专利名称：节能灯电子整流电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及灯具整流电路，特别涉及一种用于节能灯的电子整流电路。
背景技术：
针对减排，多国政府推出了限制传统白炽灯和推广节能灯(CFL)的政策。实际上在政策推行之前，因节能灯具有高效和长寿命的优点，节能灯已经得到了广泛应用。与传统白炽灯相比，对于同样的发光亮度，节能灯仅消耗小于三分之一的电力，且具有更少的发热和十倍以上的寿命。由于高效和长寿命，节能灯得以广泛地用于日常的照明中。高性能可调光节能灯的研发中最大障碍是驱动节能灯的电子整流电路的设计。节能灯的电子整流部分直接装在灯座里，实现对灯管的启辉和稳定电流的作用。目前大部分标准的节能灯和可调光的节能灯都不带功率因数校正电路。不带功率因数校正电路的节能灯，会对输入电流造成畸变，由于功率因数非常低(0. 5 0. 6之间)，在调光的性能要求上， 与标准的移相调光开关相配时，如何避免灯光闪烁和增加调光范围，因此有必要研发一种低成本和长寿命的电子整流电路技术。参看图1，图1中显示了一种在已经广为熟悉的普通半桥式节能整流电路上增加功率因数校正的电路。该二级电路可以解决功率因数校正的问题。图中，功率因数校正电路达到将输入电流改善成正弦波，以提高功率因数，另一方面，谐振电路也用于保证足够启辉电压和正常运行时稳定的灯管电流。虽然该电路满足了这些要求，但要使用三个开关元件和高电压的直流电容来实现，由此造成了其高成本、低效率和体积大等缺点。
发明内容
本发明的任务是提供一种改进的节能灯电子整流电路，它仅用一个开关元件就能实现节能灯的启辉和正常运行，解决了上述现有技术所存在的问题。本发明的技术解决方案如下
一种节能灯电子整流电路，由一个单个开关元件集成，用于荧光灯，包括 一个整流后的直流电压输入；
一个功率因数校正部分以改善对应于直流电压整流电路的交流输入线电流的正弦波
形；
一个能量储存部分用于荧光灯工作在调光时存储能量；
一个形成谐振电路的谐振器构成的逆变部分用于转换直流电压为交流电压送给灯管；
以及
一个单一的开关元件实现(1)作为功率因数校正电路的一部分以改进输入线电流的正弦波形；(2)在谐振器的输入端提供一个方波电压波形，并最终在谐振器的输出端得到对应的正弦电压波形。所述功率因数校正部分、能量储存部分和谐振器共用同一电压源。所述电压源是一对电容。
所述一对电容是以串联形式连接。所述一对电容既是功率因数校正电路的一部分，也是能量储存电路的一部分，还是谐振电路的一部分。所述开关元件包括一个功率场效应管(M0SFET)，在谐振电路的输入端提供一个高频的方波电压。所述谐振电路包括一个滤波器，以滤去方波电压波形中的高次谐波。所述功率因数校正部分包括两个电容，当灯管在调光状态运行时，电容还作为能量储存的能量储存部分。所述电容是以串联方式连接，将功率因数校正部分的直流电压分成两半。所述电容还是谐振电路的一部分。所述开关元件开通时，至少有一个电容转换能量给灯管。所述灯管的调光运行可用一双向可控硅或常规白炽灯所用的调光器来实现。所述逆变电路工作在不连续状态。所述荧光灯是紧凑型荧光灯，又称节能灯。所述功率因数校正单元是有源的。所述功率因数校正单元是无源的。采用本发明的使用一个开关元件的集成整流电路，实现了既在直流整流电压对应的相位中校正电网输入电流波形更接近于正弦，以达到高功率因数，同时在调光运行时，储存能量于储能元件中，并且利用谐振电路将直流电压转换成交流电压送到灯管上。在所述的单个开关元件的整流电路中，开关元件的功能是在谐振电路的输入端产生方波电压，在谐振电路的输出端得到一个对称的交流波形。独特的单开关元件方案提供了以下优点(1)与传统电路不同，仅用一个开关元件的逆变器实现了在谐振电路的输入端产生对称的方波；(2)该开关元件同时还是功率因数校正电路的一部分，以达到改善电网输入电流波形。通常选用的开关元件是功率场效应管(M0SFET)。当功率场效应管在谐振电路的输入端施加了一个高频率的方波电压波形时，谐振电路就会实现下列功能(1)滤去方波电压波形里的高次谐波成分，这样在谐振电路输出端的灯管上的电压是一个接近正弦的电压波形；(2)当灯管在启辉状态时，提供足够高的启辉电压；(3)为单个开关逆变电路提供直流电流回路。由于将整流功率电路部分的开关元件减少为一个，其对应的开关元件的驱动电路和整流控制电路得以明显的简化。本发明可满足使用普通双向可控硅的白炽灯调光器对节能灯进行调光。下面通过详细的描述可以充分地说明本发明的具体实施例和其优点。
本发明的实施例可以通过相对应的图表来描述。图1是目前常用的商业荧光灯的电子整流器的方框图。图加是本发明的一个实施例的可调光节能灯高功率因数单一开关驱动电路的原理框图。
图2b是本发明采用有源功率因数校正电路的高功率因数单一开关电子整流电路示意图。图2c是图加的一个实施例的电路图。图3是图2c电路的典型的工作波形图。图4是图2c电路产生的逆变电压和灯管电压波形图。图5是图2c电路的线电压和电流波形图。图6是图2c电路调光时产生的逆变电压和灯管上的波形图。图7是图2c电路调光时的线电压和电流波形图。图8是图2c电路不调光时的线电压和电流的测试波形图。图9是图2c电路不调光时的灯管电压和电流的测试波形图。图10是图2c电路调光时的线电压和电流的测试波形图。图11是图2c电路调光时的灯管电压和电流的测试波形图。图12a、b、c和d是和本发明可相配的若干个谐振电路结构示意图。图13是本发明采用无源功率因数校正电路的可调光单一开关电子整流电路示意图。图14和图15是本发明的可变直流电压调光单一开关的电子整流电路拓扑图。本发明在实施例的描述中所采用的具体的材料、器件和处理过程等仅是为了便于理解和说明本发明。在实际应用本发明时，不受文中所述的方法、材料、条件、运行参数、器件等限制。
具体实施例方式本发明提出了一个用于节能灯的单一开关集成的电子整流电路10。图加展示了电路10的原理图。其中有一个接受整流后的直流电压12。一个功率因数校正部分14将整流后的直流电压每相中的电流波形变得更接近对称的正弦波波形，而达到高功率因数的输入。一个储能部分16在调关运行时储存能量。一个谐振式的逆变电路18转换直流电压为交流电压送给灯管。整流电路10包括一个开关或控制器20。开关20的作用是在谐振电路18的输入端提供一个方波电压，因而在谐振电路的输出端得到一个对称的波形。本发明的单一开关技术(1)与常规技术不同，在谐振电路输入端的对称的方波是由单一开关逆变电路产生的；(2)这个开关同时也是校正输入线电流波形的功率因数校正电路的一部分。图2b描述了高功率因数单一开关电子整流电路10应用于有源功率因数校正电路。正如图示中，在逆变部分，谐振电路18可以是任何三元件电路的谐振器，其中rf代表灯丝加热电阻。图12(a)、(b)、(c)或(d)的电路可以用于图％或％所描述的电子整流器 10的谐振电路18。在图12(a)中，一个并行电感连接在以电容作为灯启辉元件的谐振电路 18的输出端。图12(c)示出了另外一种连接并行电感的方式，此时电感是连接在谐振电路 18的输入端。对应的在图12(b)和(d)中电感作为灯的启辉元件。此外，在图12(d)中的串联谐振电容还能够作为隔直电容。更进一步，任何提供直流通路的谐振器18都能用于本技术。开关器件考虑使用MOSFET(参见图2c中的Μ)。MOSFET是用来在谐振电路的输入端产生高频率的方波电压。然后谐振电路完成下列功能(1)滤掉方波电压中的高次谐波， 从而在灯管上施加输出波形为接近正弦的波形；(2)在灯管启辉阶段提供足够高的输出电压；(3)为单开管逆变电路提供一个直流通路。整流器电路10组合了功率因数校正电路14、能量储存电路16和谐振逆变电路 18。整流器电路10在整流器22 (见图2c)处接收直流输入电压，而在灯管端输出高频的正弦交流电压。这样一个单一开关元件的技术将功率因数校正器14和谐振逆变器18组合成一级，同时省去了传统设计中的复杂的驱动电路和所需的大电容，而且极大地改善了功率因数，还达到了低成本的解决方案。图2c具体描述了用于紧凑型荧光灯(CFL节能灯)的可调光、高功率因数的整流器的具体电路图。图中可见常规交流输入源30、EMI滤波器32、整流器34，这里就不作重复解释。可参见其它文献理解其运作原理。单级整流器中的一些元器件起多重作用。作为起功率因数校正电路作用的元器件包括一个PFC电感(LiX—个开关元件(M)、一个二极管(D)、一个直接能量储存电容(Cx)以及一个辅助能量储存电容(Ca)。作为能量储存电路的元器件包括一个辅助电感(La)、直接能量储存电容(Cx)和辅助能量储存电容(Ca)。作为谐振逆变电路的元器件包括开关元器件 (M)、二极管(D)、辅助电感(La)、直接能量储存电容(Cx)、辅助能量储存电容(Ca)、串联电感 (Ls)、并联电感(Lp)和并联电容(Cp)。基于这样的组合，实现了将功率因数校正部分、能量储存部分和谐振电路的集成，因而仅需一个开关元件。在电路中，辅助能量储存电容和直接能量储存电容是串联的，辅助电感是与辅助能量储存电容串联，PFC电感与辅助能量储存电容和直接能量储存电容串联。电容(Cx和 Ca)以串联的方式作为升压电路的输出滤波器，其将升压电路的输出电压分成两半。PFC电感(Li)将能量升压给直接能量储存电容(Cx)和辅助能量储存电容(Ca)。辅助电感 )将辅助能量储存电容(Ca)上的能量升压到直接能量储存电容(Cx)。当开关元件(M)导通时， 直接能量储存电容(Cx)直接将能量转换给谐振器。当开关元器件和二极管关断时，直接能量储存电容(Cx)和辅助能量储存电容(Ca)对开关元件(MOSFET)和二极管上的电压进行钳位。谐振器(Ls、Lp和Cp)提供足够高的电压触发灯管，并提供与灯管阻抗相匹配的功率。采用带驱动的集成电路，使逆变电路将整流输出电压转换成高频交流电压输出给谐振器。当在调光状态时，Cx和Ca都起到储能元件的作用。当PFC电感(Li)电流为零，并且辅助电感(La)和串联电感(Ls)的电流相等时，由于二极管上的电流降为零，转换电路工作为电流断续模式(DCM)。当二极管电流降为零后， 辅助电感(La)和串联电感(Ls)并联，开关MOSFET和二极管上的输出电容将形成谐振电路， 这将大大减小MOSFET的开通损耗。MOSFET工作在零电流开通状态(ZCS)，二极管工作在零电流关断状态(ZCS)。本发明提出的单一开关技术的优点不仅在功率电路中采用了一个开关元件而显著降低了在整流器中半导体功率元件的成本，而且与传统的单一开关元件技术相比较，在开关元件上承受的电压和电流也显著降低。本发明的显著特点就是为电子整流器在紧凑型荧光灯(CFL节能灯)的应用领域，提供了一个更具效率优势的设计。图3示出了整流器电路的典型稳态波形。其假定(1)在MOSFET和二极管开通状态下的电压降为零；(2)在电容Cx和Ca上的高频纹波电压被忽略，并得到在电容Cx和Ca上的直流电压分别为V。x和V。a ； (3)开关频率大大高于交流电源频率；(4)电路工作在固定的导通周期和开关频率。图3中所给出的整流器电路的稳态运行描述如下。在、之前，开关M关断，二极管不导通，流过电感Li的电流沁等于零。在、时， 开关M开通，流过电感Li的电流从零开始对应于输入电压Vi线性地增加，其中Vi即为整流桥的输出电压。流过电感Lw的电流也对应于电容电压V。a线性地增加。电容Cx连接谐振器的Ls、Lp和Cp，因此一个负电压(_V。X)出现在谐振器的输入端。流过电感Ls的电流 iLs谐振式地增加，一个高频的接近纯正弦的交流电压被送到灯管上。在、时，开关M关断，二极管被强迫导通，流过电感Li的电流iu线性地减小至零， 被电容Cx和Ca重置。流过电感La的电流込也线性地减小，被电容Cx重置。由于二极管D 的导通，电容Ca连接到谐振器，一个正电压(V。a)加在了谐振器的输入端。流过电感Ls的电流‘谐振性地减小。在、时，流过电感La和Ls的电流彼此相等，而在另一个方向，流过电感Li的电流已经为零，因此流过二极管D的电流消失为零，二极管关断。然后与电感Ls并联的电感La 开始和MOSFET及二极管的参数电容形成振荡。这极大地减小了 MOSFET的开通损耗。在t(l时，开关M重新开通，一个新的开关周期开始。仿真和实验得以验证。本发明设计了一个15W整流器用于确证所提出的整流器电路的运行状况。图2示出了典型的电路参数。图4示出所产生的逆变电压和灯管电压的仿真结果。在灯管上得到了一个近似正弦的高频交流电压。图5示出了线电压和线电流。线电流相位与线电压对应，具有很好的正弦波形。测得的功率因数为0.99。图6示出了在调光时所产生的逆变电压和灯管电压。图7示出了调光时的线电压和线电流。功率因数此时为0.88。本发明提出的技术已经通过实样验证。图8示出了没有调光时的线电压和线电流的波形。功率因数测得为0.99。图9示出了没有调光时灯管电压和灯管电流波形。图10 示出了调光时的线电压和线电流的波形。功率因数为0.86。图11示出了调光时的灯管电压和电流波形。图13示出了用于节能灯(CFL)的可调光电子整流器带无源功率因数校正的电路结构。在此电路中，无源PFC是通过一个电容(；联接整流器的输出和谐振电路的输出。其它可行的无源PFC结构示于图14和图15。图14和图15的PFC电路涉及的元件是C2、C3、 D1, D2、D3。同样，任何在图12a、b、c和d描述的谐振电路都可以用于带无源PFC的整流器电路。多种组合可以建立在本发明所述的权利要求中得以实现。
权利要求
1.一种节能灯电子整流电路，其特征在于，由一个单个开关元件集成，用于荧光灯，包括一个整流后的直流电压输入；一个功率因数校正部分以改善对应于直流电压整流电路的交流输入线电流的正弦波形；一个能量储存部分用于荧光灯工作在调光时存储能量；一个形成谐振电路的谐振器构成的逆变部分用于转换直流电压为交流电压送给灯管；以及一个单一的开关元件实现(1)作为功率因数校正电路的一部分以改进输入线电流的正弦波形；(2)在谐振器的输入端提供一个方波电压波形，并最终在谐振器的输出端得到对应的正弦电压波形。
2.根据权利要求1所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述功率因数校正部分、 能量储存部分和谐振器共用同一电压源。
3.根据权利要求2所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述电压源是一对电容。
4.根据权利要求3所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述一对电容是以串联形式连接。
5.根据权利要求4所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述一对电容既是功率因数校正电路的一部分，也是能量储存电路的一部分，还是谐振电路的一部分。
6.根据权利要求1所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述开关元件包括一个功率场效应管(M0SFET)，在谐振电路的输入端提供一个高频的方波电压。
7.根据权利要求6所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述谐振电路包括一个滤波器，以滤去方波电压波形中的高次谐波。
8.根据权利要求1所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述功率因数校正部分包括两个电容，当灯管在调光状态运行时，电容还作为能量储存的能量储存部分。
9.根据权利要求8所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述电容是以串联方式连接，将功率因数校正部分的直流电压分成两半。
10.根据权利要求9所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述电容还是谐振电路的一部分。
11.根据权利要求10所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述开关元件开通时， 至少有一个电容转换能量给灯管。
12.根据权利要求11所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述灯管的调光运行可用一双向可控硅或常规白炽灯所用的调光器来实现。
13.根据权利要求11所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述逆变电路工作在不连续状态。
14.根据权利要求1所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述荧光灯是紧凑型荧光灯，又称节能灯。
15.根据权利要求1所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述功率因数校正单元是有源的。
16.根据权利要求1所述的节能灯电子整流电路，其特征在于，所述功率因数校正单元是无源的。
全文摘要
本发明涉及一种节能灯电子整流电路，描述用单个开关元件集成的节能灯用电子整流器。其中包括一个整流后的直流电压输入；一个功率因数校正部分以改善对应于直流电压整流电路的交流输入线电流的正弦波形；一个能量储存部分用于荧光灯工作在调光时存储能量；一个形成谐振电路的谐振器构成的逆变部分用于转换直流电压为交流电压送给灯管；以及一个单一的开关元件。其中包含的电容，也在节能灯调光运行时作为储能电路的储能元件，又和谐振电路一起构成逆变电路将直流电压转换成交流电压输出给灯管。单个开关元件实现作为功率因数校正电路的一部分以改进电网输入电流更接近正弦波形；而在谐振电路的输出端得到一个对应的对称交流电压。
文档编号H02M1/42GK102238791SQ20111006067
公开日2011年11月9日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年4月22日
发明者张海波 申请人:张海波