亮度可调型节能灯的高功率因数镇流器的利记博彩app

文档序号:8121710阅读:188来源:国知局
专利名称:亮度可调型节能灯的高功率因数镇流器的利记博彩app
技术领域
本发明涉及由交流电力线供电的单级电子能量变换器,其在输出 端可以为照明度恒定或可调的气体放电灯之类的负载供电。
背景技术
电子能量变换器,有时被称作"开关电源",需要直接运行在交 流供电线路。针对受用电设备影响的电能质量,电力公司为这些用电 设备中的特定类型制定了技术要求。
作为用电设备之一,该电子镇流器大量应用于照明灯。通常对于 电能质量而言,为了满足工业技术要求,电子镇流器必须满足两个基 本技术条件(i)从供电线路获取功率时,功率因数(PF)至少为
0.9, (ii)从供电线路获取电流时,总谐波失真(THD)小于33% (根 据美国国家标准协会)。
电子镇流器必须满足与灯载荷的兼容性相关的其它技术要求。它 所提供的电灯电流波峰系数小于1. 7,这里波峰系数等于灯的电流峰 值与有效(固S)值的比值。这与电灯电流大小的最大容许幅度相关, 它是导致光线闪烁发光效率低的原因,其中的发光效率用消耗每瓦电 能所产生的光的流明度来表示。理想的是,电力线提供电压的整个周 期中给电灯负载所加的功率为恒定功率。最近预计,电子镇流器可望 操作照明度恒定或可调的灯,所采用的方式类似于采用普通线路电压 相控调光器对普通白炽灯的亮度进行调整。此外,市场要求电子镇流 器有极低的起动电流,防止功率开关触点过早失效,并使镇流器号码 (数目)最大化,其中镇流器可以与单熔丝配电支路相连,而不必对 熔丝过高定额。
为了将低频电力线交流电压(120V/60赫兹或220V/50赫兹)转
9换为高频(一般从10千赫兹到100千赫兹)交流电压或电流源,人们 必须将电力线信号整流为直流电压,随后该直流电压由开关晶体管转 换为高频电源。
传统的脱机整流器都在二极管整流器以外设一电容性平滑滤波 器。整流输出高于滤波电容器电压期间以及所述电容器充电期间,所 述滤波电容器会引起电流波形的谐波畸变。如果采用大电容器,充电 时间或导电角非常小,并且所有所需的电荷必须在短期内存入到电容 器中,这导致从整流电源中输出较大的电流。这些电流尖脉冲会使电 源谐波含量增加,并且当许许多多镇流器从电力线受电工作时,所增 加的谐波畸变就会使供电中的功率因数降低。这种情况,不仅电力供 应部门不能接受,而且还会干扰其它电气设备。
改善功率因数的方法包括被动式的波形整形方法。这些方法之一
在授予B0BEL的美国专利5, 150, 013中有叙述。该方法要求电感器按 与电容器谐振的模式运行,并且当电力线频率是60赫兹时,谐振频 率大约为180赫兹。这是比较廉价并可靠的方法。然而所述电感器大 小必须足够。
使用存储转换原理是众所周知的,其中为了使滤波电容器在较宽 的导电角范围内充电,对电感器进行高频控制。可是,该系统需要用 于存储变换器(也称作"升压转换器")的控制电路,以调整存储电 感器中的能量释放。存储转换原理的这种应用要求附加的噪声过滤, 因为开关装置会产生大量的噪音。所述电路非常复杂、昂贵。此外, 为了将直流电压源转换为高频交流电压或电流源,第二级变换器是必 需的。该类型电路在授予Herfurth的美国专利5, 049, 790中有描述。
使用单级变换器也是众所周知的,其从正弦电力线电源中获取近 似正弦电流并将高频电流传给灯载荷。依据该原则,即采用能够存放 和释放能量的谐振振荡电路,部分谐振能量从变换器的输出端改道到 输入端。这种方法会在振荡电路中产生较大的环流,从而在变换器内 部产生大量的功率散失。下列专利描述的单级变换器中,有部分能量 从变换器的输出端改道到输入端,并呈现大量的功率耗散。
10美国专利编号 专利权人
4, 017, 785.............................................Perper
4, 109, 307.............................................Knoll
4, 642, 745.............................................Steigerwald等
4, 782, 268.............................................Fahnrich等
4, 808, 887.............................................Fahnrich等
4, 985, 664.............................................Nilssen
4, 954, 754.............................................Nilssen
5, 010, 277.............................................CourierdeMere
5, 134, 556.............................................CourierdeMere
5, 113, 337.............................................Steigerwald
5, 099, 407.............................................Thorne
5, 103, 139.............................................Nilssen
非常希望的是,采用结构简单、成本较低的单级电子镇流器来解 决上述发明存在的问题并满足所有的行业技术要求。非常理想的是, 采用结构简单成本低的单级电子能量变换器。这样的电路应该有较低 的部件个数和成本,应该适于所有的电力线电压和灯种类,应该按照 行业质量标准易于大量重复制造,它应该满足电力质量标准并从有着 近似正弦电流波形的电力线中获取功率,而且在电力线电压波形的整 个周期中向灯提供近恒功率。
进一步希望的是,采用上述电子镇流器并采用普通的白炽类型的 调光器在照明度恒定或调整的状态下操作灯。
此外,希望制成可以适合极小空间的电子镇流器,并与可更换日 光灯的灯座整合或与所述灯整合成单一结构。
然而,本申请的申请人没有发现有关日光灯所用的一体、单级、 构造简单并可用普通日光灯调光器进行调光的电子镇流器的任何现 有技术,其中用于修正功率因数的能量不会从装置的输出端改道到输
入端o

发明内容
本发明的目的是提供结构相对简单、经济合算、可靠性和效率都 很高的电子镇流器,用于各种气体放电负载、满足功率大小的技术要 求。
另一个目的是提供一种被整合成单级且由电力线运行时具有较 高功率因数的电子能量变换器,该电子能量变换器使用初级串联谐振
LC电路向灯负载提供高频电流,所述电路的阻抗实质上属于电感性,
其正比于整流后的交流电力线电压的大小自动、自然地进行多或少变 化。
本发明的更进一步的目的是提供一种被整合成单级的电子能量 变换器,其中,用于修正功率因数的能量不会从该装置的输出端改道
到输入端,而是由辅助串联谐振LaCa电路中的辅助谐振电容Ca进行 存放和释放,其中LaCa电路由用于操作灯载荷的初级串联谐振LC电 路的电感性阻抗的等效电感La组成。
本发明的另一个目的在于提供一种被整合成单级的电子能量变 换器,它可按用普通白炽灯调光器实现的调光模式操作气体放电灯。 本发明提供了一种能量转换装置,该装置在直流输入端加有直流脉动 电压,适于将高频信号传递到负载中,该装置包括
整流器装置,其从交流电源接受源电压并在第一直流输出端提供 第一脉动直流电压;
整流电路,其具有为构成交流输入端而连接的单向器件和一对分 别构成正负直流端的输入端,并且该整流电路装使每一单向器件展现 开关动作,所述开关动作由电流传导时的导通时间和不传导电流时的 关断时间表征;
辅助谐振电容器,用于在所述直流端之间提供可变的直流电压,
该直流电压的绝对瞬时峰值大小高于交流电压源的整流电压的绝对 瞬时峰值大小;
储能电容器,其具有直流电输入端并在直流端之间连接的串联电 路中与二极管连接,所述二极管的阳极连接到正直流端,所述二极管与储能电容器共同作用以在输入端之间产生出从可变直流电压中分 离出的直流电输入电压。在关断状态期间,以及每当可变直流电压的 瞬时峰值大小高于直流输入电压的瞬时峰值大小时,所述储能电容器 用于从辅助谐振电容器接收能量。
与储能电容器相连的半导体开关装置,其具有连接的两个交替导 通的晶体管以在其间形成公共结点;和
初级谐振振荡电路,其连接到直流端及连接到开关晶体管逆变器 的公共结点,并用于从所述直流端获取由单向器件和二极管装置传导
的脉动电流,包括(i)初级谐振电容器和初级谐振电感器,适于驱 动气体放电负载,和(ii)振荡控制电路,用于将振荡控制信号传给交 替导通的晶体管以使所述谐振振荡电路随频率振荡,所述频率正比于 电压的瞬时振幅自动调整,其等于恒定直流电压瞬时振幅和整流低频 交流电压源所提供的电压的瞬时振幅之差;
其中,初级谐振电路中随频率而变的阻抗基本属于电感性,显示 为与辅助谐振电容装置交互作用的辅助电感,在导通和关断期间存放 及释放能量,导通和关断期正比于与初级谐振振荡器装置的振荡频率 相关联的半周期时间;所述辅助谐振电容装置和辅助谐振电感用于交 互谐振,其谐振频率接近或等于初级谐振振荡器装置的振荡频率;每 一交替导通的晶体管具有与导通相关的占空比,该占空比正比于电压 的瞬时振幅自动调整,其等于恒定直流电压的瞬时振幅减去整流低频 交流电压源所提供的电压瞬时振幅;初级谐振振荡器装置的振荡频率 大大超过了交流电压源的半周频率。
藉此,从交流电压源获得的电流瞬时值基本上与交流电压源的电 压瞬时值成正比。
本发明的更进一步的特点在于,所述谐振振荡器包括(i)串联 连接的初级电感器和初级电容器,适于为与初级电容器有效并联连接 的气体放电负载供电;及(ii)响应脉动电流瞬时值的开关反馈变压 器,用于将正比于脉动电流瞬时值的开关信号传给交替导通的晶体 管,使所述初级谐振振荡电路随频率振荡,该频率正比于电压的瞬时
13振幅自动调整,其等于恒定直流电压瞬时振幅减去整流低频交流电压 源所提供的电压的瞬时振幅。本发明的更进一步的特征在于,初级谐振电路用于从所述直流端 获取单向器件传导的脉动电流,并在其输出端产生脉动电压,所述初级谐振电路包括(i)串联连接的初级电感器和初级电容器,适于为 与初级电容器有效并联的气体放电负载供电;和(ii)磁耦合到初级谐 振电感器的开关反馈绕组,用于将开关信号传给交替导通的晶体管, 使初级谐振电路随频率振荡,该频率正比于电压的瞬时振幅自动调 整,其等于恒定直流电压瞬时振幅减去整流低频交流电压源提供的电 压的瞬时振幅。本发明的另一个特征是,为了响应传给控制输入装置的控制动 作,降低交流电压的有效大小会使传给气体放电负载细丝的电能大小 按比例增加。根据本发明,整流电路形式既可以为全波整流桥电路也可以为倍 压电路。根据本发明,辅助谐振电容包括一个或多个电容器,它们与整流 器装置的一个或多个所选单向器件并联。所述装置还包括如极化电解电容器的电容器装置。所述装置还包括半导体开关装置,如一对NPN双极晶体管,连接 在交替运行的半桥式结构中。所述装置还包括谐振振荡器装置,其具有开关反馈回路,所述回 路配有用环形铁氧体磁芯制成的变压器,其三个分开的绕组每个绕组 1至IJ6距。所述装置还包括谐振振荡器装置,其具有带控制电路的开关反馈 回路。在这样的装置中,输入电流的瞬时值大小与电力线电压的瞬时值大小成正比,并且所述电流的总谐波畸变低于20%。因此,从电力线 获取的功率的功率因数为99%,电灯电流波峰系数低于1. 7。本发明的其它目的和优点可从下面结合附图给出的本发明的不同实施例的详细描述明显看出。


图1示意性地示出了本发明的第一实施例; 图2 、图3 、图4 (a)和图4 (b)为图1、图5 、图6 、图7 和图11等备选方案中的局部示图。图5示意性地示出了本发明的第二实施例; 图6为图5、图l、图7和图11的备选方案; 图7示意性地示出了本发明的第三实施例;图8、图9、图10和图12为图1、图7和图11等备选方案的局 部示图。图ll示意性地示出了本发明的第四实施例;禾口 图13(a、 b、 c、 d)为与本发明装置的运行相关的多个电流和电 压波形。
具体实施方式
图1以电路图形式示意性地示出了本发明的主要优选实施例。 在图1中,电压源ACVS代表普通的120伏特/60赫兹的供电电 力线,并且通过调光器单元DIM及经四端子(1、 2、 3、 4)滤波器电 感器FI1连接到全波整流器桥RB的交流输入端5和6上。在5和6 端之间连接有滤波电容器FC1。所述桥RB由四个整流二极管组成并 且有一对直流电输出端7、 8,这里的端子7是正端子而端子8为负 端子。桥RB的端子7与第一直流输入端V+相连,而端子8与第二直流输入端v-相连。连接有电压分离二极管VSD,其阳极连接到端子V+,其负极连接 到中间结点VDC。在结点VDC和端子V-之间连接有存储电容器SC。半桥开关晶体管逆变器ST1具有双极晶体管Q1(类型MJE13005), 其集电极与中间结点VDC相连。晶体管105的发射极连接到结点M。 逆变器的另一 NPN型晶体管Q2 (和晶体管Ql相同,属于MJE13005类型),其集电极连接到结点M。晶体管107的发射极连接到端子V-。 谐振振荡电路ROl具有隔直电容器BC (大约0. luF)、和由初级谐振 电容器RC1 (大约18nF)组成的初级串联谐振电路、和初级谐振电感 器RIl (大约lmH)、和反馈变压器FT的初级绕组W1,所有这些组件 经气体放电灯FL1的细丝F1、 F2串联在端子V+和结点M之间。从而 气体放电灯(Osram生产的DuluxE26W)有效地跨接在初级谐振电容 器RC1的两端。反馈变压器FT安具有二个次级绕组W2、 W3,分别跨 接在开关晶体管Q1、 Q2的基极-发射极结。该装置在操作上既可采用 用于设计反馈变压器的饱和铁芯也可采用不饱和铁芯。所用的饱和铁 芯由宾夕法尼亚州Butler的Magnetics, Inc.制造,型号是 nrOW40603-TC.不饱和铁芯反馈变压器设计上可采用Magnetics, Inc. 制造的铁芯,型号是nrJ-42510-EC。图2示出了谐振振荡器R02的片段,作为谐振振荡器ROl的备选。 两个气体放电灯FL21和FL22串联连接。灯FL21和FL22分别具有并 联连接的谐振电容器RC21和RC22。图3为谐振振荡器R03的片段,作为谐振振荡器R01的另一备用 选择。两个气体放电灯FL31和FL32串联连接,并具有藉此连接的谐 振电容器RC31。气体放电灯的细丝由谐振电感器RI3的次级绕组供 电。图4(a)为谐振振荡器R04的片段,作为谐振振荡器R01的又一 备选。隔离变压器401的初级绕组402跨谐振电容器RC41。变压器 401的次级绕组403用于给串联的三个日光灯FL41、 FL42和FL43供 电。图4 (b)为谐振振荡器R044的片段,也作为谐振振荡器R01的另 一备选。隔离变压器501具有初级绕组502和次级绕组503。变压器 按这样构造绕组之间的磁耦合存在磁漏电感,该磁漏电感用作谐振 电感,构成带有电容器CR55和气体放电灯FL55、 FL56的谐振电路。在图5中,通过直流电感器DC1的绕组N1,晶体管Q1的集电极 连接到中间端子VDC。更进一步地,通过直流电感器DC1的绕组N2,晶体管Q2的发射极连接在端子V-上。谐振振荡器R05的谐振电容器 RC5与谐振电感器RI5的初级绕组L15并联连接,形成一对输出端0T1 和0T2。在端子V+和端子0T2之间连接有隔直电容器BC5。端子0T2 连接到结点M上。通过电感器RI5的次级绕组L25,两个气体放电灯 FL51和FL52与输出端连接。在晶体管Ql和Q2的基极-发射极结之 间分别连接有谐振电感器RI5的附加次级绕组L4和L5。在图6中,谐振电容器RC6与谐振电感器RI6的初级绕组L16并 联连接,形成一对输出端0T1和0T2。在端子V+和端子0T2之间,连 接有隔直电容器DC6。通过反馈变压器FT的初级绕组Wl,端子0T1 和结点M相连。在晶体管Ql和Q2的基极-发射极结之间,分别连接 有反馈变压器FT的次级绕组W2、 W3。更进一步地,在晶体管Ql和 Q2的基极-发射极结之间,也分别连接有谐振电感器RI6的次级绕组 L6和L7。在图7中,控制电路CC用于向晶体管Ql和Q2的基极提供开关 信号。该控制电路的读出引线Sl与V+端相连,其读出引线S2与VDC 端相连。现在参考图8、图9和图10,其均为滤波器电感器FIl的备选。 滤波器电感器FI8是连接在端子1和3之间的普通电感器。滤波器电 感器FI9是具有两个绕组109和110的差动式电感器。滤波器电感器 FI10是共模类型电感器,有两个绕组111和112。在图1实施例的备选方案图11中,辅助谐振电容器Ca跨电压分 离二极管VSD连接。图12中的整流倍压器RVD可用图1中的整流桥替代。在图1中,交流电压源ACVS代表普通电能电力线(120VAC、60Hz), 该电力线通过调光器单元DIM和滤波器电感器FI1连接到整流桥RB。 在V+和V-端之间存在整流电压时,储能电容器SC将会迅速充电,达 到电压源ACVS的交流电压的峰值。所述装置通过触发具有常见的两端开关元件的电路(未显示)开 始振荡。为了更好的理解该装置的运行,按图13(a),假定当晶体管17Q2接入导电状态时,交流电压处于正半周的开始状态。此时,谐振振荡器R01有效连接在V+和V-端之间。谐振振荡器R01从这些线端 获取脉动电流,该电流也通过整流桥RB 二极管、借助电压分离二极 管VSD进行循环。桥RB的二极管D2和D3进行电流传导,将能量提 供给储能电容器SC、谐振振荡器R01和灯载荷FL1,并为辅助谐振电 容器Ca充电。当该线电压为正相时,桥RB的二极管D1和D4不传导 提供给电力线的连续电流。由此,连接到V+和V-端的辅助谐振电容 器得到充电,达到此时应有的电压大小。与谐振振荡器ROl的频率相 关的预定时间结束之后,脉动电流则终止其脉动。然后晶体管Q1转 入其传导(ON)状态,晶体管Q2转入其关断(OFF)状态。由于谐振振 荡电路R01随预定的振荡频率(fo)变动,预定时瞬时等效阻抗(Zin) 总是有电感性特征并按下列公式进行描述迈 =『虹+i敏^ i其中R二灯载荷的电阻; O初级谐振电容器RC1的电容; L二初级谐振电感器RI1的电感;RI^表示初级谐振电感器RI1的损失的电阻;和w二2nfo因此,辅助谐振电感La由下列公式表示辅助谐振电感La和辅助谐振电容Ca在这里构成辅助串联谐振电 路。该电路的能量定期自然存放并释放,用作电容器Ca的辅助电压,其瞬时值高于当时电力线提供的整流电压。结果,根据图13 (C),
在直流输入端V+和V-之间产生可变的直流电压。储能电容器sc充电,
达到某一 电压大小,该电压大小是可变直流电压大小和整流电力线电
压大小自然合成的数值结果。谐振振荡器的频率为大约35kHz。因此 在电力线所供的电压的正半周期间,二极管D2和D3将会传导脉冲电 流大约291次。
当电力线电压接近其峰值时,辅助电压当被加到电力线电压上 时,如果没有开关反馈结构立即响应的话,通常会在直流输入端V+ 和V-之间形成非常高的瞬时电压。谐振振荡器,其反馈变压器响应 脉动电流的瞬时值,按这样调整自身频率立即调整辅助电压使可变 直流电压的大小立即降低,如图13(c)所示。晶体管的占空比也立即 得到调整。整个电路得到自然、自动同步并自我控制。
如此可变、复杂的载荷配置,以极其动态的方式变化,相应地实 现对初、次级谐振电路的增益系数的调整。因此整个谐振振荡器的阻 抗特性(感应性多或少)也会随上述变化按比例不断变化。然而,即 使这样的调整,由于谐振振荡器的转换频率通过反馈变压器FT瞬间 自调节,流经谐振电感器R01的脉动电流的大小和负荷电流的大小保 持相对恒定。因此与第一串联谐振电路相关联的阻抗有效值也保持相 对恒定,只是阻抗波形特征不断动态变化。
选择与谐振振荡器相关联的谐振频率以满足该类装置的基本可 靠性规则不管载荷大小或电力线电压大小如何变化,谐振电路的阻 抗应该总是电感性,如同在利用普通调光器D頂进行调光过程中所表 现的那样。
辅助谐振电容器Ca两端的电压大小等于V+、 V-两端产生的可变 直流电压瞬时值大小减去端子7和8之间整流但未经滤波的电压瞬 时值,后者由整流电压源提供并在图13 (b)中显示。
直流输入电压的绝对峰值等于或高于整流交流电压源的峰值大 小。根据图8(a)所确定的电压大小参数是:初、次级串联谐振电路的 瞬时值和有效荷载值及品质因数。上述参数是取得稳定性和正常运行
19的最主要的因素。
为了提高功率因数、降低总谐波失真,调整辅助谐振电路LaCa 的频率,使之与谐振振荡电路R01的振荡频率(fo)相同或接近。其中, 谐振振荡电路R01包括电感器RI1和电容器RC1的初级谐振电路,灯 负载与其有效并联连接。
作为辅助功能,每当可变直流电压大小上升超过电容器SC两端 的电压大小时,电压分离二极管VSD允许对储能电容器SC进行充电。 藉此,电容器SC两端产生恒定直流电压,如图13(a)所示。
交替导通的晶体管Ql和Q2由反馈变压器FT操作,将谐振振荡 电路R01交替连接到V+和V-端之间产生的可变直流电压上,并连接 到与恒定直流电压的瞬时值大小和可变直流电压瞬时值总和相等的 电压上。从而在电源ACVS提供交流电压的整个周期内需要向电灯负 载提供相对恒定的电能时,该恒定直流电压作为有效能量储备被激 活。
当然,储能电容器SC充电源部分来自电力线、部分来自能量存 储辅助谐振电容Ca。结果从正弦电力线所获得的电流波形与该电力 线电压波形成正比。因此,从电力线获取的电容器SC的初始充电电 流(起动电流)得到了有效降低,低于峰值点10安培。同样,在稳 定的运行状态下,整个装置的功率因数接近0.99,而从电力线获取 的电流的总谐波失真小于20%。
此时,电力线电压处于负半周时,二极管D1和D4传导连续线电 流,而二极管D2和D3传导脉动电流。当电力线电压从正逆转为负时, 两对二极管的功能也发生逆转,反之亦然。该装置元件的所有其它功 能都与电力线电压的正半周相同。
在此所附的图5表示第二实施例的装置。这里给出的电路在运行 上与图1中的电路相同,但谐振元件在此并联连接。利用提供开关信 号的次级绕组L4和L5完成开关反馈,其中开关信号与两谐振元件两 端产生的脉动电压成正比。
图6中的装置是图1和图5装置的备选,其中提供给开关晶体管Ql和Q2的开关信号是下面信号的组合信号(i)由线圈L6和L7提供并与谐振电压成正比的信号;和(ii)与反馈变压器提供的脉动电流成正比的信号。在其它方面,图6中电路在运行上与图1中的电路相同。
现在参考图7,在本发明装置第三方案的电路中,开关反馈结构由开关控制电路CC取代。开关频率动态受控,与通过读出引线S1和S2传给控制电路的信号成正比,所述频率与V+和V-端之间产生的可变直流电压振幅和存储电容器SC两端产生的恒压振幅之差成正比。辅助电容器Ca连接在也起到电路开闭作用的电压分离二极管VSD的两端。在其它方面,该装置操作上与图1中的装置相同。
在此所附的图11表示第二实施例的装置。这里所给出的电路在结构上与图1中给出的电路相同,但在电压分离二极管VSD两端连接有辅助谐振电容器Ca。在这些结构中,二极管VSD传导脉动电流并完成开关动作(导通和关断),其频率等于振荡谐振电路R01的振荡频率。在其它方面,该装置的运行与图1中的装置相同。
谈到本发明装置在调光期间的运行当采用普通相位调整调光器对电力线电源ACVS提供的电压的正弦波形进行控制时,加在5和6端的电压波形不再是正弦。该电路构成中,电压分离二极管VSD与储能电容器SC串联,保证即使在电力线电压的相位已调整的情况下,存储电容器SC两端也会有大小相对恒定的直流电压。对电力线电压相位的调整会降低供给桥BR的5和6端的电压有效值(均方根值)。而且根据日光灯需要,在使用调光器DIM对电力线电压的相位进行控制调整期间,本发明装置保证灯丝Fl和F2两端的电压自动成比例增长。另外,在相位控制调光期间,振荡谐振电路ROl的振荡频率本身在电力线电压波形的每半周周期的至少一部分期间自动降低。同样,在相位控制调光期间,开关晶体管Q1、 Q2的占空比在电力线电压波形的每半周周期的至少一部分期间自动减少。
因此,应意识到,所述镇流器电路结构相对简单、经济合算、可靠性高且效率高,在结构制造上易于适合各种气体放电灯、满足功率
21大小的技术要求。
还应意识到,所述镇流器电路具有改进的单级逆变器,该逆变器的辅助谐振电路由辅助谐振电容器和辅助谐振电感器组成,所述电感器作为初级串联谐振电路中的等效阻抗的等效电感,所述初级串联谐振电路包括初级谐振电感器和初级谐振电容器,电灯负载与其有效并联连接。
还应意识到,所描述的镇流器电路提供改进的电路,电路中的能量由辅助谐振电路进行存放和释放,以便在电力线电压波形的整个周期内使功率因数得到修正、使加在灯载荷上的电能相对恒定。
还应意识到,所述镇流器电路提供独特、新颖的结构,具有阻抗特征高度电感性的初级线圈、适于连接和通电灯荷载的串联谐振振荡电路、以及用于如上所述目的的辅助串联谐振电路,其中两谐振电路自然、自动同步并且在设置上动态交互作用。
还应意识到,所述镇流器电路提供单级一体化电子能量变换器,其中,修正功率因数的能量并没有从输出改道到输入,而是在该装置的输入端由辅助谐振电容器进行存储和释放。
还应意识到,如在此所述的装置按这样的方式运行从交流电压源获取的电流波形实质上与所述电源的电压波形成比例,从电源获取功率,其功率因数为99%;从电源传给所述装置的电流的总谐波失真不到20%。电路保持相对恒定,只是阻抗波形特征动态变化。
还应意识到,根据本发明,由于辅助谐振电路与操作负载的初级谐振电路一体实施,这些电路中随频率而变的阻抗的波形特征按照电压瞬时值的幅度比例进行调整,其中所述电压等于可变直流电压瞬时值减去整流交流电压源瞬时值。因此,应意识到,由于辅助谐振电路与操作负载的初级谐振电路一体实施,采用上述电路制造的谐振振荡器的振荡频率按照电压瞬时值的调整比例进行调整,其中电压等于可变直流输入电压瞬时值减去整流交流输入电压源瞬时值。
从而,应意识到,即使a)标称交流电压源变化较大,b)没有应用标称负载类型,c)将该装置置于较低及较高温度之下,此处所
22述的装置也会保证其关键参数(输入功率、功率因数、总谐波失真、负荷电流波峰系数)基本稳定。
应意识到,此处所述的装置结构非常简单、用件个数极少,易适于所有电力线电压和负载类型,制造工艺具有可重复性并且成本较低。
本申请的申请人相信,本发明及其许多优点和特征可以从前述说明中得知。然而,对于本领域技术人员而言,很显然在不背离本发明精神的情况下,其形状和构成部件的结构及内在关系可以进行调整,在此所述仅仅给出优选实施例。
权利要求
1、向负载提供高频信号并适于由低频交流电压源运行的电子能量变换器,包括整流器装置,其具有为形成交流输入端而连接的单向器件、正直流端、和负直流端,所述单向器件展现开关动作,所述开关动作由传导电流时的导通持续期间和不传导电流时的关断时间表征;辅助谐振电容装置,其用于在直流端子之间提供可变直流电压,该电压的绝对峰值大小高于或等于低频电压源整流电压的绝对峰值大小;能量存储装置,其具有直流输入端并在连接在直流端子之间的串联电路中与二极管装置相连接,所述二极管装置的阳极与正直流端子相连接,且该二极管装置连同能量存储装置一起用于在直流输入端之间产生从可变直流电压中分离出来的恒定直流电压;在关断期间以及每当可变直流电压的瞬时值高于恒定直流电压的瞬时值时,所述能量存储装置用于接收来自辅助谐振电容装置的能量;连接到能量存储装置的半导体开关装置,其连接有两个交替导通的晶体管以在二者之间形成公共结点;及初级谐振振荡器装置,其与正直流端相连并与半导体开关装置的公共结点相连,所述谐振振荡器装置用于从直流端获取由单向器件和二极管装置传导的脉动电流,所述初级谐振振荡器包括(i)串联连接的初级谐振电感器和初级谐振电容器,适于为与所述电容器有效并联的负载供电,和(ii)响应脉动电流的瞬时值的反馈变压器,用于将与脉动电流的瞬时值大小成正比的开关信号传给半导体开关装置,并使谐振振荡器装置随频率而振荡,所述频率自动保持与电压的瞬时振幅之间的正比关系,所述电压等于恒定直流电压的瞬时幅度和整流低频交流电压源所供电压的瞬时幅度之差;其中,初级谐振电路具有其波形特征为电感性的随频率变化的阻抗,并起到辅助电感作用,在与和初级谐振振荡器装置的振荡频率相关联的半周时间段成正比的导通时间段和断开时间段内,与辅助谐振电容装置交互作用以储存及释放能量;所述辅助谐振电容装置和辅助谐振电感用于谐振地交互作用且其谐振频率接近或等于初级谐振振荡器装置的振荡频率;每一交替导通的晶体管具有与传导相关联的占空比,正比于电压瞬时振幅自动调整所述占空比,其等于恒定直流电压的瞬时振幅减去整流低频交流电源所提供电压的瞬时振幅;所述初级谐振振荡器装置的振荡频率远超过交流电压源的半周频率;藉此,从交流电压源获得的电流瞬时值大小与交流电源的电压瞬时值大小成正比。
2、向负载提供高频信号并适于由低频交流电压源运行的电子能 量变换器,包括整流器装置,其具有为形成交流输入端而连接的单向器件、正直 流端、和负直流端,所述单向器件展现开关动作,所述开关动作由传 导电流时的导通持续期间和不传导电流时的关断时间表征;辅助谐振电容装置,其用于在直流端子之间提供可变直流电压, 该电压的绝对峰值大小高于或等于低频电压源整流电压的绝对峰值 大小;能量存储装置,其具有直流输入端并在连接在直流端子之间的串 联电路中与二极管装置相连接,所述二极管装置的阳极与正直流端子 相连接,且该二极管装置连同能量存储装置一起用于在直流输入端之 间产生从可变直流电压中分离出来的恒定直流电压;在关断期间以及 每当可变直流电压的瞬时值高于恒定直流电压的瞬时值时,所述能量 存储装置用于接收来自辅助谐振电容装置的能量;连接到能量存储装置的半导体开关装置,其连接有两个交替导通 的晶体管以在二者之间形成公共结点;及初级谐振振荡器装置,其与正直流端相连并与半导体开关装置的 公共结点相连,所述谐振振荡器装置用于从直流端获取由单向器件和 二极管装置传导的脉动电流及用于在其输出端提供脉动电压,所述谐 振振荡器包括(i)适于向与其有效并联连接的负载供电的初级谐振 电感器和初级谐振电容器,和(ii)磁耦合到所述谐振电感器的开关反馈绕组,用于将与脉动电压的瞬时值大小成正比的开关信号传给半导体开关装置,及用于使初级谐振振荡器装置随频率而振荡,所述频率自动保持与电压的瞬时振幅之间的正比关系,所述电压等于恒定直流电压的瞬时幅度和整流低频交流电压源所供电压的瞬时幅度之差;其中,初级谐振电路具有其波形特征为电感性的随频率变化的阻抗,并起到辅助电感作用,在与和初级谐振振荡器装置的振荡频率相关联的半周时间段成正比的导通时间段和断开时间段内,与辅助谐振电容装置交互作用以储存及释放能量;所述辅助谐振电容装置和辅助谐振电感用于谐振地交互作用且其谐振频率接近或等于初级谐振振荡器装置的振荡频率;每一交替导通的晶体管具有与传导相关联的占空比,正比于电压瞬时振幅自动调整所述占空比,其等于恒定直流电压的瞬时振幅减去整流低频交流电源所提供电压的瞬时振幅;所述初级谐振振荡器装置的振荡频率远超过交流电压源的半周频率;藉此,从交流电压源获得的电流瞬时值大小与交流电源的电压瞬时值大小成正比。
3、向负载提供高频信号并适于由低频交流电压源运行的电子能量变换器,包括整流器装置,其具有为形成交流输入端而连接的单向器件、正直流端、和负直流端,所述单向器件展现开关动作,所述开关动作由传导电流时的导通持续期间和不传导电流时的关断时间表征;辅助谐振电容装置,其用于在直流端子之间提供可变直流电压,该电压的绝对峰值大小高于或等于低频电压源整流电压的绝对峰值大小;能量存储装置,其具有直流输入端并在连接在直流端子之间的串联电路中与二极管装置相连接,所述二极管装置的阳极与正直流端子相连接,且该二极管装置连同能量存储装置一起用于在直流输入端之间产生从可变直流电压中分离出来的恒定直流电压;在关断期间以及每当可变直流电压的瞬时值高于恒定直流电压的瞬时值时,所述能量存储装置用于接收来自辅助谐振电容装置的能量;连接到能量存储装置的半导体开关装置,其连接有两个交替导通的晶体管以在二者之间形成公共结点;及初级谐振振荡器装置,其与正直流端相连并与半导体开关装置的公共结点相连,所述谐振振荡器装置用于从直流端获取由单向器件和二极管装置传导的脉动电流,所述谐振振荡器包括(i)适于驱动负载的初级电感元件和初级电容元件,和(ii)振荡控制装置,用于将振荡控制信号传给半导体开关装置,使初级谐振振荡器装置随频率而振荡,所述频率保持与电压的瞬时振幅之间的正比关系,所述电压等于恒定直流电压的瞬时幅度和整流低频交流电压源所供电压的瞬时幅度之差;其中,初级谐振电路具有其波形特征为电感性的随频率变化的阻抗,并起到辅助电感作用,在与和初级谐振振荡器装置的振荡频率相关联的半周时间段成正比的导通时间段和断开时间段内,与辅助谐振电容装置交互作用以储存及释放能量;所述辅助谐振电容装置和辅助谐振电感用于谐振地交互作用且其谐振频率接近或等于初级谐振振荡器装置的振荡频率;每一交替导通的晶体管具有与传导相关联的占空比,正比于电压瞬时振幅自动调整所述占空比,其等于恒定直流电压的瞬时振幅减去整流低频交流电源所提供电压的瞬时振幅;所述初级谐振振荡器装置的振荡频率远超过交流电压源的半周频率;藉此,从交流电压源获得的电流瞬时值大小与交流电源的电压瞬时值大小成正比。
4、 根据权利要求l、 2或3任一所述的电子能量变换器,其中所述整流器装置为全波整流桥电路形式或倍压电路形式。
5、 根据权利要求l、 2或3任一所述的电子能量变换器,其中所述辅助谐振电容装置跨二极管装置连接。
6、 根据权利要求l、 2或3任一所述的电子能量变换器,其中所述辅助谐振电容装置与直流端子连接。
7、 根据权利要求l、 2或3任一所述的电子能量变换器,其中所述初级振荡器装置具有一个或多个气体放电灯,所述灯以非隔离或者隔离结构与电容器有效并联并组合为一个磁路结构。
8、 根据权利要求1的电子能量变换器,其中所述反馈变压器采用环形铁氧体磁心制造,且其具有三个单独绕组,每一绕组具有1-6匝。
9、 直接由交流电压源运行的电子设备,其具有整流器电路和与辅助谐振电容器装置连接的二极管装置,所述辅助谐振电容器装置用于定期储存和释放能量,所述电子设备包括具有开关装置的高频振荡器,所述开关装置具有开关换频率和开关占空比,所述振荡器具有适于给气体放电负载加电的负载电路,所述电子设备的特征在于,所述高频振荡器定期从整流器输出端获取脉动电流,使整流电路和二极管装置产生开关动作,所述振荡器具有随频率变化的电感性特征的阻抗,其起到与辅助谐振电容装置谐振地交互作用的辅助谐振电感的作用,所述辅助谐振电容装置用于(i)在与开关频率的半周时间成正比的时间段内储存及释放能量,和(ii)在整流器输出端产生可变直流电压,该电压的绝对峰值大小高于交流电压源整流电压的绝对峰值大小;其中,所述开关频率和开关占空比与电压的调制振幅成正比,所述电压等于可变直流电压的瞬时值和整流交流电压源供给的电压的瞬时值之差,并且所述高频振荡器自然及自动地与由辅助谐振电感和辅助电容装置形成的辅助谐振电路同步,其中开关动作以及能量储存和释放周期由开关装置的开关频率和开关占空比决定。
10、 用于从低频电力线向气体放电负载供电的电子设备,其中所述电子设备获取的电流与电力线电压成正比,所述电子设备包括初级谐振振荡器装置,其具有开关晶体管并适于给气体放电负载供电;整流器装置;和辅助谐振电路,包括(i)与整流器装置相连的辅助谐振电容;和(ii)由初级谐振振荡器装置提供并与之成一体的辅助谐振电感。
11、 向气体放电负载提供大小恒定或可变的高频信号的逆变设备,该设备由通过具有控制输入装置的调光器调节的交流电压源供电并用于在交流输出端提供大小恒定或可变的交流输出电压,所述逆变设备包括整流器装置,其在直流输入端接收交流输出电压并在直流输出端提供脉动直流电压源,该脉动直流电压源的脉动直流电压的绝对峰值大小高于整流交流输出电压的绝对峰值大小;连接到所述脉动直流电压源的单向器件装置;能量存储装置,其通过所述单向器件从脉动直流电压源接收能量并在直流端提供相对恒定的直流电压;逆变器电路装置,其连接到能量存储装置并包括(i)半导体开关装置,其接收恒定直流电压并定期导通、断开;和(ii)谐振振荡器装置,其与半导体开关装置相连,并正比于调光器控制输入装置端提供的控制动作向负载提供大小恒定或可变的高频信号。
12、 向气体放电负载提供大小恒定或可变的高频信号的逆变设备,该设备由通过具有控制输入装置的调光器进行调节的交流电压源供电并用于在交流输出端提供大小恒定或可变的交流输出电压,所述逆变设备包括与交流输出端相连的整流器装置;和初级谐振振荡电路装置,其至少具有一个开关晶体管并适于给气体放电负载供电;辅助谐振电路,包括(i)与整流器装置相连的辅助谐振电容;和(ii)由初级谐振振荡电路装置提供并与之成一体的辅助谐振电感。
13、 向带有细丝的气体放电负载提供大小恒定或可变的高频信号的逆变设备,该设备由通过具有控制输入装置的调光器调节的低频交流电压源供电并能在交流输出端提供大小恒定或可变的交流输出电压,所述逆变设备包括-整流器装置,其具有输出端并与交流输出端相连;配有开关装置的高频振荡器,其具有开关频率和开关占空比,所述振荡器具有适于给气体放电负载加电的负载电路;所述逆变设备的特征在于,所述高频振荡器定期从整流器装置获取脉动电流,使整流器装置产生开关动作;及所述振荡器具有随频率变化的电感性阻抗,起到与辅助谐振电容装置谐振地交互作用的辅助谐振电感作用,所述辅助谐振电容装置用于(i)存储和释放能量;及(ii)在整流器输出端产生可变直流电压;其中,对于与低频相关的至少一部分时间,正比于交流输出电压的调整的瞬时振幅调整开关频率和开关占空比,所述交流输出电压的有效大小与在调光器控制输入装置提供的控制信号成正比;所述高频振荡器自然及自动地与由辅助谐振电感和辅助电容装置形成的辅助谐振电路同步,其中开关动作以及能量储存和释放的周期由开关装置的开关频率和开关占空比决定。
14、 向带有细丝的气体放电负载提供大小调整的高频信号的逆变设备,该设备由通过具有控制输入装置的调光器调节的低频交流电压源供电并能在交流输出端提供大小调整的交流输出电压;其中,响应于传给调光器控制输入装置的控制动作,在交流输出端降低交流电压的有效大小使加在气体放电负载细丝上的功率大小按比例增加。
15、 根据权利要求12、 13或14任一所述的逆变设备,其中所述控制装置为用环形铁氧体磁心制成的反馈变压器,其具有三个单独绕组,每一绕组l-6匝。
16、 根据权利要求11或13所述的逆变设备,其中所述开关装置与电压限制器相连。
全文摘要
本发明公开了从调光器(DIM)调节的、电压大小可变的低频交流电压源向气体放电载荷(FL1)供电的电子镇流器,其包括初级谐振振荡器(RO1),该振荡器呈现随频率变化的电感性阻抗特征,所述阻抗作为辅助谐振电感(La)与连接到整流电路(RB、VSD)的辅助谐振电容(Ca)交互作用,所述整流电路实现由脉动电流产生的并与脉动电流同步的开关和整流功能,所述脉动电流由具有开关晶体管(Q1,Q2)的初级振荡器电路(RO1)从整流电路获取并适于将高频信号传给气体放电负载(FL1),其大小变化与调光器调节的交流电压源的电压大小变化成正比。
文档编号H05B41/38GK101652015SQ200810135148
公开日2010年2月17日 申请日期2008年8月13日 优先权日2008年8月13日
发明者安德鲁·鲍拜尔 申请人:安德鲁·鲍拜尔
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