用电压馈电逆变器启动荧光灯的制作方法

专利名称：用电压馈电逆变器启动荧光灯的制作方法
用电压馈电逆变器启动荧光灯
背景技术：
本申请针对电子镇流器。它发现结合荧光灯的特殊应用，并且将以对其的特别参 考来描述。镇流器是用于向例如电灯的负载提供功率和调节提供到该负载的电流的电气装 置。镇流器通过离子化足够的等离子体(蒸汽)以便使电弧保持和增长来提供高电压以启 动灯。一旦电弧建立，镇流器便通过将适当的受控电流提供到灯来允许灯继续操作。一般情况，在调整和适当调适来自电源的交流电(AC)电压后，逆变器将DC电压转 换到AC。逆变器一般情况下包括一对串联的开关，例如由驱动门控制电路控制为“开”或 “关”的 MOSi7ET。在常规电压馈电设计中，逆变器在辉光_电弧过渡期间不增大应用到灯的功率， 从而造成此过渡比期望的更慢。另外，不同大小和/或长度的灯转化为不同的电流要求，不 同的电流要求又要求常规逆变器限制提供到灯端子的功率量。下述内容设想了克服上述问题和其它问题的新方法和设备。

发明内容
根据一方面，一种灯镇流器包括具有耦合到至少一个灯的高频总线的谐振电路、 耦合到高频总线的控制电路和具有生成用于谐振电路的波形输入的第一和第二门驱动 (gate drive)电路的逆变器电路。该镇流器还包括将电压供应到与镇流器耦合的功率因数 校正(PFC)电路的偏压电源、和通过开关耦合到第二门驱动电路并具有在启动期间由PFC 电路来充电的第一电容器的启动电路。在第一电容器达到预定的阈值电压时，开启第二门 驱动电路，使开关将脉冲发送到第二门驱动电路。根据另一方面，一种用于荧光灯镇流器的启动系统包括具有第一和第二门驱动电 路的电压馈电逆变器电路、偏压电源和耦合到逆变器电路和至少一个荧光灯的谐振电路。 该启动系统还包括耦合到逆变器电路和谐振电路的控制电路和硬连线到逆变器电路的启 动电路，启动电路具有在偏压电源通过PFC电路将电压供应到启动电路时充电的第一电容根据仍有的另一方面，一种启动电路包括二极管，具有连接到正极端子的阳极和 连接到第一节点的阴极；连接到第一节点和第二节点的电容器；与电容器并联的第一电阻 器；以及连接到第一节点和开关的第二电阻器。第二节点耦合到负极端子和地，并且该启动 电路经开关发送脉冲以启动门驱动电路。


图1示出采用电压馈电逆变器在启动期间的辉光阶段期间增加到一个或多个灯的功率、并在启动的电弧阶段期间减小功率的镇流器电路；图2和3示出耦合到逆变器电路的控制电路；图4示出使用电压馈电逆变器拓扑、有利于增强荧光灯的辉光到电弧过渡的启动电路。
具体实施例方式参照图1，示出镇流器电路6，该电路采用电压馈电逆变器在启动期间的辉光阶段期间增加到一个或多个灯的功率，并且然后在启动的电弧阶段期间减小功率。镇流器电路6 包括逆变器电路8、谐振电路或网络10以及钳位电路12。DC电压经从正极电压端子16延 伸的电压导体14和连接到地或公共端子20的公共导体18供应到逆变器8。高频总线22 如下更详细描述地由谐振电路10来生成。另外，高频总线22连接到标记为“+B”的节点，
该节点又连接到下面更详细描述的控制器电路108。第一、第二、...第η个灯24、26.....
28经第一、第二.....第η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，则其它灯继续操作。设想到任何数量的灯能连接到高频总线22。例如，每个灯24、
26.....28经相关联的镇流电容器30、32.....34耦合到高频总线22。到每个灯24、26.....
28的功率经相应的灯连接器36、38来供应。灯连接器38成对连接到相应的阻塞电容器39。逆变器8包括类似的上方和下方或第一和第二开关40和42，例如，在导体14与 18之间连接以激励谐振电路10的两个η沟道MOSFET装置(如示出的)。备选的是，可配 置两个P沟道M0SEFT。电阻器41与第一开关40并联。高频总线22由逆变器8和谐振电 路10生成，并且包括谐振电感器44和等效的谐振电容，该电容包括还防止DC电流流过灯
24,26.....28的镇流电容器30,32.....34和第一、第二和第三电容器46、48、50的等效。
镇流电容器30、32.....34主要用作镇流电容器。开关40和42协作以在公共或第一节点52提供方波，以激励谐振电路10。门或控 制线路54和56从开关40和42延伸。每个控制线路54、56包括相应的电阻60、62。继续参照图1，概括地命名为64、66的第一和第二门驱动电路分别连接到第一和 第二开关40和42，并且包括第一和第二驱动电感器68、70，这些电感器是二次绕组，共同耦 合到谐振电感器44以在驱动电感器68、70中感应与谐振电路10中电流的瞬间变化率成比 例的电压。第一和第二二次电感器72、74串联到相应的第一和第二驱动电感器68、70以及 门控制线路54和56。门驱动电路64、66用于控制相应的上方和下方开关40和42的操作。更具体地说， 门驱动电路64、66对于前一半周期维持上方开关40“关”，并对于下一半周期维持下方开关 42“关”。方波在节点52生成并用于激励谐振电路10。第一和第二双向电压钳76、78分别 并联到二次电感器72、74，每个电压钳包括一对背对背齐纳二极管。双向电压钳76、78用于 将栅极到源极电压的正负偏移钳位到由背对背齐纳二极管的电压额定值确定的相应限制。 每个双向电压钳76、78与相应的第一和第二二次电感器72、74协作，以便跨谐振电路10的 电压的基本频率分量和谐振电感器44中的AC电流之间的相位角在灯点燃期间接近零。公共节点52和公共导体18之间连接的电容器85充当缓冲电容器，以允许开关 40和42在其D-S端子在零伏特时关闭和打开。上方和下方电容器90、92与相应的第一和 第二二次互耦合电感器72、74串联。在启动过程中，电容器92从电压端子16充电，而电阻 器94对电容器90进行分流以阻止电容器90充电。这同时阻止开关40和42最初时开启。 跨电容器92的电压最初是零，并且由于用于电容器92的充电的较长时间常数，在启动过程 期间，串联的电感器70和74基本上充当短路。当电容器92充电到开关42的栅极到源极电压的阈值电压(例如，2-3伏特)时，开关42开启，这导致小的偏流流过开关42。结果的 电流在公共漏极A类放大器配置中偏置开关42。这产生足够增益的放大器，使得谐振电路 10和门控制电路66的组合产生再生动作，这使逆变器开始进入在包括电容器92和电感器 74的网络的谐振频率附近的振荡。生成的频率高于谐振电路10的谐振频率，这允许逆变器 8在高于谐振网络10的谐振频率可操作。这产生了滞后在公共节点52产生的电压的基波 (fundamental)的谐振电流，从而允许在点燃灯之前逆变器8在软开关模式中操作。因此， 逆变器8在线性模式中开始操作，并且过渡到开关D类模式中。随后，随着电流通过谐振电 路10增进时，高频总线22的电压增加以点燃灯，同时通过点燃来维持软开关模式 ，并进入 进行灯的电弧模式。在镇流器电路6的稳态操作期间，公共节点52处的电压是方波，接近正极端子16 的电压的一半。曾经在电容器92上存在的偏压降低。操作的频率使得包括电容器92和电 感器74的第一网络96和包括电容器90和电感器72的第二网络98是有等效感应的。也 就是说，操作的频率高于一致的第一和第二网络96、98的谐振频率。这导致门电路的适当 相移，以允许流过电感器44的电流滞后在公共节点52产生的电压的基本频率。因此，逆变 器8的软开关在稳态操作期间得以维持。继续参照图1，逆变器8的输出电压通过钳位电路12的串联的钳位二极管100、
102来钳位，以限制生成高电压来启动灯24、26.....28。钳位电路12还包括基本上彼此
并联的第二和第三电容器48、50。每个钳位二极管100、102跨相关联的第二或第三电容器
48,50来连接。在灯启动前，灯的电路是开路，因为每个灯24、26.....28的阻抗被看作是
极高的阻抗。谐振电路10由电容器46、48、50和谐振电感器44组成，并且在谐振附近被驱 动。随着在公共节点52的输出电压增加，钳位二极管100、102开始钳位，从而防止跨第二 和第三电容器48、50的电压变更符号并将输出电压限制为不会造成逆变器8的组件过热的
值。当灯点燃时，阻抗快速减少。电容器30、32.....34和39现在成为谐振电路的附加组
件。灯的电弧电阻加载谐振电路。在总线22的电压相应地减少。钳位二极管100、102停 止对第二和第三电容器48、50进行钳位，并且镇流器6进入稳态操作。谐振由电容器30、
32.....34、46、48、50以及谐振电感器44来限定。电容器39对谐振电路有较小贡献，因为
它们的值被选取成比电容器30、32.....34高得多。通过上述方式，逆变器8在维持用于开关40、42的软开关条件的同时提供高频总 线22。逆变器8能在其余灯点亮时启动单个灯，因为在高频总线上有足够的电压，从而允许 点燃。电路6另外包括耦合到偏压电源106的功率因数校正(PFC)电路104。偏置电源 106开启PFC电路104，增加到电容器174 (下面关于图4所述的)的电压，电容器174充电 并随后将脉冲发送到逆变器8的低侧开关42，这使逆变器8开启。参照图2和3，三次电路108耦合到逆变器电路8。更具体地说，三次绕组或电感 器110共同耦合到第一和第二二次电感器72、74，并且电路108经节点+B硬连线到镇流器 电路6。另外，图1-3包括能够是地的节点“-B”。在此实施例中，可有选择地省略第一和第 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并联 到三次电感器110。由于三次电感器110共同耦合到第一和第二二次电感器72、74，辅助电 压钳112同时对第一和第二门电路64、66钳位。
电压钳112的齐纳二极管114、116的不同值在允许镇流器6更改电流并随之更改
提供到灯24、26.....28的功率方面有用。在瞬间启动镇流器中，灯操作的初始模式是辉
光。在辉光模式中，跨灯电极的电压高，例如，300V。灯中流动的电流一般情况下低于运行 电流，例如，40或50mA而不是180mA。电极变热，并且变成热离子的。一旦电极变成热离子 的，电极便将电子发射到等离子体中，并且灯点燃。例如，在灯24、26.....28的点燃期间，三次绕组110的钳位电压增加以允许更多
的辉光功率。在灯已启动后，电压能折回以允许额定的稳态电流流动。此功能能经控制器 120来实现。更具体地说，在点燃前，将电容器122放电，导致例如MOSFET的开关124处于“关” 状态中。在逆变器8开始振荡时，电容器122经耦合到全波桥式整流器的线路126和128充 电。通过耦合到MOSFET124的漏极和源极的串联的第一和第二齐纳二极管114、116，对三次 绕组110钳位。当电容器122充电到MOSFET 124的阈值电压时，MOSFET 124开启，使电流 从跨MOSFET 124的漏极和源极端子连接的第二齐纳二极管116和控制电路分流以开始调 节。由于电容器122与电阻器140串联，因此，电容器充电到MOSFET 124的阈值电压需要 时间。电阻器142连接到MOSFET 124的栅极和源极。第三齐纳二极管144连接到MOSFET 124的栅极和输出线路126。电阻器148并联到电阻器140和电容器122。因此，三次绕组
110的更高电压钳位允许在灯24、26.....28启动前实现更多的辉光功率。电路108还包
括二极管150、第四齐纳二极管152、电阻器154以及连接到节点+B (例如，到镇流器电路6 的高频总线22的结合点(tie-in point))的电容器156。在一段时间后，例如从大约0. 5到大约1. 0秒后，MOSFET 124开启，从而导致将三 次绕组110钳位在较低电压。这允许实现更低的稳态灯功率。因此，例如经齐纳二极管114、 116的三次绕组110的电压钳位的切换的钳位电压的切换导致在辉光期期间应用到灯24、
26.....28的功率增加，但折回此功率以允许在灯24、26.....28的正常预定功率水平下操
作灯 24、26、. . ·、28。图4示出启动电路170，其使用如图1中所述的电压馈电逆变器拓扑，有利于增强 荧光灯的辉光到电弧过渡。该启动电路允许逆变器在辉光阶段期间将最大功率输送到灯， 并随后在灯过渡到电弧模式中时折回到期望的功率水平。该启动电路为各种灯类型(例 如，F28、F30、F32等)调节逆变器输出。启动电路170包括耦合到正极节点cp+和电容器174、电阻器176及电阻器178中 每个的二极管170。电阻器178的另一端耦合到开关“S”，该开关结合到图1的第二门驱动 电路66中。电阻器176和电容器174的另一端耦合到负极端子cp-。当偏置电源106(图 1)开启PFC电路104(图1)时，到电容器174的电压增加，使电容器174充电并随后将脉冲 发送到逆变器8(图1)的低侧开关42，这使逆变器8开启。通过允许DC总线14达到其最 终值，启动电路170有利于为各种灯增加辉光到电弧过渡的速度。根据一个示例，通过加载附属绕组110来调节到灯的输出功率。全波桥式整流器130调整来自绕组110的电压，并且经齐纳二极管114和116以及经MOSFET 124来加载变 压器。在启动期间，MOSFET 124关，使齐纳二极管114和116传导，并在灯过渡到全电弧模 式中之前允许逆变器8将最大功率输送到灯。电容器122经电容器156、电阻器154、电阻 器148、二极管150和齐纳二极管152充电，直到它超过齐纳二极管144的齐纳电压。在超出MOSFET 124的阈值时，MOSFET 124开启，对齐纳二极管116分流，并由此钳位附属绕组 110，这降低了输送到灯的功率。开启MOSFET 124要求的时间确定逆变器8在更高功率状 态中操作多久，并且能设置到例如大约500ms以确保灯从辉光过渡到电弧。因此，电压馈电 逆变器能在灯从辉光过渡到电弧时以模仿电流馈电逆变器的方式来操作，同时提供与图1 中所述的电压馈电拓扑相关联的效率、波峰因数和更高操作频率优点。要理解，提供上述示例以用于说明的目的，并且主题创新并不限于本文所提出的 特定值或值的范围。相反，主题创新可采用或以其它方式包括如本领域技术人员将理解的 任何合适的值或值的范围。本发明已参照优选实施例进行描述。显然，在阅读和理解前面的详细描述后， 其他 人将想到修改和变化。本发明旨在视为包括所有此类修改和变化。
权利要求
一种灯镇流器，包括谐振电路，具有耦合到至少一个灯的高频总线；控制电路，耦合到所述高频总线；逆变器电路，具有生成用于所述谐振电路的波形输入的第一和第二门驱动电路；偏压电源，将电压供应到耦合到所述镇流器的功率因数校正(PFC)电路；以及启动电路，通过开关耦合到所述第二门驱动电路，并具有在启动期间由所述PFC电路来充电的第一电容器；其中在所述第一电容器达到预定的阈值电压时，开启所述第二门驱动电路，使所述开关将脉冲发送到所述第二门驱动电路。
2.如权利要求1所述的镇流器，其中所述逆变器电路在启动的辉光阶段期间将最大功 率输送到所述至少一个灯，并在向启动的电弧阶段过渡期间输送预定的更少水平的功率。
3.如权利要求1所述的镇流器，其中在经所述开关接收所述脉冲时，所述第二门驱动 电路在开状态中。
4.如权利要求2所述的镇流器，还包括与所述第一门驱动电路中的第一门驱动电容器 并联的第一电阻器，其中当所述第二门驱动电路在所述开状态中时，所述第一电阻器从所 述第一门驱动电容器分流电流。
5.如权利要求4所述的镇流器，其中所述第一门驱动电容器以比所述第二门驱动电路 中的第二门驱动电容器更慢的速率充电，使得所述第一门驱动电路保持在关状态中，直到 所述第一门驱动电容器达到其最大电压。
6.如权利要求5所述的镇流器，其中所述第一门驱动开启，并且当所述第一门驱动电 容器达到其最大电压时，所述第二门驱动电路关闭。
7.如权利要求1所述的镇流器，还包括具有所述第一门驱动电路中的一次绕组、所述 第二门驱动电路中的二次绕组和所述谐振电路中的三次绕组的第一变压器。
8.如权利要求7所述的镇流器，还包括具有所述第一门驱动电路中的一次绕组、所述 第二门驱动电路中的二次绕组和所述控制电路中的三次绕组的第二变压器。
9.如权利要求8所述的镇流器，其中所述控制电路还包括最初在关状态中的门和传导 电流的二极管钳，由此在启动的辉光阶段期间将最大电流提供到所述至少一个灯。
10.如权利要求9所述的镇流器，其中所述控制电路还包括电容器，所述电容器充电 直到它超过耦合到所述门的齐纳二极管的齐纳电压，在该点所述门开启，并且对所述第二 变压器的三次绕组钳位，由此在过渡进入启动的电弧阶段期间降低到所述至少一个灯的功 率。
11.如权利要求9所述的镇流器，其中所述门是MOSFET。
12.如权利要求1所述的镇流器，其中所述一个或多个灯是线性荧光灯。
13.一种用于荧光灯镇流器的启动系统，包括电压馈电逆变器电路，具有第一和第二门驱动器电路和偏压电源；谐振电路，耦合到所述逆变器电路和至少一个荧光灯；控制电路，耦合到所述逆变器电路和所述谐振电路；以及启动电路，硬连线到所述逆变器电路，具有当所述偏压电源通过所述PFC电路将电压 供应到所述启动电路时充电的第一电容器。
14.如权利要求13所述的系统，其中当所述第一电容器达到预定的电压水平时，所述 启动电路将脉冲供应到所述第二门驱动电路。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述控制电路调节逆变器输出功率，以在所述灯 在启动的辉光阶段中时将最大功率供应到所述谐振电路，并且在所述至少一个荧光灯过渡 到启动的电弧阶段时期间供应更少量的功率。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述控制电路包括在启动的所述辉光阶段期间在 关状态中的MOSFET和在启动的所述辉光阶段期间充电的第二电容器。
17.如权利要求16所述的系统，其中选择所述第二电容器以具有预定持续时间的充电 期，从而允许所述灯完成所述辉光阶段和过渡到所述电弧阶段中，以及其中在所述第二电 容器超过耦合到所述第二电容器和所述MOSFET的齐纳二极管的齐纳电压时，所述MOSFET 开启。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述MOSFET在所述开状态中使将所述控制电路电 感耦合到所述谐振电路的绕组被钳位，由此在过渡到启动的所述电弧阶段期间降低到所述 至少一个荧光灯的功率。
19.一种启动电路，包括二极管，具有连接到正极端子的阳极和连接到第一节点的阴极；电容器，连接到所述第一节点和第二节点；第一电阻器，与所述电容器并联；以及第二电阻器，连接到所述第一节点和开关；其中所述第二节点耦合到负极端子和地；以及其中所述启动电路经所述开关发送脉冲以启动门驱动电路。
20.如权利要求19所述的启动电路，其中在通过功率因数校正电路从偏压电源向所述 电容器供应功率时，所述电容器充电，以及其中在所述电容器达到预定的阈值电压时，所述 启动电路发送所述脉冲。
全文摘要
一种灯镇流器包括逆变器电路、谐振电路、控制电路和启动电路。在DC总线达到其最终值时，启动电路中的电容器充电到预定电压，在该点发送脉冲以启动逆变器中的门驱动电路。另外，控制电路中的门最初是关的，从而允许到灯的全功率，并且控制电路中的电容器充电到预定电压，在该点，门开启。当门是开时，到灯的功率降低。选择控制电路电容器使得它充电充分的时期以允许灯在开启门和当灯过渡到电弧阶段中时降低功率之前完成启动的辉光阶段。
文档编号H05B41/282GK101843174SQ200880114618
公开日2010年9月22日 申请日期2008年8月19日 优先权日2007年10月31日
发明者L·R·内洛涅 申请人:通用电气公司