放电灯的低成本紧凑尺寸单级高功率因数电路
阅读：725发布：2020-05-21
专利汇可以提供放电灯的低成本紧凑尺寸单级高功率因数电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 请求 保护用于放电灯的 镇流器 的紧凑低成本拓扑结构，其可以提供高功率因数和低总谐波失真且具有比 现有技术 更少的部件。该拓扑结构提供低 波峰因数 和快速启动的特征，其增加灯寿命和产品的启动次数。通过使用双极结晶体管代替 场效应晶体管 作为主 开关 以及更低值 电解 ，成本和大小相当大地减小。，下面是放电灯的低成本紧凑尺寸单级高功率因数电路专利的具体信息内容。
1.一种用于驱动荧光灯（193）的镇流器电路（100），其包括：
用于从AC电力源接收AC电力的电力输入端子（111，112)；
输入桥（130），所述输入桥具有第一和第二输入端子，以及第一和第二输出端子，所述第一和第二输入端子与所述电力输入端子（111，112）相耦合，所述输入桥（130）包括至少一个高频全波输入桥二极管（133，134）；
逆变器电路，包括：
第一和第二双极结晶体管（BJT）（150，170），所述第一和第二双极结晶体管串联耦合于所述输入桥（130）的输出端子之间，所述第一和第二双极结晶体管（150，170）彼此连接于中心线路（160）的节点；
第一电容器（123），所述第一电容器与所述输入桥（130）的两个输入端子相连接；
第二电容器（161），所述第二电容器与所述输入桥（130）的所述第一和第二输出端子其中之一连接以及与所述中心线路（160）的节点相连接；以及
至少一个电容器（131），其并联连接于至少一个输入桥二极管；
驱动器电路，所述驱动器电路包括驱动变压器，所述驱动变压器具有一次绕组（183）和二次绕组（154，176），所述一次绕组（183）耦合在所述中心线路（160）的节点和所述荧光灯（193）的第一连接端子之间，所述二次绕组（154，176）通过电阻分别与所述第一和第二双极结晶体管（150，170）的基极驱动器相连接，其中所述一次绕组（183）经由二极管（145）耦合于所述中心线路（160）的节点，并且经由电感（185）耦合于所述荧光灯（193）的所述第一连接端子；
第一电容（197），所述第一电容串联耦合于所述荧光灯（193）的所述第一连接端子和所述输入桥（130）的所述第一输入端子之间；
第二电容（199），所述第二电容串联耦合于所述荧光灯（193）的第二连接端子和所述输入桥（130）的所述第二输入端子之间。
2.如权利要求1所述的电路（100），其中所述至少一个高频全波输入桥二极管（133，
134）由快速恢复二极管构成。
3.如权利要求1所述的电路（100），其中所述至少一个高频全波输入桥二极管（133，
134）由至少一个超快恢复二极管构成。
4.如权利要求3所述的电路（100），其中所述第一电容器（123）是谐振电容器。
5.如权利要求1所述的电路（100），其中所述第二电容器（161）与采用半桥配置、串联连接的双极结晶体管中的至少一个串联。
6.如权利要求1所述的电路（100），其中所述输入桥包括四二极管桥，其位于输入EMI滤波器和串联连接的所述双极结晶体管之间。
7.如权利要求1所述的电路（100），其中一个双极结晶体管的发射极端子连接到另一个双极结晶体管的集电极端子。
8.如权利要求1所述的电路（100），其中全波输入桥二极管（133，134）的高频大于
20Khz。
放电灯的低成本紧凑尺寸单级高功率因数电路
技术领域
背景技术
[0002] 设计成用于放电灯(例如一体式紧凑荧光灯应用等)的现有单级高功率因数电子镇流器具有各种缺陷，包括不期望地受限的零电压开关范围、在工作和启动期间的高的不必要元件应力(stress)。现有系统还具有不期望地高的波峰因数和高的谐波含量，其使得产品不能符合国际电工委员会(例如，IEC-61000-3-2)标准。这样的灯还是庞大的并且限制它在空间敏感应用中的使用。
[0003] 可用于放电灯的一个现有电子镇流器是自振荡高功率因数电子镇流器，如由Wong、美国专利号5,426,344教导的。该Wong电路和本领域内其他镇流器使用输入桥电路部分和逆变器电路部分，其彼此不同并且分开。该Wong方式产生2.0或更高的波峰因数。该波峰因数(备选地称为峰对RMS比)是波形的测量，其由波形的峰幅除以波形的RMS值来计算。波峰因数是对灯的寿命具有直接影响的参数。
[0004] Wong方式的劣势是它产生高的总线电压应力，例如在电容器两端的电压等，这要求使用高额定电压晶体管。Wong方式另外的劣势是它需要大EMI滤波器以减轻在输入二极管桥之前存在的输入电流的不连续性质。具有更高高频电流含量的高峰值电流需要由输入EMI滤波器来滤波。例如Wong等现有镇流器的另外的劣势是对开关晶体管和谐振部件的高电流应力。
[0005] 另一个涉及的专利是由相同第一发明人的Chen、美国专利号6,417,631。该拓扑结构已经排除许多先前单级功率因数校正(PFC)电路缺陷，然而它仍然使用比常规紧凑荧光灯(CFL)更大数量的部件，并且要求使用更昂贵的FET开关。
发明内容
[0006] 本申请克服现有技术的缺点。
[0007] 优势在于采用一种电路，其使用更少数量的部件(例如电容器、电感器、二极管等)并且使用更便宜的双极结晶体管代替场效应晶体管(FET)，并且从而还具有低成本以生产和工作。
[0008] 优势在于具有高功率因数、低总谐波失真、低波峰因数和扩展的零电压开关范围的组合的电路。
[0009] 再另外的优势在于在灯单元的启动和工作期间对部件的低元件应力，导致镇流器的更长寿命。
[0010] 再另外的优势是该设计是极紧凑的。
[0012] 图1是本申请的实施例的示意电路图的图示。
[0013] 图2是本申请的实施例的示意电路图的图示。
[0014] 图3是本申请的实施例的执行的有用结果的图形表示。
[0015] 图4是本申请的实施例的执行的有用结果的图形表示。
具体实施方式
[0016] 参照图1，呈现本申请的一个实施例的示意电路图100。还呈现对电路图100的图例101。装置100包括位于通向接头113的熔丝112旁边的AC电源110。该接头的一个分支通向滤波器并且另一个分支通向后跟接头121的EMI电感器116。该滤波器由串联的电容器114和电阻器115构成，并且后跟另一个接头117，其通向电源的另一端子111和第二分支(其通向另一个端子125)。端子121和125两者是电容器123的相对两端。在备选实施例中，线路129直接连线到点121是可能的。在备选实施例中，线路127直接连线到点125是可能的。
[0017] 电感器116侧接头121连接到通向电容器197的外部环线127。该接头还连接到电容器123、另一个电容器131和四二极管桥130的一侧的中间(在二极管133和另一个二极管134之间)。电容器131和二极管133两者连接到内部环路139，而二极管134连接到内部环路149。在备选实施例中，电容器131可移动到电路中的其他点，例如但不限于与二极管133、134或二极管135和136等并联。在备选实施例中，可以没有电容器或有多个电容器与二极管133、134、135和136并联连接。
[0018] 在备选实施例中，二极管133、134、135、136可共同或分别被去除并且由一对超快恢复二极管代替，其中超快二极管具有与常规二极管相似的规格，但具有25纳秒或更快的恢复。在再另外的实施例中，二极管133、134、135、136可以集成在一个封装件中。
[0019] 无电感器侧接头125连接到电容器123和外部环路129，其通向电容器199。在备选实施例中，灯193连接到接头125，因为电容器199和灯193串联连接。接头125还连接到四二极管桥130的另一侧的中间(在二极管135和另一个二极管136之间)。电容器131和二极管135两者都连接到内部环路139。二极管136连接到内部环路149。
[0020] 内部环路139和149两者连接到储能电容器137的相对两端并且连接到第二公用线路163。最靠近内部环路139的公用线路163的部分包含串联的两个电阻器141、143，其串联地后跟位于内部环路139和149之间的线路160。线路147连接在电阻器143和电阻器141之间。该线路147连接到中心线路160。该中心线路160在电阻器141和线路147之间包含二极管145。
[0021] 中心线路160继续并且连接到绕组154(其电耦合于电感器183)、电阻器155和晶体管150的基极端子151。该晶体管150由B或基极端子151、C或集电极端子152和E或发射极端子153构成。中心线路160还连接到另一个电阻器156和晶体管150的E或发射极端子153。该晶体管150的集电极端子152连接到内部环路139。
[0022] 在中心线路160的连接到与电阻器141、143相同的线路的对边上，线路连接diac(用于交流电的二极管)165到电容器161。该电容器的另一侧连接到内部环路149。在该diac后，线路连接该diac二极管到接头(其中该接头的一侧连接到电阻器175和也电耦合于电感器183的绕组176)，连接到内部线路149和电路接地177。该接头的另一侧连接到第二晶体管170的基极端子171。该第二晶体管170由基极端子171、集电极端子
172和发射极端子173构成。中心线路160还连接到另一个电阻器156和晶体管150的发射极端子153。该晶体管170的集电极端子172连接到中心线路160并且该晶体管170的发射极端子173连接到电阻器174，其然后连接到内部环路149。内部环路149连接到电容器189并且在接头点178连接到中心线路160。
172和发射极端子173构成。中心线路160还连接到另一个电阻器156和晶体管150的发射极端子153。该晶体管170的集电极端子172连接到中心线路160并且该晶体管170的发射极端子173连接到电阻器174，其然后连接到内部环路149。内部环路149连接到电容器189并且在接头点178连接到中心线路160。
[0023] 两个电感器183、185串联连接，并且一侧连接到接头点178而另一侧连接到跟随电容器197的外部环路桥196的部分187。接头187还连接到灯190，通过线路191到灯193的A端子192。灯193组件的C端子194由另一条线路195连接到跟随电容器199的内部环路198的部分。在备选实施例中，接头187连接到电容器199并且然后连接到灯193，因为电容器199和灯193串联连接。
[0024] 四二极管桥当它不在峰值变化时以逆变器电路的开关频率一次仅导通一个。二极管133和136在一半周期期间交替导通和截止，而二极管134和135在线路周期的周期的另一半期间导通。电容器197还用于提供高频反馈。相似地电容器199还由于反馈而迫使二极管以高频工作。
[0025] 利用新的拓扑结构，在电路设置中，Rk-a和Rk-b电路的基极驱动器154和176通过插入与谐振槽路的输入串联的Rk-c一次绕组183来获得。槽路(也叫做谐振电路)提供启动和操作灯的能量。处于反相的两个二次绕组Rk-a 154和Rk-b 176连接到两个双极结晶体管基极的驱动器。两个双极结晶体管串联并且采用半桥配置连接。在该配置中，一次绕组不仅感测灯的电流，还感测来自电容器197的谐振电流。因为电路197的分支和灯199两者连接到输入桥，线路电压调制电容器197和199的有效电容值。当瞬时线路电压改变时，电容器197和199的有效电容随它改变。因此，到谐振槽的输入的电流变化。从到谐振槽的输入电流感测的基极驱动器放大半线周期上的差别，结果灯的波峰因数更高为1.8-2.0的范围中，其对灯寿命具有不利影响。另外，由于工作频率在半线周期上大的变化，难以维持双极结晶体管的零电压开关，因此部件的温度是高效率的并且产品的寿命低。
[0027] 输入桥电路的高频工作以超过20,000赫兹进行。该高频电路产生低总谐波失真(也叫做THD)和高功率因数。不像常规设计，该设计还将提供具有能够容入大多数现有器具中的更小的一体式灯外形的优势。现有高功率因数镇流器包括分开的功率因数校正级，其具有另外的部件，其导致电路的更大的复杂性、更高的价格和更大的尺寸。
[0028] 该电路设计还可使用小值电解(small value electrolytic)，其可确保连续的灯电流导通，因此避免可以显著影响灯寿命的在每个周期不希望的灯关闭现象。电解电容器的值的大小为刚好足够大能够完成该特征，但不会太大(其可以损害大小和成本)。双极结晶体管开关150与驱动电路的使用将给出总体设计的低成本技术方案。该设计提供比现有镇流器方式更好的性能，例如高PF和低THD，并且包含帮助制造过程的更少部件、紧凑大小和更低成本。
[0029] 该拓扑结构具有使用更少部件实现像高PF和低THD的优秀特征的特征，这都在紧凑大小中。该拓扑结构给出像常规的、无功率因数校正的紧凑荧光灯、白炽灯泡的相同整个灯大小，因此它将消除不是这样的CFL的大小和外观问题。在该公开中呈现基于低成本双极结晶体管的电子镇流器电路的两个形式。在两个电路中，平均工作频率设计在大约100Khz，其比为了磁性和电容器的大小考虑在大约40Khz工作的常规电路高得多，[0030] 参照图2，呈现本申请的一个实施例的示意电路图200。该图200示出新逆变器电路的新改进的基极驱动设置。该装置200包括位于通向接头213的熔丝212旁边的AC电源210。该接头的一个分支通向电容器215而另一个后跟接头221。该电容器215后跟另一个接头217，其通向电源211的另一端子和第二分支(其通向另一个端子225)。端子221和225两者是电容器223的相对两端。在备选实施例中，线路229可直接连线到点221。在备选实施例中，线路227可直接连线到点225。
[0031] 电感器216侧接头221连接到通向电容器297的外部环路桥线路227。该接头还连接到电容器223、另一个电容器231和在二极管233和另一个二极管234之间的四二极管桥230的一侧的中间。电容器231和二极管233两者连接到内部环路239，而二极管234连接到内部环路249。在备选实施例中，电容器231可移动到电路中的其他点，例如但不限于与二极管233、234或二极管235和236等并联。在备选实施例中，可以没有电容器或有多个电容器与二极管123、234、235和236并联连接。
[0032] 无电感器侧接头225连接到电容器223和外部环路桥229，其通向电容器299。在备选实施例中，灯293连接到接头225，因为电容器299和灯293串联连接。接头225还连接到在二极管235和另一个二极管236之间的四二极管桥230的另一侧的中间。电容器231和二极管235两者都连接到内部环路239。二极管236连接到内部环路249。在备选实施例中，电容器231可移动到电路中的其他点，例如但不限于在二极管233、234之间或二极管235、236之间的其他线路227、229等。在再另外的实施例中，二极管233、234、235、236可共同或分别去除并且由一个超快恢复二极管代替。
[0033] 内部环路239和249两者连接到电容器的相对两端并且连接到在内部环路239、249之间中的中心线路260。最靠近内部环路239的公用线路263的部分包含串联的两个电阻器241、243，串联地后跟内部环路239和249之间中的线路。线路247连接在电阻器243和电阻器241之间。该线路247连接到中心线路200。该中心线路260在电阻器241和线路247之间包含二极管245。
[0034] 中心线路260连接到绕组254、电阻器255和晶体管250的基极端子251。该晶体管250由基极端子251、集电极端子252和发射极端子253构成。中心线路160还连接到另一个电阻器256和晶体管250的发射极端子253。中心线路260还连接到另一个电阻器256和相同晶体管250的发射极接头253。该晶体管250的集电极端子252连接到内部环路239。
[0035] 在中心线路260的连接到与电阻器241、243相同的线路的对边上，线路被连接，其连接到diac 265并且到电容器261。该电容器的另一侧连接到内部环路249。在该diac后，线路通向接头(其中该接头的一侧连接到电阻器275和绕组276)，连接到内部线路249和电路接地277。该接头的另一侧连接到基极271，即第二晶体管270的基极。该晶体管270由B或基极端子271、C或集电极端子272和E或发射极端子273构成。中心线路260还连接到另一个电阻器256和晶体管270的发射极端子253。该晶体管270的集电极端子
272连接到中心线路260并且该晶体管的发射极端子273连接到电阻器274，其然后连接到内部环路249。内部环路249连接到电容器289并且在接头点278连接到中心线路260。
272连接到中心线路260并且该晶体管的发射极端子273连接到电阻器274，其然后连接到内部环路249。内部环路249连接到电容器289并且在接头点278连接到中心线路260。
[0036] 中心线路260串联连接到电感器283，其连接到跟随电容器297的外部环路296的部分。中心线路260还连接(287)到灯单元290。该灯单元290由具有灯丝292(具有额定瓦数293，例如但不限于15瓦)的阴极291构成。该灯单元290还包含由另一个灯丝294构成的第二阴极295。灯丝292、294与一次绕组288和电容器285串联连接在一起。第二灯295的灯丝由线路298链接到桥229。在备选实施例中，接头287连接到电容器299并且然后到灯293，因为电容器299和灯293串联连接。
[0037] 基极驱动变压器288的一次绕组Rk-c与电容器285和两个阴极电阻器292和295串联连接并且然后与灯并联连接。因为灯电压与灯电流相反地变化，因此，通过一次驱动变压器的驱动电流也与灯电流相反。因为驱动特性的负反馈，在半线周期上的工作频率与图1电路相比也更少地改变。因此，在新电路中的灯的波峰因数相当大地降低(1.5至1.65)。
低波峰因数将延长灯寿命。这还提供维持双极结晶体管的零电压开关、增加镇流器效率和在开关装置上的低温的更有效手段。
低波峰因数将延长灯寿命。这还提供维持双极结晶体管的零电压开关、增加镇流器效率和在开关装置上的低温的更有效手段。
[0038] 因为驱动变压器的一次绕组现在与两个灯的阴极串联地插入，在一个阴极达到灯寿命的情况下，电路将自动停止工作，从而避免灯阴极的过热。
[0039] 参照图3，由电流应用300产生的波形证实在图1中呈现的电路的功能性。X轴310代表采用五毫秒增量的时间，而Y轴320代表采用伏特测量的电压中的变化和采用安培测量的电流中的变化。各自呈现集电极到发射极电压330、双极结晶体管的集电极电流340、灯的电流350和输入电流360的波形。
[0040] 曲线图370的图例包含相应波形的平均值。如在曲线图图例中显示的对于集电极到发射器电压330，值是每格300毫安372。对于双极结晶体管集电极电流340，平均值是每格100伏特374；对于灯的电流350，标尺是每格300毫安376；并且对于输入电流360，标尺是每格20毫伏378。灯的灯电流波形350具有更高和更长的持续峰380，后跟谷385，后跟更小和较不持续的更短的峰390，后跟更深的谷395。这里在持续时间上最长的峰380在峰值上也是最高的。
[0041] 参照图4，由电流应用400产生的波形证实在图1中呈现的电路的功能性。X轴410代表采用5毫秒增量的时间，而Y轴420代表采用伏特测量的电压中的变化和采用安培测量的电流中的变化。各自呈现集电极到发射极电压430、双极结晶体管的集电极电流440、灯的电流450和输入电流460的波形。
[0042] 对于集电极到发射极电压430按照在曲线图上的图例，值是每格300毫安472。对于双极结晶体管的集电极电流440，标尺是每格100伏特474；对于灯的电流450，标尺是每格300毫安476；并且对于输入电流460，标尺是每格20毫伏478。灯的电流波形450具有小而持续的峰480，后跟小谷485、更高但较不持续的峰490以及深谷495。这里在持续时间上最长的峰480在峰值上也是最低的。
[0043] 在图3上的灯电流波形350与在图4中的灯电流波形450的比较证实波峰因数的减小。在图3中，持续峰380比短峰390高。在图4中，持续峰480比短峰490低。相似地，在图3中深谷395比图4的深谷495深。具有更低高度的峰和更浅的谷证实波峰因数的减小并且还证实本申请的有用、具体和有形的结果。
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