具有无源功率因数校正的电子镇流器的制造方法
【专利摘要】本公开涉及具有无源功率因数校正的电子镇流器。用于驱动气体放电灯的镇流器电路包括：整流电路；耦合于该整流电路的输出的无源PFC电路，以及耦合于该整流电路的该输出的逆变器。该逆变器配置成输出高频灯电力来驱动气体放电灯，并且气体放电灯的返回耦合于无源PFC电路的公共充电节点。
【专利说明】具有无源功率因数校正的电子镇流器
【技术领域】
[0001]公开的实施例的方面大体上涉及电气照明并且特别涉及具有功率因数校正的电子镇流器。
【背景技术】
[0002]气体放电灯属于一类电气照明或光发生装置，其通过使电流传递通过灯内的气体或蒸汽而产生光。蒸汽中的原子从电流吸收能量并且将吸收的能量作为光释放。较广泛使用的气体放电灯的类型中的一个是荧光灯，其常常在办公楼和家中使用。荧光灯含有汞蒸汽，其原子在不可见的低波长紫外区中发射光。紫外辐射由设置在灯管内部上的磷吸收，从而使磷发光，由此产生可见光。
[0003]荧光灯展现出称为负阻的现象，其是增加的电流流量使灯的电阻减小的状况。如果仅电压源用于驱动荧光灯，该负阻特性导致不稳定的状况，其中灯电流迅速增加到将损坏灯的水平。从而，需要从可以控制灯电流的电源驱动荧光灯。尽管使用直流电(DC)来驱动荧光灯是可能的，实际上，典型地使用交流电(AC)，因为其较容易供应得起并且较高效地控制灯电流。用于驱动荧光灯的电流控制电路大体上称为镇流器电路或“镇流器”。实际上，术语镇流器常常用于指整个荧光灯驱动电路，而不只是电流限制部分。
[0004]各种质量度量可用于评估镇流器电路的操作。功率因数表现为电路中流到负载的有功功率与输送的视在功率之间的比率。纯电阻性负载具有单位或一的功率因数。例如用于驱动气体放电灯的电子镇流器等非线性电路的效率不太高并且具有零与一之间的功率因数。较高的功率因数(即，较接近一的数字)代表较好的功率因数。
[0005]正弦输入电力的失真可以导致在基本电力频率上施加较高谐波频率。这些较高谐波从输入抽取能量而不向负载输送有用功率。测量电路的总谐波失真(THD)(通常表示为基本频率幅度的百分比)在较低的THD可取的情况下提供另一个有用的效率度量。
[0006]例如由镇流器电路中的不连续形成的电流尖峰等大的瞬变电流可能不利地影响气体放电灯的操作和寿命。这些瞬变电流的度量是峰值电流与平均电流的比率并且称为电流波峰因数或就是波峰因数(CF)，其中较低的CF较可取。
[0007]早期的气体放电照明组件使用磁性镇流器电路来控制灯电流。然而，与期望的相t匕，这些电路通常尺寸大、成本高并且具有较低的效率。随着对高效且紧凑的照明产品的需求的增长，例如在住宅照明应用中广泛使用的紧凑型荧光灯(CFL)，不同的电子镇流器拓扑被引入并且正逐渐取代较旧款的磁性镇流器。可以使用具有两个或三个功率级(通常包括一个或两个开关调节器级)的多级电子镇流器拓扑，其具有良好效果但可能设计复杂并且具有较高的成本。这些配置典型地具有独立的开关调节器级，用于提供有源功率因数校正，以及具有谐振逆变器级来产生灯电力。PFC级可集成到逆变器级来降低成本，但所得的镇流器具有比期望的THD高的THD。另一个方法是在全波整流器和逆变器之间包括填谷电路用于提供无源PFC。遗憾地，该方法也产生比期望的THD高的THD并且可能具有高的CF，其不利地影响灯寿命。[0008]图1图示现有技术的镇流器电路，其大体上由数字100指示。该镇流器电路100在输入端102处接收AC输入电力。整流电路104将来自本地电力网的AC输入电力(典型地，50-60赫兹、110-240伏电力)转换成DC母线电压VBUS，其典型地包括全波整流正弦波信号。逆变器(例如高频自振荡谐振逆变器)接收DC VBUS电压并且产生用于对气体放电灯110供电的高频AC灯电压VLAMP。整流电路104包括采用全桥配置而设置的四个二极管D101、D102、D103和D104，用于将输入端102处的AC电力转换成DC VBUS电力。填谷(VF)电路106用于提高镇流器电路100的总功率因数。填谷(VF)电路是用于填充全波整流正弦电压波形中的谷的一类电荷存储电路并且有时包括在镇流器电路中来提供无源PFC。在使用中存在多种不同的VF电路配置。在图1中示出的VF电路106是最早期电路中的一个并且为了便于理解而在这里呈现。VF电路106包括电路分支，其形成为具有三个串联连接的部件:电容器ClOl ;充电二极管D106 ;和在正VBUS轨112和负VBUS轨114之间连接的第二电容器C102。二极管D105使电容器ClOl连接到负VBUS轨114并且二极管D107使电容器C102连接到正VBUS轨112。全波整流VBUS信号主要是全波整流正弦曲线，其可以描述为一系列峰和谷，这些峰是电压接近其最大值(从正弦输入电压周期大约30°至150°以及210°至330° )的时段并且这些谷是在电压小于峰值电压的大约一半的峰之间的时段(从正弦输入电压周期大约0°至30°和150至210°以及330°至360° )。在VBUS信号中的峰期间，电容器C101、C102通过充电二极管D106而串联充电。在谷期间，电容器ClOl和C102分别通过二极管D105和D107放电，由此防止VBUS电压降到峰值VBUS电压的大约一半以下。自大约30°至150°以及然后自210°至330°从输入电力抽取电流。自大约150°至210°以及从330°至360°没有抽取电流，并且然后周期重复。插入二极管D106来防止C102经由ClOl放电。输入电流中的这些不连续在电流波形中形成高的谐波分量，从而导致比期望的总谐波失真(THD)高出33%以上。产生的THD在IEC (InternationalElectrotechnical Commission,国际电工委员会)设置的极限以上。在图示的镇流器100中，每当VBUS电压接近其峰值时，将对电容器C101、C102充电，由此在电流波形中形成大的尖峰。这些尖峰导致大的CF并且将不利地影响灯110，如上文描述的。
[0009]因此，提供解决上文指出的问题中至少一些问题的灯镇流器，这将是可取的。
【发明内容】
[0010]如本文描述的，示范性实施例克服上文的缺点或本领域内已知的其他缺点中的一个或多个。
[0011]示范性实施例的一个方面涉及用于驱动一个或多个气体放电灯的镇流器电路。在一个实施例中，该镇流器电路包括整流电路、耦合于该整流电路的输出的无源PFC电路以及耦合于该整流电路的该输出的逆变器。该逆变器配置成输出高频灯电力，并且气体放电灯的返回耦合于无源PFC电路的公共充电节点。
[0012]示范性实施例的另一个方面涉及用于驱动气体放电灯的镇流器电路。在一个实施例中，该镇流器电路包括整流/PFC电路和耦合于该整流/PFC电路的逆变器。该逆变器配置成输出高频灯电力，并且气体放电灯的返回耦合于该整流/PFC电路的供应。
[0013]示范性实施例的另一个方面涉及电气照明设备。在一个实施例中，该电气照明设备包括整流/PFC电路、耦合于该整流/PFC电路的逆变器和耦合于该逆变器的气体放电灯。该逆变器配置成输出高频灯电力，并且气体放电灯的返回耦合于该整流/PFC电路的供应。
[0014]示范性实施例的这些和其他方面与优势将从与附图结合考虑的下列详细说明变得明显。然而，要理解图仅设计用于图示目的并且不作为本发明的限制的限定，本发明的限制应该参考附上的权利要求。本发明的另外的方面和优势将在之后的说明中阐述，并且部分将从说明中显而易见，或可通过本发明的实践而获悉。此外，本发明的方面和优势可通过在附上的权利要求中特别指出的工具和组合来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]附图图示本公开的目前优选的实施例，并且与上文给出的一般说明和下文给出的详细说明一起，起到解释本公开的原理的作用。如在整个图中示出的，类似的标号指示类似或对应的部件。
[0016]图1图示包含填谷电路的现有技术的电气照明设备。
[0017]图2图示包含本公开的方面的示范性照明设备，其具有无源PFC和来自灯的高频能量的反馈。
[0018]图3图示在图2中图示的示范性照明设备的输入电流和灯电流的曲线图。
[0019]图4图示包含本公开的方面的示范性照明设备的备选实施例。
[0020]图5图示包含本公开的方面的示范性照明设备，其具有无源PFC和来自灯的高能量对整流电路的反馈。
[0021]图6图示包含本公开的方面的具有扩大的输入滤波器和来自灯的高频能量进入该输入滤波器的反馈的示范性照明设备。
[0022]图7图示包含本公开的方面的具有扩大的输入滤波器和来自灯的高频能量直接对输入电力的反馈的示范性照明设备。
[0023]图8图示包含本公开的方面的具有备选类型的高频灯能量反馈的示范性照明设备。
[0024]图9图示包含本公开的方面的示范性照明设备，其包括自振荡谐振逆变器。
[0025]图10图示包含本公开的方面的示范性照明设备，其包括自振荡谐振逆变器和整流/PFC电路。
【具体实施方式】
[0026]现在参考图2，可以看到有具有改进的无源PFC的镇流器电路200的图示。图2的镇流器从例如本地电力网等适合的AC源接收输入电力Vl。输入滤波器230(其包括与该输入电力Vl串联连接的电感器L205和在该电感器L205的任一侧上与该输入电力Vl并联连接的两个电容器C210和C209)为镇流器电路200提供修整和保护。备选地，可有利地采用其他类型的输入滤波电路。由四个二极管0201、0202、0203、0204构造的全波桥式整流电路207在供应节点216 (其位于D201、D202之间)和返回节点218 (其位于二极管D203、D204之间)处接收修整的输入电力。在正弦AC输入电力Vl的正半周期期间二极管D201、D204导通，以及在正弦AC输入电力Vl的负半周期期间，二极管D202、D203导通，以在正VBUS轨112和负VBUS轨114处产生全波整流DC电力VBUS0 DC电力VBUS由逆变器208接收，该逆变器208产生高频(例如大约40至50千赫)灯电力VLAMP。在灯负载210的供应侧212和该灯负载的返回侧214处将该灯电力VLAMP提供给该灯负载210。应该注意，按照常规和为便于理解，在本文中使用术语正、负、供应和返回并且不意在暗示流动的任何严格方向或以任何方式限制公开的实施例。术语供应大体上用于描述在施加正电势时具有正电流流动的部件或端子并且术语返回大体上用于在施加负电势时具有正电流流动的部件或端子。
[0027]镇流器电路200的功率因数校正由电荷存储电路206提供，电荷存储电路206也称为VF电路206，其包括两个大容量存储电容器C202、C206。两个二极管D206、D207串联地置于大容量存储电容器C202、C206之间以提供从正VBUS轨212通过电容器C206、通过两个二极管D206 D207并且通过C202到负VBUS轨214的充电路径来对存储电容器C202、C206充电。在VBUS电压中的峰期间，大容量存储电容器C206、C202每个充电至大约峰值VBUS电压的一半。当VBUS电压降到低于大容量存储电容器C206、C202中的每个上的电荷时，大容量存储电容器C206、C202每个将通过它们相应的放电二极管D205和D208放电，由此使VBUS电压保持在大约峰值VBUS电压的一半。如上文论述的，大容量存储电容器C206、C202可以防止二极管D201、D202、D203和D204在大容量存储电容器C206和C202放电时导通，由此形成不连续，如果留下该不连续使得未被补偿则可能形成高THD。大容量存储电容器C206、C202的充电具有形成电流尖峰(其使CF增加)的可能性。在一个实施例中，为了使CF降低，电容器C207跨VBUS轨112、114并联连接并且第二对电容器C204、C203在灯返回214和正VBUS轨112之间串联连接，其中这两个电容器C204、C203之间的中心节点220连接到填谷电路206的两个充电二极管D206、D207之间的中心节点220。另外，反馈电容器C205在节点218处将能量从灯返回侧214带回到全波桥式整流器207。该设置导致镇流器性能大大提高，如在表1中示出的，其中镇流器200用具有大约62瓦的输入功率(Pin)从60赫兹的大约230伏的输入电压VIN驱动两个28瓦灯。逆变器输出VLAMP具有在大约43千赫兹的大约170毫安的灯电流。镇流器200展现出1.61的波峰因数(其中低于2的波峰因数是可取的)、大约13%的THD以及大约0.98的功率因数(PF)。所得的电流波形在图3中示出的曲线图中图示。上段曲线图300示出从输入电力Vl抽取的电流，其具有在垂直轴上的幅值和沿水平轴的时间。曲线图300中的垂直轴示出以安培计的电流，其中每个分度代表200毫安并且水平轴示出时`间，其中每个分度代表5毫秒。下段曲线图301示出流过灯负载210的电流，其具有垂直轴上的幅值和沿水平轴的时间。曲线图300中的垂直轴示出以安培计的电流，其中每个分度代表100毫安并且水平轴示出时间，其中每个分度代表5毫秒。
【权利要求】
1.一种用于驱动气体放电灯的镇流器电路，所述镇流器电路包括: 整流电路； 无源PFC电路，其耦合于所述整流电路的输出；以及 逆变器，其耦合于所述PFC电路的输出，所述逆变器配置成输出高频灯电力来驱动所述气体放电灯； 其中所述气体放电灯的返回耦合于所述无源PFC电路的公共充电节点。
2.如权利要求1所述的镇流器电路，其中所述无源PFC电路包括: 串联连接的第一充电二极管和第二充电二极管，在第一充电二极管和第二充电二极管之间形成公共充电节点； 第一存储电容器，其耦合于所述第一充电二极管和所述整流电路的正输出之间； 第二存储电容器，其耦合于所述第二充电二极管和所述整流电路的负输出之间； 第一放电二极管，其稱合于所述第一存储电容器和所述整流电路的负输出之间； 第二放电二极管，其耦合于所述第二存储电容器和所述整流电路的正输出之间； 电容器，其耦合于所述公共充电节点和所述整流电路的正输出之间；以及 反馈电容器，其耦合于所述公共充电节点和所述整流电路的供应之间。
3.如权利要求2所述的镇流器电路，其进一步包括与所述第二放电二极管并联耦合的滤波电容器。
4.如权利要求2所述的镇流器电路`，其中所述反馈电容器耦合于所述公共充电节点和所述整流电路的返回之间并且电容器串联耦合于所述气体放电灯的返回和所述公共充电节点之间。
5.如权利要求2所述的镇流器电路，其中所述反馈电容器耦合于所述公共充电节点和滤波器供应端之间。
6.如权利要求2所述的镇流器电路，其中所述反馈电容器耦合于所述公共充电节点和滤波器返回端之间。
7.如权利要求1所述的镇流器电路，其进一步包括耦合于AC输入电力和所述整流电路之间的滤波电路。
8.如权利要求7所述的镇流器电路，其中所述滤波电路包括耦合于所述整流电路的供应和返回之间的第一电容器、耦合于整流电路供应和公共滤波器节点之间的第一电感器、耦合于公共滤波器节点和整流电路返回之间的第二电容器、耦合于公共滤波器节点和滤波器输入端之间的第二电感器以及耦合于整流器返回和滤波器返回端之间的第三电感器，其中滤波器供应和返回端配置成接收所述AC输入电压，并且其中所述反馈电容器耦合于所述公共充电节点和公共滤波器节点之间。
9.如权利要求1所述的镇流器电路，其中所述逆变器是自振荡谐振逆变器，其包括半桥逆变器电路和谐振回路电路。
10.如权利要求1所述的镇流器电路，其进一步包括跨所述整流电路的正和负输出端率禹合的电容器。
11.一种用于驱动气体放电灯的镇流器电路，所述镇流器电路包括: 整流/PFC电路；以及 逆变器，其耦合于所述整流/PFC电路，所述逆变器配置成输出高频灯电力；并且所述气体放电灯的返回耦合于所述整流/PFC电路的供应。
12.如权利要求11所述的镇流器电路，其中所述整流/PFC电路包括: 第一返回二极管，其耦合于所述整流/PFC电路的返回和正整流/PFC输出之间； 第二返回二极管，其耦合于所述整流/PFC电路返回和负整流/PFC输出之间； 第一和第二供应二极管，其串联耦合于所述整流/PFC电路的供应和正整流器输出之间； 第一存储电容器，其与所述第一供应二极管并联耦合； 第三和第四供应二极管，其串联耦合于整流/PFC供应和负整流/PFC输出端之间； 第二存储电容器，其与第四供应二极管并联耦合；以及 第三存储电容器，其与第三供应二极管并联耦合。
13.如权利要求12所述的镇流器电路，其进一步包括滤波电路，所述滤波电路耦合于所述整流/PFC电路的供应和返回，其中所述滤波电路配置成接收AC输入电力。
14.如权利要求11所述的镇流器电路，其中所述逆变器是自振荡谐振逆变器，其包括半桥逆变器和谐振回路电路。
15.如权利要求11所述的镇流器电路，其进一步包括耦合于正和负整流/PFC电路输出之间的平滑电容器。
16.—种电气照明设备,所`述设备包括: 整流/PFC电路； 逆变器，其耦合于所述整流/PFC电路；以及 气体放电灯，其耦合于所述逆变器，所述逆变器配置成输送高频灯电力给所述气体放电灯，并且 所述气体放电灯的返回耦合于所述整流/PFC电路的供应。
17.如权利要求16所述的电气照明设备，其中所述整流/PFC电路包括: 第一和第二返回二极管，其串联耦合于正和负整流/PFC电路输出之间，所述第一和第二返回二极管在它们之间形成整流/PFC电路返回； 第一和第二供应二极管，其串联耦合于所述整流/PFC电路的供应和正整流/PFC电路输出之间； 第一存储电容器，其与所述第一供应二极管并联耦合； 第三和第四供应二极管，其串联耦合于整流/PFC供应和负整流/PFC输出之间； 第二存储电容器，其与所述第四供应二极管并联耦合；以及 第三存储电容器，其与所述第三供应二极管并联耦合。
18.如权利要求17所述的电气照明设备，其进一步包括耦合于所述整流/PFC电路的正和负输出之间的平滑电容器。
19.如权利要求18所述的电气照明设备，其进一步包括耦合于所述整流/PFC电路的供应和返回的滤波电路，其中所述滤波电路配置成接收AC输入电力。
20.如权利要求16所述的镇流器电路，其中所述逆变器是自振荡谐振逆变器，其包括半桥逆变器电路和谐振回路电路。
【文档编号】H05B41/26GK103874306SQ201210529878
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月11日 优先权日:2012年12月11日
【发明者】胡秀江, 崔俊国, 毛竹 申请人:通用电气公司