專利名稱：放電燈的低成本緊湊尺寸單級高功率因數(shù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請針對電子照明系統(tǒng)，并且更具體地涉及與放電燈連接使用的集成橋逆變器電路。
背景技術(shù)：
設(shè)計成用于放電燈(例如一體式緊湊熒光燈應(yīng)用等)的現(xiàn)有單級高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器具有各種缺陷，包括不期望地受限的零電壓開關(guān)范圍、在工作和啟動期間的高的不必要元件應(yīng)力(stress)?，F(xiàn)有系統(tǒng)還具有不期望地高的波峰因數(shù)和高的諧波含量，其使得產(chǎn)品不能符合國際電工委員會(例如，IEC-61000-3-2)標(biāo)準(zhǔn)。這樣的燈還是龐大的并且限制它在空間敏感應(yīng)用中的使用。
可用于放電燈的一個現(xiàn)有電子鎮(zhèn)流器是自振蕩高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器，如由 Wong、美國專利號5，426，344教導(dǎo)的。該Wong電路和本領(lǐng)域內(nèi)其他鎮(zhèn)流器使用輸入橋電路部分和逆變器電路部分，其彼此不同并且分開。該Wong方式產(chǎn)生2. O或更高的波峰因數(shù)。 該波峰因數(shù)(備選地稱為峰對RMS比)是波形的測量，其由波形的峰幅除以波形的RMS值來計算。波峰因數(shù)是對燈的壽命具有直接影響的參數(shù)。
Wong方式的劣勢是它產(chǎn)生高的總線電壓應(yīng)力，例如在電容器兩端的電壓等，這要求使用高額定電壓晶體管。Wong方式另外的劣勢是它需要大EMI濾波器以減輕在輸入二極管橋之前存在的輸入電流的不連續(xù)性質(zhì)。具有更高高頻電流含量的高峰值電流需要由輸入EMI濾波器來濾波。例如Wong等現(xiàn)有鎮(zhèn)流器的另外的劣勢是對開關(guān)晶體管和諧振部件的高電流應(yīng)力。
另一個涉及的專利是由相同第一發(fā)明人的Chen、美國專利號6，417，631。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)排除許多先前單級功率因數(shù)校正(PFC)電路缺陷，然而它仍然使用比常規(guī)緊湊熒光燈(CFL)更大數(shù)量的部件，并且要求使用更昂貴的FET開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本申請克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
優(yōu)勢在于采用一種電路，其使用更少數(shù)量的部件(例如電容器、電感器、二極管等)并且使用更便宜的雙極結(jié)晶體管代替場效應(yīng)晶體管(FET)，并且從而還具有低成本以生產(chǎn)和工作。
優(yōu)勢在于具有高功率因數(shù)、低總諧波失真、低波峰因數(shù)和擴展的零電壓開關(guān)范圍的組合的電路。
再另外的優(yōu)勢在于在燈單元的啟動和工作期間對部件的低元件應(yīng)力，導(dǎo)致鎮(zhèn)流器的更長壽命。
再另外的優(yōu)勢是該設(shè)計是極緊湊的。
本公開的再其他特征和益處將通過下列詳細(xì)說明的閱讀和理解變得明顯。


圖1是本申請的實施例的示意電路圖的圖示。
圖2是本申請的實施例的示意電路圖的圖示。
圖3是本申請的實施例的執(zhí)行的有用結(jié)果的圖形表示。
圖4是本申請的實施例的執(zhí)行的有用結(jié)果的圖形表示。
具體實施例方式參照圖1，呈現(xiàn)本申請的一個實施例的示意電路圖100。還呈現(xiàn)對電路圖100的圖例101。裝置100包括位于通向接頭113的熔絲112旁邊的AC電源110。該接頭的一個分支通向濾波器并且另一個分支通向后跟接頭121的EMI電感器116。該濾波器由串聯(lián)的電容器114和電阻器115構(gòu)成，并且后跟另一個接頭117，其通向電源的另一端子111和第二分支(其通向另一個端子12 。端子121和125兩者是電容器123的相對兩端。在備選實施例中，線路1 直接連線到點121是可能的。在備選實施例中，線路127直接連線到點 125是可能的。
電感器116側(cè)接頭121連接到通向電容器197的外部環(huán)線127。該接頭還連接到電容器123、另一個電容器131和四二極管橋130的一側(cè)的中間(在二極管133和另一個二極管134之間)。電容器131和二極管133兩者連接到內(nèi)部環(huán)路139，而二極管134連接到內(nèi)部環(huán)路149。在備選實施例中，電容器131可移動到電路中的其他點，例如但不限于與二極管133、134或二極管135和136等并聯(lián)。在備選實施例中，可以沒有電容器或有多個電容器與二極管133、134、1；35和136并聯(lián)連接。
在備選實施例中，二極管133、134、135、136可共同或分別被去除并且由一對超快恢復(fù)二極管代替，其中超快二極管具有與常規(guī)二極管相似的規(guī)格，但具有25納秒或更快的恢復(fù)。在再另外的實施例中，二極管133、134、135、136可以集成在一個封裝件中。
無電感器側(cè)接頭125連接到電容器123和外部環(huán)路129，其通向電容器199。在備選實施例中，燈193連接到接頭125，因為電容器199和燈193串聯(lián)連接。接頭125還連接到四二極管橋130的另一側(cè)的中間(在二極管135和另一個二極管136之間)。電容器131 和二極管135兩者都連接到內(nèi)部環(huán)路139。二極管136連接到內(nèi)部環(huán)路149。
內(nèi)部環(huán)路139和149兩者連接到儲能電容器137的相對兩端并且連接到第二公用線路163。最靠近內(nèi)部環(huán)路139的公用線路163的部分包含串聯(lián)的兩個電阻器141、143，其串聯(lián)地后跟位于內(nèi)部環(huán)路139和149之間的線路160。線路147連接在電阻器143和電阻器141之間。該線路147連接到中心線路160。該中心線路160在電阻器141和線路147 之間包含二極管145。
中心線路160繼續(xù)并且連接到繞組154(其電耦合于電感器183)、電阻器155和晶體管150的基極端子151。該晶體管150由B或基極端子151、C或集電極端子152和E或發(fā)射極端子153構(gòu)成。中心線路160還連接到另一個電阻器156和晶體管150的E或發(fā)射極端子153。該晶體管150的集電極端子152連接到內(nèi)部環(huán)路139。
在中心線路160的連接到與電阻器141、143相同的線路的對邊上，線路連接 diac(用于交流電的二極管)165到電容器161。該電容器的另一側(cè)連接到內(nèi)部環(huán)路149。 在該diac后，線路連接該diac 二極管到接頭(其中該接頭的一側(cè)連接到電阻器175和也電耦合于電感器183的繞組176)，連接到內(nèi)部線路149和電路接地177。該接頭的另一側(cè)連接到第二晶體管170的基極端子171。該第二晶體管170由基極端子171、集電極端子 172和發(fā)射極端子173構(gòu)成。中心線路160還連接到另一個電阻器156和晶體管150的發(fā)射極端子153。該晶體管170的集電極端子172連接到中心線路160并且該晶體管170的發(fā)射極端子173連接到電阻器174，其然后連接到內(nèi)部環(huán)路149。內(nèi)部環(huán)路149連接到電容器189并且在接頭點178連接到中心線路160。
兩個電感器183、185串聯(lián)連接，并且一側(cè)連接到接頭點178而另一側(cè)連接到跟隨電容器197的外部環(huán)路橋196的部分187。接頭187還連接到燈190，通過線路191到燈193 的A端子192。燈193組件的C端子194由另一條線路195連接到跟隨電容器199的內(nèi)部環(huán)路198的部分。在備選實施例中，接頭187連接到電容器199并且然后連接到燈193，因為電容器199和燈193串聯(lián)連接。
四二極管橋當(dāng)它不在峰值變化時以逆變器電路的開關(guān)頻率一次僅導(dǎo)通一個。二極管133和136在一半周期期間交替導(dǎo)通和截止，而二極管134和135在線路周期的周期的另一半期間導(dǎo)通。電容器197還用于提供高頻反饋。相似地電容器199還由于反饋而迫使二極管以高頻工作。
利用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電路設(shè)置中，Rk-a和Rk-b電路的基極驅(qū)動器154和176通過插入與諧振槽路的輸入串聯(lián)的I^k-C 一次繞組183來獲得。槽路(也叫做諧振電路)提供啟動和操作燈的能量。處于反相的兩個二次繞組I k-a 1 和I k-b 176連接到兩個雙極結(jié)晶體管基極的驅(qū)動器。兩個雙極結(jié)晶體管串聯(lián)并且采用半橋配置連接。在該配置中， 一次繞組不僅感測燈的電流，還感測來自電容器197的諧振電流。因為電路197的分支和燈199兩者連接到輸入橋，線路電壓調(diào)制電容器197和199的有效電容值。當(dāng)瞬時線路電壓改變時，電容器197和199的有效電容隨它改變。因此，到諧振槽的輸入的電流變化。從到諧振槽的輸入電流感測的基極驅(qū)動器放大半線周期上的差別，結(jié)果燈的波峰因數(shù)更高為 1. 8-2. 0的范圍中，其對燈壽命具有不利影響。另外，由于工作頻率在半線周期上大的變化， 難以維持雙極結(jié)晶體管的零電壓開關(guān)，因此部件的溫度是高效率的并且產(chǎn)品的壽命低。
該驅(qū)動設(shè)置的另一個缺點是當(dāng)燈接近壽命末期時，陰極可過熱并且陰極將斷路。 然而，逆變器將繼續(xù)提供能量給燈并且在陰極周圍產(chǎn)生甚至更高的溫度。
輸入橋電路的高頻工作以超過20，000赫茲進(jìn)行。該高頻電路產(chǎn)生低總諧波失真 (也叫做THD)和高功率因數(shù)。不像常規(guī)設(shè)計，該設(shè)計還將提供具有能夠容入大多數(shù)現(xiàn)有器具中的更小的一體式燈外形的優(yōu)勢。現(xiàn)有高功率因數(shù)鎮(zhèn)流器包括分開的功率因數(shù)校正級， 其具有另外的部件，其導(dǎo)致電路的更大的復(fù)雜性、更高的價格和更大的尺寸。
該電路設(shè)計還可使用小值電解(small value electrolytic)，其可確保連續(xù)的燈電流導(dǎo)通，因此避免可以顯著影響燈壽命的在每個周期不希望的燈關(guān)閉現(xiàn)象。電解電容器的值的大小為剛好足夠大能夠完成該特征，但不會太大(其可以損害大小和成本)。雙極結(jié)晶體管開關(guān)150與驅(qū)動電路的使用將給出總體設(shè)計的低成本技術(shù)方案。該設(shè)計提供比現(xiàn)有鎮(zhèn)流器方式更好的性能，例如高PF和低THD，并且包含幫助制造過程的更少部件、緊湊大小和更低成本。
該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有使用更少部件實現(xiàn)像高PF和低THD的優(yōu)秀特征的特征，這都在緊湊大小中。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給出像常規(guī)的、無功率因數(shù)校正的緊湊熒光燈、白熾燈泡的相同整個燈大小，因此它將消除不是這樣的CFL的大小和外觀問題。在該公開中呈現(xiàn)基于低成本雙極結(jié)晶體管的電子鎮(zhèn)流器電路的兩個形式。在兩個電路中，平均工作頻率設(shè)計在大約 lOOKhz，其比為了磁性和電容器的大小考慮在大約40Khz工作的常規(guī)電路高得多， 參照圖2，呈現(xiàn)本申請的一個實施例的示意電路圖200。該圖200示出新逆變器電路的新改進(jìn)的基極驅(qū)動設(shè)置。該裝置200包括位于通向接頭213的熔絲212旁邊的AC電源210。該接頭的一個分支通向電容器215而另一個后跟接頭221。該電容器215后跟另一個接頭217，其通向電源211的另一端子和第二分支(其通向另一個端子22 。端子221 和225兩者是電容器223的相對兩端。在備選實施例中，線路2 可直接連線到點221。在備選實施例中，線路227可直接連線到點225。
電感器216側(cè)接頭221連接到通向電容器四7的外部環(huán)路橋線路227。該接頭還連接到電容器223、另一個電容器231和在二極管233和另一個二極管234之間的四二極管橋230的一側(cè)的中間。電容器231和二極管233兩者連接到內(nèi)部環(huán)路239，而二極管234 連接到內(nèi)部環(huán)路M9。在備選實施例中，電容器231可移動到電路中的其他點，例如但不限于與二極管233、234或二極管235和236等并聯(lián)。在備選實施例中，可以沒有電容器或有多個電容器與二極管123、234、235和236并聯(lián)連接。
無電感器側(cè)接頭225連接到電容器223和外部環(huán)路橋229，其通向電容器四9。在備選實施例中，燈293連接到接頭225，因為電容器299和燈293串聯(lián)連接。接頭225還連接到在二極管235和另一個二極管236之間的四二極管橋230的另一側(cè)的中間。電容器231 和二極管235兩者都連接到內(nèi)部環(huán)路239。二極管236連接到內(nèi)部環(huán)路對9。在備選實施例中，電容器231可移動到電路中的其他點，例如但不限于在二極管233、234之間或二極管 235、236之間的其他線路227、2四等。在再另外的實施例中，二極管233、234、235、236可共同或分別去除并且由一個超快恢復(fù)二極管代替。
內(nèi)部環(huán)路239和249兩者連接到電容器的相對兩端并且連接到在內(nèi)部環(huán)路239、 249之間中的中心線路沈0。最靠近內(nèi)部環(huán)路239的公用線路263的部分包含串聯(lián)的兩個電阻器M1J43，串聯(lián)地后跟內(nèi)部環(huán)路239和249之間中的線路。線路247連接在電阻器243 和電阻器241之間。該線路247連接到中心線路200。該中心線路260在電阻器241和線路247之間包含二極管M5。
中心線路260連接到繞組254、電阻器255和晶體管250的基極端子251。該晶體管250由基極端子251、集電極端子252和發(fā)射極端子253構(gòu)成。中心線路160還連接到另一個電阻器256和晶體管250的發(fā)射極端子253。中心線路260還連接到另一個電阻器 256和相同晶體管250的發(fā)射極接頭253。該晶體管250的集電極端子252連接到內(nèi)部環(huán)路 239。
在中心線路260的連接到與電阻器Ml、243相同的線路的對邊上，線路被連接，其連接到diac 265并且到電容器沈1。該電容器的另一側(cè)連接到內(nèi)部環(huán)路M9。在該diac 后，線路通向接頭(其中該接頭的一側(cè)連接到電阻器275和繞組276)，連接到內(nèi)部線路249 和電路接地277。該接頭的另一側(cè)連接到基極271，即第二晶體管270的基極。該晶體管 270由B或基極端子271、C或集電極端子272和E或發(fā)射極端子273構(gòu)成。中心線路260 還連接到另一個電阻器256和晶體管270的發(fā)射極端子253。該晶體管270的集電極端子 272連接到中心線路260并且該晶體管的發(fā)射極端子273連接到電阻器274，其然后連接到內(nèi)部環(huán)路M9。內(nèi)部環(huán)路249連接到電容器觀9并且在接頭點278連接到中心線路沈0。
中心線路260串聯(lián)連接到電感器觀3，其連接到跟隨電容器297的外部環(huán)路296的部分。中心線路260還連接(觀7)到燈單元四0。該燈單元四0由具有燈絲四2(具有額定瓦數(shù)四3，例如但不限于15瓦)的陰極291構(gòu)成。該燈單元290還包含由另一個燈絲294 構(gòu)成的第二陰極四5。燈絲四2、294與一次繞組288和電容器觀5串聯(lián)連接在一起。第二燈四5的燈絲由線路298鏈接到橋229。在備選實施例中，接頭287連接到電容器299并且然后到燈四3，因為電容器299和燈四3串聯(lián)連接。
基極驅(qū)動變壓器288的一次繞組Rk-c與電容器285和兩個陰極電阻器292和295 串聯(lián)連接并且然后與燈并聯(lián)連接。因為燈電壓與燈電流相反地變化，因此，通過一次驅(qū)動變壓器的驅(qū)動電流也與燈電流相反。因為驅(qū)動特性的負(fù)反饋，在半線周期上的工作頻率與圖 1電路相比也更少地改變。因此，在新電路中的燈的波峰因數(shù)相當(dāng)大地降低(1. 5至1. 65)。 低波峰因數(shù)將延長燈壽命。這還提供維持雙極結(jié)晶體管的零電壓開關(guān)、增加鎮(zhèn)流器效率和在開關(guān)裝置上的低溫的更有效手段。
因為驅(qū)動變壓器的一次繞組現(xiàn)在與兩個燈的陰極串聯(lián)地插入，在一個陰極達(dá)到燈壽命的情況下，電路將自動停止工作，從而避免燈陰極的過熱。
參照圖3，由電流應(yīng)用300產(chǎn)生的波形證實在圖1中呈現(xiàn)的電路的功能性。X軸310 代表采用五毫秒增量的時間，而Y軸320代表采用伏特測量的電壓中的變化和采用安培測量的電流中的變化。各自呈現(xiàn)集電極到發(fā)射極電壓330、雙極結(jié)晶體管的集電極電流340、 燈的電流350和輸入電流360的波形。
曲線圖370的圖例包含相應(yīng)波形的平均值。如在曲線例中顯示的對于集電極到發(fā)射器電壓330，值是每格300毫安372。對于雙極結(jié)晶體管集電極電流340，平均值是每格100伏特374 ；對于燈的電流350，標(biāo)尺是每格300毫安376 ；并且對于輸入電流360，標(biāo)尺是每格20毫伏378。燈的燈電流波形350具有更高和更長的持續(xù)峰380，后跟谷385，后跟更小和較不持續(xù)的更短的峰390，后跟更深的谷395。這里在持續(xù)時間上最長的峰380在峰值上也是最高的。
參照圖4，由電流應(yīng)用400產(chǎn)生的波形證實在圖1中呈現(xiàn)的電路的功能性。X軸410 代表采用5毫秒增量的時間，而Y軸420代表采用伏特測量的電壓中的變化和采用安培測量的電流中的變化。各自呈現(xiàn)集電極到發(fā)射極電壓430、雙極結(jié)晶體管的集電極電流440、 燈的電流450和輸入電流460的波形。
對于集電極到發(fā)射極電壓430按照在曲線圖上的圖例，值是每格300毫安472。對于雙極結(jié)晶體管的集電極電流440，標(biāo)尺是每格100伏特474;對于燈的電流450，標(biāo)尺是每格300毫安476 ；并且對于輸入電流460，標(biāo)尺是每格20毫伏478。燈的電流波形450具有小而持續(xù)的峰480，后跟小谷485、更高但較不持續(xù)的峰490以及深谷495。這里在持續(xù)時間上最長的峰480在峰值上也是最低的。
在圖3上的燈電流波形350與在圖4中的燈電流波形450的比較證實波峰因數(shù)的減小。在圖3中，持續(xù)峰380比短峰390高。在圖4中，持續(xù)峰480比短峰490低。相似地， 在圖3中深谷395比圖4的深谷495深。具有更低高度的峰和更淺的谷證實波峰因數(shù)的減小并且還證實本申請的有用、具體和有形的結(jié)果。
該公開已經(jīng)參考優(yōu)選實施例描述。明顯地，當(dāng)閱讀并且理解前面的詳細(xì)說明時修改和改動將被其他人想到。規(guī)定本發(fā)明解釋為包括所有這樣的修改和改動，只要它們在附上的權(quán)利要求或其的等同物的范圍內(nèi)即可。
權(quán)利要求
1.一種電路，其包括至少一個高頻全波輸入橋二極管；從逆變器電路連接到所述輸入橋二極管的一側(cè)的諧振電容器；采用直接和間接順序中的至少一個從逆變器連接到所述輸入橋二極管的另一側(cè)的第二電容器；以及與至少一個輸入橋二極管并聯(lián)連接的至少一個電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述至少一個高頻全波輸入橋二極管由快速恢復(fù)二極管構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述至少一個高頻全波輸入橋二極管由至少一個超快恢復(fù)二極管構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的電路，其中所述第一電容器是諧振電容器。
5.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述第二電容器與采用半橋配置、串聯(lián)連接的至少一個雙極結(jié)晶體管串聯(lián)。
6.如權(quán)利要求1所述的電路，其中四二極管橋位于輸入EMI濾波器和所述至少一個雙極結(jié)晶體管之間。
7.如權(quán)利要求1所述的電路，其中一個雙極結(jié)晶體管的發(fā)射極端子連接到另一個雙極結(jié)晶體管的集電極端子。
8.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述多個分支電路中的每個從所述輸入橋串聯(lián)通向電容器、至燈。
9.一種電路，其包括至少一個高頻全波輸入橋二極管；連接到所述輸入橋二極管的諧振電容器；以及第二電容器，采用直接和間接順序中的至少一個來連接，從逆變器電路連接到所述輸入橋二極管。
10.如權(quán)利要求9所述的電路，其中所述至少一個高頻全波輸入橋二極管由快速恢復(fù)二極管構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求9所述的電路，其中所述至少一個高頻全波輸入橋二極管由至少一個超快恢復(fù)二極管構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求9所述的電路，其中所述第二電容器與至少一個其他電容器串聯(lián)連接。
13.如權(quán)利要求9所述的電路，其中至少第三電容器與所述輸入橋二極管并聯(lián)連接。
14.如權(quán)利要求9所述的電路，其中全波輸入橋二極管的高頻大于20Khz。
15.一種采用直接感測燈電壓的基極驅(qū)動電路，其包括高頻全波輸入橋二極管；與電容器串聯(lián)連接的基極驅(qū)動變壓器；連接到所述輸入橋二極管電路的諧振電容器；以及連接到所述基極驅(qū)動變壓器的燈和連接到所述輸入橋二極管的第二電容器。
16.如權(quán)利要求15所述的電路，其中所述基極驅(qū)動變壓器的一次繞組串聯(lián)連接到所述電容器。
17.如權(quán)利要求15所述的電路，其中串聯(lián)連接到所述電容器的所述基極驅(qū)動變壓器的所述一次繞組與所述燈并聯(lián)連接。
18.如權(quán)利要求15所述的電路，其中所述驅(qū)動變壓器的所述一次繞組被插入而與所述燈的陰極串聯(lián)。
19.如權(quán)利要求15所述的電路，其中所述電路包含四二極管橋，其位于輸入EMI電路和雙極結(jié)晶體管的至少一個之間。
20.如權(quán)利要求15所述的電路，其中一個雙極結(jié)晶體管的發(fā)射極端子連接到另一個雙極結(jié)晶體管的集電極端子。
21.如權(quán)利要求15所述的電路，其中所述多個雙極結(jié)晶體管采用半橋配置串聯(lián)連接。
22.—種具有諧振輸入電流感測的基極驅(qū)動電路，其包括通過插入與諧振槽路的輸入串聯(lián)的一次繞組而獲得的基極驅(qū)動器； 連接到多個雙極結(jié)晶體管的基極的處于反相的兩個二次電路；以及多個輸入橋，每個串聯(lián)連接到電容器以及到燈。
全文摘要
本申請請求保護(hù)用于放電燈的鎮(zhèn)流器的緊湊低成本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其可以提供高功率因數(shù)和低總諧波失真且具有比現(xiàn)有技術(shù)更少的部件。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供低波峰因數(shù)和快速啟動的特征，其增加燈壽命和產(chǎn)品的啟動次數(shù)。通過使用雙極結(jié)晶體管代替場效應(yīng)晶體管作為主開關(guān)以及更低值電解，成本和大小相當(dāng)大地減小。
文檔編號H05B41/28GK102187740SQ200980141555
公開日2011年9月14日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日
發(fā)明者T·陳, V·A·基徹爾尼, J·K·斯庫利 申請人:通用電氣公司