专利名称：用于将dc转换为ac脉冲电压的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将DC转换为AC脉冲电压的电路，特别是涉及用于驱动介质阻挡放电灯的驱动电路。
背景技术：
介质阻挡放电(也称为“DBD”)也被称为“无声放电”。具有氙填充物的介质阻挡放电灯引起了人们广泛的兴趣，因为其优点是稳定工作而与环境温度无关、即时发光、寿命长、高能UV辐射、不需要汞，等等。DBD灯能利用连续激励或利用脉冲激励工作。已经揭示的是，结合修正后的气体压力的脉冲型工作方式能产生相当高的灯发光效率。对于高效率DBD灯而言，脉冲型工作方式是优选的，但在效率要求不高的应用中普遍使用的是连续激励。在点火前，DBD灯是几乎完美的电容性负载。这是因为两个电极在几何上互相靠近的同时被电介质材料封装。在点火后，存在由气体放电引起的附加电容和耗能组分。因此任何DBD灯的标准电气模型可以被认为是由两个电容和一个电阻组成。通常，点亮DBD灯可能需要大约5kVpp的电压，且在正常工作模式中，驱动电压可大约为3kVpp，同时灯的功率因数低于0. 3。此外，工作频率和驱动电压的dv/dt影响着灯的效率以及放电稳定性。由于气体放电后产生的高能UV辐射，水消毒是DBD灯的一个主要应用。通常，用于消毒应用的DBD灯在220V或100V的电源电压下工作。万一失去电力，则DBD灯需要自动切换到备用电池以保持工作。通常，备用电池的电压很低，例如12V。因此，如何使DBD灯的驱动电路既能在高输入电压下又能在低输入电压下工作并获得高发光效率是需要解决的问题。
发明内容
在一个实施例中，本发明提出一种用于将DC转换为AC脉冲电压的电路。该电路包括两个可控半导体开关。通过控制可控半导体开关的断开和闭合，该电路能在不同模式下工作，也就是高输入电压模式和低输入电压模式。根据本发明的一个实施例，提出一种用于将DC转换为AC脉冲电压的电路，该电路包括转换器电路，检测器单元和控制器单元。所述转换器电路配置为驱动负载并包括第一可控半导体开关、第二可控半导体开关、电容器和变压器，其中，所述第一可控半导体开关与所述变压器的初级侧串联连接，且所述第二可控半导体开关和所述电容器的串联电路与所述变压器的初级侧或所述第一可控半导体开关并联连接。所述检测器单元配置为检测所述转换器电路的输入电压。所述控制器单元配置为，根据所述检测器单元所检测的输入电压的幅值，利用第一预设控制模式或第二预设控制模式控制所述转换器电路的工作模式。根据本发明的另一个实施例，提出一种驱动DBD灯的电子驱动电路，其包括上述用于将DC转换为AC脉冲电压的电路。根据本发明的另一个实施例，提出一种配置为控制电路的方法，该电路用于将DC转换为AC脉冲电压，其中所述转换器电路配置为驱动负载并包括第一可控半导体开关、第二可控半导体开关、电容器和变压器，所述第一可控半导体开关与所述变压器的初级侧串联连接，且所述第二可控半导体开关和所述电容器的串联电路与所述变压器的初级侧或所述第一可控半导体开关并联连接，该方法包括以下步骤检测所述转换器电路的输入电压， 根据所述检测器单元检测的输入电压的幅值，利用第一预设控制模式或第二预设控制模式控制所述转换器电路的工作。本发明中提出的用于将DC转换为AC脉冲电压的电路适于较宽的输入电压范围。 当该电路被用作DBD灯的驱动电路时，在AC电源失效的情况下，通过切换到低压DC电源， DBD灯仍能正常工作，且DBD灯具有较高的发光效率。
通过以下详细说明，结合考虑附图，本发明的以上及其他目的、特性和优点将变得更加明显，其中图1为根据本发明的一个实施例的用于将DC转换为AC脉冲电压的电路的示意图；图2为图1中的电路的工作过程的流程图；图3(a)为显示图1中的第一和第二可控半导体开关的第一预设控制模式的示意图；图3 (b)和3 (c)为分别对应于在点火模式和正常工作模式下工作的DBD灯的示意图，描绘了当第一和第二可控半导体开关受图3(a)中所示的第一预设控制模式控制时的灯的电压和电流的波形；图4(a)为显示图1中所示的第一和第二可控半导体开关的另一种第一预设控制模式的示意图；图4(b)和4(c)为分别对应于在点火模式和正常工作模式下工作的DBD灯的示意图，描绘了当第一和第二可控半导体开关受图4(a)中所示的第一预设控制模式控制时的 DBD灯的电压和电流的波形；图5为显示图1中的第一和第二可控半导体开关的另一种第一预设控制模式、以及DBD灯在点火模式下工作时相应的电压波形和电流波形的另一示意图；图6为根据本发明的另一个实施例的图1中电路的工作过程的另一个流程图；图7为显示图1中的第一和第二可控半导体开关的第二预设控制模式以及DBD灯相应的电压波形和电流波形、以及当DBD灯在第二预设控制模式下工作时第一可控半导体开关的相应电流波形的示意图；图8为当图1中的转换器电路的输入电压低于第二预设阈值时，也就是第二可控半导体开关断开时，图1中的电路的等效电路的示意图；图9为当图1中的负载为DBD灯时由负载和变压器组成的谐振电路的等效电路的示意图；图10为根据本发明的另一个实施例的用于将DC转换为AC脉冲电压的电路的示意图；图11为根据本发明的一个实施例控制电路的方法的流程图，该电路用于将DC转换为AC脉冲电压，其中在全部附图中，相似的附图标记被用于表示相似的步骤、特性、装置或模块。
具体实施例方式下面，将参照附图详细说明本发明的实施例。图1为根据本发明的一个实施例的用于将DC转换为AC脉冲电压的电路100的示意图。在图1中，电路100包括转换器电路101、检测器单元102、控制器单元103、电源104 以及负载105，其中转换器电路101包括第一可控半导体开关1011、第二可控半导体开关 1012、电容器IOi3以及变压器1014，第一可控半导体开关1011与变压器1014的初级侧串联连接，第二可控半导体开关1012和电容器1013的串联电路与变压器1014的初级侧并联连接。图1显示了变压器1014的等效电路，包括漏电感Lr、磁化电感Lm、寄生电容Cs以及初级到次级匝数比1 n，其中η的值可根据实际电路的要求进行修改。第一和第二可控半导体开关1011和1012可以由诸如双极晶体管、场效应晶体管等的半导体器件构成。图2显示了根据本发明的一个实施例的图1中的电路的工作过程的流程图。下面， 参照图2详细描述图1中的电路的工作过程，以负载105是DBD灯为例。首先，在步骤S201中，检测器单元102检测转换器电路的输入电压的幅值 (magnitude)，也就是电源104的输出电压的幅值。本领域技术人员应当理解的是，电源104 可以是DC电源或由AC电源和整流电路构成。接下来，在步骤S202中，控制器单元103根据检测器单元102的检测结果，也就是电路的输入电压的幅值，利用第一预设控制模式或第二预设控制模式控制转换器电路的工作。具体而言，如果检测器单元102检测到转换器电路的输入电压高于第一预设阈值，则控制器单元103利用第一预设控制模式控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012的断开和闭合。如果检测器单元102检测到输入电压低于第二预设阈值，则控制器单元103利用第二预设控制模式控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012的断开和闭合。如果输入电压高于第一预设阈值，例如110V、220V等，则图1中的电路在正向模式下工作。第一预设控制模式为正向模式所采用的模式，用于控制第一可控半导体开关1011 和第二可控半导体开关1012的断开和闭合。如果输入电压低于第二预设阈值，例如5V、12V 等，则图1中的电路在逆向模式下工作。第二预设控制模式为逆向模式所采用的模式，用于控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012的断开和闭合。下面，分别说明第一预设控制模式和第二预设控制模式。如果检测器单元102检测到转换器电路的输入电压高于第一预设阈值，则控制器单元103控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012，从而使开关在图 3(a)中所示的模式下周期性地闭合和断开。如图3(a)所示，在时间段T期间，第一可控半导体开关1011闭合一段时间tl，然后断开一段时间t2，且第二可控半导体开关1012断开一段时间tl，然后闭合一段时间t2，其中tl+t2 = T。在一个实施例中，tl比t2短得多。 也就是说，控制器单元103生成用于驱动第一和第二可控半导体开关1011和1012的驱动信号Vltlll和Vltll2，并将这些信号分别施加到第一和第二可控半导体开关1011和1012。在图3(a)和下面的图4(a)、5、7中，高电平电压表示能够分别闭合第一或第二可控半导体开关1011或1012的电压，而低电平电压表示能够分别断开第一或第二可控半导体开关1011 或1012的电压。应当注意的是，tl的值决定了时间段T期间的输入能量。T的值可根据DBD灯的功率需求以及转换器电路的电气参数进行修改。在一个实施例中，T的值可以为5μ s至 5(^8，而11的值可以为IOOns至1μ s。T^Ptl的值可以是常数或随时间改变。通常，DBD灯的工作模式可以划分为两类点火模式和正常工作模式。根据DBD灯的特性，在点火前，也就是在点火模式中，DBD灯是几乎完美的电容性负载。这是因为电极在几何上互相靠近的同时被电介质材料封装。在点火后，存在附加电容和耗能组分，两者都是由气体放电引起的。因此DBD灯的标准电气模型包括两个电容和一个电阻。通常，点亮 DBD灯可能需要大约5kVpp的电压，而在正常工作模式中，驱动电压可大约为3kVpp。图3 (b)和3 (c)分别为对应于在点火模式和正常工作模式中工作的DBD灯的示意图，描绘了当采用图3(a)中的第一预设控制模式时的DBD灯的电压和电流的波形。如图 3(b)和3(c)所示，在时间段T期间，由于电压和电流的缓慢衰减，仍然存在许多电能损耗。 为了减少不必要的能量损失，可在第二可控半导体开关本该闭合的时段期间内插入断开时段。如图4(a)所示，控制器单元103控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012，从而使开关在图4(a)所示的模式中周期性地断开和闭合。如图4(a)所示，在时间段T期间，控制器单元103控制第一可控半导体开关，从而使该开关闭合一段时间tl， 然后断开一段时间t2，且控制器单元103控制第二可控半导体开关1012，从而使该开关断开一段时间tl，然后闭合一段时间t3，然后断开一段时间t4，然后再闭合一段时间t5，其中 tl+t2 = T 且 tl+t3+t4+t5 = T0图4(b)和(c)分别为对应于在点火模式和正常工作模式下工作的DBD灯的示意图，描绘了当采用图4(a)中的第一预设控制模式时DBD灯的电压和电流的波形。如图4(c) 所示，当DBD灯在正常工作模式下工作时，电压和电流幅度被很好地抑制，且有效节约了电能。但在图4(b)中，由于电压和电流的缓慢衰减，仍然存在大量电能损耗。可选的是，对于在点火模式下工作的DBD灯而言，可以采用图5中所示的第一预设控制模式。首先，控制器单元103检测DBD灯是在点火模式还是在正常工作模式下工作。可替换的是，控制器单元103还能指示检测器单元102检测DBD是在点火模式还是在正常工作模式下工作，然后将检测结果发送到控制器单元103。如果DBD灯工作于点火模式下，那么控制器单元103控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012，从而使开关在图5所示的模式中周期性地闭合和断开。如图5所示，在时间段T期间，控制器单元103 控制第一可控半导体开关1011，从而使开关闭合一段时间t6，然后断开一段时间t7，且控制器单元103控制第二可控半导体开关1012，从而使开关断开一段时间伪，然后闭合一段时间 t9，其中 t6+t7 = Τ, t8+t9 = T，且 t6 < t8。图5的下半部分分别显示了电压Vlamp和电流Ilamp的波形的示意图。如图5中所示，当采用图5中的第一预设控制模式且DBD灯工作于点火模式下时，灯两端的电压和通过灯的电流的幅度都被很好地抑制，且有效地节约了电能。
7
图6显示了当区分输入电压幅值和DBD灯的工作模式时图1中的电路100的工作流程图，下面将对其进行详细描述。具体而言，在步骤S601中，检测器单元102检测转换器电路的输入电压。如果输入电压高于第一预设阈值，则在步骤S602中，控制器103检测DBD灯的工作模式。具体而言，控制器单元103可检测DBD灯两端的电压或通过灯的电流。如上所述，点火模式中的 DBD灯两端的电压远高于正常工作模式。在点火模式中，通过DBD灯的平均电流为零，而在正常工作模式中，通过DBD灯的平均电流远高于零。如果DBD灯工作于正常工作模式下，则在步骤S603中，控制器单元103控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012，从而使开关在图4(a)所示的模式中周期性地断开和闭合。如图4(a)所示，在时间段T期间，控制器单元103控制第一可控半导体开关1011，从而使该开关闭合一段时间tl，然后断开一段时间t2，且控制器单元103控制第二可控半导体开关1012，从而使该开关断开一段时间tl，然后闭合一段时间t3，然后断开一段时间t4，然后再闭合一段时间t5，其中tl+t2 = T且tl+t3+t4+t5 = Τ。图4(c)显示了该情况下DBD灯两端的电压Vlamp和通过DBD灯的电流Ilamp的波形的示意图。如果在步骤S601中检测器单元102检测到转换器电路的输入电压高于第一预设阈值，且如果在步骤S602中控制器单元103检测到DBD灯工作于点火模式下，那么在步骤 S604中控制器单元103控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012，从而使开关在图5所示的模式中周期性地断开和闭合。如图5所示，在时间段T期间，控制器单元控制第一可控半导体开关1011，从而使该开关闭合一段时间t6，然后断开一段时间t7， 且控制器单元103控制第二可控半导体开关1012，从而使该开关断开一段时间伪，然后闭合一段时间t9，其中t6+t7 = T,t8+t9 = T，且t6 <伪。图5的下半部分显示了在该情况下DBD灯两端的电压和通过灯的电流的波形的示意图。图4(c)和图5的示意图显示了 DBD灯两端的电压Vlamp和通过灯的电流Ilamp 的波形，从中可以看到，电压和电流的幅度得到很好地抑制，且由于存在插入第二可控半导体开关本该闭合的时段期间的断开时段而有效节约了电能，如图4(a)中所示。如果在步骤S601中，检测器单元102检测到转换器电路的输入电压低于第二预设阈值，则在步骤S605中控制器单元103利用第二预设控制模式控制第一可控半导体开关1011和第二可控半导体开关1012的断开和闭合。图7显示了根据本发明的一个实施例的第二预设控制模式的示意图。如图7中所示，控制器单元103断开第二可控半导体开关 1012并利用图7中的控制模式控制第一可控半导体开关1011的闭合和断开。在图8中显示了该情况下的等效电路的示意图。如图7中所示，在时间段T期间，控制器单元103控制第一可控半导体开关1011， 从而使该开关闭合一段时间tio，然后断开一段时间tll，其中tio+tll = T，tl0 > tll，且 til比由变压器1014和负载105组成的电路的半个谐振周期更长，比半个谐振周期和第一可控半导体开关1011的惯性延续时间(freewheeling time)之和更短。第一可控半导体开关的惯性延续时间表示的是，电流从变压器的次级侧传输到初级侧，逆向流过第一可控半导体开关1011然后将电能反馈回电路电源的时间。图7示意性显示了通过第一可控半导体开关1011的电流波形，其中，tl2表示第一可控半导体开关 1011的惯性延续时间。
以负载105是DBD灯为例，如上所述，在正常工作模式中，DBD灯和变压器1014组成了图9所示的谐振电路900。谐振电路900包括变压器1014的磁化电感Lm和寄生电容 Cs,以及DBD灯的等效电路，该等效电路是由电容C’ d，电容C’ g和电阻R’ dis构成的串并联电路，其中电容C’ d串联连接电容C’ g和电阻R’ dis构成的并联电路。图9中所示的谐振电路的谐振周期Tr可以通过以下公式来表达
权利要求
1.一种用于将DC转换为AC脉冲电压的电路，包括转换器电路，配置为驱动负载，所述转换器电路包括第一可控半导体开关、第二可控半导体开关、电容器和变压器，其中所述第一可控半导体开关与所述变压器的初级侧串联连接，所述第二可控半导体开关和所述电容器的串联电路与所述变压器的初级侧或所述第一可控半导体开关并联连接；检测器单元，配置为检测所述转换器电路的输入电压；以及控制器单元，配置为根据所述检测器单元检测的输入电压的幅值，利用第一预设控制模式或第二预设控制模式控制所述转换器电路的工作。
2.根据权利要求1的电路，其中所述控制器单元配置为，如果所述输入电压高于第一预设阈值，则利用第一预设控制模式控制所述第一和第二可控半导体开关的断开和闭合。
3.根据权利要求2的电路，其中所述第一预设控制模式配置为控制所述第一和第二可控半导体开关，从而使所述开关在以下模式中周期性地断开和闭合在时间段T期间，所述第一可控半导体开关闭合一段时间tl，然后断开一段时间t2，且所述第二可控半导体开关断开一段时间tl，然后闭合一段时间t2，其中tl+t2 = Τ。
4.根据权利要求2的电路，其中所述第一预设控制模式配置为控制所述第一和第二可控半导体开关，从而使所述开关在以下模式中周期性地断开和闭合在时间段T期间，所述第一可控半导体开关闭合一段时间tl，然后断开一段时间t2，且所述第二可控半导体开关断开一段时间tl，然后闭合一段时间t3，然后断开一段时间t4， 然后闭合一段时间t5，其中tl+t2 = T且tl+t3+t4+t5 = Τ。
5.根据权利要求3或4的电路，其中所述负载在点火模式或正常工作模式下工作，且所述第一预设控制模式进一步包括检测所述负载是工作于点火模式还是正常工作模式下；以及如果所述负载工作于点火模式下，控制所述第一和第二可控半导体开关，从而使所述开关在以下模式中周期性地断开和闭合在时间段T期间，所述第一可控半导体开关闭合一段时间t6，然后断开一段时间t7，且所述第二可控半导体开关断开一段时间t8，然后闭合一段时间t9，其中t6+t7 = Τ, t8+t9 =T，且 t6 < t8。
6.根据权利要求1的电路，其中所述控制器单元配置为，如果所述输入电压低于第二预设阈值，则利用第二预设控制模式控制所述第一和第二可控半导体开关的断开和闭合。
7.根据权利要求6的电路，其中所述第二预设控制模式配置为断开所述第二可控半导体开关；以及控制所述第一可控半导体开关，从而使该开关在以下模式中周期性地闭合和断开在时间段T期间，所述第一可控半导体开关闭合一段时间tio，然后断开一段时间tll， 其中tl0+tll = T,tl0 > til, tll比由所述变压器和所述负载组成的电路的半个谐振周期更长，且比所述半个谐振周期和所述第一可控半导体开关1011的惯性延续时间之和更短。
8.一种用于驱动介质阻挡放电灯的电子驱动电路，包括按照权利要求1至7中任一项的电路。
9.一种配置为控制用于将DC转换为AC脉冲电压的电路的方法，其中所述转换器电路配置为驱动负载，所述转换器电路包括第一可控半导体开关、第二可控半导体开关、电容器和变压器，其中所述第一可控半导体开关与所述变压器的初级侧串联连接，所述第二可控半导体开关和所述电容器的串联电路与所述变压器的初级侧或所述第一可控半导体开关并联连接，该方法包括以下步骤a.检测所述转换器电路的输入电压；b.根据所述检测器单元检测的输入电压的幅值，利用第一预设控制模式或第二预设控制模式控制所述转换器电路的工作。
10.根据权利要求9的方法，其中所述步骤b包括以下步骤如果所述输入电压高于第一预设阈值，则利用第一预设控制模式控制所述第一和第二可控半导体开关的断开和闭合。
11.根据权利要求10的方法，其中所述第一预设控制模式包括以下步骤控制所述第一和第二可控半导体开关，从而使所述开关在以下模式中周期性地断开和闭合在时间段T期间，所述第一可控半导体开关闭合一段时间tl，然后断开一段时间t2，且所述第二可控半导体开关断开一段时间tl，然后闭合一段时间t2，其中tl+t2 = Τ。
12.根据权利要求10的方法，其中所述第一预设控制模式包括以下步骤控制所述第一和第二可控半导体开关，从而使所述开关在以下模式中周期性地断开和闭合在时间段T期间，所述第一可控半导体开关闭合一段时间tl，然后断开一段时间t2，且所述第二可控半导体开关断开一段时间tl，然后闭合一段时间t3，然后断开一段时间t4， 然后闭合一段时间t5，其中tl+t2 = T且tl+t3+t4+t5 = Τ。
13.根据权利要求11或12的方法，其中所述负载在点火模式或正常工作模式下工作， 且所述第一预设控制模式进一步包括以下步骤检测所述负载是工作于点火模式还是正常工作模式下；以及如果所述负载工作于点火模式下，控制所述第一和第二可控半导体开关，从而使所述开关在以下模式中周期性地断开和闭合在时间段T期间，所述第一可控半导体开关闭合一段时间t6，然后断开一段时间t7，且所述第二可控半导体开关断开一段时间伪，然后闭合一段时间t9，其中t6+t7 = Τ, t8+t9 =T，且 t6 < t8。
14.根据权利要求9的方法，其中所述步骤b包括以下步骤如果所述输入电压低于第二预设阈值，则利用第二预设模式控制所述第一和第二可控半导体开关的断开和闭合。
15.根据权利要求14的方法，其中所述第二预设控制模式包括以下步骤断开所述第二可控半导体开关；以及控制所述第一可控半导体开关，从而使该开关在以下模式中周期性地闭合和断开在时间段T期间，所述第一可控半导体开关闭合一段时间tlO，然后断开一段时间tll， 其中tl0+tll = 1~且110 > til,til比由所述变压器和所述负载组成的电路的半个谐振周期更长，且比所述半个谐振周期和所述第一可控开关1011的惯性延续时间之和更短。
全文摘要
本发明提出一种用于将DC转换为AC脉冲电压的电路。该电路包括两个可控半导体开关。通过控制半导体开关的断开和闭合，该电路能够以不同的模式工作，也就是高输入电压模式和低输入电压模式。本发明所提出的用于将DC转换为AC脉冲电压的电路适于较宽的输入电压范围。当将该电路用作DBD灯的驱动电路时，在AC电源失效的情况下通过切换至低压DC电源，DBD灯仍然能正常工作，并且DBD灯具有较高的发光效率。
文档编号H05B41/28GK102484932SQ201080029954
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月24日 优先权日2009年6月30日
发明者A·丁, B·吴, C·刘 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司