专利名称：用于电子镇流器的输出短路保护的制作方法
技术领域：
以下涉及电子镇流器。它与高强度放电灯(HID)结合得到特定应用， 并且将用对其的特定引用来描述。然而，要认识到，以下还可符合如荧光灯 等的其他电镇流灯。
背景技术：
镇流器是用于提供功率给如电放电灯的负载并调整其电流的电气设备。 镇流器提供高电压以启动灯，导致开始电弧形成过程的气体电离。 一旦建立 电弧，镇流器就通过提供适当的受控电流给灯，以便允许灯继续运行。
典型地，低频方波镇流器包括三阶段功率转换处理。首先，在阶段l， AC功率线电压被整流和滤波。在中间阶段2，通过降压转换器将DC电压转 换为DC电流。在阶段3，通过包括如MOSFET的开关的换流器将DC电流 换流为AC电流，以驱动激励灯的谐振电路。
当刚被点亮后灯是冷的时，灯的特性在于低阻抗。在此情形，灯实际处 于短路，例如，灯各端子之间的电压大约为20V。典型地，换流器在灯点亮 之前开始运行，例如，换流器的输出端在点亮之前开路。当灯点亮时，灯的 阻抗快速降到其稳态值的大约5%。当气体温度在全电弧模式下增长时，灯 电压增长，直到其达到稳态电压。如果例如作为错误镇流器安装处理的结果 换流器的输出短路，则换流器MOSFET开关可能过热，并且还热压迫阶段2 的降压转换器的开关。
防止开关过热的一个方法是使用散热片。然而，这样的散热片庞大并且 占用镇流器空间太多。另一个方法是使用各热管理技术之一。然而，各热管 理技术是复杂且昂贵的。
本申请构想了克服上述问题和其他问题的新的方法和装置。
发明内容
按照一个方面，公开了一种用于操作灯的连续模式电子镇流器。降压转 换器被配置来在降压转换器输出生成直流电流(DC)总线电压。换流器电路可
操作地耦合到降压转换器输出，并且被配置接收DC电压，并且该DC电压 转换为AC电压以驱动灯。短路保护电路可操作地耦合到降压转换器输出以 读出DC总线电压，比较读出的DC电压和预定阈值，并且基于该比较，关 闭换流器电路。
图l是镇流器的示意图示；
图2是镇流器的细节部分的示意图示；
图3是镇流器的另一细节部分的示意图示；以及
图4是镇流器的另一细节部分的示意图示。
具体实施例方式
参照图1，电子镇流器10包括将交流(AC)电压转换为直流(DC)电 压的整流电路12。整流电路12经由正电压端16和中性端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连接到作为到直流(DC)电压转 换器的直流(DC)电压的降压转换器20。滤波电容器或多个电容器22跨接 降压转换器20的正极和接地输入端30和32。降压转换器20的正极和负极 输出端34和36耦合到换流器电路44的输入线38和40。换流器电路44将 DC转换为AC。振幅因数减小电路46耦合到降压转换器正极输出端34和接 地，以检测换流器DC总线上的电压改变的增加率，并关闭降压转换器20 一段时间以减少降压转换器输出电流，如下详细描述。功率控制电路48耦 合到降压转换器正极输入端30和接地，以控制降压转换器操作，并且耦合 到测量流到降压转换器20中的电流量的读出电阻器。这两个信号一起确定 多少功率流到降压转换器中，最终调整流到灯中的功率量。波紋^r测电路50 耦合到降压转换器正极输入端30和接地以读出DC电压中的AC分量。由于 全波整流器12, AC分量是功率线频率的两倍。功率控制电路48衰减读出 的AC电压，使得波紋电压实质上减少，如下详细描述的。短路保护电路52 耦合到降压转换器正极输出端34和接地以检测低压，并且当灯电压低于预 定阈值时关闭换流器电路44，如下详细描述的。换流器电路44连接到输出
电路56,该换流器电路44典型地包括电感器和绕组以脉冲启动灯。输出电 路56连接到第一和第二负载端或电极58和60以驱动如HID灯、焚光灯或 由电子镇流器操作的任何其他灯的负载62。
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PN L6562。降压控制器64接通和关断 可控导通的第一或降压开关66。功率经由电阻器70从正极端30提供到降压 控制器引脚。当第一开关66接通时，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。功率传送到降压转换器输出端34和36。在第一 电感器74中建立电流。与第一或降压空转(freewheeling) 二极管78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的电流反向。第一二极管78变为前 向偏压。第一电感器74和第一电容器76中存储的能量传送到降压转换器输 出端34和36。通过改变第一开关66的占空因数(duty cycle)获得输出电 压调整。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以及与降压转换器输入电流Is成比例的信号。通过调整如下所述由功率控 制电路48提供的设置点SP,读出电压信号Vs可用于控制灯62的功率以跟 踪设置点SP。当功率线电压改变时，电压读出信号Vs帮助调整施加到灯的 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的输出电压信号V。表示总线电流Is的平 均值，并且与提供给灯62的实际输出功率成比例。
误差放大器90经由包括串联连接的电阻器96和97的电阻分压器94, 在误差放大器输入端92接收输出电压信号V。，并且确定输出电压信号V。 和设置点电压信号SP之间的差。电容器98与电阻器96和97串联连接。二 极管99连接在端子92和地之间。
设置点电压信号S:P由设置点放大器100经由设置点放大器输出线101 和电阻器102提供。更具体地，设置点放大器IOO通过电阻器106，经由第 一设置点放大器输入线104接收电压信号Vb作为输入。基准电压信号Vr經 由第二设置点放大器输入线108提供给设置点放大器100。通过釆用来自输 入DC电压Vb的反馈，设置点电压信号SP根据实际输入线电压Vb调节， 以减少灯62的操作电压的变化。降压控制器64的控制电压信号Vx从设置 点电压信号SP得出，并且经由线114从包括串联连接的电阻器118和119
的电阻分压器116提供给降压控制器倍增器(multiplier) 113的输入112。
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,该 误差信号与输出电压信号V。和设置点电压信号SP之间确定的差成比例。放 大误差信号Vc或误差放大器输出经由包括串联连接的电阻器126和128的 电阻分压器124提供给降压控制器64的换流输入引脚122。放大误差信号 Vc还经由电阻器126和128提供给降压控制器64的补偿输入引脚130。补 偿网络131放置在换流和补偿引脚122和130之间，以实现电压控制回路的 稳定性并确保高功率因数。
降压开关64的电压输出132输出脉宽调制信号VPWM。脉宽调制信号经 由电阻器134提供给降压开关66。比较器非换流输入136从串联连接到降压 开关66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的导通段流过降压开关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Vx确定的内部基准电压信号比较。当电压信 号VpwM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的峰值电流，其确立 多少电流馈送到换流器44中。
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34和36,用于将由降压转换器20提供的DC电压换流为AC电压，并且 提供AC电流以驱动灯62。换流器44包括第一和第二驱动器180和182， 如例如由ST电子制造的PNL6269A。每个驱动器180和182包括相应对的 第一低侧和高侧緩冲器以及第二低侧和高侧緩冲器188、 190、 192和194。 第 一下部开关196和上部开关198每个通过各自的电阻器200和202连接到 相应的第一低侧缓沖器188和高侧緩沖器190。第二下部开关204和上部开 关206每个通过各自的电阻器208和210连接到相应的第二低侧緩冲器192 和高侧緩冲器194。
每个緩冲器对以互补方式驱动相应的第一下部开关196和上部开关198 和第二下部开关204和上部开关206。第一下部开关和上部开关以及第二下 部开关和上部开关196、 198、 204和206是可控导通i殳备，如例如MOSFET。 第一下部开关196串联连接到与第一高侧緩冲器190连接的第一上部开关 198。第二下部开关204串联连接到与第二高侧緩冲器194连接的第二上部 开关206。当第一下部开关196和第二第开关204接通时，提供功率到相应的第一高侧緩冲器190和第二高侧緩冲器194。当第一下部开关196和第二 下部开关204关断时，通过相应的第一侧充电电容器220和第二侧充电电容 器222提供功率到第一高侧緩冲器190和第二高侧緩冲器194。第一下部开 关196和第二下部开关204以及第一上部开关198和第二上部开关206交替
到第 一驱动器180和第二驱动器182的转换器总线电压Vs经由端34通 过功率线电阻器224提供到相应的第一功率引脚230和第二功率引脚232。 电阻器224与相应的第一电解存储电容器234和第二电解存储电容器236串 联连接。电阻器224提供初始功率给驱动器180和182。电容器234和236 经由端子34，通过电阻器224和DC总线充电。当第一功率引脚230的电压 超过驱动器180和182的低压锁定电压时，第二驱动器182的振荡器开始操 作。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引脚 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引 脚256。振荡器定时电阻器250和振荡器定时电容器254协作确定第二驱动 器182的振荡频率。电阻器258连接在第二驱动器182的振荡器输出和电容 器259之间。电容器259和电阻器258提供稍微的延迟，以防止第一驱动器 180的低侧缓沖器188和高侧緩冲器190同时导通，因此防止第一低侧开关 196和上侧开关198同时接通。这防止DC总线被第一下部开关196和第一 上部开关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 将灯62操作的频率设置如大约130 Hz，这是实质上比降压阶段的切换频率 低的频率。第一緩冲器电容器260和第二緩冲器电容器262并联连接到相应 的第一下部开关196和第二下部开关204以允许换流器44以零电压切换操 作。
第一电感器264互耦到第二电感器265。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连接到第一上部开关198和第二上部开 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并联连接到第一电感器264和第二电 感器265。电容器276并联连接到灯输出58和60。输出电路56的元件协作 点亮灯62并且提供初始预热电流并且在正常灯操作期间预定交流电压。电 感器264还衰减从之前的降压阶段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，以检测转换器总线电压Vs,并且当检测到如大约20V 的低压情况时关断换流器44。尽管为了筒化仅示出第一驱动器182，但是预 期到短路保护电路52以类似方式控制第一驱动器182和第二驱动器184。当 灯62被点亮后紧接着冷却时，灯62的特性在于低阻抗。在此情形，灯62 实际处于短路，例如，灯端子58和60之间的电压可能大约为20V。典型地， 换流器44在灯62点亮之前开始运行，例如，换流器的输出端在点亮之前打 开。当灯点亮时，灯的阻抗快速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。当气体温度在全电弧模式下增长 时，灯电压增长，直到其达到稳态电压。如果例如作为错误镇流器安装处理 的结果换流器44的输出短路，则第一下部开关和上部开关以及第二下部开 关和上部开关196、 198、 204和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检测低压，例如，小于20V的电压，并且 关断换流器44，由此减轻引起开关66、 196、 198、 204和206过热的短路效 应。换流器通过短路驱动器180和182的供应电压管脚230和232而关断。
更具体地，短路保护电路52包括锁存器280,该锁存器280包括第一锁 存器晶体管282和第二锁存器晶体管284。锁存器280读出转换器总线电压 Vs,该转换器总线电压经由功率线电阻器224提供给锁存器280。
在正常灯操作期间，第一驱动器180和第二驱动器182驱动下部开关和 上部开关196、 198、 204和206。如果转换器总线电压Vs降到如15V或20V 的预定阈值之下，则电流从第一锁存器晶体管282的基极286汲取。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。当电流从第一晶体管基极 286汲取时，电流还从第二晶体管基极288汲取。锁存器280被触发。例如， 第一锁存器晶体管282和第二锁存器晶体管284经由再生处理导通。
当在导通时，第一锁存器晶体管282和第二锁存器晶体管284放电第一 存储电容器234和第二存储电容器236的能量，导致第一驱动器180和第二 驱动器182的低压锁定电路接合，由此关断换流器44。当存储电容器234 和236几乎充分放电到大约1V或2V时，锁存器280打开。因为换流器正 被关断，所以此时的转换器总线电压Vs为高电压，并且存储电容器234和 236经由功率线电阻器224充电。当存储电容器234和236充电到第一驱动
器180和第二驱动器182激活的电压(大约8到9V)时，驱动器182和184 4^通并且开始操作开关196、 198、 204和206, >^人而导致转换器总线电压Vs 放电到输出短路中或导致转向器总线电压Vs降到低于15V或20V以下的低 阻抗。锁存处理重复，关断换流器44和保护开关66、 196、 198、 204和206。 该处理的占空因数实质上通过其花费多久来通过功率线电阻器224充电存储 电容器234和236来确定。在一个实施例中，短路保护电路52具有非常短 的占空因数。在这样的电路中，在此情况下换流器的接通时间与处理时段相 比非常短。当短路被移除时，换流器重启。灯的点亮、预热和稳态控制的处 理恢复。
在第二晶体管基极288和接地之间连接的电阻器290确定电流电平以切 断(trip )锁存器280。电容器292和294通过用作低通滤波器帮助减轻错误 触发。电阻器296与存储电容器234和236串联连接，以限制到锁存器280 的电流。在一个实施例中，二极管298与存储电容器234和236并联连接， 以防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，振幅因数减小电路46检测转换器总线的电压改变率。更 具体地，当在换流器的转变间隔期间读出电压Vs增加时，脉冲被施加到与 降压转换器正极端34耦合的电容器300。耦合到晶体管302的基极的电容器 300接通晶体管302。晶体管302经由电阻器304在降压转换器控制器引脚 112使控制电压信号Vx脉冲化为几乎零伏，因此在电压实质上上升之前消隐 降压转换器20的电压设置点。如果在降压转换器20的输出没有出现向正极 的转变，即，没有转换器总线电压Vs的向正极的转变，则晶体管302不导 通。转换器总线电压Vs保持不被打扰，因此提供需要的设置点电压给降压 转换器20,以实现正确的输出电流。电阻器306和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的转变间隔消隐或调制降压转换器控制器引脚 112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， 由此减少提供给换流器44的电流，直到换流器的转变结束。例如，在电流 实质上改变之前检测到电流改变的较高速率。这极大减小了降压转换器输出 电压的过冲(overshoot),由此实质上减小了从大约l.O到大约1.5的灯电流 振幅因数。 波紋检测电路50测量转换的DC电压中的AC分量。如上所述，设置点 放大器IOO接收输入电压信号Vb,其和提供的基准电压信号Vr—起碌定降 压转换器20的电压设置点SP,并且随后确定有多少功率从DC总线汲取。 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并联连接。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和设置点;改大器IOO协作以测 量输入DC电压Vb中的AC分量，并在降压转换器控制器引脚112经由控制 电压信号Vx调制降压转换器控制器64，使得用于丢弃DC电压的AC分量 的调制的正确的电平和相位提供给降压转换器控制器64。以此方式，测量和 衰减AC分量。
已经参照优选实施例描述了本应用。显而易见，在阅读和理解前面的详 细描述后对其他人将出现修改和更改。本应用意图解释为包括所有这样的修 改和更改。
权利要求
1.一种用于操作灯的连续模式电子镇流器，包括降压转换器，其被配置为在降压转换器输出生成直流(DC)总线电压；可操作地耦合到降压转换器输出的换流器电路，其被配置为接收生成的DC电压并且将DC电压转换为交流(AC)电压以驱动灯；短路保护电路，其可操作地耦合到降压转换器输出以读出DC总线电压，比较读出的DC电压和预定阈值，并且基于该比较，关闭换流器电路。
2. 如权利要求1所述的镇流器，还包括功率线电阻器，其可操作地耦合到降压转换器输出，并且其接收DC总 线电压；以及可操作地耦合到功率线电阻和换流器电路的存储电容器，该存储电容器 通过功率线电阻器累积电荷，并且在灯初始点亮之后提供功率给换流器电路。
3. 如权利要求2所述的镇流器，其中短路保护电路包括 可操作地耦合到存储电容器的锁存器，该锁存器在读出的电压小于预定阈值时处于"导通"状态，并且该锁存器放电存储电容器并且关断该换流器 电路。
4. 如权利要求3所述的镇流器，其中该锁存器包括 第一晶体管，其包括可操作地连接到功率线电阻器的基极，其中在该读出的电压小于预定阈 值时，从第一晶体管基极汲取电流。
5. 如权利要求4所述的镇流器，其中该锁存器还包括 第二晶体管，其包括可操作地连接到第一晶体管的基极的集电极；以及可操作地连接到第 一晶体管的集电极的基极，其中在读出的电压小于预 定阈值时从第二晶体管基极汲取电流，并且第一和第二晶体管协作来放电该 存储电容器。
6. 如权利要求3所述的镇流器，其中在存储电容器充分放电时锁存器停 止导通。
7. 如权利要求6所述的镇流器，其中一旦锁存器停止导通功率线电阻器 就恢复充电存储电容器，使得存储电容器重启换流器电路。
8. 如权利要求3所述的镇流器，其中短路保护电路还包括 可操作地串联连接到存储电容器的电阻器，以限制到锁存器的电流。
9. 如权利要求2所述的镇流器，其中短路保护电路包括 可操作地耦合到存储电容器的锁存器，其中在读出的电压小于预定阈值时，功率线电阻和锁存器协作来便利存储电容器的放电，并且关断该换流器 电路。
10. 如权利要求9所述的镇流器，其中功率线电阻器、存储电容器和锁 存器在关断之后协作来重启换流器电路。
11. 一种用于操作灯的连续模式电子镇流器，包括 降压转换器，其被配置来在降压转换器输出生成DC总线电压； 可操作地耦合到降压转换器输出的换流器电路，其^L配置来接收生成的DC电压，并且将该DC电压转换为AC电压以驱动灯；以及包括锁存器的短路保护电路，其可操作地耦合到降压转换器输出，并且 其读出DC总线电压，比较读出的电压和预定阈值，并且基于该比较，关闭 换流器电路。
12. 如权利要求11所述的镇流器，还包括功率线电阻器，其可操作地耦合到降压转换器输出，并且其接收生成的 DC总线电压；以及可操作地耦合到功率线电阻和锁存器的存储电容器，该存储电容器通过 功率线电阻器存储电荷，并且在灯初始点亮之后提供功率给换流器电路。
13. 如权利要求12所述的镇流器，其中该锁存器在读出的电压小于预定 阈值时处于"导通，，状态，并且放电存储电容器，在存储电容器被充分放电 时，关断该换流器电路。
14. 如权利要求13所述的镇流器，其中功率线电阻器在锁存器停止导通 时恢复充电存储电容器，并且其中存储电容器和锁存器协作来重启该换流器 电路。
15. 如权利要求12所述的镇流器，其中短路保护电路还包括 可操作地串联连接到存储电容器的电阻器，以限制到锁存器的电流。
16. 如权利要求12所述的镇流器，其中该锁存器包括 第一晶体管，其包括 可操作地连接到功率线电阻器的基极，其中在该读出的电压小于预定阈 值时，从第一晶体管基极汲取电流。
17. 如权利要求16所述的镇流器，其中该锁存器还包括 第二晶体管，其包括可操作地连接到第一晶体管的基极的集电极；以及可操作地连接到第 一晶体管的集电极的基极，其中在读出的电压小于预 定阈值时从第二晶体管基极汲取电流，并且第 一和第二晶体管协作来放电该 存储电容器。
18. 如权利要求17所述的镇流器，其中第一和第二晶体管在存储电容器 被充分放电时停止导通。
19. 如权利要求12所述的镇流器，其中锁存器可操作地连接到存储电容 器，并且其中功率线电阻器和锁存器在读出的电压小于预定阈值时协作来放 电存储电容器，并且在存储电容器被充分放电时，关断该换流器电路。
20. 如权利要求19所述的镇流器，其中功率线电阻器、存储电容器和锁 存器在关断之后协作来重启换流器电路。
全文摘要
连续模式电子镇流器操作灯。降压转换器被配置来在降压转换器输出生成直流电流(DC)总线电压。换流器电路可操作地耦合到降压转换器输出，并且被配置为接收DC电压，并且将该DC电压转换为AC电压以驱动灯。短路保护电路可操作地耦合到降压转换器输出以读出DC总线电压，比较读出的DC电压和预定阈值，并且基于该比较，关闭换流器电路。
文档编号H05B41/292GK101352107SQ200680049595
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