专利名称：可减小电涌电压的直流－直流转换器及用于放电灯的包括该转换器的电子镇流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可减小电涌电压的直流-直流转换器，尤其涉及一种从正压转换到负压的DC转换器，以及一种包括该转换器的电子镇流器，用于运转灯或负载。
背景技术：
JP02-106165和JP2002-101657公开了一种具有开关元件的直流-直流转换器，驱动该开关元件以阻断输入直流电压，从而将调节后的直流电压提供至负载。转换器配备有缓冲器(snubber)电路，用于减小开关元件上形成的电涌电压。设置缓冲器电路是用以吸收将被施加在开关元件上的电涌能量并返回至输入直流电压源，从而减小开关元件上的电涌电压，以保护开关元件并将能量重新用于负载。
然而，已发现此方案不足以将电涌能量有效地反馈至负载，因此在减小施加至开关元件的电涌电压方面并不令人满意，特别是当需要转换器将高输出电能提供至负载的时候。
发明内容
鉴于上述不足而提出本发明，本发明提供一种改进的直流-直流转换器，其能够极大地减小电涌电压并将输入直流电能有效地传递至负载。本发明的直流-直流转换器包括变压器，其具有初级绕组和次级绕组；以及开关元件，其与初级绕组串联连接后跨接在直流电压源两端。驱动开关元件导通和关断，用于反复地阻断流经初级绕组的电流，以在次级绕组上感应电压。整流二极管，其与次级绕组串联连接后跨接在负载两端，以将感应电压施加至负载作为输出直流电压，该输出直流电压相对于电路的地电位为负压。该转换器还包括缓冲电容器，其与缓冲二极管串联连接后跨接在开关元件两端，当开关元件关断时，由流经所述初级绕组的电流充电。该转换器还包括存储电容器，其与电抗器串联连接后与缓冲二极管并联地跨接在开关元件两端，当开关元件导通和关断时，由来自缓冲电容器的、流经电抗器的电流充电。该转换器中还包括充电二极管，其与负载串联连接后跨接在存储电容器两端，以使得存储电容器放电从而向负载提供附加的能量。因此，电涌能量可被回收于缓冲电容器中，然后累积于存储电容器中，以被传递至负载。
在优选实施例中，该转换器包括平滑电容器，其与所述负载并联地跨接在次级绕组和整流二极管的串联组的两端，从而对形成在次级绕组上并经整流二极管整流的直流电压进行平滑化，以向负载提供平滑的直流电压。充电二极管与平滑电容器串联连接后跨接在存储电容器两端，用于通过在存储电容器累积的电压对平滑电容器充电。
根据本发明的用于放电灯的电子镇流器包括上述结构的直流-直流转换器；以及触发器，向灯提供高击穿电压以将灯点亮。该直流-直流转换器附加地包括启动辅助电路，用于在灯被点亮后立即将充足的电流量提供给灯，以连续地启动灯。将启动辅助电路设置为具有电容器和电阻器的串联组，其与充电二极管和负载的串联组并联地跨接在存储电容器两端。因此，该电容器可由电涌能量充电，并用以经由该电阻器将电流提供至灯，以连续地启动灯。
本发明还提供另一种类型的电子镇流器，其具有上述结构的直流-直流转换器，以及用于提供交流输出电能以运转放电灯的直流-交流转换器。直流-直流转换器将输入直流电压转换为输出直流电压，并包括用于存储输出直流电压的平滑电容器。直流-交流转换器转换输出直流电压以提供交流输出电能，并且构造为具有排列成全桥结构的四个IGBT晶体管。使用IGBT晶体管能够减小灯电压与直流-直流转换器的输出直流电压之间的电压差或电压损耗。因此，为了运转需要较高电压的灯，直流-直流转换器可被设计成提供仅较小程度地超出灯的高电压的适中输出电压，因而能够实现在降低能量损耗的条件下将电涌能量传递至输出端。
通过结合附图对本发明优选实施例的具体说明，本发明的这些以及其它有利的特点将更为明显。
图1是根据本发明第一实施例的直流-直流转换器的电路图；图2和图3是分别示出上述转换器工作的波形图；图4是示出上述转换器中可利用的改型启动辅助电路的局部电路图；图5是根据本发明另一实施例的电子镇流器的电路图。
具体实施例方式
现在参照图1，其示出了根据本发明优选实施例的直流-直流转换器。在所示实施例中，直流-直流转换器用于运行高亮度放电灯，例如用于汽车头灯的金属卤化物灯，当然本发明并不受限于此。直流-直流转换器将来自直流电压源10例如车用蓄电池的输入直流电压转换为施加给灯的高输出直流电压。转换器包括具有初级绕组21和次级绕组22的变压器20。开关元件30与初级绕组21串联连接后跨接在直流电压源10两端，并驱动该开关元件30高频率地导通和关断，用于反复阻断来自直流电压源的电流，从而将电能储存在变压器20中。次级绕组22与整流二极管24串联连接后跨接在平滑电容器40两端，以释放电能用于在每次关断开关元件30时对平滑电容器40充电，并在平滑电容器40上形成整流后且平滑的直流电压作为输出直流电压。通过改变开关元件30的占空度(duty)，能够调节输出直流电压。灯L与触发器(ignitor)90串联连接后跨接在平滑电容器40两端，以向其施加直流电压。触发器90包括脉冲变压器91和驱动器92，用于产生高击穿电压，以通过转换器的输出直流电压点亮灯L。选择变压器20的绕组感应方向(sense)以产生相对于电路的地电位为负压的输出直流电压。
转换器包括缓冲器电路，用于吸收变压器20中形成的电涌能量，并用以将相应的电涌电压施加在开关元件30上。缓冲器电路包括缓冲电容器51，其与缓冲二极管52串联连接后跨接在开关元件30两端；存储电容器53，其与电抗器54串联连接后与缓冲二极管52并联地跨接在开关元件30两端；以及充电二极管55，其与平滑电容器40串联连接后跨接在存储电容器53两端。
此外，转换器包括由电容器61和电阻器62组成的启动辅助电路，所述电容器61和电阻器62串联连接后跨接在所述存储电容器53两端，用于将肩动电流提供至灯L，以在灯被点亮后立即启动灯；下面将进行具体说明。
在说明转换器的运作之前，应注意变压器20引起了将被施加在开关元件30上的电涌电压，并且该变压器必定会漏电，这产生了比输出直流电压Vo高很多的电涌电压。在转换器中包括缓冲器电路，以通过将电涌能量传递至平滑电容器40或灯L中来减小电涌电压，从而为了有效和紧凑的电路设计而允许使用低耐压的开关元件。当过量电涌电压在开关元件30关断时将被施加在开关元件30上时，相应的电涌电压通过缓冲二极管52被回收入缓冲电容器51中。随后，回收的电涌能量在开关元件30导通时通过电抗器54和开关元件30传递至存储电容器53，并且在开关元件30关断时通过初级绕组21、直流电压源10和电抗器54而传递至存储电容器53。因此，存储电容器53被充电以形成电压Vsnb。当输出直流电压Vo降低至低于电压Vsnb时，存储电容器53起作用，以通过充电二极管55对平滑电容器40充电，从而利用额外能量对平滑电容器40或灯充电。因此，电涌能量可被吸收并传递至施加给灯L的输出直流电压。结果，存储电容器53能够将其电压Vsnb保持为约等于输出直流电压Vo，从而使开关元件30仅受到约等于输出直流电压Vo加上输入直流电压VI的低电压，并且该低电压低于缺少该缓冲器电路时形成在该开关元件上的电涌电压。换句话说，出现在开关元件30上的电压V30被认作是电容器51上的电压V51，其约等于输出电压Vo(＝Vsnb)与输入电压VI的和，并且表达为V30(＝V51)＝Vo+VI。
图2示出当转换器提供相对较低输出功率(例如35瓦)以运转低功率灯时出现在电路中的电流和电压的波形，图3示出当转换器提供相对较高输出功率(例如110瓦)以运转高功率灯时出现在电路中的电流和电压的波形。在两种情况下，电压V51(V30)都可保持在相对较低水平，这说明电涌能量被很好地吸收并传递到输出电能中。具体地，从图中可以看出，当转换器工作以提供高输出电能至灯或负载时，吸收和传递电涌能量的效果尤为显著。这是因为由于变压器的漏电所导致的电涌能量将与流经变压器的电流的平方成比例地逐步增大。因此，本发明的转换器对于运转高额定功率的灯尤其有利，例如对于无汞金属卤化物灯。
当启动灯时，首先通过改变开关元件30的占空度来控制转换器，以在平滑电容器40上提供相对较高的输出电压，例如400伏，从而使触发器90能够将灯点亮。然后，控制转换器以在短时间段内提供相对较高的输出电压，允许肩动辅助电路的电容器61将启动电流提供至灯，以连续快速地运转灯；其后，控制转换器将输出电压降低至灯的额定电压，以保持灯的照明。在输出电压降低至灯的额定电压之前的过渡期内，由于电容器61、53、51、电抗器54和初级绕组21的组合效应，电容器53和电容器61相对于平滑电容器40被延迟充电。结果，电容器61可不经受为快速点亮和启动灯L而瞬时生成的高输出电压，因而可仅经受低电压，例如120V。因此，启动辅助电路的电容器61可从具有可靠阻抗特性的低耐压电容器中选择，这有助于转换器的紧凑设计。如图4所示，启动辅助电路可以被改型为，在电容器61和电阻器62之间具有电阻器63和二极管64的并联组合。
图5示出根据本发明另一优选实施例的电子镇流器。该镇流器被设计为以直流电能运转高亮度放电灯L，并由直流-直流转换器和直流-交流转换器100组成。直流-直流转换器与前述实施例中公开的相同。因此，不需进行重复说明，但为了易于参照，在图5中示出相同的附图标号。直流-交流转换器由排列成全桥结构的四个IGBT(绝缘栅双极晶体管)101至104构成，以将转换器的输出直流电压转换为用于运转灯L的直流电压。通过利用IGBT仅需要较低压降的优点，直流-交流转换器100能够减小施加至灯的负载电压与直流-直流转换器的输出电压之间的电压差，这就需要直流-直流转换器提供比负载电压高出较小范围的输出电压，因而最佳地利用了吸收电涌能量的缓冲器电路，从而保护了开关元件30。
权利要求
1.一种用于将输出直流电压提供至负载的直流-直流转换器，所述转换器包括变压器，其具有初级绕组和次级绕组；开关元件，其与所述初级绕组串联连接后跨接在直流电压源两端，驱动所述开关元件导通和关断，用于反复地阻断流经所述初级绕组的电流，以在所述次级绕组上感应电压；整流二极管，其与所述次级绕组串联连接后跨接在所述负载两端，以将所述感应电压作为输出直流电压施加给所述负载，该输出直流电压相对于电路的地电位为负压；缓冲电容器，其与缓冲二极管串联连接后跨接在所述开关元件两端，当所述开关元件关断时，由流经所述初级绕组的电流对该缓冲电容器充电；存储电容器，其与电抗器串联连接后与所述缓冲二极管并联地跨接在所述开关元件两端，当所述开关元件导通和关断时，由来自所述缓冲电容器的、流经所述电抗器的电流对该存储电容器充电；以及充电二极管，其与所述负载串联连接后跨接在所述存储电容器两端，从而使得所述存储电容器放电以向所述负载提供附加的电能。
2.如权利要求1所述的转换器，还包括平滑电容器，其与所述负载并联地跨接在所述次级绕组和所述整流二极管的串联组的两端；所述充电二极管与所述平滑电容器串联连接后跨接在所述存储电容器两端，用于通过在所述存储电容器累积的电压对所述平滑电容器充电。
3.一种用于高亮度放电灯的电子镇流器，所述镇流器包括直流-直流转换器，用于向所述灯提供直流电压；以及触发器，向所述灯提供高击穿电压以点亮所述灯；所述转换器包括变压器，其具有初级绕组和次级绕组；开关元件，其与所述初级绕组串联连接后跨接在直流电压源两端，驱动所述开关元件导通和关断，用于交替地阻断流经所述初级绕组的电流，以在所述次级绕组上感应电压；整流二极管，其与所述次级绕组串联连接后跨接在所述灯两端，以将所述感应电压作为输出直流电压施加至所述灯，该输出直流电压相对于电路的地电位为负压；缓冲电容器，其与缓冲二极管串联连接后跨接在所述开关元件两端，当所述开关元件关断时，由流经所述初级绕组的电流对该缓冲电容器充电；存储电容器，其与电抗器串联连接后与所述缓冲二极管并联地跨接在所述开关元件两端，当所述开关元件导通和关断时，由来自所述缓冲电容器的、流经所述电抗器的电流对该存储电容器充电；充电二极管，其与所述灯串联连接后跨接在所述存储电容器两端，从而使得所述存储电容器放电以向所述灯提供附加的电能，其中所述转换器包括启动辅助电路，其包括电容器和电阻器的串联组，该串联组与所述充电二极管和所述灯的串联组并联地跨接在所述存储电容器两端。
4.一种用于高亮度放电灯的电子镇流器，所述镇流器包括直流-直流转换器，用于将输入直流电压转换为输出直流电压；直流-交流转换器，用于将所述直流电压转换为将被提供给所述放电灯的交流输出电能；所述直流-直流转换器包括变压器，其具有初级绕组和次级绕组；开关元件，其与所述初级绕组串联连接后跨接在直流电压源两端，驱动所述开关元件导通和关断，用于反复地阻断流经所述初级绕组的电流，以在所述次级绕组上感应电压；平滑电容器，其跨接在所述次级绕组两端；整流二极管，其与所述次级绕组串联连接后跨接在所述平滑电容器两端，以将所述感应电压作为所述输出直流电压存储至该平滑电容器，该输出直流电压相对于电路的地电位为负压；缓冲电容器，其与缓冲二极管串联连接后跨接在所述开关元件两端，当所述开关元件关断时，由流经所述初级绕组的电流对该缓冲电容器充电；存储电容器，其与电抗器串联连接后与所述缓冲二极管并联地跨接在所述开关元件两端，当所述开关元件导通和关断时，由来自所述缓冲电容器、流经所述电抗器的电流对该存储电容器充电；以及充电二极管，其与所述平滑电容器串联连接后跨接在所述存储电容器两端，从而使得所述存储电容器放电以向所述平滑电容器提供附加的电能；所述直流-交流转换器包括排列成全桥结构的四个IGBT晶体管。
全文摘要
本发明涉及一种直流－直流转换器，其在利用固有地具有相当大的漏电的变压器(20)进行电压转换的过程中，可减小形成在开关元件(30)上的电涌电压。包括缓冲器电路以吸收电涌能量并将其传递至负载或转换器的输出端，从而减小开关元件(30)上的电涌电压。设置缓冲电容器(50)，以在开关元件(30)关断时吸收由变压器(20)形成的电涌能量。当开关元件(30)导通和关断时，由此吸收的能量通过电抗器(54)被收集在存储电容器(53)中，然后从存储电容器(53)传递至负载、即转换器的输出端，仅将最小的电压施加在开关元件(30)上。
文档编号H05B41/16GK1759526SQ20048000651
公开日2006年4月12日 申请日期2004年3月2日 优先权日2003年3月12日
发明者神原隆 申请人:松下电工株式会社