專利名稱：放電燈照明控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度氣體放電(HID)燈驅(qū)動(dòng)電路，尤其涉及一種用于HID燈驅(qū)動(dòng)電路的改善功率因數(shù)用功率變換器。
背景技術(shù)：
用于HID燈的電子照明控制裝置在本領(lǐng)域內(nèi)是已知的。這種裝置的例子包括，例如美國(guó)專利第5,942,859號(hào)(對(duì)應(yīng)于日本公開專利申請(qǐng)平10-294188和平10-294191)；美國(guó)專利第5,962,981號(hào)(對(duì)應(yīng)于日本公開專利申請(qǐng)平10-294186和平10-294189)；以及美國(guó)專利第5,932,976號(hào)。這種現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置需要許多大尺寸的元件，這使得難以使制造成本和裝置的尺寸最小化。
與這種現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置有關(guān)的另一個(gè)問題涉及當(dāng)與升壓(boost)變換器有關(guān)的電容器最初連接到電源時(shí)產(chǎn)生的涌流(in-rush current)。具體而言，當(dāng)放電電容器最初連接到電源時(shí)，該電容器的作用類似于短路。因此，產(chǎn)生大的電流(例如涌流)，這會(huì)損壞電子元件。為了減少該涌流的發(fā)生，這種現(xiàn)有技術(shù)的裝置通常采用涌流保護(hù)裝置(例如軟啟動(dòng)開關(guān))，當(dāng)最初將電源連接到照明控制裝置時(shí)，該保護(hù)裝置限制在預(yù)定時(shí)間內(nèi)通過(guò)的電流量。遺憾的是，包括該涌流保護(hù)裝置進(jìn)一步提高了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并進(jìn)一步增加了制造成本和照明控制裝置的尺寸。
與現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置有關(guān)的又一個(gè)問題涉及與所使用的開關(guān)元件有關(guān)的開關(guān)損耗。除了傳導(dǎo)損耗(conduction loss)之外，以高頻率接通/斷開的開關(guān)元件會(huì)損耗大量的功率用于開關(guān)。可通過(guò)在瞬態(tài)下(例如當(dāng)開關(guān)元件接通/斷開時(shí))所施加的電流乘以所施加的電壓來(lái)計(jì)算該開關(guān)損耗。隨著開關(guān)頻率更高，開關(guān)損耗會(huì)變得更大?，F(xiàn)有技術(shù)的裝置使用多個(gè)在照明狀態(tài)下以高頻率(例如幾十kHz)接通/斷開的開關(guān)元件。因?yàn)槊總€(gè)開關(guān)元件都具有開關(guān)損耗，所以與現(xiàn)有技術(shù)的裝置有關(guān)的開關(guān)損耗的總量等于每個(gè)開關(guān)元件的開關(guān)損耗之和，該和是相當(dāng)大的。由于大的功率損耗和因而導(dǎo)致的低電路效率，因此現(xiàn)有技術(shù)的裝置不能以實(shí)現(xiàn)小型化照明裝置所需的高效率進(jìn)行工作。
注意，在現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置例如美國(guó)專利第6,426,597號(hào)中，與極性反轉(zhuǎn)電路有關(guān)的開關(guān)元件在非照明狀態(tài)(例如點(diǎn)亮)和照明狀態(tài)下均以高頻率接通和斷開。如上所述，開關(guān)損耗與該開關(guān)元件工作的頻率有關(guān)。
這種大的開關(guān)損耗會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置的另一缺點(diǎn)。即，與現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)元件有關(guān)的大的開關(guān)損耗會(huì)轉(zhuǎn)變成熱量。必須將照明控制裝置的每個(gè)元件的溫度維持在低于某個(gè)預(yù)定的臨界溫度水平。然而，當(dāng)開關(guān)損耗大時(shí)，功率損耗也大。所損失的功率(作為熱量排出)會(huì)增加(升高)該照明控制裝置中的元件的溫度。雖然可以安裝散熱器來(lái)散熱，但是包含散熱器會(huì)進(jìn)一步提高制造成本，并增加該裝置的物理尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題，本發(fā)明涉及一種用于HID燈的小型、低成本的照明控制電路，該電路無(wú)需涌流保護(hù)裝置來(lái)防止當(dāng)最初將電源施加到該照明控制裝置時(shí)的涌流狀態(tài)。此外，在照明狀態(tài)下，僅有與本發(fā)明的照明控制裝置的改善功率因數(shù)用功率變換器有關(guān)的開關(guān)元件以高頻率工作。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置相比，本發(fā)明表現(xiàn)出更低的開關(guān)損耗，導(dǎo)致照明控制裝置的效率提高，并無(wú)需使用大的散熱器來(lái)散熱。
根據(jù)本發(fā)明的放電燈照明控制裝置包括DC(直流)電源轉(zhuǎn)換器、改善功率因數(shù)用功率變換器(PFIPC)、極性反轉(zhuǎn)電路、啟動(dòng)電路、和控制器。該DC功率變換器用來(lái)將AC(交流)電源轉(zhuǎn)換成整流電壓。該P(yáng)FIPC包括開關(guān)器件、功率因數(shù)改善器、和功率變換器。該功率因數(shù)改善器用來(lái)通過(guò)在第一電感器件中存儲(chǔ)能量并通過(guò)從第二電感器件釋放能量來(lái)使整流電壓平滑，其中兩個(gè)電感器件磁連接。通過(guò)接通和斷開開關(guān)器件進(jìn)行存儲(chǔ)和釋放。功率變換器產(chǎn)生預(yù)定的DC電壓，預(yù)定的DC電壓是通過(guò)第三電感器件響應(yīng)于開關(guān)器件的接通和斷開而存儲(chǔ)和釋放的能量從平滑電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)的。極性反轉(zhuǎn)電路用來(lái)將預(yù)定的DC電壓轉(zhuǎn)換成施加給燈的方波AC電壓，同時(shí)啟動(dòng)電路使用極性反轉(zhuǎn)電路的輸出作為電源，通過(guò)對(duì)燈施加高電壓脈沖來(lái)點(diǎn)亮該燈?？刂破饔脕?lái)控制PFIPC和極性反轉(zhuǎn)電路。
本發(fā)明的功率因數(shù)改善器還包括第一電容器件，該第一電容器件可使從AC電源轉(zhuǎn)換而來(lái)的整流電壓平滑。功率變換器還包括能夠使燈穩(wěn)定照明的第二電容器件。當(dāng)開關(guān)器件接通時(shí)，功率因數(shù)改善器在第一電感器件中存儲(chǔ)電能。當(dāng)開關(guān)器件斷開時(shí)，利用存儲(chǔ)在第一電感器件中的電能通過(guò)第二電感器件對(duì)第一電容器件充電本發(fā)明的功率變換器還包括第三電感器件，該第三電感器件當(dāng)開關(guān)器件接通時(shí)利用存儲(chǔ)在第一電容器件中的能量來(lái)存儲(chǔ)電能，當(dāng)開關(guān)器件斷開時(shí)利用存儲(chǔ)在第三電感器件中的能量對(duì)第二電容器件充電。
根據(jù)本發(fā)明，功率因數(shù)改善器包括第一電感器件、第一二極管、和電路。第一電感器件的第一端與輸入電源的正極側(cè)電連接。第一二極管的陰極與第一電感器件剩余的一端電連接。電路包括第二電感器件，其第一端與第一二極管的陽(yáng)極電連接，第二電感器件與第一電感器件磁耦合；第二二極管，其陰極與第二電感器件剩余的一端電連接；以及第一電容器件，與由第二電感器件和第二二極管形成的串聯(lián)電路并聯(lián)電連接。
本發(fā)明的功率變換器包括第三二極管，其陽(yáng)極與第二二極管的陽(yáng)極電連接；第二電容器件，其第一端與第三二極管的陰極電連接；以及第三電感器件，其電連接在第二電容器件剩余的一端與第三二極管的陽(yáng)極之間，其中第二電容器件與第三電感器件的結(jié)點(diǎn)與輸入電源的負(fù)極側(cè)電連接。在第一電感器件與第一二極管的結(jié)點(diǎn)和輸入電源的負(fù)極側(cè)之間提供本發(fā)明的開關(guān)器件。注意，可以提供第四二極管，其陰極與第一二極管和第一電容器件的結(jié)點(diǎn)電連接，第四二極管的陽(yáng)極與輸入電源的負(fù)極側(cè)電連接。
根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)器件包括單個(gè)開關(guān)元件。開關(guān)器件可以包括第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件。這時(shí)，第一開關(guān)元件與第一電感器件電連接，第二開關(guān)元件與第二電感器件電連接。第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件由控制器同時(shí)接通和斷開。
控制本發(fā)明的開關(guān)器件的接通和斷開，以便與第一電感器件有關(guān)的第一電流具有該第一電流等于零的第一時(shí)間段，且與第二電感器件有關(guān)的第二電流具有該第二電流值等于零的第二時(shí)間段。第一時(shí)間段的至少一部分和第二時(shí)間段的至少一部分重疊。
可以進(jìn)一步對(duì)開關(guān)器件的接通和斷開進(jìn)行控制，以便與第三電感器件有關(guān)的第三電流具有該第三電流值等于零的第三時(shí)間段。此外，可以以固定頻率來(lái)切換開關(guān)器件，以便根據(jù)PFIPC的輸出電壓和輸出電流來(lái)控制占空比。特別地，可以在AC電源的至少半個(gè)周期內(nèi)維持開關(guān)器件的接通時(shí)間基本恒定。
控制本發(fā)明的PFIPC以便當(dāng)燈未被點(diǎn)亮?xí)r以預(yù)定值輸出恒定電壓。當(dāng)燈被點(diǎn)亮?xí)r，將PFIPC的輸出控制為當(dāng)輸出電壓低于該預(yù)定值時(shí)以某個(gè)值輸出恒定電流、或者當(dāng)輸出電壓高于該預(yù)定值時(shí)以所選擇的值輸出恒定功率。
當(dāng)在燈的照明狀態(tài)下輸出電壓低于預(yù)定值時(shí)，可以降低本發(fā)明的開關(guān)器件的開關(guān)頻率，以便與第一電感器件有關(guān)的電流具有該電流值等于零的第一時(shí)間段，并且與第二電感器件有關(guān)的電流具有該電流值等于零的第二時(shí)間段。第一時(shí)間段的至少一部分和第二時(shí)間段的至少一部分重疊。
還可以對(duì)本發(fā)明的開關(guān)裝置進(jìn)行控制，以便對(duì)開關(guān)器件的接通和斷開進(jìn)行控制，從而使與第三電感器件有關(guān)的電流為不具有電流值等于零的時(shí)間段的連續(xù)電流。通過(guò)以固定頻率切換開關(guān)器件，根據(jù)PFIPC的輸出電壓和輸出電流來(lái)控制開關(guān)器件的占空比。
本發(fā)明的啟動(dòng)電路的輸出包括當(dāng)極性反轉(zhuǎn)電路對(duì)電感-電容串聯(lián)諧振電路施加振幅為PFIPC的輸出電壓的方波AC電壓時(shí)得到的諧振升壓。
根據(jù)本發(fā)明的放電燈照明控制裝置包括改善功率因數(shù)用功率變換器，其包括用來(lái)產(chǎn)生預(yù)定的DC電壓的開關(guān)器件；極性反轉(zhuǎn)電路，其具有多個(gè)開關(guān)元件，接通/斷開這些開關(guān)元件以控制燈的工作；啟動(dòng)電路，用來(lái)點(diǎn)亮燈；以及控制器，其控制開關(guān)器件和多個(gè)開關(guān)元件。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)燈工作在照明狀態(tài)時(shí)，只有改善功率因數(shù)用功率變換器的開關(guān)器件以高頻率工作。
根據(jù)本發(fā)明的放電燈照明控制裝置的改善功率因數(shù)用功率變換器包括開關(guān)器件；功率因數(shù)改善器；以及功率變換器。通過(guò)在第一電感器件中存儲(chǔ)能量并通過(guò)從第二電感器件釋放能量來(lái)使DC電壓平滑，第二電感器件與第一電感器件磁耦合。通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)器件的接通時(shí)間來(lái)進(jìn)行DC電壓的存儲(chǔ)和釋放。功率變換器產(chǎn)生預(yù)定的DC輸出電壓，該預(yù)定的DC輸出電壓是通過(guò)第三電感器件響應(yīng)于開關(guān)器件的接通時(shí)間而存儲(chǔ)和釋放的能量從平滑電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)的。


通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)作為非限制性的例子的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，其中，相同的附圖標(biāo)記在全部附圖中表示相同的部分。其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的HID照明控制裝置的框圖；圖2示出用于圖1的HID照明控制裝置的改善功率因數(shù)用功率變換器(PFIPC)的第一實(shí)施例；圖3示出包括第一實(shí)施例的PFIPC的HID照明控制裝置的電路配置；圖4從概念上示出在預(yù)定時(shí)間內(nèi)與PFIPC有關(guān)的電流i1；圖5示出用在本發(fā)明的PFIPC中的儲(chǔ)能電容器的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)與變化的占空比的關(guān)系；圖6示出與本發(fā)明的PFIPC的不同部分有關(guān)的波形；圖7示出用于HID燈的PFIPC的第二實(shí)施例的電路配置；圖8A和8B示出圖7的PFIPC的不同部分的波形；圖9示出在非照明(點(diǎn)亮)狀態(tài)和照明(工作)狀態(tài)期間用于本發(fā)明的燈的端子之間的電壓和電流；圖10示出照明狀態(tài)下燈的功率的輸出特性；圖11示出由于寄生電容而產(chǎn)生諧振的情形；圖12示出用于HID燈的PFIPC的第三實(shí)施例；圖13示出用于HID燈的PFIPC的第四實(shí)施例；圖14A和14B分別示出圖13的PFIPC的各部分在非照明狀態(tài)和照明狀態(tài)下的波形；圖15示出在第四實(shí)施例的PFIPC中使用的儲(chǔ)能電容器的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的關(guān)系；圖16示出用于本發(fā)明的極性反轉(zhuǎn)電路在非照明(例如點(diǎn)亮)狀態(tài)和照明狀態(tài)下的工作狀況；以及圖17示出用于本發(fā)明的照明控制裝置的控制器的例子。
具體實(shí)施例方式
圖1～3示出根據(jù)本發(fā)明的高強(qiáng)度氣體放電(HID)燈照明裝置100的示意圖。所示出的照明裝置包括非隔離型照明裝置，其中，該裝置的輸入部分和輸出部分沒有電隔離。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和/或精神的情況下，本發(fā)明同樣適用于輸入與輸出電隔離的配置。
如圖1所示，照明裝置100包括橋式整流器(二極管電橋)DB1、改善功率因數(shù)用功率變換器(PFIPC)1、極性反轉(zhuǎn)電路2、啟動(dòng)電路3、HID燈La、和控制電路4。
注意，極性反轉(zhuǎn)電路、啟動(dòng)電路、和控制電路在該領(lǐng)域內(nèi)(參見，例如上述現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn))是已知的，雖然在此具體電路在細(xì)節(jié)上會(huì)有所差異，但是這些電路的操作是相同的。因此，略去這些電路的詳細(xì)說(shuō)明，除非完全理解本發(fā)明的PFIPC需要該說(shuō)明。
橋式整流器DB1包括兩個(gè)AC輸入端、一個(gè)正(+)輸出端和一個(gè)負(fù)(-)輸出端。這兩個(gè)AC端子與AC電源Vs例如電源線相連。橋式整流器的名稱是由于其包括四個(gè)排列成橋狀的二極管，該橋式整流器將來(lái)自電源Vs的AC電源變換成由橋式整流器DB1的正輸出端和負(fù)輸出端提供的整流電壓。
PFIPC1接受來(lái)自橋式整流器DB1的整流電壓，并輸出預(yù)定的DC電壓VDC1，其中，提高了輸入功率因數(shù)，同時(shí)使輸入電流的畸變最小化。極性反轉(zhuǎn)電路2的功能是將預(yù)定的輸出DC電壓VDC1轉(zhuǎn)換成施加給HID燈La的方波AC電壓。啟動(dòng)電路3接受極性反轉(zhuǎn)電路2的輸出，并產(chǎn)生施加給HID燈La以啟動(dòng)(和重啟)該燈的高電壓脈沖?？刂齐娐?的控制器4a的功能是控制PFC1的工作，而控制器4的控制器4b的功能是控制極性反轉(zhuǎn)電路2的工作。
參考圖2和圖3來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施例。PFIPC1包括三個(gè)感應(yīng)元件，例如但不局限于電感器L1、L2和L3；開關(guān)器件S；阻流(blocking)二極管D1a、D1b、D2a和D2b；以及兩個(gè)電容元件，例如但不局限于電容器C1和C2。這里，雖然本發(fā)明是關(guān)于具體配置進(jìn)行說(shuō)明的，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于在此所說(shuō)明的配置，可以在不脫離本發(fā)明的范圍和/或精神的情況下對(duì)其進(jìn)行改變。
在第一實(shí)施例中，第一電感器L1的第一端與橋式整流器DB1的正端電連接。電感器L1的第二端與阻流二極管D1a的陽(yáng)極端子電連接。阻流二極管D1a的陰極與阻流二極管D1b的陰極電連接。阻流二極管D1b的陽(yáng)極與第二電感器L2的第一端電連接，而第二電感器L2的第二端與阻流二極管D2a的陰極電連接。阻流二極管D2a的陽(yáng)極與阻流二極管D2b的陽(yáng)極電連接。阻流二極管D2b的陰極表示提供給極性反轉(zhuǎn)電路2的PFIPC的輸出(參見圖3)。
注意，對(duì)電感器L1和電感器L2進(jìn)行物理定位以便使其互相磁耦合。此外，與每個(gè)電感器L1和L2有關(guān)的線圈的纏繞方向如圖所示。
第三電感器L3的第一端與阻流二極管D2a和D2b的結(jié)點(diǎn)電連接，同時(shí)其第二端與地電連接(例如橋式整流器DB1的負(fù)端，如圖3所示)。第一電容器C1的正端與阻流二極管D1b和第二電感器L2的結(jié)點(diǎn)電連接，而第一電容器C1的負(fù)端與阻流二極管D2a和D2b的結(jié)點(diǎn)電連接。在所公開的實(shí)施例中，第一電容器C1包括電解電容器。然而，可以使用其它類型的電容器，例如但不局限于鉭型電容器。
第二電容器C2的一端與阻流二極管D2b的陰極電連接，而其另一端與地電連接。這里，跨越第二電容器C2的端子(電極)的電壓表示PFIPC1的輸出電壓VDC1。
同樣，第三電容器C3的一端與電感器L1的第一端電連接，而其另一端與地電連接。
在所公開的實(shí)施例中，開關(guān)器件S包括例如晶體管，特別是n型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。然而，在不脫離本發(fā)明的范圍和/或精神的情況下，也可以使用其它開關(guān)器件。如圖2和3所示，開關(guān)器件S的漏極與阻流二極管D1a和D1b的結(jié)點(diǎn)電連接。開關(guān)器件S的襯底和源極與地電連接。開關(guān)器件S的柵極與下述控制電路4的控制接通/斷開信號(hào)線電連接。
PFIPC1實(shí)際上包括三個(gè)子部分開關(guān)部分、功率因數(shù)改善器部分、和功率變換器部分。開關(guān)部分由開關(guān)器件S構(gòu)成。功率因數(shù)改善器部分由第一電感器L1、阻流二極管D1a和D1b、第二電感器L2、阻流二極管D2a、和第一電容器C1構(gòu)成。功率變換器部分由第三電感器L3、阻流二極管D2b、和第二電容器件C2構(gòu)成。
下面將說(shuō)明PFIPC1的工作。如上所述，橋式整流器DB1將來(lái)自電源Vs的AC電源轉(zhuǎn)換成整流電壓。當(dāng)開關(guān)器件S接通時(shí)，與整流電壓有關(guān)的電能存儲(chǔ)在第一電感器L1中。幾乎同時(shí)，第一電容器C1放電，并將放出的能量存儲(chǔ)在第三電感器L3中。當(dāng)開關(guān)器件S斷開時(shí)，利用存儲(chǔ)在第一電感器L1中的能量通過(guò)第二電感器L2對(duì)第一電容器C1重新充電。幾乎同時(shí)，利用存儲(chǔ)在第三電感器L3中的電能對(duì)第二電容器C2充電。
當(dāng)通過(guò)控制電路4的控制器4a以高頻率(例如數(shù)十kHz至數(shù)百kHz)適當(dāng)接通/斷開開關(guān)器件S時(shí)，輸出所期望的DC電壓VDC1。PFIPC1的功能是改善輸入功率因數(shù)，并控制輸入電流的畸變。
如圖3所示，極性反轉(zhuǎn)電路2包括多個(gè)開關(guān)器件(元件)Q 1、Q2、Q3和Q4，例如但不局限于n型MOSFET。極性反轉(zhuǎn)電路的配置對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的，因此這里省略其詳細(xì)說(shuō)明。當(dāng)以一定的時(shí)間周期重復(fù)接通/斷開開關(guān)元件(例如以數(shù)百Hz的速率對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行開關(guān))時(shí)，可以將預(yù)定的電壓VDC1轉(zhuǎn)換成頻率大致等于該一定的時(shí)間周期(例如數(shù)百Hz)的所期望的方波AC電壓。
圖16示出極性反轉(zhuǎn)電路2的開關(guān)元件Q1、Q2、Q3和Q4在非照明狀態(tài)(例如點(diǎn)亮)和照明狀態(tài)下的工作狀況。當(dāng)燈La要被點(diǎn)亮(例如非照明狀態(tài))時(shí)，通過(guò)控制電路4的控制器4b控制開關(guān)元件Q1～Q4以例如數(shù)十kHz至數(shù)百kHz的高頻率接通/斷開。一旦燈La工作在照明狀態(tài)，控制器4b則指示(控制)開關(guān)元件Q1～Q4以例如100Hz的較低頻率接通/斷開。因此，在照明狀態(tài)期間，極性反轉(zhuǎn)電路2的開關(guān)元件Q1～Q4不會(huì)以高頻率工作。因此，當(dāng)燈La處于照明狀態(tài)時(shí)，只有本發(fā)明的照明控制裝置的PFIPC1的開關(guān)器件S以高頻率工作。
在照明狀態(tài)下，PFIPC1的輸出電壓和輸出電流與跨越燈La的電壓和電流有關(guān)，因此易于檢測(cè)。將控制電路4與PFIPC1的輸出和地電連接以便檢測(cè)與燈La有關(guān)的電壓，從而基于檢測(cè)到的輸出電壓和檢測(cè)到的電流IDC1來(lái)控制開關(guān)器件S的接通時(shí)間操作(On-time operation)，以便燈La適當(dāng)照明?？刂齐娐?使用寄存器或電流互感器來(lái)檢測(cè)電流IDC1。
如上所述，所公開的實(shí)施例使用單個(gè)開關(guān)器件S，當(dāng)燈La工作在照明狀態(tài)時(shí)，該開關(guān)器件S以高頻率(例如數(shù)十kHz至數(shù)百kHz)接通和斷開。開關(guān)器件的重復(fù)接通/斷開導(dǎo)致一定量的開關(guān)損耗。由于本發(fā)明只使用了一個(gè)開關(guān)器件，因而與本發(fā)明的照明裝置100有關(guān)的開關(guān)損耗(由開關(guān)器件以高頻率接通/斷開而產(chǎn)生的)的總量小于現(xiàn)有技術(shù)的裝置。因此，本發(fā)明的照明裝置100具有更高的效率。此外，效率的提高意味著以熱能的形式浪費(fèi)的能量減少。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置相比，PFIPC1的開關(guān)器件S需要更小的散熱器(或不需要散熱器)，從而導(dǎo)致更小型且成本更低的照明控制裝置。
當(dāng)PFIPC1的開關(guān)器件S接通時(shí)，由橋式整流器DB1整流的電壓用作電源，并產(chǎn)生電流i1。與整流電壓有關(guān)的能量存儲(chǔ)在電感器L1中。幾乎同時(shí)，釋放存儲(chǔ)在第一電容器C1中的能量，將其存儲(chǔ)在第三電感器L3中。
當(dāng)開關(guān)器件S斷開時(shí)，利用存儲(chǔ)在第一電感器L1中的能量對(duì)第一電容器C1重新充電(通過(guò)兩個(gè)電感器L1和L2的磁耦合)。因此，電流i2從第二電感器L2流向第一電容器C1。幾乎同時(shí)，利用存儲(chǔ)在第三電感器L3中的電能對(duì)第二電容器C2充電。在這期間，電流i3從第三電感器L3流向第二電容器C2。
對(duì)第一電容器C1的電容進(jìn)行選擇，以使通過(guò)橋式整流器DB1對(duì)AC電源Vs整流得到的全波整流電壓平滑。還應(yīng)注意，跨越第二電容器C2的電極的電壓基本對(duì)應(yīng)于PFIPC1的輸出。
當(dāng)通過(guò)控制器4a以高頻率(例如數(shù)十kHz至數(shù)百kHz)接通/斷開(開關(guān))開關(guān)器件S時(shí)，輸出所期望的預(yù)定DC電壓VDC1。由控制電路4的控制器4a提供給開關(guān)器件S的柵極的控制接通/斷開信號(hào)(占空比“d”，如圖17所示)具有固定的頻率。開關(guān)器件S接通的持續(xù)時(shí)間(稱為接通時(shí)間)至少在AC電源Vs的半個(gè)周期內(nèi)是恒定的。
當(dāng)開關(guān)器件S接通時(shí)，電流i1從0開始上升(參見圖4)。由于開關(guān)器件S的接通時(shí)間是恒定的，且電流i1從0開始上升，因此電流i1的峰值根據(jù)AC電源Vs而變化，并模擬近似的正弦波形。
圖4表示在AC電源Vs的半個(gè)周期內(nèi)的電流i1的概念性示例。通過(guò)第三電容器C3使電流i1平滑。如圖4所示，PFIPC1的輸入電流Iin具有近似的正弦波形，其形狀近似與AC電源Vs的相位相同。這表明本發(fā)明的PFIPC1顯示出良好的輸入功率因數(shù)，并且輸入電流的畸變得到了控制。
當(dāng)開關(guān)元件S接通時(shí)，電流i3從0開始上升(參見圖6)。換言之，電流i3具有間歇期(pause period)(由圖6中的時(shí)刻t’和t2之間的時(shí)間表示)。優(yōu)選地，對(duì)第一、第二和第三電感器L1、L2和L3的電感進(jìn)行選擇，以便充入第一電容器C1的能量(Pin)基本等于第一電容器C1放出(釋放)的能量(Pout)。因此，第一電容器C1顯示出基本恒定的預(yù)定電壓VC1。
使用以下公式來(lái)選擇每個(gè)電感器L1、L2和L3的值L1＝(Vp2·D2)/(4·P·fs)；L2＝(Vp2·D2)/(4·P·fs)；L3max＝(Rmin·(1-D)2)/(2·fs)；L3min＝(D/(1-D))2·(Vp2·D2)/(4·P·fs)；以及VC1＝(L3/L1)1/2·Vs(注意，其與(L3/L2)1/2·Vs相同)，其中L1和L2分別表示第一電感器L 1和第二電感器L2的電感值，L3min表示第三電感器L3的最小電感值，L3max表示第三電感器L3的最大電感值，VC1表示跨越第一電容器C1的電壓，P表示PFIPC1的輸出功率，fs表示開關(guān)器件S的開關(guān)頻率，D表示開關(guān)器件S的開關(guān)占空比，Vp表示AC電源Vs的峰值電壓，以及Rmin表示燈La的最小等效電阻值。
利用以上公式，可以確保第一電容器C1的額定電壓將不超過(guò)AC電源Vs的峰值電壓。也就是說(shuō)，與現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置有關(guān)的對(duì)應(yīng)電容器的額定電壓相比，對(duì)電容進(jìn)行選擇以使全波整流AC電源Vs平滑的第一電容器C1的額定電壓更低。較低的電容器額定電壓允許本發(fā)明使用尺寸更小的電容器，這有助于裝置的小型化。此外，額定電壓較低的電容器與相應(yīng)的額定電壓較高的電容器相比通常更廉價(jià)，這進(jìn)一步有助于降低制造成本。
此外，即使當(dāng)與輸出(例如燈La)相連的負(fù)載的阻抗發(fā)生突然(瞬間)改變時(shí)，第一電容器C1用來(lái)將第一電容器C1充電的功率(Pin)和第一電容器C1放電的功率(Pout)維持為恒定的功率。
圖5示出在開關(guān)器件S的接通時(shí)間期間的占空比與第一電容器C1充電的功率和第一電容器C1放電的功率的關(guān)系。如圖5所示，當(dāng)將占空比設(shè)置為所選擇的占空比“d”時(shí)，充電功率Pin等于放電功率Pout。也就是說(shuō)，當(dāng)將占空比設(shè)置為“d”時(shí)，維持恒定的功率。因此，即使當(dāng)負(fù)載的阻抗突然改變時(shí)，充電功率Pin和放電功率Pout仍保持恒定的功率并且具有相等的值。因此，不會(huì)產(chǎn)生由于第一電容器C1不平衡的充電/放電而引起的不希望的過(guò)電壓。因此，可以使用具有更低額定電壓的電容器，這進(jìn)一步有助于本發(fā)明的小型化和降低制造成本。
此外，本PFIPC的配置不提供電流從輸入電源直接流入第一電容器C1的電通路。因此，當(dāng)最初施加AC電源Vs時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生涌流，因而本發(fā)明無(wú)需包括涌流保護(hù)裝置。另外，當(dāng)輸入電壓小于跨越第一電容器C1的電極(端子)的電壓VC1時(shí)，以及當(dāng)開關(guān)元件S在接通后切換至斷開時(shí)，二極管D1a防止第一電容器C1向輸入回饋電(放電)。關(guān)于這一點(diǎn)，注意，如果使用具有小逆向恢復(fù)時(shí)間的快速恢復(fù)二極管的橋式整流器DB1，則可以除去二極管D1a。
圖6圖示出關(guān)于開關(guān)器件S的開關(guān)的電流i1、i2和i3與預(yù)定的DC電壓VDC1的關(guān)系。如圖所示，輸出電壓VDC1在時(shí)間“t”上基本保持恒定。開關(guān)器件S從時(shí)刻t0到時(shí)刻t1為接通狀態(tài)。在這期間，電流i1和i3增大(斜線上升)。在時(shí)刻t1處，開關(guān)器件S改變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，電流i2和i3減小(斜線下降)。
下面對(duì)控制器4進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論。圖17示出用于本發(fā)明的控制器4的例子。注意，以下討論是關(guān)于控制器的一個(gè)例子而進(jìn)行的，而且許多控制器可用于放電燈照明控制裝置。因此，以下討論僅表示由所公開的可用于本發(fā)明的控制器的例子所執(zhí)行的操作。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和/或精神的情況下，本發(fā)明也可以使用替代的控制器。
圖17的控制電路4包括用于控制PFIPC1的開關(guān)器件S的接通時(shí)間的控制器4a、以及用于控制極性反轉(zhuǎn)電路2的開關(guān)元件Q1～Q4的接通/斷開切換的控制器4b。
控制器4a與PFIPC1的VDC1輸出線電連接以檢測(cè)電壓Vo?？刂破?a還與地感應(yīng)耦合以檢測(cè)電流Io。檢測(cè)到的電壓Vo和檢測(cè)到的電流Io用于燈功率計(jì)算器400，以根據(jù)以下公式來(lái)確定燈La的燈功率信號(hào)WW＝((Ki·Io)·(Kv·Vo))/10，其中，W等于燈功率信號(hào)，Ki等于電流感應(yīng)增益(例如預(yù)定的放大系數(shù))，Io等于檢測(cè)到的電流，Kv等于電壓感應(yīng)增益(例如某一放大系數(shù))，以及Vo等于檢測(cè)到的電壓。
根據(jù)上式，通過(guò)將DC輸出電壓乘以PFIPC1的輸出電流得到燈功率信號(hào)W。加法器402將得到的燈功率信號(hào)W與表示目標(biāo)功率水平Pref(例如燈La的所期望的功率水平)的值相結(jié)合，以產(chǎn)生輸入到比例積分器404的結(jié)果。比例積分器對(duì)所輸入的信號(hào)進(jìn)行積分以產(chǎn)生誤差信號(hào)，并將該誤差信號(hào)提供給脈沖寬度調(diào)制(PWM)比較器406的反相輸入。
PWM比較器406對(duì)誤差信號(hào)與輸入到PWM比較器406的非反相輸入的參考信號(hào)進(jìn)行比較，以對(duì)PFIPC1的開關(guān)器件S產(chǎn)生具有占空比“d”的信號(hào)。
還將檢測(cè)到的電壓Vo輸入到控制器4b的函數(shù)發(fā)生器408。該函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)奶峁┙o驅(qū)動(dòng)器DR1和驅(qū)動(dòng)器DR2的控制信號(hào)，以控制開關(guān)元件Q1～Q4的接通/斷開的切換。
如上所述，在燈La的點(diǎn)亮(例如非照明狀態(tài))期間，控制器4b控制極性反轉(zhuǎn)電路2和啟動(dòng)電路3以高頻率(例如數(shù)十kHz至數(shù)百kHz)工作。此外，由控制器4a提供給單個(gè)開關(guān)器件S的占空比“d”使得開關(guān)器件S同樣以高頻率接通/斷開。關(guān)于這一點(diǎn)，注意，應(yīng)用于開關(guān)器件S的高頻率與應(yīng)用于開關(guān)元件Q1～Q4的高頻率可以相同或者也可以不同。
一旦燈La處于穩(wěn)定狀態(tài)(例如照明狀態(tài))，則控制器4b控制極性反轉(zhuǎn)電路2的開關(guān)元件Q1～Q4以較低的頻率(例如100Hz)工作。然而，控制器4a繼續(xù)控制開關(guān)器件S以高頻率工作。因此，當(dāng)燈La處于照明狀態(tài)時(shí)，只有與照明控制裝置10有關(guān)的PFIPC1的開光器件S以高頻率工作。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的HID燈照明裝置200的電路。為了清楚起見，對(duì)相同種類的元件指定與第一實(shí)施例中相同的附圖標(biāo)記。改善功率因數(shù)用功率變換器(PFIPC)10與第一實(shí)施例的PFIPC1的不同之處如下第一實(shí)施例的阻流二極管D1a和D1b被第二實(shí)施例中的單個(gè)阻流二極管D1代替。阻流二極管D1的陰極與(開關(guān)器件S的)漏極和第一電感器L1的結(jié)點(diǎn)電連接。阻流二極管D1的陽(yáng)極與第二電感器L2和第一電容C1的結(jié)點(diǎn)電連接。另外，包括一個(gè)附加的阻流二極管D3，其陰極與阻流二極管D1的陽(yáng)極電連接，而阻流二極管D3的陽(yáng)極與地電連接。
注意，第二實(shí)施例的極性反轉(zhuǎn)電路2、啟動(dòng)電路3和控制電路4對(duì)應(yīng)于關(guān)于第一實(shí)施例所說(shuō)明的極性反轉(zhuǎn)電路2、啟動(dòng)電路3和控制電路4。因此，從第二實(shí)施例的討論中略去對(duì)這些電路的討論。
圖8A和8B分別圖示出在非照明狀態(tài)和照明狀態(tài)期間PFIPC10中的電流i1、i2和i3以及輸出電壓VDC1。PFIPC10的基本操作與第一實(shí)施例的PFIPC1的操作相似，利用控制電路4a檢測(cè)輸出電壓VDC1和輸出電流IDC1，以便控制開關(guān)器件S的接通時(shí)間，從而獲得所期望的輸出。
如圖8A所示，當(dāng)燈La處于具有高阻抗的非照明狀態(tài)時(shí)，控制開關(guān)器件S以便使輸出電壓VDC1對(duì)應(yīng)于恒定的輸出電壓V02。開關(guān)器件S的接通時(shí)間短，并且有時(shí)為0。當(dāng)燈La處于照明狀態(tài)時(shí)，如圖8B所示，開關(guān)器件S的接通時(shí)間被延長(zhǎng)，以便輸出電壓VDC1近似等于燈電壓Vla。
參考圖9提供的以下說(shuō)明示出了從對(duì)橋式整流器DB1施加AC電源Vs的時(shí)刻起直到燈La被點(diǎn)亮(例如處于照明狀態(tài))的時(shí)刻為止，第二實(shí)施例的HID燈照明裝置的工作。
當(dāng)施加AC電源Vs時(shí)，燈La處于非照明狀態(tài)(例如燈La未被點(diǎn)亮)。因此，PFIPC10輸出恒定的電壓V02作為輸出電壓VDC1。在燈La處于非照明狀態(tài)的情況下，由控制電路4b控制的極性反轉(zhuǎn)電路2以第一預(yù)定頻率f0(約等于數(shù)百kHz)反復(fù)交替開關(guān)器件對(duì)Q1和Q4、以及開關(guān)器件對(duì)Q2和Q3。在所公開的實(shí)施例中，第一預(yù)定頻率f0對(duì)應(yīng)于大致等于諧振頻率fr除以任意所選擇的奇數(shù)的頻率(例如fo＝fr/3、或fr/5、或…)。諧振頻率fr定義為近似等于由變壓器PT1的第一繞組n1和第四電容器C4構(gòu)成的啟動(dòng)電路3的串聯(lián)諧振電路的諧振頻率。在第一繞組n1中產(chǎn)生高電壓正弦波，可以通過(guò)變壓器PT1的第一繞組n1與第二繞組n2的匝數(shù)比對(duì)其進(jìn)行升壓(增大)。將該高電壓正弦波脈沖施加給燈La。向燈La施加高電壓正弦波脈沖會(huì)使燈La點(diǎn)亮，從而使其啟動(dòng)。
在所公開的實(shí)施例中，電壓V02通常設(shè)置為250V以上的電壓，以便在燈La點(diǎn)亮之后，可容易地從輝光放電轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姟Ｈ欢?，?yīng)當(dāng)理解，可以基于許多因素對(duì)電壓V02進(jìn)行選擇，這些因素包括但不局限于所使用的燈La的特性。因此，本發(fā)明不局限于在此所公開的電壓V02的具體電壓設(shè)定，并且可以在不脫離本發(fā)明的范圍和/或精神的情況下做出改變。關(guān)于這一點(diǎn)，注意，當(dāng)高電壓正弦波可以向從輝光放電到弧光放電的轉(zhuǎn)變提供足夠的能量時(shí)，可以將電壓設(shè)置為低于250V。
當(dāng)燈La啟動(dòng)(例如非照明狀態(tài)/點(diǎn)亮狀態(tài))并進(jìn)入照明狀態(tài)時(shí)，由控制電路4的控制器4b控制的極性反轉(zhuǎn)電路2以預(yù)定的頻率fa(在所公開的實(shí)施例中，等于但不局限于約100Hz)，以交替的方式反復(fù)接通開關(guān)器件Q1和Q4、以及反復(fù)接通開關(guān)器件Q2和Q3。因此，向燈La施加頻率為fa的方波AC電壓。在這期間，PFIPC10的輸出VDC1近似等于燈電壓Vla。
當(dāng)燈La最初啟動(dòng)(點(diǎn)亮)時(shí)，燈La的阻抗非常低，因此燈La的特性更類似于短路狀態(tài)。當(dāng)燈被點(diǎn)亮(例如照明狀態(tài))時(shí)，燈的阻抗增加，直到數(shù)分鐘后，燈La達(dá)到基本穩(wěn)定(穩(wěn)定)的照明狀態(tài)的阻抗。
在照明狀態(tài)下的PFIPC10的輸出特性(性能)如圖10所示。在電壓低于預(yù)定的燈電壓Vlow的區(qū)域內(nèi)，控制開關(guān)器件S的接通時(shí)間以便輸出恒定電流I02。在所公開的實(shí)施例中，恒定電流I02通常(但不必需)是額定燈電流的1.2～2.0倍。為了使第一電流i1當(dāng)開關(guān)器件S接通時(shí)從0開始上升，接通/斷開開關(guān)器件S的頻率必須隨燈電壓的降低而降低。因此，即使在低的燈電壓區(qū)域內(nèi)，也能提高輸入功率因數(shù)并控制輸入電流的畸變。在電壓高于預(yù)定燈電壓Vlow的區(qū)域內(nèi)(例如包括額定燈電壓的區(qū)域)，控制開關(guān)器件S的接通時(shí)間以便輸出功率Po保持基本恒定的功率Pla(該功率近似等于燈的額定功率)。
因此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了無(wú)論燈電壓有任何波動(dòng)仍能輸出近似恒定的光的高質(zhì)量照明裝置。
下面說(shuō)明第二實(shí)施例中包含的二極管D3。如圖8A和8B所示，在非照明狀態(tài)下電流i3顯示出間歇期(例如時(shí)刻ta和時(shí)刻tb之間的時(shí)間，在該期間電流i3既不充電也不放電)。如圖11所示，在該間歇期內(nèi)，在包括第三電感器L3和阻流二極管D2b的寄生電容的串聯(lián)諧振電路中產(chǎn)生諧振。因此，第三電感器L3的電壓VL3可能達(dá)到-V02(如圖11中的波形的虛線延長(zhǎng)線所示)。在這種情況下，阻流二極管D2b上的電壓VD2b將是V02電壓的兩倍。
為了避免使用額定電壓為該高電壓的電子元件(例如額定電壓至少是V02的電壓的兩倍的電子元件)，加入鉗位器件例如但不局限于鉗位二極管D3，以便將第三電感器L3的電壓VL3鉗位在-VC1。因此，通過(guò)使用鉗位二極管D3，可以使用額定電壓較低的元件，從而降低制造成本并減小照明裝置的尺寸。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明的HID燈照明控制裝置300的第三實(shí)施例。如前面的實(shí)施例所述，對(duì)相同種類的元件指定與第一實(shí)施例相同的附圖標(biāo)記。
第三實(shí)施例與第一和第二實(shí)施例的不同之處在于第三實(shí)施例的改善功率因數(shù)用功率變換器(PFIPC)30使用兩個(gè)同時(shí)接通/斷開的開關(guān)元件S1和S2。第三實(shí)施例中的其它操作和功能與第一和第二實(shí)施例的相同。
通過(guò)在PFIPC30中使用兩個(gè)開關(guān)元件S1和S2，可以除去二極管D1。此外，在所公開的實(shí)施例中，開關(guān)元件S1和S2是MOSFET，然而應(yīng)當(dāng)理解，也可以使用其它類型的開關(guān)元件。特別地，在第三實(shí)施例中至少第二開關(guān)元件S2所使用的MOSFET包括內(nèi)置二極管。因此，可以除去二極管D3。
在第三實(shí)施例中，使用啟動(dòng)電路3的變形作為啟動(dòng)電路3a。具體地，設(shè)置電容器C4電連接于(變壓器PT1的)繞組n1和n2的結(jié)點(diǎn)與開關(guān)器件Q3和Q4的結(jié)點(diǎn)之間。特別地，在第一實(shí)施例中振幅為V02的方波電壓有助于諧振，然而，在第三實(shí)施例中振幅為V02的兩倍的方波電壓有助于諧振。因此，可以更有效地利用電壓，從而易于產(chǎn)生所期望的預(yù)定的高電壓。
圖13示出根據(jù)本發(fā)明的HID燈照明控制裝置500的第四實(shí)施例。如前面的實(shí)施例所述，對(duì)相同種類的元件指定與第一實(shí)施例相同的附圖標(biāo)記。
PFIPC40在非照明(例如點(diǎn)亮)狀態(tài)下的波形(參見圖14A)與第一實(shí)施例中的PFIPC1在非照明狀態(tài)下的波形對(duì)應(yīng)。然而，與第三實(shí)施例不同，第四實(shí)施例中的電流i3顯示出無(wú)間歇期的連續(xù)波形(參見圖14B)。由于減小了峰值電流值，因而使功率損耗最小化，由此提高了電路的效率。因此，不再需要使用大體積的散熱器來(lái)將照明裝置的工作溫度維持在安全的工作范圍內(nèi)，而大體積散熱器是制造小型照明裝置的障礙。
在第四實(shí)施例中，當(dāng)電流i3顯示出連續(xù)波形時(shí)(例如該波形沒有間歇期)，在一定的條件下，對(duì)于負(fù)載(與輸出相連)的阻抗的瞬間變化，第一電容器C1的充電功率(Pin)和第一電容器C1的放電功率(Pout)如圖15所示。
對(duì)于在一定條件下的負(fù)載(與輸出相連)的阻抗的瞬間變化，第一電容器C1的充電功率(Pin)具有維持相對(duì)恒定的功率的特性。然而，由于第一電容器C1的放電功率(Pout)維持相對(duì)恒定的輸出電壓，因此第一電容器的放電功率會(huì)隨負(fù)載而波動(dòng)。
圖15的橫軸表示開關(guān)元件S1和S2接通時(shí)間期間的占空比D。下面的縱軸表示第一電容器C1的充電功率(Pin)，上面的縱軸表示第一電容器C1的放電功率(Pout)。如圖15所示，當(dāng)占空比D設(shè)置為某值d時(shí)，第一電容器C1的充電功率等于第一電容器C1的放電功率。
當(dāng)與輸出連接的負(fù)載的阻抗瞬間改變時(shí)，第一電容器C1的充電功率(Pin)維持恒定功率。然而，因?yàn)榈谝浑娙萜鰿1的放電功率(Pout)試圖維持恒定的電壓輸出，因而第一電容器C1的放電功率(Pout)會(huì)隨負(fù)載而變化。由于第一電容器C1中的不平衡的充電/放電功率，可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。
第四實(shí)施例的控制電路4’是上面關(guān)于圖17所討論的控制電路4的變形。除包括控制器4a和4b之外，該控制電路4’還包括過(guò)電壓保護(hù)電路4c，其功能是檢測(cè)VDC1的過(guò)電壓(由于第一電容器C1的電壓升高)，并控制開關(guān)元件S1和S2的接通時(shí)間以便將輸出抑制在安全水平以下。因此，過(guò)電壓不再是問題。
表示控制電路4’和(極性反轉(zhuǎn)電路2’的)驅(qū)動(dòng)器DR1和DR2的電源的電源電壓Vcc由電源產(chǎn)生電感器件獲得，該電感器件例如但不局限于與第一和第二電感器L1和L2磁耦合的第四電感器L4。通過(guò)第二橋式整流器DB2對(duì)從第四電感器L4得到的電壓進(jìn)行整流，并通過(guò)平滑電容器C5使其平滑，以便獲得預(yù)定的所要求的電壓Vccr。該預(yù)定電壓Vccr表示控制電路4’和極性反轉(zhuǎn)電路2’正確工作所需的電壓。
然而，當(dāng)燈La處于非照明狀態(tài)時(shí)(因此表現(xiàn)出高阻抗)，控制開關(guān)元件S1和S2以便使輸出電壓VDC1大致等于電壓V02。開關(guān)元件S1和S2的接通時(shí)間短，并且有時(shí)等于0。因此，存在更多的電壓不是由第四電感器L4產(chǎn)生的期間(例如電壓未施加到第一和第二電感器L1和L2)。在這些期間內(nèi)，工作電壓Vcc可能變得不穩(wěn)定。當(dāng)電源電壓Vcc低于預(yù)設(shè)值Vccl時(shí)(例如最小閾值電壓，低于該電壓控制電路4’和極性反轉(zhuǎn)電路2’將不工作)，電壓V02略微升高以增加開關(guān)元件S1和S2的接通時(shí)間。因此，電源電壓Vcc可以獲得足夠的能量以從最小閾值電壓Vccl達(dá)到預(yù)定的所要求的電壓Vccr，從而連續(xù)確保工作電壓Vcc在預(yù)定的范圍內(nèi)。
也就是說(shuō)，如果預(yù)定的所要求的電壓Vccr小于最小閾值電壓Vccl，則控制電路4’將改變開關(guān)元件S1和S2的接通時(shí)間以便將工作電壓提高到大致等于預(yù)定的所要求的電壓Vccr。
第四實(shí)施例的照明裝置所需的部件的數(shù)量與現(xiàn)有技術(shù)的照明裝置所使用的部件數(shù)量相同。然而，第四實(shí)施例的照明裝置中的開關(guān)元件S1和S2的開關(guān)損耗小于現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置。因?yàn)樵诒景l(fā)明中只有一個(gè)開關(guān)元件以高頻率接通/斷開，因此本發(fā)明的照明控制裝置的效率大于現(xiàn)有技術(shù)的照明控制裝置。此外，通過(guò)提高開關(guān)頻率可以提供更小型的電感，而不會(huì)顯著影響該照明裝置的效率。
盡管參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了具體的示出和說(shuō)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由如下權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和/或范圍的情況下，可以做出各種形式和/或細(xì)節(jié)上的變化。雖然參考具體的方法、材料和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于在此公開的實(shí)施例，而應(yīng)擴(kuò)展到在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的全部等同配置。
權(quán)利要求
1.一種放電燈照明控制裝置，其包括DC電源轉(zhuǎn)換器，用來(lái)將AC電源轉(zhuǎn)換成整流電壓；改善功率因數(shù)用功率變換器(PFIPC)，其具有開關(guān)器件、功率因數(shù)改善器、和功率變換器，所述功率因數(shù)改善器通過(guò)在第一電感器件中存儲(chǔ)能量并通過(guò)從第二電感器件釋放能量來(lái)使所述整流電壓平滑，所述第二電感器件與所述第一電感器件磁連接，通過(guò)接通和斷開所述開關(guān)器件進(jìn)行所述存儲(chǔ)和釋放，所述功率變換器產(chǎn)生預(yù)定的DC電壓，所述預(yù)定的DC電壓是通過(guò)第三電感器件響應(yīng)于所述開關(guān)器件的所述接通和斷開而存儲(chǔ)和釋放的能量從所述平滑電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)的；極性反轉(zhuǎn)電路，用來(lái)將所述預(yù)定的DC電壓轉(zhuǎn)換成施加給燈的方波AC電壓；啟動(dòng)電路，其使用所述極性反轉(zhuǎn)電路的輸出作為電源，通過(guò)對(duì)燈施加高電壓脈沖來(lái)點(diǎn)亮該燈；以及控制器，用來(lái)控制所述PFIPC和所述極性反轉(zhuǎn)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，所述功率因數(shù)改善器還包括第一電容器件，該第一電容器件可使從AC電源轉(zhuǎn)換而來(lái)的整流電壓平滑，并且其中所述功率變換器還包括能夠使燈穩(wěn)定照明的第二電容器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，當(dāng)所述開關(guān)器件接通時(shí)，所述功率因數(shù)改善器在所述第一電感器件中存儲(chǔ)電能；當(dāng)所述開關(guān)器件斷開時(shí)，利用存儲(chǔ)在所述第一電感器件中的電能通過(guò)所述第二電感器件對(duì)所述第一電容器件充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，所述功率變換器還包括第三電感器件，該第三電感器件當(dāng)所述開關(guān)器件接通時(shí)利用存儲(chǔ)在所述第一電容器件中的能量來(lái)存儲(chǔ)電能，當(dāng)所述開關(guān)器件斷開時(shí)利用存儲(chǔ)在所述第三電感器件中的能量對(duì)所述第二電容器件充電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，所述功率因數(shù)改善器包括所述第一電感器件，所述第一電感器件的第一端與輸入電源的正極側(cè)電連接；第一二極管，其陰極與所述第一電感器件剩余的一端電連接；電路，包括所述第二電感器件，其第一端與所述第一二極管的陽(yáng)極電連接，所述第二電感器件與所述第一電感器件磁耦合；第二二極管，其陰極與所述第二電感器件剩余的一端電連接；以及第一電容器件，與由所述第二電感器件和所述第二二極管形成的串聯(lián)電路并聯(lián)電連接；以及其中，所述功率變換器包括第三二極管，其陽(yáng)極與所述第二二極管的陽(yáng)極電連接；第二電容器件，其第一端與所述第三二極管的陰極電連接；以及第三電感器件，其電連接在所述第二電容器件剩余的一端與所述第三二極管的陽(yáng)極之間，其中所述第二電容器件與所述第三電感器件的結(jié)點(diǎn)與所述輸入電源的負(fù)極側(cè)電連接；以及其中，在所述第一電感器件與所述第一二極管的結(jié)點(diǎn)和所述輸入電源的負(fù)極側(cè)之間提供所述開關(guān)器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，還包括第四二極管，其陰極與所述第一二極管和所述第一電容器件的結(jié)點(diǎn)電連接，所述第四二極管的陽(yáng)極與所述輸入電源的負(fù)極側(cè)電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，所述開關(guān)器件包括單個(gè)開關(guān)元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，所述開關(guān)器件包括第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件，所述第一開關(guān)元件與所述第一電感器件電連接，所述第二開關(guān)元件與所述第二電感器件電連接，所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件由所述控制器同時(shí)接通和斷開。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，對(duì)所述開關(guān)器件的接通和斷開進(jìn)行控制，以便與所述第一電感器件有關(guān)的第一電流具有該第一電流等于零的第一時(shí)間段，并且與所述第二電感器件有關(guān)的第二電流具有該第二電流值等于零的第二時(shí)間段，所述第一時(shí)間段的至少一部分和所述第二時(shí)間段的至少一部分重疊。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，對(duì)所述開關(guān)器件的接通和斷開進(jìn)行控制，以便與所述第一電感器件有關(guān)的第一電流具有該第一電流等于零的第一時(shí)間段，并且與所述第二電感器件有關(guān)的第二電流具有該第二電流值等于零的第二時(shí)間段，所述第一時(shí)間段的至少一部分和所述第二時(shí)間段的至少一部分重疊，對(duì)所述開關(guān)器件的所述接通和斷開進(jìn)行控制，以便與所述第三電感器件有關(guān)的第三電流具有該第三電流值等于零的第三時(shí)間段。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，以固定頻率來(lái)切換所述開關(guān)器件，以便根據(jù)所述PFIPC的輸出電壓和輸出電流來(lái)控制占空比。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，在AC電源的至少半個(gè)周期內(nèi)維持所述開關(guān)器件的接通時(shí)間基本恒定。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，控制所述PFIPC以便當(dāng)燈未被點(diǎn)亮?xí)r以預(yù)定值輸出恒定電壓，并且當(dāng)燈被點(diǎn)亮?xí)r輸出以下其中之一當(dāng)輸出電壓低于該預(yù)定值時(shí)以某個(gè)值輸出恒定電流、當(dāng)輸出電壓高于該預(yù)定值時(shí)以所選擇的值輸出恒定功率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，當(dāng)在燈的照明狀態(tài)下輸出電壓低于預(yù)定值時(shí)，隨著輸出電壓的降低，降低所述開關(guān)器件的開關(guān)頻率，以便與所述第一電感器件有關(guān)的電流具有該電流值等于零的第一時(shí)間段，并且與所述第二電感器件有關(guān)的電流具有該電流值等于零的第二時(shí)間段，所述第一時(shí)間段的至少一部分和所述第二時(shí)間段的至少一部分重疊。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，對(duì)所述開關(guān)器件的接通和斷開進(jìn)行控制，以便與所述第一電感器件有關(guān)的第一電流具有該第一電流等于零的第一時(shí)間段，并且與所述第二電感器件有關(guān)的第二電流具有該第二電流值等于零的第二時(shí)間段，所述第一時(shí)間段的至少一部分和所述第二時(shí)間段的至少一部分重疊，對(duì)所述開關(guān)器件的接通和斷開進(jìn)行控制，以便與第三電感器件有關(guān)的電流為不具有電流值等于零的時(shí)間段的連續(xù)電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，以固定頻率切換所述開關(guān)器件，以便根據(jù)所述PFIPC的輸出電壓和輸出電流來(lái)控制所述開關(guān)器件的占空比。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，在AC電源的至少半個(gè)周期內(nèi)維持所述開關(guān)器件的接通時(shí)間基本恒定。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，當(dāng)燈未被點(diǎn)亮?xí)r，所述PFIPC以預(yù)定值輸出恒定電壓；當(dāng)燈被點(diǎn)亮?xí)r，輸出以下其中之一當(dāng)輸出電壓低于該預(yù)定值時(shí)以某個(gè)值輸出恒定電流、當(dāng)輸出電壓高于該預(yù)定值時(shí)以所選擇的值輸出恒定功率。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，當(dāng)在燈的照明狀態(tài)下輸出電壓低于預(yù)定值時(shí)，隨著輸出電壓的降低，降低所述開關(guān)器件的開關(guān)頻率，以便與所述第一電感器件有關(guān)的電流具有該電流值等于零的第一時(shí)間段，并且與所述第二電感器件有關(guān)的電流具有該電流值等于零的第二時(shí)間段，所述第一時(shí)間段的至少一部分和所述第二時(shí)間段的至少一部分重疊。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，所述啟動(dòng)電路的輸出包括諧振升壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，當(dāng)所述極性反轉(zhuǎn)電路對(duì)電感-電容串聯(lián)諧振電路施加振幅為所述PFIPC的輸出電壓的方波AC電壓時(shí)，得到所述諧振升壓。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，當(dāng)所述極性反轉(zhuǎn)電路對(duì)電感-電容(LC)串聯(lián)諧振電路施加方波AC電壓時(shí)得到所述諧振升壓，所述方波AC電壓具有與所述PFIPC的輸出電壓的兩倍基本相等的振幅。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，當(dāng)方波AC電壓的頻率近似為電感-電容(LC)串聯(lián)諧振電路的固有諧振頻率除以預(yù)定的奇數(shù)后的值時(shí)，得到所述諧振升壓。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，所述PFIPC還包括與所述第一電感器件和所述第二電感器件磁耦合的第四電感器件，該第四電感器件對(duì)所述控制器提供電源電壓。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的放電燈照明控制裝置，其特征在于，只有在所述電源電壓低于預(yù)定值的時(shí)間段內(nèi)，提高所述PFIPC的輸出電壓的預(yù)定的恒定電壓輸出值。
26.一種放電燈照明控制裝置，其包括改善功率因數(shù)用功率變換器，其包括用來(lái)產(chǎn)生預(yù)定的DC電壓的開關(guān)器件；極性反轉(zhuǎn)電路，其具有多個(gè)開關(guān)元件，接通/斷開這些開關(guān)元件以控制燈的工作；啟動(dòng)電路，用來(lái)點(diǎn)亮燈；以及控制器，其對(duì)所述改善功率因數(shù)用功率變換器的所述開關(guān)器件和所述極性反轉(zhuǎn)電路的所述多個(gè)開關(guān)元件進(jìn)行控制，其中，當(dāng)所述燈工作在照明狀態(tài)時(shí)，只有所述改善功率因數(shù)用功率變換器的所述開關(guān)器件以高頻率工作。
27.一種放電燈照明控制裝置的改善功率因數(shù)用功率變換器，其包括開關(guān)器件；功率因數(shù)改善器；以及功率變換器，通過(guò)在第一電感器件中存儲(chǔ)能量并通過(guò)從第二電感器件釋放能量來(lái)使DC電壓平滑，所述第二電感器件與所述第一電感器件磁耦合，通過(guò)調(diào)節(jié)所述開關(guān)器件的接通時(shí)間來(lái)進(jìn)行所述DC電壓的所述存儲(chǔ)和釋放，所述功率變換器產(chǎn)生預(yù)定的DC輸出電壓，該預(yù)定的DC輸出電壓是通過(guò)第三電感器件響應(yīng)于所述開關(guān)器件的所述接通時(shí)間而存儲(chǔ)和釋放的能量從所述平滑電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)的。
全文摘要
一種放電燈照明控制裝置(100)，其具有DC電源轉(zhuǎn)換器、改善功率因數(shù)用功率變換器(1)、極性反轉(zhuǎn)電路(2)、啟動(dòng)電路(3)、和控制器(4)。該改善功率因數(shù)用功率變換器(1)包括開關(guān)器件(S)、功率因數(shù)改善器、和功率變換器。該功率因數(shù)改善器用來(lái)通過(guò)在第一電感器件(L1)中存儲(chǔ)能量并通過(guò)從第二電感器件(L2)釋放能量來(lái)使整流電壓平滑，其中第一和第二電感器件磁連接。通過(guò)接通和斷開開關(guān)器件(S)進(jìn)行存儲(chǔ)和釋放。預(yù)定的DC電壓是通過(guò)第三電感器件(L3)響應(yīng)于開關(guān)器件(S)的接通和斷開而存儲(chǔ)和釋放的能量從平滑電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)的。
文檔編號(hào)H05B37/02GK1778149SQ200480010564
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月23日
發(fā)明者李澤元, 周景海, 姜燕, 大川將直, 唐·A·阮, 江里口?？?申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社, 弗吉尼亞暨州立大學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司