线性荧光灯镇流器的热返送的制作方法

专利名称：线性荧光灯镇流器的热返送的制作方法
线性荧光灯镇流器的热返送 本申请要求2007年8月27日提交的临时专利申请序列号60/968211的权益，通 过引用将其完整地结合到本文中。
背景技术：
本申请涉及电子镇流器。它与操作一个或多个荧光灯的谐振换流器电路结合而得 到特定应用，并且将具体参照这些电路对其进行描述。但是，要理解，下文也适用于高强度 放电(HID)灯等。 镇流器是用于向诸如电灯等负载提供电力以及调节提供给负载的电流的电气装
置。镇流器通过电离足以使电弧持续并且增长的等离子体(蒸汽)来提供启动灯的高电压。
一旦建立了电弧，镇流器便通过向灯提供适当控制的电流来允许灯继续工作。 通常，在来自电源的交流(AC)电压经过整流和适当调节之后，换流器将DC电压转
换成AC。换流器通常包括一对串联开关，例如MOSFET，它们由驱动栅极控制电路控制为"接
通"或"断开"。 —种用于操作并联连接的多个荧光灯的方式是使用与驱动单个灯类似的设计，其 中每个灯由专用换流器来操作，例如，n个灯需要n个换流器。但是，这种方式成本较高。
下文考虑克服上述问题和其它问题的新方法和设备。

发明内容
根据一个方面，用于提供热保护的镇流器电路包括具有绕在耦合变压器的磁心上 的初级绕组和次级绕组的换流器电路以及具有绕在耦合变压器的磁心上的三级绕组的控 制电路。耦合变压器的磁心包括具有近似等于镇流器电路的外壳的最大阈值温度量级的居 里温度的铁氧体材料。 根据另一个方面，用于返送输入功率以实现热保护的镇流器电路包括变压器，
包括绕在具有在大约85t:至大约95t:范围内的居里温度的铁氧体磁心上的第一、第二和
第三绕组；包括第一和第二绕组的换流器电路；以及包括第三绕组的控制电路，其中当镇 流器的温度接近铁氧体磁心的居里温度时，铁氧体磁心的磁导率以及第一、第二和第三绕 组中的电感减小。响应第一和第二绕组的减小的电感，换流器电路的工作频率近乎加倍 (即proximately double)。响应由控制电路所接收的信号的增加的工作频率，送往换流器 电路的功率减小。 根据又一个方面，用于提供热保护的镇流器包括耦合变压器，包括绕在具有大约 90°C的居里温度的铁氧体磁心上的第一、第二和第三绕组；包括第一和第二绕组的换流器 电路；以及包括第三绕组的控制电路。当镇流器的温度接近9(TC时，铁氧体磁心的磁导率 从大约10000H/m减小到大约1H/m，并且响应磁导率的减小，第一、第二和第三绕组中的电 感从大约lmH减小到大约50 ii H。响应第一和第二绕组的减小的电感，换流器电路的工作频 率从大约70kHz增加到大约130kHz，并且在控制电路处从换流器电路接收大约130kHz信 号，该信号使电容器充电到阈值电压电平。当电容器达到阈值电压电平时，送往换流器电路
4的功率减小。


图1是镇流器电路的图解说明，它包括位于铁氧体磁心上的多个电感器绕组，铁
氧体磁心的居里温度近似等于镇流器外壳的最大阈值温度，使得当铁氧体磁心的温度接近
其居里温度时，磁心的磁导率下降，从而使电感减小，进一步使电路6进行返送以便为该电 路提供热保护； 图2是镇流器电路以及与其耦合的对应控制电路的示图；
图3是控制电路的更详细图的示图。
具体实施例方式
参照图l，镇流器电路6包括位于铁氧体磁心上的多个电感器绕组，铁氧体磁心的 居里温度近似等于镇流器外壳的最大阈值温度，使得当铁氧体磁心的温度接近其居里温度 时，磁心的磁导率下降，从而使电感减小，进一步使电路6进行返送(fold bac)以便为电路 6提供热保护。铁氧体磁心的低居里温度利于返送输入功率以及因此的由镇流器电路6消 耗的功率量，以便在经受不利的环境条件时减小外壳温度上升。也就是说，利用限定互耦电 感器的磁路的铁氧体材料的居里温度来实现对镇流器和外壳的热保护。由于此电感器控制 镇流器的换流器级的工作频率并且因而控制灯功率，所以镇流器所消耗的功率随着铁氧体 磁心接近其居里温度而减小。铁氧体磁心材料的低居里温度还有助于将镇流器的壳体温度 保持在低于期望的阈值温度(例如，大约85-95摄氏度)。此外，互耦电感器的选择性铁氧 体居里温度允许镇流器在高环境温度中工作，由此缓解对于常规系统中所使用的、可中断 输入功率、从而使耦合到镇流器的灯熄灭的热开关的需要。这样，具有低居里温度铁氧体磁 心材料的镇流器6利于提供具成本效益的解决方案，它不需要诸如热开关的附加组件来中 断功率。也就是说，不需要中断、而是返送功率，以减小内部功率消耗，同时仍然提供灯功 率，并且因此灯继续产生光。 镇流器电路6包括换流器电路8、谐振电路或网络10和钳位电路12。经由从正电 压端子16延伸的电压导体14以及连接到地或公共端子20的公共导体18向换流器8提供 DC电压。高频总线22由谐振电路10生成，这将在下文更详细地进行描述。另外，高频总线 22连接到标为"+B"的节点，而该节点又连接到控制器电路108，这将在下文更详细地进行
描述。第一、第二.....第n个灯24、26.....28经由第一、第二.....第n个镇流电容器30、
32.....34耦合到高频总线。因此，如果去除一个灯，则其它灯仍继续工作。预计，任何数量
的灯可连接到高频总线22。例如，各灯24、26.....28经由关联的镇流电容器30、32.....
34耦合到高频总线22。送往各灯24、26.....28的电力经由相应的灯连接器36、38提供。
灯连接器38成对地连接到相应的隔直流电容器39。 换流器8包括串联在导体14与18之间以便激励谐振电路10的类似上和下或者第 一和第二的开关40和42，例如两个n沟道M0SFET装置(如图所示)。也可配置两个P沟 道M0SFET。高频总线22由换流器8和谐振电路10生成，并且包括谐振电感器44和等效谐
振电容，等效谐振电容包括第一、第二和第三电容器46、48、50以及镇流电容器30、32.....
34的等效体，镇流电容器30、32.....34还防止DC电流流经灯24、26.....28。主要使用镇流电容器30、32、 、34作为镇流电容器(ballasting c即acitor)。 开关40和42配合来在公共或第一节点52处提供方波以便激励谐振电路10。从 开关40和42延伸的栅极或控制线54和56连接在控制或第二节点58处。各控制线54、56 包括相应的电阻60、62。 继续参照图1， 一般表示为64、66的第一和第二栅极驱动电路(circuitry/ circuit)连接在节点52、58之间，并且包括第一和第二驱动电感器68、70，它们是互耦到 (mutually coupled to)谐振电感器44的次级绕组，以便在驱动电感器68、70中感生与谐 振电路10中的电流的瞬时变化速率成比例的电压。第一和第二次级电感器72、74串联到 相应的第一和第二驱动电感器68、70以及栅极控制线54和56。根据一个实施例，电感器 72和74具有居里温度为大约85t:至大约95t:的铁氧体磁心，但是预计可有更高和/或更 低的居里温度。 栅极驱动电路64、66用于控制相应的上和下开关40和42的操作。更具体来说， 栅极驱动电路64、66在前半周期使上开关40保持为"接通"，而在后半周期使下开关42保 持为"接通"。在节点52处生成方波，并且用于激励谐振电路10。第一和第二双向电压钳 76、78分别并联到次级电感器72、74，它们各自包括一对背对背齐纳二极管。双向电压钳 76、78起作用以将栅极-源极电压的正和负偏移钳制在由背对背齐纳二极管的电压额定值 所确定的相应极限。每个双向电压钳76、78与相应的第一或第二次级电感器72、74配合， 以使谐振电路10上的电压的基频分量与谐振电感器44中的AC电流之间的相位角在灯点 亮期间接近零。 串联电阻器80、82与连接在公共节点52和公共导体18之间的电阻器84和电容 器85配合，以用于启动栅极驱动电路64、66的再生操作。上和下电容器90、92与相应的第 一和第二次级电感器72、74串联。在启动过程中，经由电阻器80、82、84从电压端子16对 电容器90充电。电阻器94对电容器92分路，以便防止电容器92充电。这防止开关40和 42最初同时接通。电容器90两端的电压最初为零，并且在启动过程中，由于电容器90的 较长充电时间常数，所以串联电感器68和72基本上充当短路。当将电容器90充电到开关 40的栅极-源极电压的阈值电压(例如2-3伏特)时，开关40接通，这导致小偏置电流流 经开关40。所产生的电流以共漏A类放大器配置对开关40加偏压。这产生具足够增益的 放大器，使得谐振电路10和栅极控制电路64的组合产生再生动作，由此使换流器开始进入 到在包括电容器90和电感器72的网络的谐振频率附近的振荡。所生成的频率高于谐振电 路10的谐振频率，由此允许换流器8可高于谐振网络10的谐振频率工作。这产生落后于 公共节点52处所产生的电压的基频的谐振电流，从而允许换流器8在点亮灯之前以软切换 模式工作。因此，换流器8开始先以线性模式工作，然后转变到D类切换模式。然后，当电 流累积通过谐振电路10时，高频总线22的电压增大以在保持软切换模式的同时通过点亮 并进入灯的导通的电弧模式来点亮灯。 在镇流器电路6的稳态操作期间，公共节点52处的电压为方波，它大约为正端子 16的电压的一半。曾经存在于电容器90上的偏置电压变小。工作频率是使得包括电容器 90和电感器72的第一网络96以及包括电容器92和电感器74的第二网络98是等效感应 的频率。也就是说，工作频率高于相同的第一和第二网络96、98的谐振频率。这导致栅极 电路适当相移，以便允许流经电感器44的电流落后于公共节点52处所产生的电压的基频。因此，在稳态操作期间保持换流器8的软切换。 继续参照图1，换流器8的输出电压受到钳位电路12的串联钳位二极管100U02
的钳制，以便限制为启动灯24、26.....28而生成的高电压。钳位电路12还包括第二和第
三电容器48、50，它们基本上相互并联。每个钳位二极管100、102连接在关联的第二或第
三电容器48、50的两端。在灯启动之前，灯的电路断开，因为各灯24、26.....28的阻抗被
视为是极高阻抗。谐振电路10由电容器30、32、. 34、46、48、50和谐振电感器44组成，并 且在谐振附近进行驱动。随着公共节点52处的输出电压增加，钳位二极管100、 102开始进 行钳制，以便防止第二和第三电容器48、50两端的电压改变符号，并且将输出电压限制在 不会引起换流器8的组件过热的值。当钳位二极管100、102钳制第二和第三电容器48、50
时，谐振电路10变成由电容器30、32.....34、46和谐振电感器44组成。例如，当钳位二极
管100、102没有导通时，实现谐振。当灯点亮时，阻抗迅速减小。公共节点52处的电压相
应减小。钳位二极管100、102停止钳制第二和第三电容器48、50，并且镇流器6进入稳态操
作。谐振再次由电容器30、32、 34、46、48、50和谐振电感器44来支配。 通过上述方式，换流器8在公共节点52处提供高频总线，同时保持开关40、42的
软切换条件。换流器8能够在其余灯点亮时启动单个灯，这是因为在高频总线处存在足以
允许点亮的电压。 要理解，以上技术和/或布置可应用于具有类似控制变压器的互补换流器，其中 变压器采用具有接近应当减小功率以提高镇流器的可靠性的温度的居里温度的铁氧体磁 心材料构成。 参照图2和图3，三级电路108耦合到换流器电路8。更具体来说，三级绕组或电 感器110互耦到第一和第二次级电感器72、74，并且电路108经由节点+B硬连线到镇流器 电路6。另外，图l-3包括可以是地的节点"-B"。在这个实施例中，可选地省略第一和第二 双向电压钳76、78。包括第一和第二齐纳二极管114、 116的辅助或第三电压钳112与三级 电感器110并联。由于三级电感器110互耦到第一和第二次级电感器72、74，所以辅助电压 钳112同时钳制第一和第二栅极电路64、66。 电压钳112的齐纳二极管114、 116的不同值在允许镇流器6改变电流以及随后改
变提供给灯24、26.....28的功率方面是有用的。本领域已知，在瞬时启动的镇流器中，灯
操作的初始模式是发光。在发光模式中，灯电极两端的电压很高，例如为300V。在灯中流动 的电流通常低于运行电流，例如为40或50mA而不是180mA。电极变热，并且成为热电子。 一旦电极成为热电子，电极便将电子发射到等离子体中，并且灯点亮。 一旦灯点亮，就有不 同的功率量传递到每个镇流器，因为每个镇流器以标称电流的标称电流不同电平运行。 例如，在灯24、26.....28点亮期间，三级绕组110的钳位电压增加，以便允许更大
的发光功率。在灯启动之后，可将电压返送，以便允许恰当的稳态电流流动。这个功能可经 由控制器120来实现。 更具体来说，在点亮之前，使电容器122放电，从而使开关124(如M0SFET)处于 "断开"状态。当换流器8开始振荡时，电容器122经由线路126和128充电。三级绕组110 受到耦合到MOSFET 124的漏极和源极的并联第一和第二齐纳二极管114、116的钳制。当 控制器120中采用高功率启动模式时，输入信号的高频使电容器122充电，这使齐纳二极 管116导通，转而使M0SFET 124接通并使控制电路开始进行调节。也就是说，一旦电容器122充电到预定电压(例如大约8V)，如M0SFET 124的阈值电压，则M0SFET 124接通，并且 电流从连接到MOSFET 124的源极端子的第二齐纳二极管116分流。电容器122与电阻器 140串联，并且电容器132连接到M0SFET 124的栅极和漏极。电阻器148并联到电阻器140 和电容器122。因此，三级绕组110的较高电压钳制允许实现更大的发光功率，直至灯24、
26.....28启动。电路108还包括二极管150、第三齐纳二极管152、电阻器154以及连接
到节点+B(即，到镇流器电路6的高频总线22的接入点)的电容器156。
在诸如从大约0. 5秒至大约1. 0秒的一段时间之后，MOSFET 124接通，从而使三级 绕组110钳制在较低电压。这允许实现较低稳态灯功率。因此，钳位电压的切换、例如经由 齐纳二极管114、116进行的三级绕组110的电压钳制的切换导致在发光阶段期间施加到灯 24、26、. . . 、28的功率增加，但会将这个功率返送以允许灯24、26、. . . 、28在灯24、26、...、 28的正常预定功率电平下进行工作。 除了正常瞬时启动功能和各种预定稳态功率极限的设置之外，通过控制三级绕组 110，镇流器6可在不同镇流器因数的各种应用中用作程序启动、快速启动镇流器或瞬时启 动镇流器。 根据一个示例，镇流器电路6和控制电路108的电压用于为荧光灯供电的电压馈 电自振荡换流器中。 包括电感器72、74和110的变压器的铁氧体磁心由低居里温度铁氧体材料形成， 其中材料的居里温度近似等于采用镇流器的灯外壳的最大容许温度。例如，常规铁氧体磁 心可具有大约150摄氏度的居里温度，它超过灯外壳的最大阈值温度。根据本文所述的各 种特征，电感器绕组72、74和110绕在居里温度在大约85摄氏度至大约95摄氏度范围内 的铁氧体磁心上。为了便于说明，针对这个示例的其余部分，假定铁氧体磁心的居里温度大 约为90摄氏度。 随着镇流器的温度增加(例如，在电路中消耗功率时发生)，并且接近90摄氏度， 铁氧体磁心的磁导率减小，从而使电感器110中的电感减小。镇流器电路6中的频率响应 电感的减小而增加，从而使进入灯和换流器输入端的功率返送。因此，当镇流器的环境温度 接近大约90摄氏度时，镇流器电路进行返送，并且施加到换流器并通过灯的功率减小，以 便防止热逸出状况。 为了进一步说明上述示例，当铁氧体磁心温度接近其居里温度时，铁氧体磁心材 料的磁导率从大约10000-12000H/m下降到大约1H/m，从而使绕组72、74、 110的电感从大 约lmH减小到大约50 ii H。在大约50 y H，耦合电容器122的频率、并且因而镇流器6的工 作频率增加到大约谐振频率。而这又使灯变暗，由此防止当镇流器从在大约70KHz工作转 为在返送时的大约130KHz工作时过热。这样，提供了热保护，而无需诸如热开关的附加组 件。此外，低居里温度铁氧体材料不会比较高居里温度材料贵很多。因此，以低成本且有效 地保护镇流器免于热损坏，而不必中断光并且无需可能会疲劳或者出故障的热开关。
要理解，提供上述示例只是出于说明的目的，并且主题创新并不局限于本文所提 供的具体值或值的范围。相反，主题创新可采用或者以其它方式包括任何适当的值或值的 范围，这是本领域的技术人员会理解的。 参照优选实施例描述了本发明。显而易见的是，通过阅读和理解前面的具体实施 方式，修改和变更将是本领域的技术人员会想到的。要将本发明理解为包括所有这类修改和变更。
权利要求
一种用于提供热保护的镇流器电路，所述镇流器包括具有绕在耦合变压器的磁心上的初级绕组和次级绕组的换流器电路；以及具有绕在所述耦合变压器的所述磁心上的三级绕组的控制电路；其中，所述耦合变压器的所述磁心包括具有近似等于所述镇流器电路的外壳的最大阈值温度量级的居里温度的铁氧体材料。
2. 如权利要求1所述的镇流器，其中，所述铁氧体材料的居里温度在大约85摄氏度至 大约95摄氏度的范围内。
3. 如权利要求1所述的镇流器，其中，所述铁氧体磁心的磁导率随着所述铁氧体磁心 的温度接近所述铁氧体磁心的居里温度而减小。
4. 如权利要求3所述的镇流器，其中，所述第一、第二和第三绕组中的电感随着所述铁 氧体磁心的磁导率减小而减小。
5. 如权利要求4所述的镇流器，其中，所述镇流器电路的工作频率随着所述第一、第二 和第三绕组中的电感减小而增大。
6. 如权利要求5所述的镇流器，其中，所述镇流器电路中所消耗的功率随着所述镇流 器电路的工作频率增加而减小。
7. 如权利要求3所述的镇流器，其中，所述铁氧体磁心的磁导率随着所述铁氧体磁心 的温度接近居里温度而从大约在10kH/m-12kH/m之间减小到大约lkH/m。
8. 如权利要求7所述的镇流器，其中，所述第一、第二和第三绕组中的电感随着所述铁 氧体磁心的磁导率减小到大约1H/m而从大约lmH减小到大约50 y H。
9. 如权利要求8所述的镇流器，其中，所述镇流器的工作频率随着所述第一、第二和第 三绕组中的电感减小到大约50 ii H而从大约70kHz增加到大约130kHz 。
10. 如权利要求9所述的镇流器，其中，所述增加的工作频率使耦合到所述镇流器电路 的多个灯变暗，而无需切断，因为送往所述镇流器电路的功率减小。
11. 如权利要求10所述的镇流器，其中，到节点B+的输入的高频使所述控制电路中的 电容器充电到大约8V，此时，送往所述镇流器的功率减小。
12. —种用于返送输入功率以进行热保护的镇流器电路，所述镇流器包括 变压器，包括绕在具有在大约85t:至大约95°C范围内的居里温度的铁氧体磁心上的第一、第二和第三绕组；包括所述第一和第二绕组的换流器电路； 包括所述第三绕组的控制电路；其中，当所述镇流器的温度接近所述铁氧体磁心的居里温度时，所述铁氧体磁心的磁 导率以及所述第一、第二和第三绕组的电感减小；响应所述第一和第二绕组中减小的电感，所述换流器电路的工作频率近乎加倍；并且 响应由所述控制电路所接收的信号的增加的工作频率，送往所述换流器电路的功率减小。
13. 如权利要求12所述的镇流器，其中，所述铁氧体磁心的磁导率减小到其初始值的 大约1/10000。
14. 如权利要求12所述的镇流器，其中，所述第一、第二和第三绕组中的电感减小到其 初始值的大约1/20。
15. 如权利要求12所述的镇流器，还包括所述控制电路中由于对所述控制电路的高频 输入而充电的电容器。
16. 如权利要求15所述的镇流器，其中，将所述电容器充电到大约8V，此时，送往所述 换流器电路的功率减小。
17. —种用于提供热保护的镇流器，包括耦合变压器，包括绕在具有大约9(TC的居里温度的铁氧体磁心上的第一、第二和第三 绕组；包括所述第一和第二绕组的换流器电路；以及 包括所述第三绕组的控制电路；其中，当所述镇流器的温度接近9(TC时，所述铁氧体磁心的磁导率从大约10000H/m减 小到大约1H/m ;响应磁导率的减小，所述第一、第二和第三绕组的电感从大约lmH减小到大约50 ii H ; 响应所述第一和第二绕组中的减小的电感，所述换流器电路的工作频率从大约70kHz 增加到大约130kHz ;在所述控制电路处从所述换流器电路接收大约130kHz信号，并且所述信号将电容器 充电到阈值电压电平；并且当所述电容器达到所述阈值电压电平时，送往所述换流器电路的功率减小。
全文摘要
利于提供对荧光灯的热保护的镇流器电路(6)包括将换流器电路(8)耦合到控制电路的耦合变压器。换流器电路中的第一和第二变压器绕组(68，70)以及控制电路中的第三变压器绕组绕在共同的铁氧体磁心上。铁氧体磁心的居里温度接近灯的最大容许阈值温度。当镇流器的温度接近铁氧体磁心的居里温度时，它的磁导率、并且因而电感急剧下降，从而引起换流器电路的工作频率增加。这个增加的工作频率使控制电路中的电容器充电到阈值电压，此时，送往换流器电路的功率减小。然后，灯变暗而无需关掉，直至温度降低到可接受的程度。
文档编号H05B41/282GK101796889SQ200880106193
公开日2010年8月4日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年8月27日
发明者L·R·内罗涅 申请人:通用电气公司