专利名称：镇流器的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及一种镇流器，该镇流器具有在额定镇流器负载条件下从公用电力线接收具有峰值的交流电流的输入端以及在镇流器输入端之间测得的镇流器输入等效阻抗ZIN，还包括具有等效阻抗Zeq的滤波器，该滤波器与镇流器的输入端相连，并包括滤波器输出端，具有磁芯的电感以及与滤波器的输出端和至少一部分电感相连的电容器，磁芯的基本特点是具有基本线性区和基本非线性区的B-H曲线，当处于B-H曲线的非线性区时，整个磁芯存在基本均匀的磁通密度，其中在额定镇流器负载条件下，当至少在交流电流的峰值时，磁芯工作于B-H曲线的非线性区。
本发明还涉及一种使镇流器工作的方法，该镇流器具有镇流器输入端，在镇流器输入端之间测得的镇流器输入等效阻抗ZIN，以及与镇流器的输人端相连、具有滤波器输出端和等效阻抗Zeq的滤波器，该方法包括以下步骤在镇流器输入端，在额定镇流器负载条件下从公用电力线接收具有峰值的交流电流；取出经滤波器的交流电流，滤波器还包括具有磁芯的电感和电容器，电容器与至少一部分电感以及滤波器输出端和镇流器的输入端中之一相连，磁芯的基本特点是具有基本线性区和基本非线性区的B-H曲线，当处于非线性区时，整个磁芯存在基本均匀的磁通密度；在额定镇流器负载条件下，当至少在交流电流的峰值时，使磁芯保持在B-H曲线的非线性区。
这种镇流器和这种方法从US4,672,522中已经知道。一般来说，镇流器中滤波器的功能是减小总谐波失真量。术语“总谐波失真”(THD)反映了电力线输送给镇流器的电流中存在的谐波失真量，并可以计算确定该量。众所周知电子镇流器得到含有许多谐波分量的线电流。在电子镇流器的前端提供滤波器，以便限制从电力线得到的谐波。
通过采用LC低通滤波器，许多常规的电子镇流器工作在大约14％至18％范围的THD中。近来不仅一般的公众而且民用工业都要求镇流器得到的线电流的THD小于10％。
为了得到这一较低的THD，常规的LC滤波器必须在牺牲效率即消耗大得多的功率的情况下，提高其低通衰减特性。
本发明的目的是提供一种改进的镇流器，利用该镇流器可以降低THD，同时保持相对高的镇流器效率，即基本不增加镇流器滤波器消耗的功率。
因此根据本发明，本说明书第一段中描述的镇流器的特征在于改变额定镇流器负载条件下的等效阻抗Zeq和镇流器输入阻抗ZIN之间的关系，使之满足下式0.5≤Zeq/ZIN≤1.5。
因此根据本发明，本说明书第二段中描述的方法的特征在于改变额定镇流器负载条件下的等效阻抗Zeq和镇流器输入阻抗ZIN之间的关系，使之满足下式0.5≤Zeq/ZIN≤1.5。
通过改变等效阻抗Zeq和镇流器输入阻抗ZIN之间的关系，并结合至少当处于交流电流的峰值时工作在B-H曲线的非线性区的电感磁芯，滤波器提供了充分的谐波衰减，以确保得到小于10％的可接受的THD，同时保持相对高的镇流器效率。具体地说，通过限制镇流器输入阻抗ZIN，使之不大于等效阻抗Zeq的两倍，将THD保持在可接受的水平。当镇流器输入阻抗ZIN接近等效阻抗Zeq时，THD持续下降。不仅在镇流器得到的交流电流的峰值，而且在接近这一峰值时，通过使磁芯工作在B-H曲线的非线性区而将镇流器的效率保持在相对高的水平。
最好电容器连接在镇流器输入端和滤波器输出端之间。另外，电容器也可以连接在电感的抽头以及滤波器输出端和镇流器输入端中之一之间。
在根据本发明的镇流器的一个最佳实施例中，另外的电感和电阻与电容器串联，以便进一步降低THD。
根据本发明的最佳方法，还包括通过使一部分谐波流经电容器而滤除谐波的步骤。
在附图中，
图1是根据本发明的镇流器的部分框图和部分电路结构；图2是图1的滤波器的电路结构，表示确定其等效阻抗所采取的措施；图3是在额定激励下研究的图1的滤波器中的变压器磁芯的B-H曲线；图4表示滤波器输出端短路时镇流器滤波器电感与流经电感的电流之间关系的点；图5表示在额定激励下THD与归一化的等效滤波器阻抗之间关系的点；以及图6表示在额定激励下滤波器阻抗消耗的功率与归一化的等效滤波器阻抗之间关系的点。
现在参照图1，镇流器10包括滤波器20、整流器30和逆变器40。标称电压为VL并向镇流器10输送线电流IL的公用电力线用AC电源11代表。电源11与镇流器10的一对输入端12和13相连。滤波器20的部分作用是去除从镇流器10到公用电力线的电磁干扰(EMI)。经滤波的AC信号通过一对滤波器输出端14和15提供给整流器30。一般是半桥或全桥的整流器30向逆变器40产生变化的DC信号。虽然在图1中未示出，但是通过任何已知的技术，如(但不限于此)倍压器、升压变换器等，整流器30产生的电压可以被升高，以便向逆变器40的输入端提供适合的相对稳定的DC电压。逆变器40可以是(但不限于此)电流馈送半桥型的，并在镇流器10的一对输出端18和19之间提供交流信号，为灯负载50提供电能。
滤波器20包括具有磁芯和一对电感L1和L2的互感器T。电感L1和L2一般是指分开的扼流圈或耦合电感。电感L1连接在镇流器输入端12和滤波器输出端14之间。电容器C1、电感L3和电阻R的串联组合也连接在镇流器输入端12和滤波器输出端14之间。该串联组合不是必须与镇流器输入端12相连。例如，部分地根据所需的衰减，可以与电感L1的抽头相连。因此，电容器C1应考虑与至少一部分电感L1和滤波器输出端14相连。电感L1和L2也可以设计成单一的一个电感，电容器C1、电感L3和电阻R的串联组合其一端与该单个电感的抽头相连，其另一端与滤波器输出端14相连。
连接在镇流器输入端13和滤波器输出端15之间的是电感L2。电容器C2的一端与电感L1、电阻R和滤波器输出端14的连接节点相连。电容器C2的另一端与电感L2和滤波器输出端15的连接节点相连。
电感L3与电容器C1一起，衰减部分从镇流器到AC电源11的EMI。电阻R用来减小由电感L3和电容器C2形成的谐振电路的Q值。
电容器C2和电感L1、L2被调谐到电力线电流IL的三次谐波。电感L1和电容器C1用来衰减更高的谐波。电容器C2还用来减慢由整流器30产生的方波中的过渡周期。滤波器20感受到的由整流器30产生的其它谐波也被电感L1滤除。
用于两个串联的40W、120V荧光灯的灯负载的典型的标称滤波器元件包括33欧姆、1/2W的电阻R；1.3微法的电容器C1；2.8微法的电容器C2；820微亨的电感L3和69W、120V、60Hz的互感器T。
现在参照图2，滤波器20的等效阻抗为Zeq＝Voc/Isc。电压Voc是滤波器输出端14和15之间的开路电压。电流Isc是输出端14和15之间流动的短路电流。AC电源11′是AC电源11的标称线电压VL的四分之一。
如图3所示，与滤波器20的分开的扼流圈/耦合电感相关的磁芯即与电感L1、L2相关的磁芯的基本特点在于具有基本线性区“a”和基本非线性区“b”的B-H曲线。如图4所示，设计电感L1和L2的电感量，使之在线电流IL的峰值处和该峰值附近工作于非线性区b。具体地说，当在额定镇流器负载条件下在交流线电流IL的峰值处时，磁芯工作在其非线性区中。因此最大限度地减小了额定镇流器负载条件下由磁芯消耗的功率。
图4所示的以毫亨为单位的电感与以毫安为单位的RMS线电流之间关系的点是基于元负载条件下，即不将灯负载50与镇流器10相连的条件下，120V的59W镇流器电感(即电感L1和L2的组合)。当流经电感的电流增长超过大约100毫安时，开始工作在B-H曲线的非线性区。
相反，具有分开的扼流圈/耦合电感的常规的镇流器滤波器当在额定镇流器负载条件下时，基本工作在相关的磁芯B-H曲线的线性区，而不是非线性区。结果导致常规滤波器中的不希望的功率损耗。
现在参照图5，该图表示电力线电流IL中THD与滤波器的归一化等效阻抗之间的关系的点。THD=ΣIn2/Il2]]>，其中I1是基频的电流IL的分量，n是大于1的整数，In是电流IL的谐波。换句话说，IL=I12+I22+···]]>。滤波器20的归一化的等效阻抗定义为Zeq/ZIN。
图5所示的THD与滤波器20的归一化等效阻抗之间的关系是基于额定值为69W的镇流器得出的，该镇流器具有磁芯体积大约为27.3cm3的互感器。为了保持大约16％或低于这一数值的THD，滤波器20的归一化等效阻抗等于或大于0.5。为了限制当电流IL增加时电感L1和L2引起的损耗，这一比值最好不大于1.5。如图6所示，对具有磁芯体积大约为27.3cm3的互感器的额定值为69W的镇流器而言，当归一化等效滤波器阻抗分别为0.5和1.5时，由电感L1和L2消耗的功率在大约3.2W至大约6W之间。
当至少在电流IL的峰值处或接近峰值处时，工作在与电感L1和L2相关的磁芯的B-H曲线的非线性区，改变额定镇流器负载条件下的等效阻抗Zeq和镇流器输入阻抗ZrN之间的关系，使之满足下式0.5≤Zeq/ZIN(归一化等效滤波器阻抗)。超过这一比值的所希望的上限，即大于1.5，将导致不能接受的与电感L1和L2有关的高的功率损耗。
通过将滤波器20的归一化等效阻抗限制在0.5至1.5之间(包括0.5和1.5)，达到THD和滤波器20消耗功率之间的平衡。通过提高归一化等效滤波器阻抗的最小值，可以进一步限制THD值，以便满足近来一些电力应用提出的10％或小于这一数值的要求。更具体地说，对69W额定值的镇流器而言，可以将归一化等效滤波器阻抗设为至少0.65但不大于1.5的值，这样THD可以保持在10％或小于这一数值。
在额定镇流器负载条件下将低THD和相对低的电感功率损耗结合部分地是根据(1)当接近和处于电流IL的峰值处，基本上使整个互感器磁芯工作在其非线性区之中，以及(2)耦合电容器C1处于至少一部分电感L1和滤波器输出端14之间。
现在可以很容易地理解，本发明提供了在可接受的功耗条件下由滤波器20滤除THD的方法和装置。具体地说，通过将滤波器20的归一化等效阻抗(Zeq/ZIN)保持为不小于0.5和不大于1.5，得到可接受的THD值。当THD保持在10％或小于这一数值时，滤波器20的归一化等效阻抗按要求增大到最小值0.5以上。
从以上描述可以清楚地看到本发明的目的，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下可对本发明进行各种修改，包括在上述描述中和附图中的内容只是为了说明的目的，而不是一种限制。
还应理解，以下的权利要求书旨在囊括上述发明的全部基本特征，对本发明范围的全部陈述都将包含在该权利要求中。
权利要求
1.一种镇流器，具有在额定镇流器负载条件下从公用电力线接收具有峰值的交流电流的输入端以及在镇流器输入端之间测得的镇流器输入等效阻抗ZIN，还包括具有等效阻抗Zeq的滤波器，该滤波器与镇流器的输入端相连，并包括滤波器输出端，具有磁芯的电感以及与滤波器的输出端和至少一部分电感相连的电容器，磁芯的基本特点是具有基本线性区和基本非线性区的B-H曲线，当处于B-H曲线的非线性区时，整个磁芯存在基本均匀的磁通密度，其中在额定镇流器负载条件下，当至少在交流电流的峰值时，磁芯工作于B-H曲线的非线性区，其特征在于等效阻抗Zeq和输入阻抗ZIN之间的关系满足下式0.5≤Zeq/ZIN≤1.5。
2.根据权利要求1的镇流器，其中电容器连接在镇流器的输入端和滤波器的输出端之间。
3.根据权利要求1的镇流器，还包括与电容器串联连接的另外的电感和电阻。
4.根据权利要求2的镇流器，还包括与电容器串联连接的另外的电感和电阻。
5.一种使镇流器工作的方法，该镇流器具有镇流器输入端，在镇流器输入端之间测得的镇流器输入等效阻抗ZIN，以及与镇流器的输入端相连、具有滤波器输出端和等效阻抗Zeq的滤波器，该方法包括以下步骤在镇流器输入端，在额定镇流器负载条件下从电力线接收具有峰值的交流电流；取出经滤波器的交流电流，滤波器还包括具有磁芯的电感和电容器，电容器与至少一部分电感以及滤波器输出端和镇流器的输入端中之一相连，磁芯的基本特点是具有基本线性区和基本非线性区的B-H曲线，当处于非线性区时，整个磁芯存在基本均匀的磁通密度；在额定镇流器负载条件下，当至少在交流电流的峰值时，使磁芯保持在B-H曲线的非线性区，其特征在于改变额定镇流器负载条件下的等效阻抗Zeq和镇流器输入阻抗ZIN之间的关系，使之满足下式0.5≤Zeq/ZIN≤1.5。
6.根据权利要求5的方法，还包括通过使一部分谐波流经电容器而滤除谐波的步骤。
全文摘要
一种镇流器滤波器，其中镇流器可以工作在电力线电流的总谐波失真(THD)小于10％的情况下。当THD小于10％时，滤波器损耗的功率相对较小。镇流器的输入阻抗设计成不大于前端滤波器的等效滤波器阻抗的两倍并不小于等效滤波器阻抗的1/1.5。滤波器包括具有磁芯的互感器，在额定镇流器负载条件下，它经常工作于B-H曲线的非线性区之中。
文档编号H05B41/28GK1140007SQ95191453
公开日1997年1月8日 申请日期1995年10月10日 优先权日1994年10月14日
发明者G·W·布卢宁, P·M·格拉兹基 申请人:菲利浦电子有限公司