。负电压逐渐下降，到达控制电路122的欠压锁定(UVLO)的值。在此时，控制电路122被复位并进入低静态电流状态。15μA的低静态制电流允许电解电容器128通过与端点124连接的线路144充电。电容器128通过串联电阻146、148充电。当电压升高到大约16.5V，例如UC386881的UVLO阈电压时，控制电路122使得输出驱动器能“接通”倒相器12。倒相器12开始驱动倍增器82，负向地充电电容器128。该过程重复直到灯28被点亮。
继续参考图1和图3并进一步参考图4A-B，电荷泵电路120从倒相器12谐振电容的部件中得到功率。图4A-B示例说明当由电源152供电时，在电荷泵电路120中发生的工作电流。更具体地，当倒相器12处于“接通”状态时，电容器80通过电容器128被周期地充电和放电。继续参考图4A，在第一个半周期期间，当经过电容器80的电流逆时针流动时，电容器80积累电荷。继续参考图4B，在第二个半周期期间，这些积累的电荷被转储到电容器128。更具体地，在第二个半周期期间，电流变换方向到顺时针。与电容器80和电容器128串联的二极管160导通，允许电容器128通过电容器80充电。由跨接在电容器128两端的齐纳二极管162来调节电压。通常电压被限为14V。
参考图5-7，电荷泵电路120被显示为独立于灯的状态。当灯28处于开路时，其电阻大约是1MΩ，并且流入电荷泵电路120的电流大约为77mA，如图5所示。当灯28第一次点亮时，其电阻大约为5Ω，并且流入电荷泵电路120的电流大约为51mA，如图6所示。当灯28处于稳定状态时，其电阻大约为51Ω，并且流入电荷泵电路120的电流大约为68mA，如图7所示。如图5-7所示，在灯从开路变化到稳定状态时，流入电荷泵电路120和控制电路122的电流基本上不变。该设计用作防止齐纳二极管162上的高热耗散。
虽然可以理解描述的电路可用具有不同部件值的不同的部件来实现，但是下面还是提供了用于当部件具有如下的值时的一个特定实施例的列表部件名称/编号 部件值开关34…………………………………20NMD50开关36…………………………………20NMD50电感器38………………………………90μH电容器40………………………………22nF，630V电容器42………………………………33nF，2kV电容器44………………………………680pF，500V电阻器52………………………………100Ω电阻器54………………………………100Ω二极管56………………………………1N4148二极管58………………………………1N4148电感器64………………………………1mH电感器66………………………………1mH钳位二极管(Diode Clamp)70……… 1N4739，9.1V钳位二极管72…………………………1N4739，9.1V
二极管74……………………………8ETH06S二极管76……………………………8ETH06S电容器78……………………………1nF，500V电容器80……………………………1nF，500V电容器90、92、94、98、100……………………150pF，2kV二极管100、102、104、106、108、110…………1kV电容器128……………………………100μF，25V开关130………………………………2N4 391电容器132……………………………47nF电阻器134……………………………1MΩ电阻器146、148…………………… 220kΩ二极管160……………………………1N4148齐纳二极管162………………………14V已经参考说明的实施例描述了示例实施例。很明显，在阅读和理解了前面的详细描述之后，修改和变化可以发生。示例的实施例被理解为包括所有这种修改和改变，只要其落入所附权利要求或其等效物的范围内。
权利要求
1.用于操作HID灯(28)的连续模式的电子镇流器(10)，其包括倒相电路(12)，配置成产生控制信号；谐振电路(14)，配置成在操作上与倒相电路(12)耦合以及与灯(28)耦合，以响应于接收控制信号产生谐振电压；钳位电路(16)，在操作上与谐振电路(14)耦合以限制谐振电路(16)两端的电压从而保护镇流器(10)的部件；和倍增器电路(82)，在操作上与谐振电路(14)耦合以将由钳位电路(16)钳位的电压增大到足以允许灯(28)开启的值，其中钳位电路(16)与倍增器电路(82)协作以便于灯(28)的连续开启。
2.根据权利要求1的镇流器，其中倍增器(82)阻止二极管(100、102、104、106、108、110)的正向偏置以实现较低的功率耗散。
3.根据权利要求1的镇流器，其中倍增器(82)阻止二极管(100、102、104、106、108、110)的正向偏置，实现+/-.25V或更小的DC偏压。
4.根据权利要求1的镇流器，还包括阻塞电容器(42)，在操作上与灯(28)串联并连接在端点(84)和端点(86)之间。
5.根据权利要求4的镇流器，其中倍增器(82)在操作上与端点(84、86)连接以在端点(84)增加倒相器(12)的输出电压并通过端点(86)将负电荷存储到阻塞电容器(42)。
6.根据权利要求1的镇流器，其中谐振电路(14)包括谐振电容器(40)，在操作上与节点(88)连接，并且钳位电路(16)包括一对在操作上串联的二极管(74、76)，其与电压总线(20)和公共总线(24)连接；第一电容器(78)，在操作上连接在电压总线(20)和公共节点(88)之间；和第二电容器(80)，在操作上连接在节点(88)和公共总线(24)之间并且与第一电容器(78)并联，第一和第二电容器(78、80)与谐振电容器(40)串联，其中每个二极管(74、76)在操作上跨接在相关的电容器(78、80)的两端，以保持由切换频率和电容器(40、78、80)的值所确定的在输出端(84)上的输出电压。
7.根据权利要求1的镇流器，还包括脉冲电路(18)，用于“接通”和“关断”使倒相器12，脉冲电路(18)包括控制电路(122)，其控制对倒相器(12)供电；并且电荷泵电路(120)，其控制控制电路(122)的操作。
8.根据权利要求7的镇流器，其中电荷泵电路(120)和控制电路(122)协作产生一占空度，在该占空度倒相器(12)被“接通”一段预定的时间以产生足够启动灯(28)的电压，和被“关断”以将倒相器(12)的RMS减小到600V或更小。
9.根据权利要求8的镇流器，其中所减小的RMS是通过将倒相器(12)“接通”50毫秒或更少并且在剩余周期“关断”而产生的。
10.根据权利要求8的镇流器，其中倒相器(12)的减小的RMS有利于使用额定为600V的常规电力电缆。
全文摘要
根据本申请的一个方面，用于操作HID灯(28)的连续模式的电子镇流器(10)包括被配置来产生控制信号的倒相电路(12)。谐振电路(14)在操作上与该倒相电路耦合以及与灯耦合，并且被配置成响应于接收由倒相电路产生的控制信号产生谐振电压。钳位电路(16)在操作上与该谐振电路耦合以限制该谐振电路两端的电压从而保护镇流器的部件。倍增器电路(82)在操作上与谐振电路耦合以将由钳位电路钳位的电压增大到足以允许灯开启的值。钳位电路与倍增器电路协作以便于灯的连续开启。
文档编号H05B41/292GK1638590SQ200410104479
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月31日 优先权日2004年1月2日
发明者L·R·内罗内 申请人:通用电气公司