专利名称：用于电子镇流器的波纹减少方法
技术领域：
以下涉及电子镇流器。它结合高强度放电灯(HID)有特别应用，并且 将特别参照其进行描述。然而，应该理解的是，以下也可^f奮正为其它电整流 的灯(如荧光灯等)。
背景技术：
镇流器是用于为负载(如电子放电灯)提供功率并且调节其电流的电子 设备。镇流器提供高压以启动灯，导致开始电弧形成过程的气体电离。 一旦 电弧建立，镇流器就通过提供合适的受控电流给灯来允许灯持续运行。
典型地，低频、方波镇流器包括三级功率转换过程。最初，在级l， AC 电源线电压被整流和滤波。在中间级2， DC电压转换为DC电流。在级3, DC电流由换流器(inverter)转换为AC电流，以便驱动激发灯的谐振电路。 AC电源输入电压通过全桥整流并通过电容器滤波。滤波器典型地包括能量存 储电容器。因为电容器没有完全地滤波，所以输出DC电压包括AC分量或 波紋(ripple)电压。低频方波整流器不总是抑制(reject)电源线电压的AC 分量。结果，AC波紋传播到镇流器输出，并且导致不期望的灯调制。
一种用于最小化DC电压的AC分量或波紋的方法是使用具有大的能量 存储容量的相对大的电容。然而，更大的电容器是昂贵的，并且在镇流器中 占据更多空间。此外，这种电容器只在当AC分量接近其峰值的短的时间段 期间充电。在这些短的时间段期间汲取大量的电流，导致镇流器输出波形中 的不期望的谐波和谐波失真。
本申请预期克服上述问题和其他问题的新的方法和装置。
发明内容
根据一个方面，公开了一种用于操作灯的连续模式电子镇流器。整流电 路将交流(AC)电压转换为第一直流(DC)电压。滤波器滤波整流的第一 DC电压，并且输出包括交流(AC)电压分量或波紋电压的滤波的第一 DC
电压。降压(buck)转换器接收滤波的第一DC电压，并且生成第二直流(DC) 总线电压。功率控制电路耦合到降压转换器，并且提供控制电压信号给降压 转换器，使得降压转换器生成预定值的第二 DC电压和电流。波紋检测电路 耦合到滤波器的输出，并且检测滤波的第一DC电压中的波紋电压，基于该 检测，功率控制电路修正控制信号，使得第二DC电压包括预定电平的波紋 电压。
图l是镇流器的图示；
图2是镇流器的详细部分的图示；
图3是镇流器的另一个详细部分的图示；以及
图4是镇流器的另一个详细部分的图示；
具体实施例方式
参照图1,电子镇流器10包括整流电路12，其将交流(AC)电压转换 为直流(DC)电压。该整流电路12经由正电压端子16和中性端子18耦合 到AC电源14。典型地，AC电源的线频率是50 Hz或60 Hz。整流电路12 将AC输入电压转换为全波整流电压。整流电路12连接到降压转换器20,其 是直流(DC)电压到直流(DC)电压转换器。滤波电容器或电容器22跨接 降压转换器20的正的和接地输入端子30、 32连接。降压转换器20的正的和 负的输出端子34、 36耦合到换流器电路44的输入线38、 40。换流器电路44 将DC转换为AC。波峰因数减小电路46耦合到降压转换器正输出端子和地， 以便检测在换流器DC总线上的电压变化的增加率，并且如在下面详细讨论 的将降压转换器20关闭一个时间段以便减小降压转换器输出电流。功率控制 电路48耦合到降压转换器正输入端子30和地以便控制降压转换器操作，并 且耦合到测量流入降压转换器20的电流量的读出电阻器。这两个信号一起确 定多少功率流入降压转换器，最终调节流入灯中的功率量。波紋检测电路50 耦合到降压转换器正输入端子30和地，以便读出DC电压中的AC分量。由 于全波整流器12该AC分量是电源线频率的两倍。功率控制电路48减弱读 出的AC电压，使得波紋电压如下面所详细讨论的被充分地减小。短路保护 电路52耦合到降压转换器的正输出端子34和地，以便检测欠压(undervoltage ),并且当灯电压低于如下所述的预定阈值时关闭换流器电路 44。换流器电^各44连接到输出电路56,该输出电路56典型地包括电感器和 绕组以便脉冲启动灯。输出电路56连接到第一和第二负载端子或电极58、 60,以便驱动负载62,如HID灯、荧光灯、或任何其它由电子镇流器操作的 灯。
继续参照图1并且还参照图2,降压转换器20包括降压转换器控制器64, 如例如由ST电子制造的控制器PNL6562。降压控制器64闭合或关断可控导 电的第一或降压开关66。功率从正端子30经由电阻器70提供到降压控制器 管脚(pin) 68。当第一开关66闭合时，输入电压施加到与第一开关66串联 连接的第一或降压电感器74。功率被输送到降压转换器输出端子34、 36。电 流在第 一 电感器74中建立(build up )。与第 一或降压自由回转(freewheeling ) 二极管78的阴极和第 一 电感器74耦合的第 一或降压充电电容器76通过第一 电感器74充电。当第一开关66关断时，通过第一电感器74的电流反转。第 一二极管78变为前向偏置。存储在第一电感器74和第一电容器76中的能量 被输送到降压转换器输出端子34、 36。通过改变第一开关66的占空比(duty cycle)获得输出电压调节。功率控制电路48经由电阻器80接收读出或转换 器总线电压信号Vs和与降压转换器输入电流Is成比例的信号。通过调节由如 下面讨论的功率控制电路48提供的设定点SP,读出电压信号Vs能被用来控 制灯62的功率以便跟踪设定点SP。当电源线电压改变时，电压读出信号Vs 帮助来调节施加到灯的功率。更具体地，总线电流15被导向具有电阻器80和 电容器86的低通滤波器82。在低通滤波器82的输出88处的输出电压信号 V。代表总线电流Is的平均，并且与4是供到灯62的实际输出功率成比例。
误差放大器90在误差放大器输入端子92处经由电阻分压器94接收输出 电压信号V。，并且确定输出电压信号V。和设定点电压信号SP之间的差，该 电阻分压器94包括串联连接的电阻器96、 97。电容器98与电阻器96、 97 串联连接。二极管99连接在端子92和地之间。
设定点电压信号SP由设定点放大器100经由设定点放大器输出线101 和电阻器102提供。更具体地，设定点放大器100经由第一设定点放大器输 入线104接收通过电阻器106的电压信号Vb作为输入。经由第二设定点放大 器输入线108提供基准电压信号VR到设定点放大器100。通过采用来自输入 DC电压Vb的反馈，根据实际输入线电压Vb调节设定点电压信号SP，以便
减小灯62的梯:作电压的变化。
用于降压控制器64的控制电压信号Vx从设定点电压信号SP得到，并 且经由线114从电阻分压器116提供到降压控制器倍增器(multiplier) 113的 输入112，电阻分压器116包括串联连接的电阻器118、 119。
误差放大器90在误差放大器输出线120中生成放大的误差信号Vc，其 与输出电压信号V。和设定点电压信号SP之间确定的差成比例。放大的误差 信号Vc或误差放大器输出经由包括串联连接的电阻器126、 128的电阻分压 器124提供到降压控制器64的反转输入管脚122。放大的误差信号Ve还经由 电阻器126、 128提供到降压控制器64的补偿输入管脚130。补偿网络131 置于反转和补偿管脚122、 130之间，以便实现电压控制回路的稳定性并且确 保高功率因数。
降压开关64的电压输出132输出脉冲宽度调制信号VPWM。该脉沖宽度 调制信号经由电阻器134提供到降压开关66。比较器非反转输入136从与降 压开关66串联连接的电阻器138接收PWM电压信号VPWM。 PWM电压信号 VpwM与在降压开关66的导通期间流过降压开关66和第一电感器74的电流
成比例。电压信号VpwM与由控制电压信号VJ角定的内部基准电压信号比较。
当电压信号Vp西等于内部基准电压信号时，降压控制器64关断降压开关66。 结果，PWM电压信号VpwM确定通过降压开关66的波峰电流，这确立 多少电流^皮^t入换流器44。
继续参照图1并且还参照图3,换流器44连接到降压转换器20的输出 端子34、 36,用于将由降压转换器20提供的DC电压转换为AC电压，并且 提供该AC电压来驱动灯62。换流器44包括第一和第二驱动器180、 182, 如例如由ST电子制造的PNL6269A。每个驱动器180、 182包括相应的一对 第一和第二#4口高端緩冲器188、 190、 192、 194。第一下部和上部开关196、 198每个通过各自的电阻器200、 202连接到相应的第一低、高端緩冲器188、 190。第二下部和上部开关204、 206每个通过各自的电阻器208、 210连接到 相应的第二低、高端緩冲器192、 194。
每个緩冲器对以互补方式驱动相应的第一下部和上部开关196、 198和第 二下部和上部开关204、 206。第一和第二下部和上部开关196、 198、 204、 206是可控导通器件，如例如MOSFET。第一下部开关196与连接到第一高 端緩沖器190的第一上部开关198串联连接。第二下部开关204与连接到第
二高端緩冲器194的第二上部开关206串联连接。当第一和第二下部开关196、 204闭合时，提供功率到相应的第一和第二高端緩冲器190、 194。当第一和 第二下部开关196、 204关断时，通过相应的第一和第二端充电电容器220、 222提供功率到第一和第二高端緩冲器190、 194。第一和第二下部开关196、 204和第一和第二上部开关198、 206交替闭合，以便补充相应的充电电容器 220、 222上的电荷。
经由电源线电阻器224提供转换器总线电压Vs到第一和第二驱动器180、 182,经由端子34到相应的第一和第二电源管脚230、 232。电阻器224与相 应的第一和第二电解存储电容器234、 236串联连接。电阻器224提供初始功 率到驱动器180和182。电容器234和236经由电阻器224和经由端子34的 DC总线充电。当在第一电源管脚230处的电压超过驱动器180和182的欠压 切断(lock-out)电压时，第二驱动器182的振荡器开始运行。振荡器定时电 阻器250连接到第二驱动器182的振荡器定时电阻器管脚252。振荡器定时 电容器254连接到第二驱动器182的振荡器定时电容器管脚256。振荡器定 时电阻器和电容器250、 254合作来确定第二驱动器182的振荡频率。电阻器 258连接在电容器259和第二驱动器182的振荡器输出之间。电容器259和 电阻器258提供轻微迟延，以便阻止第一驱动器180的低和高端緩冲器188、 190同时导通，因而阻止第一下部和上部开关196和198同时闭合。这阻止 DC总线被第一下部和上部开关196和198短路。第二驱动器182的振荡器电 路的电阻器250和电容器254设置灯62运行的频率(如大约130Hz),该频 率是充分地低于降压级的切换频率的频率。第一和第二緩冲器(snubber)电 容器260、 262并联连接到相应的第一和第二下部开关196、 204,以便允许 换流器44以零电压切换运行。
第一电感器264与第二电感器265互相耦合。第一电感器264连接到第 一上部开关198和第一输出灯端子58。第二电感器265连接到第一上部开关 198,并且经由串联连接的输出电路电阻器266、元件272和电容器274连接 到第二上部开关206。第二上部开关206串联连接到第二输出灯端子60。输 出电路电阻器268和串联连接的输出电路二极管270与第一和第二电感器 264、 265并联连接。电容器276与灯输出58、 60并联连接。输出电路56的 各元件合作来点亮灯62，并且提供初始预热(warm up)电流和正常灯运行 期间的预定的交流电压。电感器264还削弱从之前的降压级产生的高频波紋 电流。
继续参照图1和3并且还参照图4,短路保护电路52连接在降压转换器 20和换流器44之间，以便检测转换器总线电压Vs并且当检测到低电压条件 (如大约20V)时关闭换流器44。尽管为了简明只图示第一驱动器182,但 预期短路保护电路52以同样的方式控制第一和第二驱动器182、 184。当刚 点亮后灯62是冷的时，灯62表现为低阻抗特性。在此情况下，灯62实际上 处于短路，例如灯端子58、 60之间的电压可能为大约20V。典型地，换流器 44在灯62点亮前开始运行，例如换流器的输出端子在点亮之前断路(open )。 当灯点亮时，灯的阻抗快速下降到其稳态值的大约5%。通常，在低输出电压 模式期间不期望短路保护电路的激活。随着气体温度在全电弧模式中升高， 灯电压上升直到其到达稳态电压。如果换流器44的输出短路，例如作为错误 的镇流器安装过程的结果，则第一和第二下部和上部开关196、 198、 204、 206可能过热，并且还热压迫降压转换器20的第一开关66。短路保护电路 52检测欠压(例如该电压例如是小于20V)并且关闭换流器44，因而消除导 致开关66、 196、 198、 204、 206过热的短路的影响。换流器通过短路驱动器 180和182的电源电压管脚230、 232而关闭。
更具体地，短路保护电路52包括锁存器280,该锁存器包括第一和第二 锁存晶体管282、 284。锁存器280读出经由电源线电阻器224提供到锁存器 280的转换器总线电压Vs。
在正常灯运行期间，第一和第二驱动器180和182驱动下部和上部开关 196、 198、 204、 206。如果转换器总线电压Vs降到预定阈值(如15V或20V ) 下，则从第一锁存晶体管282的基极286汲取电流。第二晶体管284的集电 极287连接到第一晶体管282的基极286。第二晶体管284的基极288连接 到第一晶体管282的集电极289。当从第一晶体管基极286汲取电流时，也 从第二晶体管基极288汲取电流。锁存器280被触发。例如第一和第二锁存 晶体管282、 284经由再生过程被导通。
当处于传导状态时，第一和第二锁存晶体管282、 284放电第一和第二存 储电容器234、 236的能量，导致第一和第二驱动器180和182的欠压切断电 路接通(engage),因而关断换流器44。当存储电容器234、 236几乎完全放 电到大约1或2V时，锁存器280断路。因为换流器正被关断，所以此时的 转换器总线电压Vs处于高电压，并且存储电容器234、 236正经由电源线电
阻器224充电。当存储电容器234、 236充电到激活第一和第二驱动器180和 182的电压(大约8到9V)时，驱动器180、 182导通并且开始操作开关196、 198、 204、 206,从而导致转换器总线电压Vs放电到输出短路中或导致转换 器总线电压K降低到低于15V或20V的低阻抗。重复该锁存过程，关断换 流器44并且保护开关66、 196、 198、 204、 206。该过程的占空比本质上由 花多长时间经由电源线电阻器224充电存储电容器234、 236确定。在一个实 施例中，短路保护电路52具有非常短的占空比。在这种电路中，在此条件下 换流器的导通时间与过程的时段相比非常短。当移除短路后，换流器重启。 点亮过程、灯电源的预热和稳态控制继续。
连接在第二晶体管基极288和地之间的电阻器290确定电流水平来切断 (trip )锁存器280。电容器292、 294通过用作低通滤波器帮助消除错误触发。 电阻器296与存储电容器234、236串联连接，以便限制到锁存器280的电流。 在一个实施例中，二极管298与存储电容器234、 236并联连接，以便阻止第 一锁存器晶体管282的基极-发射极结击穿。
再次参照图2，波峰因数减小电路46检测转换器总线的电压改变率。更 具体地，在换流器的转换间隔期间随着读出电压Vs增加，脉冲被施加到耦合 到降压转换器正端子34的电容器300。耦合到晶体管302的基极的电容器300 导通晶体管302。晶体管302经由电阻器304脉动(pulse)降压转换器控制 器管脚112处的控制电压信号Vx为接近零伏，因而在电压充分上升前消隐 (blanking)对降压转换器20的电压设定点。如果没有正向转换出现在降压 转换器20的输出，即没有转换器总线电压Vs的正向转换，那么晶体管302 不导通。转换器总线电压Vs保持未扰动，因而提供需要的设定点电压给降压 转换器20,以获得正确的输出电流。电阻器306、 308串联连接在电容器300 和晶体管302的基极之间。二极管310耦合到电阻器306和晶体管302的发 射极。晶体管302的集电极连接到误差放大器90的功率输出312。
以此方式，在换流器44的转换间隔期间消隐或调制降压转换器控制器管 脚112处的控制电压信号Vx，在总线电压上升前消隐降压转换器20的输出 电流，因而减小提供到换流器44的电流直到换流器的转换结束。例如，在电 压充分改变前检测到更高的电压改变率。这大大地减小了降压转换器输出电 压的过冲(overshoot),因而从大约1.0到大约1.5充分地减小灯电流波峰因 数。
波紋检测电路50测量转换的DC电压中的AC分量。如上所述，设定点 放大器100接收输入电压信号Vb,该输入电压信号Vb与提供的基准电压信 号VR—起为降压转换器20确定电压设定点SP，并且因而从DC总线汲取多 少功率。波紋检测电路50包括与电容器402串联连接的电阻器400。电阻器 404与电阻器400和电容器402并3关连接。电阻器102与电阻器400和电容 器402串联连接。电阻器102、 400、 404、电容器402和设定点放大器100 合作来测量输入DC电压Vb中的AC分量，并且经由降压转换器控制器管脚 112处的控制电压信号Vx调制降压转换器控制器64,使得用于抑制DC电压 的AC分量的正确的调制水平和相位被提供到降压转换器控制器64。以此方 式，测量并削弱AC分量。
已经参照优选实施例描述了本申请。显而易见，依据阅读和理解前面的 详细描述，将出现修改和替换。旨在本申请被解释为包括所有的这种修改和 替换。
权利要求
1.一种用于操作灯的连续模式电子镇流器，包括整流电路，其将交流(AC)电压转换为第一直流(DC)电压；滤波器，其滤波第一DC电压，并且在滤波器输出处输出包括交流(AC)电压分量或波纹电压的滤波的第一DC电压；可操作地耦合到滤波器输出的降压转换器，该降压转换器接收滤波的第一DC电压，并且生成第二直流(DC)总线电压；可操作地耦合到降压转换器的功率控制电路，该功率控制电路提供控制电压信号给降压转换器，使得降压转换器生成预定值的第二DC电压；以及可操作地耦合到滤波器输出的波纹检测电路，该波纹检测电路检测滤波的第一DC电压中的波纹电压并且修正控制信号，使得第二DC电压包括预定电平的波纹电压。
2. 如权利要求1所述的镇流器，其中波紋电压的电平小于第二DC电压 的平均幅度的5%。
3. 如权利要求2所述的镇流器，其中第二DC电压中的波紋电压的电平 基本等于0V。
4. 如权利要求1所述的镇流器，其中功率控制电路包括 设定点放大器，其包括 连接到输入电压线的第一输入，以及提供有基准电压的第二输入，其中设定点放大器基于线输入电压和基准 电压，在设定点放大器输出线生成电压设定点信号。
5. 如权利要求4所述的镇流器，其中波紋检测电路包括 可操作地耦合到滤波器输出的电容器；第 一电阻器，其与电容器串联连接并且可操作地耦合到设定点放大器输 出线；以及与第 一 电阻器并联的第二电阻器，该第二电阻器可操作地耦合到滤波器 输出和设定点放大器输出线，其中该第一电阻器、第二电阻器和电容器合作 来检测滤波的第一DC电压中的波紋电压。
6. 如权利要求5所述的镇流器，其中功率控制电路还包括 电阻分压器，其第一端可操作地与设定点放大器输出线耦合，该电阻分 压器确定提供到降压转换器的修正的设定点电压信号的比率。
7. 如权利要求1所述的镇流器，其中降压转换器包括 降压转换器控制器，其包括倍增器，其接收电压控制信号并且输出第二DC电压信号，以便将灯电 流控制在预定水平。
8. 如权利要求1所述的镇流器，其中功率控制电路包括 设定点放大器，其包括 连接到输入电压线的第一输入，以及提供有基准电压的第二输入，其中设定点放大器基于线输入电压和基准 电压生成电压设定点信号，该控制电压信号基于电压设定点信号生成； 以及误差放大器，其接收第二DC电压、设定点电压和检测的波紋电压，将 设定点电压与波紋电压以及与第二DC电压比较，基于该比较确定误差信号， 并且在放大器输出生成代表确定的误差的放大的误差信号。
9. 如权利要求8所述的镇流器，其中降压转换器控制器还包括 补偿网络，其经由误差放大器输出线接收放大的误差信号，并且基于该接收的放大的误差信号补偿控制电压信号。
10. 如权利要求8所述的镇流器，其中第二DC电压基本没有波紋。
11. 如权利要求1所述的镇流器，其中功率控制电路和波紋检测电路合 作来检测并且削弱波紋电压，并且还包括可操作地耦合到降压转换器的换流器电路，该换流器电路接收削弱的第 二DC电压，该第二DC电压基本没有波紋，并且将没有波紋的第二DC电压 转换为AC电压来驱动灯。
12. —种用于操作灯的连续模式电子镇流器，包括整流电路，配置为将交流(AC)电压转换为在整流电路输出的第一直流 (DC)电压；可操作地耦合到整流电路DC输出的滤波器，该滤波器滤波第一DC电 压，并且在滤波器输出处输出包括AC电压分量或波紋电压的滤波的第一DC 电压；可操作地耦合到滤波器输出的降压转换器，该降压转换器接收滤波的第 一DC电压，并且在转换器输出生成第二直流(DC)总线电压；可操作地耦合到降压转换器的功率控制电路，该功率控制电路提供控制电压信号给降压转换器，使得降压转换器生成预定值的第二DC电压和电流； 可操作地耦合到滤波器输出的波紋检测电路，该波纟丈检测电路检测滤波的第一DC电压中的波紋电压并且修正控制信号，使得第二DC电压包括预定电平的波紋电压；以及可操作地耦合到降压转换器的换流器电路，该换流器电路接收生成的第二DC信号，该第二DC电压基本没有波紋，并且将第二DC电压转换为AC电压来马区动灯。
13. 如权利要求12所述的镇流器，其中波紋电压的电平小于第二DC电 压的平均幅度的5%。
14. 如权利要求13所述的镇流器，其中第二DC电压中的波紋电压的电 平基本等于0V。
15. 如权利要求12所述的镇流器，其中功率控制电路包括 设定点放大器，其包括 连接到输入电压线的第一输入，以及提供有基准电压的第二输入，其中设定点放大器基于线输入电压和基准 电压，在设定点放大器输出线生成电压设定点信号。
16. 如权利要求15所述的镇流器，其中波紋检测电路包括 可操作地耦合到滤波器输出的电容器；第一电阻器，其与电容器串联连接并且可操作地耦合到设定点放大器输 出；以及与第 一 电阻器并联的第二电阻器，该第二电阻器可操作地耦合到滤波器 输出和设定点放大器输出，其中该第一电阻器、第二电阻器和电容器合作来 检测滤波的第一DC电压中的波紋电压。
17. 如权利要求16所述的镇流器，其中功率控制电路还包括 电阻分压器，其第一端可操作地与设定点放大器输出耦合，该电阻分压器确定提供到降压转换器的修正的设定点电压信号的比率。
18. 如权利要求12所述的镇流器，其中降压转换器包括 降压转换器控制器，其包括倍增器，其接收电压控制信号并且输出第二DC电压信号，以便将灯电 流控制在预定水平。
19. 如权利要求18所述的镇流器，其中功率控制电路包括 设定点放大器，其包括 连接到输入电压线的第一输入，以及提供有基准电压的第二输入，其中设定点放大器基于线输入电压和基准 电压生成电压设定点信号，该控制电压信号基于电压设定点信号生成； 以及误差放大器，其在输入端子接收第二DC电压、设定点电压和检测的波 紋电压，将设定点电压与波紋电压以及与第二 DC电压比较，基于该比较确 定误差信号并且在误差放大器输出线生成代表确定的误差的放大的误差信—，
20. 如权利要求19所述的镇流器，其中降压转换器控制器还包括 补偿网络，其经由误差放大器输出线接收放大的误差信号，并且基于该接收的放大的误差信号补偿控制电压信号。
全文摘要
整流电路将交流(AC)电压转换为第一直流(DC)电压。滤波器滤波整流的第一DC电压，并且在滤波器输出包括交流(AC)电压分量或波纹电压的滤波的第一DC电压。降压转换器接收滤波的第一DC电压，并且生成第二直流(DC)总线电压。功率控制电路耦合到降压转换器并且提供控制电压信号给降压转换器，使得降压转换器生成预定值的第二DC电压。波纹检测电路耦合到滤波器的输出并且检测滤波的第一DC电压中的波纹电压，基于检测的波纹电压功率控制电路修正控制电压信号，使得第二DC电压包括预定电平的波纹电压。
文档编号H02M1/42GK101352105SQ200680049627
公开日2009年1月21日 申请日期2006年12月18日 优先权日2005年12月29日
发明者路易斯·R·尼罗恩 申请人:通用电气公司