具有电源和开关故障情况下的负载保护电路的两线调光器的制作方法

专利名称：具有电源和开关故障情况下的负载保护电路的两线调光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源电路，并且更具体地，涉及用于为交流(AC)负载供 电的电源电路，例如，照明调光器电路，并且其中所述电路使用电源以供电 给控制为负载供电的开关电路的控制电路，并且所述电路在开关故障的情况 下保护所述负载。
背景技术：
为AC负载提供可变功率的电路是已知的，例如，照明调光器。 一些照 明负载是通过降压变压器(典型地为隔离变压器)提供AC电压的低压照明 负载。这些降压变压器将电压降低至低压电平，以提供为一个或多个灯供电 所必须的电压，例如，12至24伏。例如磁低压(MLV)照明的使用变压器 的低压照明负载的问题是变压器可能被变压器两端的电压的任何直流(DC) 分量所影响。变压器两端的电压的DC分量可导致变压器产生噪声并且饱和， 增加变压器的温度并且可能引起火灾。
在许多国家，有这样的要求此类磁低压照明负载与热防护相结合以防 止过热。例如， 一些磁低压照明负载使用热传感器或者在过流情况下断开以 防止过热和火灾的保险丝。然而，这并不是对磁低压照明负载的普遍要求， 并且因此，确保防止所述磁低压照明负载，特别是没有被热防护的负载的过 热是很重要的。
调光器电路利用半导体开关，例如，三端双向可控硅开关元件和场效应 管(FET)，以控制提供给照明负载的电能。因为三端双向可控硅开关元件是 双向器件，因此，如果三端双向可控硅开关元件因故障而短路，电流将在两 个半周期中流动并且没有真正的DC分量被提供给负载。由此，将不会发生
由电压的DC分量引起的过热MLV变压器的问题。调光器的最终用户将知
道因为连接的照明负载将以完全亮度开启而使得调光器存在一个问题，并且 用户将不能将光调暗。当然，如果调光器因开关故障而开路，则由于负载没 有被供电将没有过热的问题。
但是，对于采用FET作为受控开关器件的调光器确实出现一个问题。 单独的FET不是双向开关，所以通常两个FET被反向串联应用，例如，它 们被串联以便两个晶体管的源极相连，从而使它们具有双向开关的功能。FET 经常被用在调光器中，因为它们提供比较好的EMI (电磁干扰)特性并且可 以通过负载更容易地控制电流。在采用FET的调光器电路中，电能流过两个 晶体管到达灯负载。特别地，在一个AC源电流的半周期内，所述电能将流 过第一晶体管的漏极-源极通路(以栅极适当地被控制以提供预期调光水平 的方式)并且流过连接在第二晶体管两端的体二极管以及/或者反向并联连接 的外部二极管。在另半个周期内，电流将从第二晶体管的源极流到其漏极(以 栅极被控以提供预期暗度的方式)并且通过第一晶体管的体二极管以及/或者 反向并联连接的外部二极管。
如果两个串联连接的FET故障短路，则情况与三端双向可控硅开关元 件故障短路相同。灯负载将达到最大亮度并且不会变暗，并且因为两个半周 期都基本完全通过，所以灯负载将基本达到满亮度。在两线调光器(例如， 没有中间连接的调光器)中，通常AC电压的一小部分从AC线源中移除， 以便当开关断开时，例如，在供给灯负载的电能的相位切割部分期间或者开 关导通前，通过在调光器的两端获得电能以激励调光器控制电路。这是因为 调光器没有中间连接。当两个开关都短路时，开关的控制电路将不能被供给 电能。然而，不会有过热的危险，因为没有DC分量被提供给磁性低压灯负 载，因为两个半周期都基本相等地通过。
如果两个FET均未能断开，则没有电能被提供给负载并且没有过热的
危险。
当只有一个FET故障时，过热MLV变压器的问题将出现。在此情况下， 一个FET将要故障短路，短路的FET将在完整的半周期内为负载供电。在 没有故障时，FET通常能够控制在半周期内传送给负载的电能。当一个FET 被短路时，另一个FET的二极管由于被前向偏置而导通。另一个FET将由 调光器控制电路来控制从而在其导通的半周期内提供相位切割调光信号。并 且短路的开关将同样导通。由于两个半周期的不对称，DC分量将被提供给 负载，因此产生过热危险。如果没有提供热保护，则存在火灾隐患。
如果开关中的一个未能断开，则如果断开故障保持体二极管(或者外部 二极管)完好，因为在此情况下一个半周期将缺失而另一个半周期将存在， 那么可能存在不对称，同样引起过热危险。如果断路故障导致漏极-源极通 路和一个开关的体二极管(或者外部二极管)均被断路，则没有电能可以被 提供给负载并且没有过热危险。
在此类调光器中有对于保护电路的需求，以防止所述的由于在开关故障 情况下的DC分量所导致的过热危险，特别是在磁低压灯负载的情况下，与 此同时，即使在此类故障的情况下，保护电路仍确保为调光器的电源控制电 路供电，以使调光器的控制电路以某种方式继续工作以降低或消除DC分量。

发明内容
本发明提供了一种调光器电路，用于将来自AC电压源的AC电能提供 给与该调光器电路串联布置的感应照明负载，该调光器电路包括双向半导 体开关，该双向半导体开关具有至少一个提供控制信号以控制提供给所述负 载的电量的控制电极，所述开关在正常工作中能够受控以阻断所述AC电压 源的第一和第二相反极性半周期中的电压，但是在故障模式中仅能够在AC 电压源的一个半周期中阻断电压而不能够在第二相反极性半周期中阻断电
压；用于所述开关以确定所述开关的所述故障模式是否出现的控制器；用于 为所述控制器供电的电源并且在调光器电路两端提供电能；如果所述故障模 式出现，则所述控制器控制所述开关，从而使在所述开关可控的半个周期 中的绝大部分时间里，驱动所述开关至基本完全导通；并且在该相同半周期 中驱动所述开关在短暂时间间隔内为不导通，以便防止提供给负载的DC电 压分量超出预定电平，该DC电压分量低于所述预定电平不会发生过度的变 压器过热，从而使所述感应负载的过热最小化并且使得用于控制器的电源能 够被提供来自AC电压源的足够的电压以使所述控制器能够继续工作。
根据本发明，其中所述双向开关包括反向串联连接的两个FET，并且其 中一个开关发生故障时，调光器电路的控制器在半个周期的绝大部分时间内 驱动非故障开关至完全导通，在该半个周期内所述开关能够控制并且驱动所 述开关仅在短暂时间段内不导通，从而防止提供给附加的负载的DC电压电 平超出预定电平，低于所述预定电平时，不会发生过多的变压器发热，并且
使电源能够提供足够的电压以使控制器能够继续工作。这样，所述控制器能 够继续工作并且能够提供指示在调光器中已出现故障的故障信号，例如，在
调光器的用户界面上闪烁的指示器。另外，不再有磁低压灯负载过度过热至 某危险点的危险，因为DC电平被维持低于所述预定电平。由此，根据本发 明的电路保护了负载免遭损坏，同时保护了调光器电路本身免遭进一歩的损 坏，并且使调光器电路的控制器能够继续工作。
本发明还提供了一种用于操作调光器电路的方法，所述调光器电路用于 将来自AC电压源的AC电能提供给与所述调光器电路串联布置的感应照明 负载，其中所述调光器包括双向半导体开关，该双向半导体开关具有至少 一个提供控制信号以控制提供给所述负载的电量的控制电极，所述开关在正 常工作中能够受控以在所述AC电压源的第一和第二相反极性半周期中阻断 电压，但是在故障模式中仅能够在AC电压源的一个半周期中阻断电压而不
能够在第二相反极性半周期中阻断电压；用于所述开关的控制器用来确定所 述开关的所述故障模式是否出现，所述故障模式可导致提供给所述负载的半 个周期之间的不对称并且因此DC电压分量将被提供给负载；用于为所述控 制器供电的电源并且在调光器电路两端提供电能；该方法包括在所述开关 可控的半个周期中的绝大多数时间里驱动所述开关至基本完全导通；以及在 相同的半个周期中驱动所述开关在短暂时间间隔内为不导通以防止提供给 负载的DC电压分量超出预定电平，该DC电压分量低于所述预定电平则不 会发生过度的变压器过热，从而使所述感应负载的过热最小化并且使得用于 控制器的电源被提供来自AC电压源的足够的电压以使所述控制器能够继续 工作。
本发明还提供了一种用于操作调光器电路的方法，所述调光器电路用于 将来自AC电压源的AC电能提供给与所述调光器电路串联布置的感应照明 负载，其中所述调光器电路包括双向半导体开关，该双向半导体开关具有 至少一个提供控制信号以控制提供给所述负载的电量的控制电极，所述开关 在正常工作中能够受控以在所述AC电压源的第一和第二相反极性半周期中 阻断电压，但是在故障模式中仅能够在AC电压源的一个半周期中阻断电压 而不能够在第二相反极性半周期中阻断电压；用于为所述调光器电路的控制 电路供电的电源并且在调光器电路两端提供电能；该方法包括确定开关的 所述故障模式是否出现，所述故障模式可导致提供给所述负载的半个周期之 间的不对称并且因此DC电压分量将被提供给负载；在所述开关可控的半个 周期中的绝大多数时间内驱动所述开关至基本完全导通；以及在相同的半个 周期中驱动所述开关在短暂时间间隔内为不导通，以便防止提供给负载的 DC电压分量超出预定电平，低于所述预定电平不会发生过多的变压器发热， 从而使所述感应负载的过热最小化并且使得用于控制电路的电源能够被提 供来自AC电压源的足够的电压以使所述控制电路能够继续工作。
本发明的其他目的、特征和优点将在如下具体描述中变得更加明显。


现在本发明将在以下具体详述中参考附图被更详细地描述，其中 图1示出了使用本发明的原理的调光器电路的简化示意图2A示出了在短路开关的情况下提供给负载的并且具有DC分量的不
图2B示出了短路开关情况下的示例； 图3示出了本发明的图1的电路中的波形；
图4示出了本发明的图1的电路中的具有开始于AC电压源的过零点的 短暂时间间隔的波形；
图5示出了图1的电路的开路实施方式； 图6示出了本发明的图5的电路中的波形；
图7A示出了能够用于本发明的电路中的双向开关的不同形式；
图7B示出了根据本发明的另一方面的双调光器电路；
图8示出了在正常和故障条件下，三个不同的RMS电压范围内七个不
同变压器负载的温度测量值；
图9示出了根据本发明的用于基本闭环系统的由例如微处理器的控制器
执行的软件的流程图10示出了用于具有恢复特征的基本闭环系统的流程图11示出了用于具有恢复特征和故障指示的基本闭环系统的流程以及
图12示出了用于具有恢复特征和故障指示的高级闭环系统的流程图。
具体实施例方式
现参考附图，图1示出了使用本发明的原理的调光器10的简化示意图。调光器10包括功能为双向开关的第一和第二半导体开关Ql和Q2。该开关 可以是以反向串联关系连接的FET。内部体二极管D1和D2被示出。另夕卜， 可提供与所述体二极管以相同方式连接的跨过每个晶体管Ql和Q2的外部 二极管，如图所示，外部二极管提供了比体二极管更好的前向电压特性。两 个晶体管Ql和Q2的栅极Gl和G2由例如微处理器的控制器12响应于调 光信号DIM和来自调光器10的用户界面(未示出)的其他输入(例如开/ 关)，以提供适当的调光和开/关控制。虽然微处理器控制器12被示出，但此 电路不是必须具有微处理器并且可以是模拟或者数字控制电路。晶体管Ql 和Q2连接在火线(H)端和调光后的火线(DH)端之间。H端连接到AC 电源40。 DH端连接到MLV灯负载42 (包括降压变压器Tl和一个或多个 灯)，MLV灯负载42还连接到中性(N)端，从而使负载电路完整。
跨接在每个晶体管Ql和Q2两端上的是分立的电压分配器，该电压分 配器包括电阻R1、 R2和R3、 R4。这些电压分配器的目的是感测当前开关 Ql和Q2两端各自的电压以控制切换并且感测任何一个FET的故障。如果 晶体管未能短路，则电压分配器的输出将基本为零。如果晶体管未能开路， 则分配器两端的电压将由通过阻抗和/或体/外部二极管的电流来确定并且将 是非零电平。
另外，电源被提供用以产生激励控制器12的DC输出电压。所述电源 包括二极管D3和D4，输入存储电容器24，以及校准电路20，该校准电路 20可以是任何合适的校准电路，例如，诸如降压转换器的开关式电源 (SMPS)。所述电源由来自AC线的输入电压供电并且提供供电电压Vcc给 控制器12。由于调光器10是两线调光器并且中性连线不在调光器中存在， 因此，少量的电流必须被从AC线拉出通过负载为输入存储电容器24充电， 优选为不引起照明负载发光。在正常工作期间，当FETQ1和Q2不导通时， 少量的电量被从AC线拉出，并且在调光器IO两端产生电压。所述电源拉
出电流在正半周期中通过整流二极管D3并且在负半周期中通过整流二极管
D4为输入存储电容器24充电。然后，校准电路20将输入存储电容器24上 的电压转换成需要的输出电压Vcc以激励控制器12。
另一种包括电阻R5和R6的电压分配器从校准电路20提供给电路公共 端以产生感测电压Vs，所述感测电压Vs被提供给控制器12。过电压保护电 路(OVP)被提供以检测线过电压情况。如果检测到在AC线上的过电压， 则为了保护调光器电路，两个FET均被完全开启以防止输入存储电容器24 的过充并且防止FET由于过电压情况而被损坏。
如上讨论的，在正常工作中，控制器12将操作开关Q1和Q2以便在正 半周期中，晶体管Ql将被通过体二极管和/或外部二极管D2的Q2两端的 传导而开启，由此，在正半周期的一部分中给灯负载供电。.在负半周期内， 晶体管Q2将被由通过体二极管和/或外部二极管Dl的Ql两端的传导而幵 启，由此，在负半周期的一部分中给所述负载供电。控制器12被提供来自 调光器10 (未示出)的用户界面的调光输入(DIM)。控制器12使用此DIM 输入以控制给栅极G1和G2的信号，并且由此，在每个半周期内晶体管Q1 和Q2导通之前控制相角延迟量，如本领域技术人员所公知的。在正常工作 期间，两个开关Ql和Q2受控从而在正半周期和负半周期中大致相等的电 能被在每个半周期中输送到所述负载。变压器负载两端的电压基本没有DC 分量并且变压器负载不饱和并且因此不会过热。
在晶体管Ql和Q2中仅有一个故障短路的例子中，供给磁低压灯负载 的变压器初级的电压波形将在正半周期和负半周期内不对称，从而提供能够 导致饱和过热的DC电压电平给所述负载。例如，如图2B中所示，如果FET Q2被短路，则FET Q2将在两个半周期中导通全部AC电流。在正半周期内， 正常工作的FETQ1将仅在半个周期的一部分中导通。在负半周期内，电流 将在整个半个周期内流经短路的FET Q2并且通过FET Ql的体二极管Dl 。
提供给灯负载的全部电压波形中的不对称产生了如在图2A中所示的电压中 的负DC分量。依赖于不对称的量，这将导致变压器铁心的基本饱和以及过热。
如果开路开关发生故障，其中体二极管或者外部二极管未被损坏，则在 半周期之间将导致不对称，该不对称因为一个半周期的完全缺失而加剧。
根据本发明，调光器10的控制器12在开关可控的半周期内的绝大多数 时间里驱动非故障开关至完全导通，并且仅在该半周期内的短暂吋段驱动开 关至不导通以防止被提供给附加的负载的DC电压电平超过预定电平，低于 该预定电平的额外的变压器过热将不发生，并且使电源能够具有足够的电压 以使控制器能够继续工作。这样，控制器能够继续工作并且能够提供指示故 障已在调光器中发生的故障信号。另外，没有磁低压灯负载过度过热达到某 点的危险，在该点因为DC电平被维持低于预定电平而出现危险。因此，根 据本发明的电路保护负载免遭损坏，同时还保护调光器电路本身免遭进一步 损坏，并且使调光器电路的控制器能够继续工作。
根据本发明的一个方面，控制器12被提高来自包括电阻R5和R6的电 压分配器的感测信号Vs。如果电容器24两端的电压降至低于预定电平，则 控制器12在开关可控的半周期内暂时将非故障开关关断，从而暂时在接线 端H和DH两端提供电压电平，这将使电容器24能够充电。因此，所述电 源将被提供电能的短暂脉冲以允许电容器24重新充电以便所述电源能够继 续为控制器12供电。
图3示出了根据本发明出现在图1的电路中的波形。参考图3所示的所 有波形，其中假设了晶体管Q2，即通常能够控制负半周期的晶体管，己经 在短路条件下故障。在图3 (a)中，波形示出了磁低压灯负载两端的电压 V^并且，特别地，MLV变压器的初级线圈两端的电压。注意，整个负半周 期均在所述负载下通过。晶体管Ql没有故障，并且能够由控制器12控制。
控制器12通过监视包括电阻R3和R4的电压分配器两端的电压来确定晶体 管Q2已经故障。
如果晶体管Q2故障短路，包括电阻R3和R4的电压分配器的输出将在 正和负半周期内均基本为零。由此，控制器12确定FETQ2巳经处于短路情 况的故障中(或者FET己由其他保护硬件开启，例如，过电压保护电路OVP)。 处理器12需要确定发生了什么。如果OVP保护电路没有开启，那么将作出 FET短路的判断。在正常工作中，当FET关断时(并且该半周期由FET和 其他晶体管的体二极管经过)，FET两端的电压因为反向并联连接的二极管， 例如，内部体二极管或外部连接的二极管，将大致等于一个二极管的电压降。 但是，如果所述开关被短路，则所述开关两端的电压将基本小于上述电压， 几乎为零。
图3 (b)示出了包括电阻R5和R6的电压分配器的输出端的电压Vs， 即输入存储电容器24两端的电压。当电容器24两端的电压在V！和V2之间 并且开关Q2已经故障时，如图3 (a)中所示，控制器12将驱动开关Q1至 基本完全导通。然而，当电容器24两端的电压降至预定阈值V2时，控制器 12将关断非故障开关Q1—短暂时段tw，例如，大约1毫秒，从而暂时地从 所述负载中移除电能并且允许电容器24被重新充电，如图3 (b)中在短暂 时间间隔U内所示的。预定阈值V2接近但高于不允许所述电源提供足够电 压以激励控制器12的电平。 一旦电容器24两端的电压达到电平Vp则控制 器12将再次开启非故障开关Q1以为所述负载供电。如图3 (a)所示，该 循环将重复。当存储电容器24两端的电压再次降至电压电平V2时，所述非 故障晶休管将被再次短暂关断以允许存储电容器24充电。
图3 (c)示出了变压器负载中的电流lL。在非故障开关Q1的短暂的不 导通周期之后，电流lL达到峰电流值Ip。然而，因为本发明的保护电路，峰 电流仅允许短暂周期的变压器饱和，并且由此不会使变压器过热。
图4示出了根据本发明出现在图1的电路中的波形，其中所述短暂时间 间隔W开始于AC电源的过零点。过零点被定义为在每个半周期的开始处
AC电源等于零的时间点。所述短暂时间间隔tw将在下一个半周期内电压Vs 降至电平V2以下之后出现，在所述下一个半周期中，控制器12能够控制非 故障FET。 一旦电容器24两端的电压达到电平Vp控制器12将再次开启 非故障开关Q1以为所述负载供电。作为替换，所述短暂时间间隔W将结束 于AC电源的过零点。
在图l所示的第一实施方式中，电路工作在闭环方式以便非故障晶体管 仅在存储电容器24需要重新充电时被关断，如图3 (a)和3 (b)所示。根 据本发明的另一个实施方式，微处理器控制器12不需要监视电容器24两端 的电压。在图5所示的简化的开环电路中，控制器12将周期性地开启非故 障开关Q1或Q2以使电容器24能够充电至足以继续提供足够电压给控制器 12的电平。最坏情况下的充电时间t，e被确定为在其间控制器12将在时间 间隔之后周期性地关断非故障晶体管以保证所述控制器由所述电源充分激 励。这个时间间隔将是AC线周期的整数倍减去存储电容器充电所必须的时 间段t，e。因此，这个时间间隔t可以表述为
t = nT - t匿 (等式1 )
其中n是整数，T是AC线周期，t，c是最坏情况下的充电时间tw。例如， 在图6 (a)所示的波形中，开环控制使用等于3的整数n以及等于1毫秒的 时间段t，e。在50Hz线频率下，t^nT-t，,59毫秒。
在另一个实施例中，本发明的电路与AC线同步以使短暂的非导通时间 段W,，例如，当非故障晶体管断开时的短暂时间段，在电容器24不能够进 行足够充电的情况下，W不会在该半周期内的部分时间内出现。例如，如果 非导通时间段tw发生在-^个半周期的非常开始的地方，当AC线电压还未略 微升高时，如果短暂的非导通时间段在那时出现的话，则对电容器的不充分 的充电可能在这个短暂的非导通时间段内产生。因此，期望同步所述非导通 时间段以使它们在AC线电压升高到足够的电平时产生，以引起存储电容器 的充分充电。为了实现这一目的，计时器可以被用来同步充电时间与AC线
峰值以在非导通时间段内产生充足的充电。这将在后面参考图12说明。
如果故障开关在打开情况下发生故障，则该断开情况故障的类型将决定
适当的响应。如果故障FET断开失败以致两个源极-漏极路径和体二极管/外 部二极管均断开，则没有电压到达所述负载，且因此没有过热情况的危险。 然而，如果故障晶体管的失败使得只有源极-漏极路径断开，则FET的栅极 例如断电，使二极管完好，然后将导致供给负载的电压的不对称。在这种情 况下，非故障晶体管将在适当的半周期内导通并且所述故障晶体管的体二极 管或者外部二极管将在该半周期内承载负载电流。但是，在另半个周期内， 所述故障开关将不导通，因为源极-漏极路径断开并且体二极管或者外部二 极管被反向偏压。因而，在该半周期内没有电流通过，导致DC电平被传送 给负载。在此情况下，使上述两个半周期完全相等是不可能的，并且控制器 12(在缺少半个周期时被供给足够的电能)将断开非故障FET或者两个FET。 图7A示出了被包括在包括二极管D5， D6， D7, D8的桥式整流器里面 的单个FETQ3。该桥式整流器保证了当FET导通时，电流总是沿同样的方 向通过FETQ3，从而允许所述包括在桥内的单个FETQ3替代图1中所示的 两个FETQ1、 Q2。图7A中的电路因而是双向开关。但是，如果图7A中的 电路代替了图1中的两个开关，则图1中的电路不需要防止FET故障。如果 单个FET Q3未能短路，则两个半周期均将相等地传送给负载并且没有DC 电压被传送给负载的危险。如果FET未能断开，从而使所述栅极和体二极管 均断开，没有任何电能被传送给负载。如果FET没能断开，从而使体二极管 仍然完整，则将再次没有电能被传送给负载，因为所述体二极管通常被反向 偏置。因此，图1中的电路没有必要单独防止FET故障。
然而，图1中的电路对于防止图7A中的桥中的二极管D5， D6， D7， D8中的一个或多个发生故障是有效的。例如，如果前向导通二极管D5和 D6在正半周期中未能短路，则当开关Q3导通时，所述正半周期将提供给负 载。在负半周期中，由于导通二极管D5和D6被短路，所述负半周期将通 过所述被短路的二极管和所述开关的体二极管被提供给负载。由于该开关在 负半周期中因为体二极管被前向偏置而没有被控制，整个负半周期都将被传 送给负载，再次导致不对称并因此使DC分量传送给负载。因此，图l中的 电路可以被用来在此情况下保护所述负载并且确保提供给所述电源足够的 电能。如果图7A中的双向开关电路与图1中的电路合并，则电压分配器可 以被连接到每一个二极管的两端以感测该二极管是否短路。
图7B示出了另一种依据本发明的电路，该电路包括双路调光器电路 DD，每个调光器包括两个反向级联的FET开关，该开关分别与各自的MLV 负载相连。多个二极管D9、 D10和D11被连接在火线端H和调光后的火线 端DH1以及DH2到校准电路20的输入端供给电容器24之间。在该电路中， 如果只有一个开关未能短路，则另一条调光器支路将继续给电源供电，所以 不是必须断开故障开关支路上的非故障开关以在短暂的时间段tw中给电源 供电。然而，为了防止为由包括故障开关的支路所激励的灯供电的变压器的 变压器铁心的饱和，将非故障开关调至全导通以防止过热仍然是必要的。因 而，图1中的电路还可以被应用于感测所述开关发生的故障以及在该开关可 控的半个周期内将所述非故障开关调至全导通，但是，在该半个周期内将在 包括故障开关的支路上的非故障开关短暂断开时间tw以向控制电路提供足 够的电能并不是必须的。
如果出现多个FET故障，例如，每个支路上都有一个被短路的幵关， 则有必要在非故障开关完全闭合以提供给电源足够电能时暂时断开它们。因 而，取决于所需求的保护的级别，将图1电路中的短暂断开特性并入到图7B
的电路中可能是有益的。
图7B中还示出了用于FET的栅极的电源。因为所述两个调光器电路必 须具有隔离的接地，所以校准电路20的输出端被耦合到隔离变压器T2。在 电容器31的两端产生DC电压V^以向驱动器电路供电从而驱动栅极G1和 G2。在电容器32的两端产生DC电压Vee2以通过二极管D12为栅极G3和 G4供电。
在实验中为了比较在正常以及故障情况(某个FET被短路)下本发明 的电路的工作，在两种情况下连接到调光器的多种MLV变压器的温度被记 录。图8示出了测试的结果。来自七家不同厂商的MLV变压器被测试并表 示为图8的曲线图中的七条不同曲线。在工作(全导通)以及故障模式(某 个开关被短路)下，该测试采用了 240伏额定均方根(RMS) AC输入电压、 216伏的低RMS AC输入电压以及264伏的高RMS AC输入电压。如图所示， 正常工作的变压器和连接有处于故障情况下的调光器的变压器之间的温度 差不超过8。C。在其中一个例子中，变压器3在采用240伏进行测试时出现 了失常，即该变压器3在故障情况下测得的温度要更低。
图9-12示出了根据本发明的用于由控制器执行的软件或者逻辑的流程图。
图9示出了在检测到已短路的FET故障情况后用于基本闭环系统的由 微处理器控制器12执行的软件的一个实施方式。 一旦所述故障被检测到， 则所述软件仍保持在该循环中，监视存储电容器24的电压并且据此开启或 关断FET。首先，在100采样电容器24两端的电压。如果在110该电压高 于V,(图3中的上限电压阈值)，则在120所述FET被开启至完全导通。如 果该电压不高于Vp则在130执行检查以确定该电压是否低于V2 (图3中 的下限电压阈值)。如果电容器24两端的电压不低于V2，则FET的状态不 改变。如果该电压低于V2，意味着其不在VI和V2之间的范围内，则在140 关断FET以允许电容器充电。然后该流程结束。注意，在主循环中该处理周 期性地工作。
如上所述，在开环系统中，电容器24两端的电压将以被确定为较坏情
况的充电率的周期率被采样，即确保存储电容器上的电压不会降至低于电压v2。
图IO示出了具有恢复特征的基本闭环系统的流程图。首先，在100采 样存储电容器24两端的电压并且在110执行检査以确定存储电容器上的电 压是否高于V,。如果是，则在220开启FET，并且如果不是，则在130执 行检查以确定存储电容器24上的电压是否低于V2。如果该电压低于V2，则 在140关断该FET。然后，在150执行检查以通过检查电阻分配器R1、 R2 和R3、 R4两端的电压来确定所述FET是否被短路。在160如果FET被确 定为短路，则FET的状态将不改变。在170如果FET被确定为未短路，则 恢复正常工作并且执行从循环中退出。该循环将通过处理器流程的确定被周 期性地开始。
如所显示的，在140无论何时FET被关断，将执行检查以确定是否有 短路的FET。因此，无论何时FET被关断，用于故障的逻辑检查被执行。 如果FET被错误地关断，则软件或者逻辑能够恢复并且返回至正常工作。
图11示出了具有恢复特征(图10的流程图)和故障指示的基本闭环系 统的流程图。相同的步骤将被提供相同的附图标记并且在此将不会被再次描 述。当流程到达点180时，在190将执行调光器的用户界面的按钮按压的检 查。因此，如果调光器的用户界面上的任何执行器或者按钮在200被启用， 则所述软件将通过闪烁调光器上的LED来为用户提供诊断反馈或者在210 提供错误显示。如果在200没有按钮被按压，则不提供LED反馈。
图12示出了具有恢复特征和故障指示的高级闭环系统的流程图。如在 图12中所显示的，在100首先采样电容器电压并且在110执行检查以确定
存储电容器两端的电压是否高于V,。如果是，则在120开启FET并且在300 定时器被设置为时间tl。然后，该流程处理以检查按钮执行器l卯，如参考 图11描述的，以确定在210是否应指示错误。如果存储电容器24两端的电 压不高于上限电平V,，则之后流程移至130并且执行检查以确定该电压是否
低于下限V2。如果该电压不低于下限V2，意味着该电压处于V,和V2之间，
则执行检査以确定先前设置的定时器是否已超时，如在310所示。如果该定 时器已超时，则FET被关断。如果该定时器未超时，则在点180执行返回。 所述定时器用于将电容器的充电点和线的峰值同步以最优化该充电处理。注 意，定时器的吋间tl等于
tl = nT - twwc (等式1 )
其中n为整数，T是AC线周波的周期，并且t，e是在AC线的峰值处的最 坏情况的充电时间。下限电压阈值V2被设置以使时间tl在阈值被达到前超 时。
因此，在图12示出的实施方式中，存储电容器电压和定时器均被监视。 定时器工作从而使FET仅在其已被开启后关断并且由此时间(nT-twwe)在 FET可被关断前结束。这保证了 FET仅当存在如图6 (a)所示用于存储电 容器的足够的充电电压时才能够被关断。而且，如上所述，该下限电压阈值 被设置为使得所述定时器总在阈值到达前超时。因此，在这个实施方式中， 虽然电容器两端的电压被监视以确定何时开启FET以及重置定时器，但是 FET仅能够在定时器超时的时候才能被关断，这将确保仅在AC线波形的峰 值附近发生FET的关断。如果在定时器超时前电容器电压已降至低于V2， 则将要出现异常状态，即使定时器还未超时，所述开关仍将根据如图12所 示的流程被关断。
并且，虽然仅有非故障开关需要被提供栅极控制信号以切换其关断，但 所述栅极控制信号可由所述控制器12提供给故障和非故障开关的栅极。所
述故障开关仅仅是不响应而已。
虽然参考特定的实施方式对本发明加以描述，但多种其他变化和修改以 及其他用途对于本领域技术人员将变得显而易见。因此，本发明不应由此处 的特定公开所限制，而是仅由附加的权利要求来限制。
权利要求
1、一种调光器电路，用于将来自AC电压源的AC电能提供给与该调光器电路串联布置的感应照明负载，该调光器电路包括双向半导体开关，所述开关具有至少一个提供有控制信号以控制提供给所述负载的电量的控制电极，所述开关在正常工作中能够受控以阻断在所述AC电压源的第一和第二相反极性的半周期中的电压，但是在故障模式中仅能够在所述AC电压源的一个半周期中阻断所述AC电压源而不能够在所述第二相反极性的半周期中阻断所述AC电压源；用于所述开关的控制器，用以确定该开关的故障模式是否发生；跨接在所述调光器电路的两端用于为所述控制器供电的电源；如果所述故障模式出现，则所述控制器控制所述开关，以使得在所述开关可控的半周期中的绝大多数时间里驱动所述开关至基本完全导通；并且在该相同的半周期中驱动所述开关在短暂的时间间隔内为不导通，以便防止提供给所述负载的DC电压分量超出预定电平，该DC电压分量低于所述预定电平则不会发生过度的变压器过热，从而使所述感应负载的过热最小化并且使得用于所述控制器的电源被提供有来自所述AC电压源的足够的电压以使所述控制器继续工作。
2、 根据权利要求1所述的电路，其中，当由所述控制器检测到故障模 式时，所述控制器周期性地驱动所述开关在短暂的时间间隔内为不导通。
3、 根据权利要求1所述的电路，其中，当由所述控制器检测到故障模 式时，所述控制器在所述AC电压源的线周期的整数倍之后周期性地驱动所 述开关在短暂的时间间隔内为不导通。
4、根据权利要求1所述的电路，该电路还包括用于监视电源电压的电 源监视电路，其中如果所述电源电压降至低于预定的较低电平，则所述控制 器驱动所述开关在所述短暂的时间间隔内为不导通，从而使所述电源被提供 有来自所述AC电压源的足够的电压以使所述控制器继续工作。
5、 根据权利要求4所述的电路， AC电压源的过零点。
6、 根据权利要求4所述的电路， AC电压源的过零点。
7、 根据权利要求4所述的电路， 的存储电容器两端的电源电压。其中所述短暂的时间间隔开始于所述其中所述短暂的时间间隔终止于所述其中所述电源监视电路监视所述电源
8、 根据权利要求7所述的电路，其中所述存储电容器布置在所述电源 的输入端并且通过整流器被提供有来自所述AC电压源的电压。
9、 根据权利要求8所述的电路，其中该电路包括与所述AC电压源的 火线侧以及所述负载串联并且仅通过所述负载连接到所述AC电压源的AC 中性侧的两线调光器电路。
10、 根据权利要求4所述的电路，其中所述电源监视电路包括被布置为 跨接于所述存储电容器两端的电压分配器电路。
11、 根据权利要求1所述的电路，其中所述电源包括开关模式电源。
12、 根据权利要求8所述的电路，其中所述整流器包括连接至所述调光 器电路的第一和第二接线端并且具有连接到所述存储电容器的公共连接线 的第一和第二二极管。
13、 根据权利要求l所述的电路，该电路还包括连接到所述开关用于监 视所述开关以确定所述故障模式是否发生的开关监视电路。
14、 根据权利要求13所述的电路，其屮所述开关监视电路包括连接到所述开关的电压分配器电路。
15、 根据权利要求1所述的电路，其中所述双向开关包括以反向串联电路连接的第一和第二场效应晶体管，以使所述场效应晶体管具有一个公共连 接的相应的主电流承载接线端，当不处于所述故障模式时，每个场效应晶体管均能够在所述AC源电压的各自的半个周期内阻断电压。
16、 根据权利要求15所述的电路，该电路还包括连接到每个所述场效 应晶体管以检测所述故障模式并且具有连接到所述控制器的输出端的开关 监视电路。
17、 根据权利要求16所述的电路，其中连接到每个所述场效应晶体管 的开关监视电路包括跨接在每个场效应晶体管的主电流承载接线端的电压 分配器电路。
18、 根据权利要求15所述的电路，其中每个场效应晶体管具有内部二 极管或外部二极管，所述内部二极管或外部二极管与所述场效应晶体管的主 电流承载接线端并联，并且当不处于所述故障模式时，当所述场效应晶体管能够在场效应晶体管的正常工作期间阻断电压时，所述内部二极管或外部二 极管被反向偏置。
19、 根据权利要求4所述的电路，其中当所述电源监视电路确定所述电 源电压已超过预定的较高电平时，所述控制器驱动所述开关返回至完全导 通。
20、 根据权利要求19所述的电路，进一步地，其中所述控制器周期性地检查以确定在所述开关中所检测到的故障模式是否归因于在所述开关中 的真实故障，或者所述开关是否由其他电路所控制从而当所述开关实际上并 没有故障时表现为在所述开关中有故障。
21、 根据权利要求20所述的电路，其中如果所述控制器确定所检测到 的故障不是真实故障，则所述控制器恢复所述调光器电路的正常工作从而允 许调光。
22、 根据权利要求1所述的电路，该电路还包括至少一个允许所述调光 器电路的手动控制的控制执行器，并且进一歩地，其中所述控制器确定所述 至少一个控制执行器是否已启用并处于响应中，如果检测到了所述故障模式 则在显示装置上显示错误指示。
23、 根据权利要求19所述的电路，该电路还包括当所述开关被所述控 制器驱动至开启时重置的定时器，所述定时器在预定时间之后超时，进一歩 地，其中所述控制器监视所述定时器以确定所述预定时间是否己超时并且其 中当所述定时器超时的时候，所述控制器驱动所述开关关断，从而使为所述 电源供电的所述短暂的时间间隔与所述AC源电压的峰值同步。
24、 根据权利要求23所述的电路，其中所述定时器预定时间被设置为在所述电源电压降至低于所述预定的较低电平之前超时。
25、 根据权利要求l所述的电路，其中所述双向开关包括至少一个布置 在整流桥中的场效应晶体管，从而电流的预定极性总是以一个方向通过所述 至少一个场效应晶体管。
26、 根据权利要求1所述的电路，该电路还包括为第二感应照明负载供 电的第二调光器电路，每个所述调光器电路与各自的照明负载串联，并且其 中每个调光器电路具有调光器输出端和公共输入端，整流器被连接在所述公 共输入端和电源输入端之间，各自的整流器被连接在每个调光器输出端和所 述电源输入端之间。
27、 根据权利要求26所述的电路，其中所述电源包括用于向所述每个 调光器电路的每个双向开关的控制接线端供电的第一和第二输出端。
28、 一种用于操作调光器电路的方法，所述调光器电路用于将来自AC 电压源的AC电能提供给与所述调光器电路串联布置的感应照明负载，其中 所述调光器电路包括双向半导体开关，该开关具有至少一个提供有控制信 号以控制提供给所述负载的电量的控制电极，所述开关在正常工作中能够受 控以阻断在所述AC电压源的第一和第二相反极性的半周期中的电压，但是 在故障模式中仅能够在所述AC电压源的一个半周期中阻断所述AC电压源 而不能够在所述第二相反极性的半周期中阻断所述AC电压源；跨接在所述 调光器电路两端的用于为所述调光器电路的控制电路供电的电源；该方法包括 确定所述开关的故障模式是否发生，所述故障模式导致提供给所述负载 的半周期之间的不对称并且因此DC电压分量将被提供给所述负载；在所述开关可控的半个周期中的绝大多数时间里驱动所述开关至基本 完全导通；以及在所述相同的半个周期中驱动所述开关在短暂的时间间隔内为不导通，从而防止提供给所述负载的DC电压分量超出预定电平，该DC电压分量低 于所述预定电平则不会发生过度的变压器过热，从而使所述感应负载的过热 最小化并且使得用于所述控制电路的电源被提供有来自所述AC电压源的足 够的电压以使所述控制电路继续工作。
29、 根据权利要求28所述的方法，该方法还包括当检测到故障模式时， 周期性地驱动所述开关在所述短暂的时间间隔内为不导通。
30、 根据权利要求28所述的方法，该方法还包括当检测到故障模式时， 在所述AC电压源的线周期的整数倍之后周期性地驱动所述开关在所述短暂 的时间间隔内为不导通。
31、 根据权利要求28所述的方法，该方法还包括监视电源电压，并且 如果所述电源电压降至低于预定的较低电平，则驱动所述幵关在所述短暂的 时间间隔内为不导通，从而使所述电源能够被提供有来自所述AC电压源的 足够的电压以使所述控制器继续工作。
32、 根据权利要求31所述的方法，该方法还包括监视所述电源的存储 电容器两端的电源电压。
33、 根据权利要求32所述的方法，其中所述调光器电路包括与所述AC电压源的火线侧以及所述负载串联并且仅通过所述负载连接到所述AC电压 源的AC中性侧的两线调光器电路。
34、 根据权利要求28所述的方法，该方法还包括监视所述开关以确定 所述故障模式是否已发生。
35、 根据权利要求28所述的方法，其中所述双向开关包括以反向串联 电路连接的第一和第二场效应晶体管，从而使所述场效应晶体管具有一个公 共连接的相应的主电流承载接线端，当不处于所述故障模式时，每个场效应 晶体管均能够在所述AC源电压的各自的半个周期内阻断电压。
36、 根据权利要求35所述的方法，其中每个场效应晶体管具有内部二 极管或外部二极管，所述内部二极管或外部二极管与所述场效应晶体管的主 电流承载接线端并联，并且当不处于所述故障模式时，当所述场效应晶体管 能够在场效应晶体管正常工作期间阻断电压时，所述内部二极管或外部二极 管被反向偏置。
37、 根据权利要求31所述的方法，该方法还包括当所述电源监视电路 确定所述电源电压已超过预定的较高电平时，驱动所述开关返回至完全导通o
38、 根据权利要求37所述的方法，该方法还包括周期性地检查以确定 在所述开关屮所检测到的故障模式是否归因于在所述开关中的真实故障，或 者所述开关是否由其他电路所控制从而当所述开关实际上并没有故障时表 现为在所述开关中有故障。
39、 根据权利要求38所述的方法，该方法还包括如果所检测到的故障 不是真实故障，则恢复所述调光器电路的正常工作以允许调光。
40、 根据权利要求28所述的方法，进一步地，其中所述调光器电路包 括至少一个允许所述调光器电路的手动控制的控制执行器，并且所述方法还 包括确定所述至少一个控制执行器是否己启用并处于响应中，如果捡测到了 所述故障模式，则在显示装置上显示错误指示。
41、 根据权利要求37所述的方法，该方法还包括当所述开关被驱动开 启时重置定吋器，所述定时器在预定时间之后超时，该方法进一步包括监视 所述定时器以确定所述预定时间是否已超时并且当所述定时器超时的时候 驱动所述开关关断，从而使为所述电源供电的所述短暂的时间间隔与所述 AC源电压的峰值同步。
42、 根据权利要求41所述的方法，其中所述定时器预定时间被设置为 在所述电源降至低于所述预定的较低电平之前超时。
43、 根据权利要求28所述的方法，其中所述双向开关包括至少一个布 置在整流桥中的场效应晶体管，从而电流的预定极性总是以一个方向通过所 述至少一个场效应晶体管。
全文摘要
一种调光器电路，用于将来自AC电压源的AC电能提供给与该调光器电路串联布置的感应照明负载，该电路包括双向半导体开关，所述开关具有至少一个提供控制信号以控制提供给所述负载的电量的控制电极，所述开关在正常工作中能够受控以阻断在所述AC电压源的第一和第二相反极性的半周期中的电压，但是在故障模式中仅能够在AC电压源的一个极性的半周期中阻断AC电压源而不能够在第二相反极性的半周期中阻断AC电压源；用于所述开关以确定该开关的所述故障模式是否出现的控制器，所述故障模式可导致提供给所述负载的半周期之间的不对称，并且由此导致DC电压分量被提供给负载；用于为所述控制器供电并且在所述调光器电路的两端提供电能的电源；如果故障模式出现，则所述控制器控制所述开关，以便在所述开关可控的半周期中的绝大多数时间里驱动所述开关至基本完全导通；并且在该相同半周期中驱动所述开关在短暂时间间隔内为不导通以防止提供给负载的DC电压分量超出预定电平，低于该预定电平不会发生过度的变压器发热，从而使所述感应负载的过热最小化并且使得用于控制器的电源能够被提供来自AC电压源的足够的电压以使所述控制器能够继续工作。
文档编号H05B39/04GK101176386SQ200680016984
公开日2008年5月7日 申请日期2006年5月16日 优先权日2005年5月16日
发明者D·J·多兰, R·库马尔, S·德容格 申请人:路创电子公司