专利名称：带有互补变换器开关的气体放电灯镇流器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体放电灯的镇流器电路，该电路包括用于向谐振负载电路提供交流电流的直流变交流的变换器，更具体地说涉及在直流变交流的变换器中采用一对互补开关的镇流器电路。
气体放电灯的镇流器电路包括用于向谐振负载电路提供交流电流的直流变交流的变换器，这种镇流器电路是已知的。通常这种电路在直流变交流的变换器中包括一对非互补开关。例如，一般采用一对相同的n沟道增强型MOSFET作为开关。每个这样的非互补MOSFET必须由单独的栅极—源极(或控制极)电压来控制。这需要电压转移来将单一的控制信号耦合到一对MOSFET的每个栅极—源极电压上。这种电压转移可以由变压器或常规的自举装置来实现。采用变压器的方法可以在高速下很好地运行，但是成本高且难于控制。通常由集成电路实现的自举装置具有很好的控制能力，但是不能在高速下工作。
因此，本发明的目的是提供一种克服了上述缺点的气体放电灯的镇流器电路。
本发明的一个目的是提供一种气体放电灯的镇流器电路，该电路包括直流变交流的变换器的一对开关，它能够有很好的控制能力，并能在高速下工作。
本发明的另一个目的是提供一种上述类型的镇流器电路，该电路适合于做在集成电路中。
上述目的是通过气体放电灯的镇流器电路实现的，该电路包括装入气体放电灯并具有谐振电感和谐振电容的谐振负载电路。直流变交流的变换器与谐振负载电路相连，用于在谐振负载电路中引起交流电流。变换器电路包括按次序串联在交流电压的总线导体和参考导体之间的第一和第二变换器开关，并且共同连接到交流负载电流流经的公共节点上。第一和第二变换器开关每个都包括一个控制节点和参考节点，这些节点之间的电压确定相关开关的导通状态。第一和第二变换器开关的各个控制节点是互连的，第一和第二变换器开关的各个参考节点在公共节点连接在一起。电压受限的能源连接在第一和第二节点之间。第一节点通过第一自举电容器与总线导体相连，第二节点通过第二自举电容器与参考导体相连。一个桥式网络连接在第一和第二节点之间，并具有上面施加了相应的第一和第二输入信号的第一和第二输入节点。第一和第二输出节点分别与所述公共节点和控制节点相连，以便控制所述变换器开关的开关状态。振荡器提供第一和第二输入信号。
第一和第二对栅极控制开关的连接使得第一和第二变换器开关至少在以下状态进行重复循环，这些状态分别是(1)导通和截止；(2)截止和已经截止，并且谐振电感的剩余能量使得能量通过能源从一个自举电容器向另一个自举电容器转移，从而向能源补充能量；(3)截止和导通；(4)已经截止和截止，并且谐振电感的剩余能量使得能量通过能源从另一个自举电容器向一个自举电容器转移，从而向能源补充能量。
从以下结合附图的描述中，本发明的上述目的、进一步的优点和其它特征将看得很清楚，其中
图1是本发明的气体放电灯的镇流器电路，一部分是框图形式，该电路在直流变交流的变换器中采用了互补开关；图2A和2B分别表示用于图1电路中的第一和第二输入信号φ1和φ2。
图1表示根据本发明的镇流器电路10。直流总线电压VBUS施加到相对于参考导体14的总线导体12上。参考导体14的电位不必是地电位，它可以是小于总线导体12的电位。如图所示，镇流器电路1O采用一对开关SN和SP来实现直流变交流。开关SN可以是n沟道增强型MOSFET，而开关SP可以是p沟道增强型MOSFET，因此它们是互补的。MOSFET开关SN和SP的源极在公共节点16互连，该节点交替地连接到总线导体12，然后连接到参考导体14，再回到总线导体12，等等。如果需要，可以采用其它的源极—源极相连的MOSFET对，或相应的双极型结晶体管。
变换器开关SN和SP向由谐振电感LR和谐振电容CR组成的谐振负载电路提供交流电流，谐振电容CR与例如是荧光灯的灯18并联。变换器开关SN和SP轮流由桥式网络22控制，桥式网络22最好漏极相连的互补导电型MOSFET构成，它控制变换器开关的栅极。
具体地说，桥式网络22可以包括第一对MOSFET，用P1和N1表示，分别代表p沟道和n沟道增强型MOSFET；以及第二对MOSFET，用P2和N2表示，分别代表p沟道和n沟道增强型MOSFET。从图1可以看到，每一对P1和N1以及P2和N2的MOSFET具有相互连接的漏极和相互连接的栅极。P1和N1的漏极与桥式网络22的第一输出节点24相连，该节点24又与公共节点16相连；这一对的栅极与桥式网络22的第一输入节点26相连。类似地，P2和N2的漏极与桥式网络22的第二输出节点28相连，该节点28又与变换器开关的公共控制节点29相连；这一对的栅极与桥式网络22的第二输入节点30相连。最好桥式网络22的对P1和N1以及P2和N2每个都包括漏极相连的CMOS晶体管。
通过例如一个非反相缓冲器32A，由振荡器32产生的第一输入信号施加到第一输入节点26；第一输入信号在振荡器32的方框中用φ1表示。通过例如一个非反相缓冲器32B，由振荡器32产生的第二输入信号施加到第二输入节点30；第二输入信号在振荡器32的方框中用φ2表示。下面将详细描述第一和第二输入信号。
根据本发明的一个方面，能源34向功率振荡器32提供能量，并通过缓冲器32A和32B向控制开关对P1和N1以及P2和N2提供所需的能量。如下面将要详细描述的那样，在变换器开关SN和SP的一定的操作模式期间，谐振电感LR中的剩余能量被用来补充进行提供能量时由能源34消耗的能量。能源34可以包括电容器36和齐纳二极管38。
简单地说，虚线框39内部的电路可以做在一个集成电路中，虚线框42中的变换器开关本身也可以以混合的或单一的形式做在同一集成电路中。
每个栅极控制开关对P1和N1以及P2和N2连接在上面的第一节点41和下面的第二节点42之间。第一自举电容器C1和偏流电阻44连接在第一节点41和总线导体12之间。第二自举电容器C2和偏流电阻46连接在第二节点42和参考导体14之间。
自举电容器C1和C2最好具有双重功能。一种功能是作为常规的缓冲电容器，以便使变换器开关SN和SP平滑地开关，这将显著地降低改变状态时开关中所消耗的能量。第二个功能是自举功能，来自谐振电感LR的剩余能量被用来改变自举电容器的充电状态，并向用于功率振荡器32和缓冲器32A和32B中的能源34补充能量。因此，自举电容器C1和C2要能够实现自举功能，这比仅实现缓冲功能的电容器要大。下面详细描述电容器的自举工作情况。
图2A和2B分别表示由图1的振荡器32产生的第一和第二输入信号φ1和φ2。这些信号在逻辑电平“1”(或高)和“0”(或低)之间变化，逻辑电平“1”例如可以是5伏。根据本发明，振荡器32(图1)提供输入信号对φ1-φ2，它们至少以四种所示状态0-0、1-1、0-1和1-0重复循环。这些状态在时间间隔T1、T2、T3和T4重复出现。从图2B可以看到，时间间隔T4以后，时间间隔T1再次开始。如果需要，在时间间隔T1-T4之间可以插入一个或多个其它的时间间隔，表示不同的输入信号对φ1-φ2。现在描述在每个时间间隔T1-T4期间图1的镇流器电路10的操作。
下表表明输入信号φ1和φ2的工作状态，以及桥式网络22的晶体管P1和N1以及P2和N2的导通状态。表之后描述变换器开关SN和SP的导通状态，以及电容器C1和C2的自举操作。
在时间间隔T1，变换器开关SN导通，变换器开关SP截止。在此期间，公共节点16与总线导体12相连，于是处于VBUS，该电压通过导通的开关N1施加到自举电容器C2上。图1中的电容器两端的电压从上到下。此外，总线电压VBUS施加到串联连接的电容器C1、36和C2上。电压V36是能源电容器36两端的从上到下的电压，于是上述电容器C1具有一般是-12伏的电压-V36，电容器36具有一般是12伏的电压V36，电容器C2具有VBUS。
在时间间隔T2，变换器开关SN截止，变换器开关SP象在时间间隔T1那样保持截止。谐振电感LR上的剩余能量使得电流从图1的左到右流经该电感，并向上流经第二自举电容器C2，流经此时导通的开关N1，然后回到谐振电感LR。同时，总线电压VBUS继续加到串联的电容器C1、36和C2上。结果，电容器C2上的电压从VBUS变到一般是-12伏的-V36，而电容器C1上的电压从一般是-12伏的-V36变到VBUS。在这一过程中，电荷通过能源电容器36从电容器C2转移到电容器C1。然而，来自电容器C2的一些电荷被电容器36保留，以便对能量振荡器32和缓冲器32A和32B中所用的能量进行补充。
在下面的时间间隔T3，变换器开关SN保持截止，变换器开关SP导通，串联的电容器C1、36和C2上的电压与时间间隔T2一样。
在时间间隔T4，变换器开关SN保持截止，变换器开关SP截止。在此期间谐振电感LR上的剩余能量使得电流从图1的右到左流经该电感。这时开关P1导通，来自谐振电感LR的电流从节点16流向节点24，并向上通过开关P1，经过自举电容器C1。具体地说，电容器C1上的电压从时间间隔T2时的VBUS变到一般是-12伏的-V36。由于总线电压VBUS加到串联的电容器C1、36和C2上，所以电容器C2上的电压从时间间隔T2时的一般是-12伏的-V36变到VBUS，而电容器V36保持在几乎恒定的电压(例如12伏)上。在电容器C2被充电到VBUS的过程中，电荷从电容器C1转移到电容器C2。来自电容器C1的一些电荷被能源电容器36吸收，以便对能量振荡器32和缓冲器32A和32B中所用的能量进行补充。
以上述方式，在一个变换器开关已经截止而另一个截止时的切换时间(例如T2、T4)期间，向能源34提供来自谐振电感LR的剩余能量。
为了产生图2所示的第一和第二信号φ1和φ2的波形，振荡器32包括常规的产生第一输入信号φ1的方波发生器，如在百分之50占空比方式下工作的555 IC时基电路。为了产生第二输入信号φ2，可以采用对第一信号φ1延迟的延迟电路，如R-C(电阻-电容)电路(未示出)，之后是施密特触发器使该信号成为方波。
图1的镇流器电路10的典型参数如下，其中荧光灯18是25瓦，直流总线电压是150伏谐振电感LR800毫亨谐振电容CR7.7纳法隔直电容20220纳法自举电容器C1和C2 每个680皮法偏置电阻44和46每个100千欧齐纳二极管38 12伏能源电容器361微法此外，变换器开关SN可以是由加利福尼亚的EL Segundo的国际整流器公司销售的IRF610n沟道增强型MOSFET；变换器开关SP可以是由国际整流器公司销售的IRF9610p沟道增强型MOSFET；栅极控制开关对P1和N1以及P2和N2，每个是如亚利桑那的Phoenix的Motorola销售的漏极相连的CMOS晶体管4000系列对，或由国际整流器公司销售的IRF9Z10-IRFZ10 CMOS对。最后，振荡器32所用的时间间隔T1、T2、T3和T4分别是6.5毫秒、1毫秒、6.5毫秒和1毫秒。
以上描述了包括一对直流变交流的变换器开关的气体放电灯的镇流器电路。该电路具有很好的控制能力，并能在高速下工作。
虽然以上结合具体实施例描述了本发明，但是本领域的一般技术人员可做许多修改和变化。因此应理解，所附的权利要求书旨在复盖落入本发明的精神和范围内的所有这些修改和改变。
权利要求
1.一种气体放电灯的镇流器电路，包括(a)装入气体放电灯并具有谐振电感和谐振电容的谐振负载电路；(b)与所述谐振负载电路相连的直流变交流的变换器，用于在所述谐振负载电路中引起交流电流，所述变换器电路包括(i)按次序串联在交流电压的总线导体和参考导体之间的第一和第二变换器开关，并且共同连接到所述交流负载电流流经的公共节点上；(ii)所述第一和第二变换器开关每个都包括一个控制节点和参考节点，这些节点之间的电压确定相关开关的导通状态；(iii)互连的所述第一和第二变换器开关的各个控制节点；和(iv)所述第一和第二变换器开关的各个参考节点在所述公共节点连接在一起；(c)连接在第一和第二节点之间的电压受限的能源；(d)所述第一节点通过一个自举电容器与所述总线导体相连，所述第二节点通过一个自举电容器与所述参考导体相连；以及(e)一个桥式网络连接在所述第一和第二节点之间，并具有(i)第一和第二输入节点，上面施加了相应的第一和第二输入信号；和(ii)分别与所述公共节点和控制节点相连的第一和第二输出节点，以便控制所述变换器开关的开关状态；(f)一个提供所述第一和第二输入信号的振荡器；(g)所述桥式网络，使得通过所述第一和第二变换器开关的至少以下状态进行重复循环，这些状态分别是(i)导通和截止；(ii)截止和已经截止，并且所述谐振电感的剩余能量使得能量通过所述能源从所述一个自举电容器向所述另一个自举电容器转移，从而向所述能源补充能量；(iii)截止和导通；(iv)已经截止和截止，并且所述谐振电感的剩余能量使得能量通过所述能源从所述另一个自举电容器向所述一个自举电容器转移，从而向所述能源补充能量。
2.权利要求1的镇流器电路，其中所述振荡器使得第一输入信号和第二输入信号在至少高—低、高—高、低—高和低—低状态下重复循环。
3.权利要求1的镇流器电路，其中所述桥式电路包括(a)连接在所述第一和第二节点之间的第一对栅极控制开关，具有根据施加到所述开关的公共控制节点上的第一输入信号改变的互补导通模式，并在所述第一输出节点串联连接；以及(b)连接在所述第一和第二节点之间的第二对栅极控制开关，具有根据施加到所述开关的公共控制节点上的第二输入信号改变的互补导通模式，并在所述第二输出节点串联连接。
4.权利要求3的镇流器电路，其中所述第一和第二对栅极控制开关包括漏极连接的CMOS晶体管，具有类似导通模式的晶体管与所述第一节点相连。
5.权利要求1的镇流器电路，进一步包括向所述振荡器提供能量的装置，从所述能量储存源提供能量，以便控制所述桥式网络。
6.权利要求5的镇流器电路，其中所述桥式网络和所述振荡器被包括在一个集成电路中。
7.权利要求6的镇流器电路，其中所述能源包括用于限制电压的齐纳二极管，所述齐纳二极管也被包括在所述集成电路中。
8.权利要求6的镇流器电路，其中所述第一和第二变换器开关也被包括在所述集成电路中。
9.一种气体放电灯的镇流器电路，包括(a)装入气体放电灯并具有谐振电感和谐振电容的谐振负载电路；(b)与所述谐振负载电路相连的直流变交流的变换器，用于在所述谐振负载电路中引起交流电流，所述变换器电路包括(i)按次序串联在交流电压的总线导体和参考导体之间的第一和第二变换器开关，并且共同连接到所述交流负载电流流经的公共节点上；(ii)所述第一和第二变换器开关每个都包括一个控制节点和参考节点，这些节点之间的电压确定相关开关的导通状态；(iii)互连的所述第一和第二变换器开关的各个控制节点；知(iv)所述第一和第二变换器开关的各个参考节点在所述公共节点连接在一起；(c)连接在第一和第二节点之间的电压受限的能源；(d)所述第一节点通过一个自举电容器与所述总线导体相连，所述第二节点通过一个自举电容器与所述参考导体相连；以及(e)第一对栅极控制开关连接在所述第一和第二节点之间，并具有根据施加到所述开关的公共控制节点上的第一输入信号改变的互补导通模式，并在所述第一输出节点串联连接；(f)第二对栅极控制开关连接在所述第一和第二节点之间，并具有根据施加到所述开关的公共控制节点上的第二输入信号改变的互补导通模式，并在所述第二输出节点串联连接；(g)与所述第一节点相连的所述第一和第二对栅极控制开关的各个开关具有相同的导通模式；(h)所述第一和第二输出节点分别与所述公共节点和控制节点相连，以便控制所述变换器开关的开关状态；以及(i)提供所述第一和第二输入信号的振荡器；(j)所述振荡器使得第一输入信号和第二输入信号在至少高—低、高—高、低—高和低—低状态下重复循环。
10.权利要求9的镇流器电路，其中所述第一和第二对栅极控制开关包括漏极连接的CMOS晶体管。
11.权利要求9的镇流器电路，进一步包括向所述振荡器提供能量的装置，从所述能量储存源提供能量，以便控制所述桥式网络。
12.权利要求11的镇流器电路，其中所述第一和第二对控制开关和所述振荡器被包括在一个集成电路中。
13.权利要求12的镇流器电路，其中所述能源包括用于限制电压的齐纳二极管，所述齐纳二极管也被包括在所述集成电路中。
14.权利要求12的镇流器电路，其中所述第一和第二变换器开关也被包括在所述集成电路中。
全文摘要
一种气体放电灯的镇流器电路包括装入气体放电灯并具有谐振电感和谐振电容的谐振负载电路。直流变交流的变换器与谐振负载电路相连,用于在谐振负载电路中引起交流电流。变换器电路包括按次序串联在交流电压的总线导体和参考导体之间的第一和第二变换器开关,它们都包括一个控制节点和参考节点,各个控制节点是互连的,各个参考节点在公共节点连接在一起。一个桥式网络连接在第一和第二节点之间,并具第一和第二输入节点以及第一和第二输出节点。
文档编号H05B41/24GK1178444SQ9711845
公开日1998年4月8日 申请日期1997年9月6日 优先权日1996年9月6日
发明者L·R·内罗尼 申请人:通用电气公司