具有自动线路调节的高q阻抗匹配倒相电路的制作方法

专利名称：具有自动线路调节的高q阻抗匹配倒相电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在对放电电灯供电中使用的倒相电路，尤其涉及一种具有自动线路调节电子整流器的三级高Q阻抗匹配倒相电路，用于以低输入电压操作的高功率放电灯。
背景技术：
参考图1，图1示出了一种已知的用于对高功率低阻抗放电电灯供电的快速起动的二级倒相电路布局。这种电路在起动信号的应用与灯点亮之间将具有1到1.5秒的延迟。电路10包括全桥部分12，用于接收来自AC源14的输入。全桥部分12的输出被提供到半桥式开关电路网络16，所述半桥式开关电路网络由第一晶体管开关18、第二晶体管开关20以及控制器21组成。来自半桥式开关电路16的输出电压被输送到包括谐振线圈24和谐振电容器26的谐振LC网络22。来自LC电路22的输出被提供到灯28，该灯还连接到电容性分压网络30，该网络30由电容器32和电容器34组成。近似600伏的起动电压可以用作点亮电压。在这种类型的电路中，由于点亮电压一般仅为600伏，则可以包括一个预热电路(未示出)，在对灯提供点亮电压之前对灯进行预热。
图1所示电路的一个缺点是它不能有效地操作高阻抗灯。这部分因为使用了较低的输入电压。例如，当输入是标准电压120伏时，电路总线电压可以大约为150-160伏。由于开关网络18的操作，AC电压近似等分，从而导致在半桥式开关网络18的AC电压近似为75伏。这种电压足够能有效地操作低阻抗灯。然而，如果灯是高阻抗的，则电路10将要引起增加的电流，从而导致低效操作和电路中的组件的压力。
图1中电路的另一个缺点是，为了获得可接受的Q比，如果试图驱动高阻抗灯，则需要提供给灯相当高的电压。在这种情况下，为了获得期望的Q比，则需要更大规模的谐振电容器26和谐振线圈24。
而且，图1的快速起动电路10既使在点亮灯之后也将维持预热电路有效，这就造成了大约1到1.5瓦的功率消耗。
如果试图将电路10作为一个瞬时起动点亮系统来操作，则灯起动电压将大约为1300伏。这种更高的电压需要更高的谐振电流，大约为5安培。电流越高，则线圈24上的压力越大，从而需要更大规模的组件。增加磁性元件(即线圈24)的大小就增加了磁性元件的成本，也增加了该磁性元件占有的地方大小。相同的开关电流也由包括晶体管18和20的半桥电路网络16提供。为了处理这些更高的电流，将需要更大的电路小片，并且因此将使用更大外壳的晶体管18和20(晶体管可以是FET、CMOS、双极性或其它合适的晶体管类型)。这些更大更坚固的晶体管和电容器使经济成本增加，需要更大物理尺寸的灯点亮系统，并且导致电路效率下降。
因此，如果图2的二级倒相电路10试图用来驱动高阻抗灯，则需要大的起动电流。众所周知，当起动电流更大时，磁性元件更大(即，线圈24)，并且晶体管将需要处理更大的电流，从而导致灯点亮系统的效率变低。

发明内容
根据本发明的一方面，一种倒相电路包括输入部分，被配置用来接收来自电压源的电压，并且将该电压输入到所述电路。开关网络被连接用来接收来自所述输入部分的输入电压。控制器可操作性连接所述开关网络并且被设计用来控制所述开关网络的操作。谐振电路被配置用来接收来自所述开关网络的输出。负载连接被连接到所述谐振开关电路。可变电容网络被连接到所述负载连接，以便在电路操作期间提供可变电容。
根据本发明的另一方面，提供一种用于操作倒相电路的方法，所述方法包括将来自电压源的电压提供给输入部分。将所接收的电压从所述输入部分传递到开关网络。通过控制器来控制所述开关网络的操作，其中将规定的电压发送到谐振电路，并且将灯电压提供给连接到所述谐振电路的灯。在预定电平对电容器中的电压箝位。对于至少一部分所述电路操作周期，所述箝位动作将固定电容器从所述电路中移除，其中通过所述箝位动作获得有效可用的电路电容。


通过各种部件和部件结构，以及各种步骤和步骤排列，本发明可变得明显。附图只是为了解释优选实施例，而不能被曲解为对本发明的限制。
图1示出了二级倒相电路布局；图2示出了根据本发明原理的电路方框图；图3示出了根据本发明的具有自动线路调节的三级倒相电路的电路布局的第一实施例；图4示出了用于说明本电路中的电灯电流灵敏性的穿过本发明电路中的电容器的电压；图5示出了用于开环或闭环操作具有集成电路控制的三级倒相电路的第二实施例；图6描述了具有FET的互补对偶的三级倒相电路的第三实施例；图7描述了利用双极性晶体管的三级倒相电路的第四实施例；图8描述了根据本发明原理的全桥式开关网络电路；和图9描述了并入本发明原理的单个开关网络。
具体实施例方式
如果电容器32和34的值变得更小，或者电容器从电路中移除，则图1的二级倒相电路10可被尝试用作三级倒相电路。具体地讲，当作为二级电路操作时，包括电容器32和34的电容器网络30充当对灯的分压器，并且存储电路的能量。在一个使用120伏输入的实施例中，可以通过使用100毫微法以上的电容值来实现。然而，如果电容器32和34在从近似100毫微法到大约5毫微法的范围之内，则电容器网络30不仅充当分压器/能量存储电路，而且变成了部分谐振电路(包括谐振线圈24和谐振电容器26)。这将使图1的电路从二级倒相电路变成三级倒相电路。
然而，以这种方式配置的电路在操作期间将具有较差的稳定性。例如，随着输入电压变化10％，功率将从20％变化到25％。这种不稳定性随着电路输入的增加而持续增加，从而导致电路组件的压力，并且浪费能量。另外，图1的电路10作为三级倒相器操作不仅导致对电压输入波动具有电路高灵敏性，还对组件变化具有电路高灵敏性。具体的，规约之外的组件，或者，既使是在容许比例之内的组件也可能不必要地改变电路操作。为了控制这种不必要的改变，需要实现IC控制器或其它组件的复杂控制来获得一定的电路稳定性。对于在低成本的环境中，如图1所示设计的电路，这些缺陷限制了三级倒相器操作的实际应用。这也归因于对电源线变化、组件变化、及阻抗变化的电路灵敏性。
然而，根据上面的讨论可以得知，三级电路具有所期望的优点，包括能够用低起动电流来有效驱动高阻抗灯的好处。也就是说，部分归因于使用谐振电容，比在二级电路中使用的更小。电容越小导致电流值越小，这就允许使用更小的线圈24和晶体管18和20。
参考图2，图2描述了表示根据本发明概念的三级倒相电路的电路方框图40。诸如来自全桥式二极管桥(未示出)或其它适当网络的信号被提供给开关电路块42。这种开关网络可以是被设计用来实现本发明概念的单个、半桥式、全桥式或其他适当网络。电路块42向线圈/电容器/电容器高Q倒相块44提供电压。块44的电容器具有比二级系统中的电容器的值小得多的值。
块44的电容性网络被设计用来提供在可变电容器控制块46中识别的可变电容。通过这种结构，将归因于电压、功率和电流的值提供到高阻抗负载48，例如高阻抗灯。块44的网络也将反馈信号提供到反馈门控制块50，该反馈门控制块用于设计参数之内的控制电路的操作。可变电容器控制块46补偿线电压输入或其它电路的组件变化，以便提高对负载48的功率调节。电路方框图40的操作原理是使具有固定值的电容器组件在电路操作的周期中充当有效可变电路电容。
参考图3，图3描述一种根据本发明概念的具有自动线路调节的三级倒相电路60。这种设计维持了先前讨论的电路10的许多特性。然而，本发明的电路设计允许使用低起动电流来有效地驱动高阻抗灯，并且在具有稳定操作的电路中提供低操作电流。
电路60包括由二极管62a、62b、62c和62d组成的全桥式整流器，该全桥式整流器连接到正总线63a和公共总线63b，并且由输入源64来供电。开关电路66在该图中所示为包括第一晶体管68和第二晶体管70的半桥网络，被控制器72控制。应当理解，虽然下列实施例中的开关网络所示为半桥设计，这些实施例同样可适用于并且包括其它具有各种控制机构的输入结构，例如单个和全桥式开关网络。因此，图2的开关电路块42旨在表示各种已知的开关元件和控制机构。
如先前所述，由开关电路66产生的输出电压被提供到包括谐振线圈74和谐振电容器76的谐振电路。第二谐振电容器78与诸如在电路中由负载连接80a、80b连接的高阻抗灯的负载80串联。本发明的电路还包括也与灯80串联的阻抗匹配电容器82。也可以被认为是部分谐振电路的匹配电容器82，用来增加电路的Q因子，对于谐振电容器76而不需要更高的值，例如在二级倒相电路中所需的那样。因此，起动电流被减小，从而允许使用更小的线圈和电容器。
然而，应当理解，在操作期间，该高Q电路60对线路电压和系统组件变化敏感。为了解决这个问题，电路60利用阻抗匹配电容器82来提供有效的可变电容，即使它具有固定的电容值。这可以通过使用开关元件84和86结合阻抗匹配电容器82来实现。开关元件86与阻抗匹配电容器82并联，开关84的一端连接到开关86，另一端连接到电路60的正总线。在一个实施例中，开关84和86可以是高速快速恢复的二极管。
参考图4，图4描述了根据图3所示电路的灯的电流灵敏性分析以及匹配电容器82和二极管84、86的结构效果的图。电压波形90描述了通过电容器82的电压。
可以看出，在大约150伏时波形90在它的正走向端92处被箝位，并且在大约0伏时在它的负走向端94处被箝位。具体地讲，波形90在其负端被箝位到公共总线电压，在其正端被箝位到正总线电压。在线性范围95的操作期间，电容器82充当具有固定电容值的组件。在150伏以上的范围或0伏以下的范围，电容器82基本上从电路操作中移除。通过这种设计，在操作的整个周期，获得了有效的可变电容值。
当更大或更小的电流通过电容器82时，这意味着更大或更小的电流将通过灯。由于电容器82与灯80串联，所以灯电流和电容器电流是相等的(假设二极管84和86对电路没有箝位)。因此，灯80中的电流随着线路电压的变化、或者组件变化的出现而变化。
这些变化也导致了通过电容器82的电压的变化。当通过电容器82、二极管84、86的电压达到一个预定量(例如150或0伏)时，二极管84、86对通过电容器82的电压箝位。一旦二极管84和86对电容器82箝位，则它在部分导电期间有效地通过。通过这种操作，电路基本上自动地改变了电路的等效电容值。因此，电容器82和二极管84和86充当一个可变电容控制电路，例如图2的块46。这种电容调节特征降低了电路对变化的灵敏性，例如所提到的输入电压变化或由于组件引起的变化。
所述过程是有效的原因是因为每条线路变化、线圈变化、电容器变化、频率变化转换或对灯电流的影响，导致灯电流的变化。通过控制灯电流，能够使电流对那些变化不太灵敏。虽然受益于三级电路，例如对高阻抗灯的适应性、低起动电流的使用，以及高起动电压，对组件压力更小，但是这些设计和过程使调节类似于那些通过二级倒相电路获得的调节，而且由于使用了更小的组件也能够构造一种具有更小物理面积的装置。这种设计也受益于三级倒相电路，该三级倒相电路当驱动高阻抗灯时进行比二级倒相电路更高效率的操作。
如前所述，通过灯的电流取决于各种因素。下列公式说明了这种概念ΔILamp=(ddLILamp)·ΔL+(ddCLampILamp)·ΔCLamp+(ddRLampILamp)·ΔRLamp]]>具体地讲，该公式强调了灯电流总变化(ΔILamp)是由三个分量组成的。第一个分量是灯电流变化(dILamp)与电感系数(ΔL)中的总变化的谐振电感变化(dL)之比。第二分量包括对于总谐振电容变换(ΔCLamp)的灯电流变化(dILamp)与谐振电容变化(dCLamp)之比。第三分量是对于总灯变化(ΔRLamp)的灯电流变化(dILamp)与灯阻抗变化(dRLamp)之比。灯中的阻抗变化可能由于特殊灯的制造变化，其中灯可能在其内在阻抗中一批一批地变化，或者一个灯一个灯地变化。
参考图5，图5示出了三级倒相电路100的第二实施例。在该设计中，开关网络102使用两个由集成控制电路108控制的FET104、106。集成控制电路108允许该设计作为开环或闭环系统来操作。系统的剩余组件类似于图3中的电路60的组件。
参考图6，三级倒相电路110的第三实施例包括开关网络112，它是一个用于实现互补对偶开关(即FET)114、116的互补开关电路设计，该互补对偶开关由线圈118、120以及电容器122的输入来驱动(另外，设计如美国专利5408403；5796214；5874810；和5877595所示的互补对偶开关，由Nerone等人提出的，在此每项专利全文引用作为参考)。这种布局说明了一种自振荡低成本的系统设计。其余的电路部分类似于图3的电路。应当注意，电感线圈118也是谐振电路设计的一部分。
参考图7，描述了三级倒相电路130的第四实施例，它使用双极性晶体管作为开关元件。具体地讲，驱动电路132包括双极性晶体管134、136以及二极管138、140，双极性晶体管134、136分别并联二极管138、140。双极性晶体管134和136由电感线圈142、144驱动，电感线圈142、144电连接到电感线圈146。
参考图8，描述了根据本发明的电路148的进一步实施例，其中开关网络150被特别定义为具有包括晶体管152、154、156和158的全桥式开关网络。所示出的控制器为普通控制器160，它可以是前面所述的任何一种控制器或者是其它用于操作全桥式网络的现有控制器。这种设计考虑到诸如1千瓦的较高功率操作。
图9描述了类似于那些先前描述的电路168，该电路包括为由控制器174控制的单个开关172设计的开关网络170。
图3以及5-9中所示的三级倒相电路实施例与图2的电路方框图描述了这样一种电路其有效可变电容值是从固定电容器获得的，并且该电路充当反馈控制器(即图2的块50)以便稳定电路操作。具体地讲，电容器的调节与输入到电路和/或电路组件的变化是操作相反的。例如，当在某一值以上发生负电压变化(即电压增加)时，可变电容器用来对这种变化和/或其它组件变化进行求反。由电容器82、二极管84和86产生的有效的可变电容动作，组合功能来抵消电路的波动(即增加/减少)。以这种方式，给系统提供其内在具有稳定特征的负反馈控制。
本申请的三级倒相电路的操作将通过这种设计获得Q因子增加到范围2-5，而在二级系统中的Q因子操作基本上为范围1到1.5。而且，与实现现有倒相电路设计的紧凑荧光灯系统相比，灯系统(例如紧凑荧光灯)的物理大小可以减少30％。例如，虽然在对类似大小的灯供电的二级和三级倒相电路中使用的线圈值可能基本上相同，但是二级系统需要负载大约是本公开电路的两倍的电流，因此，需要更大的磁心尺寸。而且，由于这里所描述的特征，对于那种紧凑荧光灯系统的玻璃封套的直径，以及玻璃封套的环之间的间距也可能比现有的灯的小得多。
虽然以一些不同的方案并且用不同的值体现了本系统，在一个用于实现例如现有技术中已知的半桥式整流器系统的实施例中，使用了125伏的输入，对于如图3所示的一个特定实现的指定值包括二极管62a、62b、62c、62d....................................IN5395开关68....................................................FQU 9N25开关70....................................................FQU 9N25
线圈74..............................................................................470uh电容器76............................................................................6.8nf电容器78.............................................................................22nf灯80..................................................................................42W电容器82.............................................................................10nf二极管84...........................................................................IN4937二极管86...........................................................................IN4937在本申请中陈述的但并未包含在该列表中的其它编号的组件具有类似于上述的值。应当理解，所提供的值仅作为示例给出而不能被认为是对权利要求的限制。
已经参考优选实施例描述了本发明。显而易见，在阅读和理解先前详细的说明书的基础上可对本发明作出各种修改和变化。应当理解为所有那些修改和变化都包含在所附权利要求或其等效物的范围之中。
权利要求
1.一种倒相电路(60)，包括输入部分(62a-62d)，被配置用来接收来自电压源(64)的电压，并且将该电压输入到电路；开关网络(68，70)，被连接用来接收来自所述输入部分的输入电压；控制器(72)，可与所述开关网络(68，70)操作性连接，并且被设计用来控制所述开关网络的操作；谐振电路(74，76)，被配置用来接收来自所述开关网络(68，70)的输出；负载连接(80a，80b)，连接到所述谐振电路(74，76)；以及可变电容网络(82，84，86)，连接到所述负载连接，以便在电路操作期间提供可变电容。
2.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述可变电容网络包括具有固定电容值的固定电容器(82)、与所述固定电容器(82)并联的第一二极管(86)，以及与所述第一二极管(86)串联的第二二极管(84)。
3.如权利要求2所述的倒相电路，其中所述固定电容器具有在近似100毫微法到1毫微法之间的固定电容值。
4.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述开关网络包括FET、COMS或双极性二极管中的至少一个。
5.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述开关网络是单晶体管开关。
6.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述开关网络是半桥式晶体管网络。
7.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述开关网络是全桥式晶体管网络。
8.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述控制器是集成电路控制器。
9.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述控制器是用于控制晶体管开关的互补对偶的互补对偶控制器。
10.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述控制器是双极性控制器网络。
11.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述可变电容网络是一种负反馈电路。
12.如权利要求1所述的倒相电路，其中所述负载连接被配置成将高阻抗灯连接到电路。
13.一种操作倒相电路的方法，包括步骤将电压从电压源(64)提供到输入部分(62a-62d)；将输入电压从所述输入部分传递到开关网络(68，70)；通过控制器(72)来控制所述开关网络的操作，其中将规定的电压发送到谐振电路(74，76)；将负载电压提供给连接到所述谐振电路的负载(80)；以及在预定电平对所述负载的电压箝位，对于至少一部分电路操作的周期，所述箝位动作将固定电容器(82)从所述电路中移除，其中通过所述箝位动作来获得有效的可变电路电容。
14.如权利要求13所述的方法，其中当所述固定电容器(82)不被所述箝位动作移除时，它是所述谐振电路的一部分。
15.如权利要求14所述的方法，其中处于非箝位状态的所述固定电容器的操作是在其固定的电容值下进行的。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述箝位动作是由与所述固定电容器(82)并联的第一二极管(84)以及与所述第一二极管串联的第二二极管(86)获得的。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述固定电容器、第一二极管以及第二二极管的操作为所述电路提供负反馈信号。
18.一种可变电容网络，包括具有固定电容值的固定电容器(82)，其与负载串联连接；以及开关结构(84，86)，其与所述固定电容器串联/并联，其中当在所述电压存在预定电路时，所述开关结构将所述固定电容器从所述电路中移除。
19.如权利要求18所述的网络，其中所述开关结构包括与所述固定电容器并联的第一二极管，以及与所述第一电容器串联的第二二极管。
20.如权利要求18所述的网络，其中所述固定电容器和开关结构包括负反馈电路。
全文摘要
根据本发明的一方面，一种倒相电路60包括被配置用来接收来自电压源64的电压并将该电压输入到所述电路的输入部分(62a－62d)。开关网络(68，70)被连接用来接收来自所述输入部分的输入电压。控制器72可操作性连接所述开关网络(68，70)，并且用于控制所述开关网络的操作。谐振开关电路(74，76)被配置用来接收来自所述开关网络(68，70)的输出。负载连接(80a，80b)连接到所述谐振开关电路(74，76)。可变电容网络(82，84，86)连接到所述负载连接，以便在电路操作期间提供可变电容。
文档编号H05B41/24GK1541041SQ20041003157
公开日2004年10月27日 申请日期2004年3月25日 优先权日2003年3月28日
发明者蒂莫西·陈, 蒂莫西 陈 申请人:通用电气公司