专利名称：降低母线电压的集成升压式高功率因数电路的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及功率因数调节的小型荧光灯。特别是涉及集成升压变换器高功率因数小型荧光灯镇流器的母线电压控制。
用于向负载提供双向电流的现有技术的电路包括一个串联半桥变换器，它包括一对交替地接通以获得流过负载的双向电流的串联开关。
为了改进负载的功率因数，在现有技术的电源电路中加入一个升压变换器，它从全波整流器接收整流后的，或直流电压，并且又可以提供交流电压和电流。升压变换器在升压变换器的电容器升压电容器上产生高于输入直流电压的电压，提供直流母线电压向前述半桥变换器供电。现有技术的升压变换器包括一个专用的开关(升压开关)，它反复将升压变换器的电感器(升压电感器)接地，从而引起电流流入电感器，因此，能量存储在电感器中。在升压电感器中存储的能量送到升压电容器，并在该电容器中保持一个期望的母线电压。
在现有技术的升压变换器的工作过程中，升压电感器中存储的能量在升压开关再次将升压电感器接地之前完全释放给升压电容器。升压变换器的操作正如所述，即，升压电感器的能量完全释放是以能量存储的断续模式进行的。现有技术的电路也可以以连续能量存储模式工作，其中电感器不允许完全放电。这使电路保持一些存储能量。
现有技术电路的一个缺点是总增益具有宽的变化，特别是当向如荧光灯这样的负载供电时，其负载在正常运行时显著变化，为了保持波顶因素在约1.7以下并且降低荧光灯负载的疲劳，在美国专利NO.5,408,403公开了一种带有功率因素校正的电源电路。该美国专利(在这里引入完全是作为参考)提供了一种集成升压电路，用于向具有双向电流的负载供电并且提供一种高度的功率因数校正的方法。
不足的是，美国专利’403号中，母线电压近似为输入电压峰值的两倍。对于在电压较高线路下120V镇流器，母线电压为373V。如果这种镇流器被用在要求不同额定线下应用。例如墨西哥或沙特阿拉伯(127V)；日本(200V)，欧洲(230V)，英国或澳大利亚(240V)。在母线上的峰值电压会接近或超过镇流器上一些部件的击穿电压。如果用具有较高额定电压的类似部件来代替那些部件会明显增加费用，这又是不期望的。
因此，本发明的目的是提供一种用于小型荧光灯的降低母线电压的集成升压高功率因数电路。也非常需要提供一种电路，它可以应用于120V线路电压，以及前面所述更高线路电压的情况。
根据本发明，母线电压是受到控制的，已知增益降低，母线电压降低，将考虑下列数学公式。在连续方式下，升压变换器的增益(GainCM)即，母线电压VB与输入电压VIN的比值如下面所示GainCM＝1/(1-D)(1)其中D是升压开关SB的接通时间与升压开关的重复周期TS的值。在断开方式下，升压变换器具有增益(GainDCM)如下式所示GainDCM=(1+1+2D2RTS/L)/2---(2)]]>其中D为负载周期；LB是升压电感值；R是升压变换器的总负载；以及TS是SB的开关重复周期。
在上面两个增益公式中的公共部分，其增益直接影响母线电压的是负载周期D。由于截止时间(TD)，即当两个电源开关关闭时的时间，与负载周期固有地相关，改变关闭时间直接影响母线电压。
本发明通过增加截止时间来控制母线电压。截止时间通过选定门延迟电路来加以控制，它包括在每个FET门中的RC时间常数。一个缓冲电容器这样地选定以完全占满截止时间。当一个开关断开，谐振变换器的正常动作(即，零电压切换)缓慢地改变两个开关从一个轨到另一个轨之间的电压。完成这件事所需的时间是谐振电感器中电流及两电源开关两端的电容量的函数。该电容由与缓冲电容器并联的开关输出电容构成。
在下面详细描述中，以下列附图作为参考，其中
图1是向一个负载提供双向电流的现有技术电路的简化示意图；图2是向一个电路提供双向电流的现有技术电容电路的简化示意图；图3是根据本发明的，向一个电路提供双向电流并且降低母线电压的电容电路的简单示意图；图4A和4B分别表示现有技术和本发明的波形，用于解释图3电路的工作。
可以这样理解，在下面的描述中，在各图中相同标号表示相应部件。
为了引入概念来帮助理解本发明，先对图1的现有技术的电路进行描述。图1是用于负载100的现有技术电源电路的简单示意图，该负载可以是低压放电灯，例如，一个荧光灯。该现有技术的电源电路采用全波整流电路102以对来自电源104的交流电压VAC进行整流，从而在导线106上提供一个相对于地，或参考电压，(导线108)的整流后电压或称直流电压。然后一个已知结构的升压变换器120在升压电容CB的上端提供一个母线电压VB，母线电压VB高于输入到升压变换器的直流电压VIN，如下所述。
升压母线电压VB施加到一个串联半桥变换器130的上开关S1。上开关S1和下开关S2由一开关控制电路132交替地切换以提供流经负载电路，例如谐振电路133的双向电流。谐振电路133包括一个负载100，它以一个电阻性负载，以荧光灯为特征来表示，负载100连接在其右侧节点138和左侧节点139之间。一个谐振电容器CR与负载100并联连接。谐振电感器LR连接在其右侧节点139和左侧节点140之间，从而与谐振电容CR相串联。电容器134和136在其公共节点138上保持电压在二分之一母线电压，或VB/2。
为了向谐振电路133提供双向电流，开关S1瞬时接通(即导通)同时开关S2断开，从而电压VB/2(即，在节点138上为VB-VB/2)被施加到谐振电路133的两端(从左侧节点140到右侧节点138)。然后，开关S2瞬时接道，开关S1断开，从而电压-VB/2(或在节点138上为0-VB/2)施加到谐振电路133的两端(从节点140到节点138)。
开关控制电路132提供如142和144所示的开关信号从而分别控制开关S1和S2。如前所述，开关S1和S2交替切换；即，开关信号142处于高电位状态，则开关信号144处于低电位状态。反之亦然。一般地，开关信号142和144在开关信号的开关重复周期TS的一半(TS/2)进行交替。
参照升压变换器120，如上所述，母线电压VB构成升压电容CB上的电压并且通过单向阀150，例如p-n型二极管由升压电感LB进行充电。接着升压电感LB通过由开关控制电路152控制的升压开关SB间歇的开关动作进行反复激励。当开关SB接通，升压电感器LB的输入电流通常以线性方式增加直至SB在电路152的控制下断开。然后升压电感器LB中的能量通过单向阀150释放给电容CB放电期间，加在电感LB两端的正电压使输入电压VIN增加，从而在升压电容器CB的上端产生一个升压母线电压VB。
现在参照图2，它提供了一种现有技术的电源电路，它除了具有上述图1中现有技术的优点外，还具有减少电路部件的数量，从而使电路尺寸减小，它对于获得一个小型的荧光灯是特别需要的。并且通过去掉难以切换的升压开关，使效率得到提高。
在图2中，与图1中有关类似的部件具有相同标号。所不同的是只有标号的第一个数字对应图号。
图2可以包括与图1中现有技术的串联半桥变换器130相类似的串联半桥变换器。然而，在图2中的升压变换器的结构及其与图2中的串联半桥变换器的相互作用与图1的装置有所不同。
在图2中，通过单向阀250(对应于图1中的单向阀150)，能量从升压电感器LB传送到升压电容器CB。然而，图2的升压电感器LB的充电路径与图1的截然不同。图1中电感器LB的充电路径包括升压开关SB连接在电感器LB的“负载”侧和地之间。而图2中，电感器LB的充电路径包括串联半桥变换器的下侧开关S2，它具有双重目的，当开关S2接通(即，导通)，充电电流通过单向阀260，例如p-n型二极管从升压电压感器LB流过该开关。还有一个单向阀262，例如一个p-n型二极管，其阳极接地，阴极接升压电感器LB的负载侧。单向阀262作为预防措施来使升压电感LB和开关S2输出电极间的寄生电容(未示)相互谐振作用所产生的寄生电压减至最小。
由于图2中升压开关SB没有象图1中电路152这样的独立开关电路，升压变换器在对开关S2(也用于开关S1)的开关控制电路232更有限制的控制下工作。该电路232提供一个接通时间与恒定开关重复周期的比值约0.5。与图1相比，这产生一个简化的电源电路，在图1中一般采用一个复杂的开关控制电路152来提供一个用于SB的、可调节的开关接通时间与开关重复周期之比。
出于费用的考虑，控制电路232最好是自振荡式，其中桥式开关S1和S2的开关重复周期由谐振电路233的谐振频率所决定，且是常量。开关控制电路232将开关S2接通达开关周期TS的一半，或TS/2。
图2中电路的母线电压约为输入电压峰值的二倍。对于高线上120V镇流器，该电压将为373V。然而这种镇流器应用于要求不同额定线路，例如在墨西哥或沙特阿拉伯为127V；日本为200V，欧洲为230V；英国或澳大利亚为240V，母线峰值电压将接近或超过镇流器中一些部件的击穿电压。在额定电压超过120V的应用中，希望保持母线电压在约300-360VDC的范围内。
因此，本发明提供了一种用于小型荧光灯的降低母线电压的集成升压高功率因数电路。已知母线电压随着增益的降低而降低，在连续和断续的增益公式中的公共部分是负载周期D。由于截止时间与负载周期固有地相关，控制截止时间直接影响母线电压。因此，本发明通过增加截止时间来控制母线电压。对于本技术领域的普通技术人员来说，不脱离本发明的范围，通过增加截止时间来减少负载周期可以通过不同的方式来完成，这是显而易见的。
现在参照图3，本发明提供了一种电源电路，它除具有图1和图2的现有技术的优点以外，还具有控制母线电压的优点。
在图3中，与图1和图2类似的部件具有相同标号，所不相同的是标号的第一个数字与图号相关。
在图3中，在截止时间期间，总是进行零电压切换，已知在截止时间的整个范围内设定电压正好降为零，可以获得最佳切换。因此，在截止时间期间，通过放慢工作来影响截止时间。迫使截止时间达到预定参数使母线电压VB得到控制。
因此，根据本发明，选定现有的缓冲电容器CSNUB370，即增加到完全，但是单独地占满更长的截止时间，从而，易于零电压切换并提供最佳效率。如果CSNUB选定得太小，截止时间将不能完全占满，电压将保持，它将损耗掉，从而导致切换困难。相反，如果CSNUB选定得过大，其能量在截止时间上没有完全消耗掉，剩下存储能量并且导致寄生振荡。因此，本发明在整个截止时间范围内将电压谐振至零。增加缓冲电容以提供加在开关上的暂态电压。
在截止时间期间，当S1被断开时，CSNUB给电感充电，放电至零，然后接通S2。正如本技术领域的普通技术人员所显而易见的，如图3所示，CSNUB可以包括几种不同的实施例。例如，CSNUB可以包括一对缓冲电容器，CS1和CS2跨接在所述第一和第二开关S1和S2之间，换一种方式，CSNUB也可以为单个的缓冲电容器370，连接在第一和第二开关中间处和半桥电容器334和336中间处之间。
继续参照图3，一个RC电路装置包括电阻372，电容374和开关控制电路332被加入栅极驱动电路以在第一和第二开关上提供交替切换的开关控制。假设是一个恒定电流，由于门驱动的变化(用于提供延迟时间)截止时间实际上被增加。也就是说，开关S1直至开关S2断开后才能接通，加上由于经过RC的延迟时间。另外，对于电源开关的栅极驱动必须也被修正，从而在开关之间的电压正在改变状态时没有栅极电压施加到任一开关上。零电压切换意味着开关的漏→源之间无电压。由于负载周期从升压变换器来看不再是50％，所以输出电压降低。
从现有技术中可以看出升压变换器以连续导通模式工作的转换函数为1/(1-D)，对于断续模式具有类似函数，这里D是负载周期。通过降低该值，转换函数和母线电压被降低。
参照图4A，它描述了现有技术的截止时间TD的波形图。由于实施本发明截止时间增加，从而可以由图4B的波形图中看出。假设波形是对称的，负载周期可以将图4A和4B所示的两种情况计算出来。根据公式可以将负载周期D计算出来D＝(T/2-TD)/T (3)其中T为整个周期，TD为截止时间。根据本发明，母线电压可以通过控制截止时间进行控制，该截止时间又与负载周期固有地相关。
本发明已参照了最佳实施例进行了详细描述，但可以理解，在本发明的精神和范围内可以进行修改和变化。
权利要求
1.一种电容电源电路，用于给一个气体放电灯提供双向电流，该电路包括用于提供来自交流电的直流电源的装置；一个串联半桥变换器，用于交替地向负载电路两端施加来自一个母线导体的直流电压，该母线电压首先是以一个极性提供，然后是以相对该极性的相反极性提供，所述串联半桥变换器包括一个第一开关置于母线导体和与负载电路相连的第一节点之间，第二开关置于接地导体和第一节点之间，并且一个开关控制电路，用于交替地接通所述第一开关和第二开关；一个升压变换器，包括连接在所述母线和接地导体之间的升压电容器，且其充电值确定了所述母线导体上的母线电压，一个升压电感器，用于存储来自提供直流电源的装置的能量，所述的升压电感器通过一个二极管连接到所述的升压电容器，用于将其能量释放给升压电容器，和通过一个由一个二极管连接的低阻抗电路将所述的升压电感器的负载端周期地连接到所述接地导体的连接装置，从而给所述升压电感器充电，所述连接装置包括一个升压开关，其中所述升压电感器的负载端连接到升压开关的一端，从而在第一种情况，所述升压开关使所述升压电感器充电，在第二种情况，使所述升压电感器放电到所述升压电容器；一个电阻-电容延迟电路和一个栅极相连以控制截止时间；和一个缓冲电容器，用于便于进行零电压切换以占满所述整个截止时间，所述电容器具有一个由所述的电阻-电容延迟电路所设定的值。
2.根据权利要求1所述的电容电源电路，其特征在于所述电阻-电容延迟电路通过建立一个向所述第一和第二开关的电压转换的延迟来控制截止时间。
3.根据权利要求1所述的电容电源电路，其特征在于所述的缓冲电容器置于第一和第二开关两端之间。
4，根据权利要求1所述的电容电源电路，其特征在于所述缓冲电容器置于第一和第二开关中间处和第一和第二半桥电容器中间处之间。
5.根据权利要求1所述的电容电源电路，其特征在于所述升压开关包括所述半桥变换器的所述第二开关。
6.一种给气体放电灯提供双向电流的方法，该方法包括下列步骤从交流电压提供直流电源；提供一个串联半桥变换器，用于交替地向负载电路两端施加来自一个母线导体的直流电压，该母线电压首先是以一个极性施加，然后是以相对该极性的相反极性施加，所述串联半桥变换器包括一个第一开关置于母线导体和与负载电路相连的第一节点之间，一个第二开关置于接地导体和第一节点之间，并且一个开关控制电路，用于交替地接通所述第一开关和第二开关；提供一个升压变换器，包括连接在所述母线和接地导体之间的升压电容器，且其充电值确定了所述母线导体上的母线电压，一个升压电感器，用于存储来自提供直流电源的装置的能量，所述的升压电感器通过一个二极管连接到所述的升压电容器，用于将其能量释放给升压电容器，和通过一个由一个二极管连接的低阻抗电路将所述的升压电感器的负载端周期地连接到所述接地导体的连接装置，从而给所述升压电感器充电，所述连接装置包括一个升压开关，其中所述升压电感器的负载端连接到升压开关的一端，从而在第一种情况，所述升压开关起作用使所述升压电感器充电，在第二种情况，所述升压开关起作用使所述升压电感器放电到所述升压电容器；通过增加截止时间来减小负载周期。
7.根据权利要求6所述向气体放电灯提供双向电流的方法，其特征在于通过增加截止时间来减小负载周期的步骤进一步包括提供一个与一个栅极相关联以控制所述截止时间的电阻-电容延迟电路的步骤。
8.根据权利要求6所述向气体放电灯提供双向电流的方法，其特征在于采用一个缓冲电容器以便于进行零电压切换以占满整个截止时间的步骤。
9.根据权利要求8所述向气体放电灯提供双向电流的方法，其特征在于进一步包括使用所述电阻-电容延迟电路以确定所述缓冲电容器的值的步骤。
10.根据权利要求8所述向气体放电灯提供双向电流的方法，其特征在于其中所述缓冲电容器置于所述第一和第二开关两端之间。
全文摘要
一种电源电路，它包括用于提供直流电源的装置，半桥变换器，升压变换器，电阻-电容延迟电路和缓冲电容器，串联半桥变换器，用于交替地向负载电路两端施加直流电压，它包括第一开关，第二开关，和一个开关控制电路，用于交替地接通第一开关和第二开关；一个升压变换器，包括一个升压电容器，一个升压电感器，和将升压电感器周期地连接到接地导体的装置，从而给所述升压电感器充电。本发明通过增加截止时间来减小负载周期。
文档编号H05B41/28GK1149812SQ9611163
公开日1997年5月14日 申请日期1996年7月31日 优先权日1995年7月31日
发明者K·W·哈斯, D·J·卡哈马力克, K·B·贝勒 申请人:通用电气公司