專利名稱：熒光燈的調(diào)光控制裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明是關于熒光燈電子鎮(zhèn)流器的調(diào)光控制方法和設備的有關問題，特別涉及到該設備和控制方法所帶來的低電磁干擾和低開關應力的諸多優(yōu)點。
圖1繪出了傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器基本原理，在較高頻率(通常為25kHz～50kHz)下，諧振電容Cr上的電壓將燈點亮。由于驅(qū)動電壓頻率較高，燈幾乎工作在連續(xù)導通狀態(tài)下，這使得燈光質(zhì)量好，而不會存在頻閃效應。
圖2繪出了半橋串聯(lián)諧振逆變器用作電子鎮(zhèn)流器的傳統(tǒng)實施方案。在此方案中，S1和S2為互補開關(即S1開通則S2斷開，反之亦然)。如果Y點的電勢作為零電壓參考點，則Vxy等于±Vdc/2，其中Vdc為鎮(zhèn)流器的直流輸入電壓，它來自AC-DC整流器(電源為交流)或來自DC-DC變換器(電源為直流)。下面繪出了圖2電路的工作過程。
兩個電容器C的容值要比諧振電容Cr大得多，它們各自提供Vdc/2的穩(wěn)定直流電壓。S1、S2的開關頻率fsw要比諧振頻率fr(=1/(2πLrCr))]]>略高，這樣負載呈現(xiàn)電感性。如果電感電流iLr是連續(xù)的，則S1、S2能實現(xiàn)零電壓開通。零電壓開關可降低開關損耗和減小來自開關的電磁干擾。若再加入小電容Cs1和Cs2(圖2所示)，只要電感電流iLr是連續(xù)的，則S1、S2也可實現(xiàn)零電壓關斷。
圖2所示的串聯(lián)諧振變換器是非常普遍的。之所以如此，是因為這種電路設計可用于驅(qū)動多個燈管，變壓器原邊接在X、Y點間，多個變壓器副邊用于驅(qū)動多個諧振環(huán)和燈管。這種靈活性極大地降低了每個燈管所對應的電子鎮(zhèn)流器的費用。
當圖2電路用于調(diào)光控制時，會出現(xiàn)一定困難。許多電子鎮(zhèn)流器常保持恒定的DC電壓，而為了控制輸出光強，則采用調(diào)光控制。在這種類型的鎮(zhèn)流器中，常采用占空比調(diào)節(jié)或開關頻率調(diào)節(jié)兩種方法來實現(xiàn)調(diào)光。
第一種調(diào)光方法是控制開關S1、S2的導通占空比(d)。S1、S2的理想導通占空比為0.5，但為了防止S1、S2的直通，占空比應略小于0.5，以便有足夠的死區(qū)時間。圖3繪出了S1、S2的驅(qū)動波形?？刂苾蓚€開關的導通和關斷的時刻即能控制串聯(lián)諧振電路的輸入電壓。這種控制方法不是沒有缺點的，特別是在低占空比情形下，諧振電路的輸入電壓很低，所帶來的缺點如下所述。
圖2電路的主要優(yōu)勢是開關的零電壓開通和關斷，從而顯著地降低EMI和開關管的開關應力。但是當占空比太小，使得電感電流不連續(xù)時，零電壓開關條件不滿足而使開關承受開關應力，EMI增加，開關可靠性降低。這一點可從變換器的工作模式分析中看出。圖4著重繪出了主要電流流向。
圖4(a)所示為第一階段，S1通S2斷時的情形，主要電流流向用黑體標出。圖4(b)為第二階段，S1、S2都斷開，CS2放電，CS1被充電到VDC。當CS2放完電后，S2的反并聯(lián)二極管將導通。圖4(c)為第三階段，S1、S2仍然斷開，S2的反并聯(lián)二極管的導通使得S2上的電壓為零。這之后若開通S2，并且電感電流連續(xù)，則S2為零電壓開通。但是，如果占空比太小，則在S2再次開通之前，電感電流會減小為零，如圖4(d)示。如果在S2再次開通之前電感電流減小為零，則CS2的電壓上升，開關S2上的電壓不為零。當S2再次開通時，CS2上的儲能會在S2中釋放，引起較大的放電電流和開關損耗以及開關應力。
圖4(e)為S2開通S1斷開，電感電流變負的階段。當兩個開關再次全部斷開時，S1的反并聯(lián)二極管將導通，使得S1上的電壓為零。同樣，當占空比不是太小，S1可實現(xiàn)零電壓開通。但是，當占空比很小時，電感電流減小為零之后S1才被開通，使得S1上的電壓在開通時不等于零。這樣出現(xiàn)上述S2所遇的同樣問題，如圖4(h)所示。
總之，調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)調(diào)光控制的方法，在電感電流連續(xù)時可實現(xiàn)“零電壓開關”。但若占空比減小太大使得電感電流斷續(xù)，則是“非零電壓開關”，隨之而來的是較高的EMI輻射和較大的開關應力等的缺點。
改變開關頻率是另外一種調(diào)光方法。當開關頻率增加，則電感感抗增大，從而電感電流減小。這使得熒光燈的輸出可通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)，圖5繪出了4腳40W的熒光燈的輸出功率同開關頻率間的關系。可以看出，燈的輸出功率，即光的強度，隨開關頻率的增大而減小。
調(diào)頻而實現(xiàn)調(diào)光的方法有自己的諸多不足，這包括1、變頻控制比恒頻控制要更復雜和更昂貴；2、如果逆變器不是軟開關操作，則逆變器的開關損耗會增加，從而降低系統(tǒng)效率；3、為了將燈調(diào)到低功率輸出，開關頻率范圍可能會很大(例如25kHz～65kHz)，而實際上磁心的頻率范圍、門極驅(qū)動電路和電子控制電路會限制調(diào)光頻率范圍；
4、在整個調(diào)頻范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關是比較困難的。尤其是在低載下，軟開關不能實現(xiàn)，開關應力較大。硬開關期間的噪聲是EMI的主要來源；5、如果開關頻率范圍小則功率調(diào)節(jié)范圍小。典型的負載調(diào)節(jié)范圍是25％～100％。
電子鎮(zhèn)流器的直流輸入電源由AC交流輸入以及可變壓的AC-DC變換器組成。變換器前端為二極管整流橋，后續(xù)可選為以下其一(a)Flyback，(b)Cuk，(c)SEPIC，(d)Shepherd-Taylor和(e)boost等。本變換器若能采用軟開關則最好。
電子鎮(zhèn)流器的直流輸入電源另外一種實現(xiàn)方案是DC輸入后接可變壓的DC-DC變換器。變換器可為降壓式或升-降壓式變換器。
電子鎮(zhèn)流器為半橋式串聯(lián)諧振逆變器，包含兩個工作于恒頻(頻率略高于諧振頻率)和軟開關模式的功率開關。兩開關的導通占空比是恒定的，接近0.5，保留較小的死區(qū)時間以消除開關的直通。
本發(fā)明提供一種熒光燈的調(diào)光控制裝置，包括驅(qū)動熒光燈的電子鎮(zhèn)流器，電子鎮(zhèn)流器的直流電源，特征在于所述直流電源的輸出電壓是可調(diào)節(jié)的。
所述電子鎮(zhèn)流器可由半橋式諧振逆變器組成。
所述直流電源可由交流輸入電源以及AC-DC變換器組成，該變換器能提供可變直流輸出電壓。
所述AC-DC變換器包括前端二極管整流橋后可接以下其中一種(a)Flyback變換器，(b)Cuk變換器，(c)SEPIC變換器，(d)Shepherd-Taylor變換器和(e)boost變換器等。
所述變換器采用軟開關。
所述直流電源還可包括直流輸入電源后接DC-DC變換器，該變換器為整流器提供可變DC電壓。
所述DC-DC變換器可以是降壓式變換器。
所述DC-DC變換器可以是升壓式變換器。
所述電子鎮(zhèn)流器中含有兩個開關，其可工作于軟開關方式，開關頻率恒定且略高于L-C諧振頻率。
所述開關的占空比恒定。
所述開關的占空比略小于0.5。
本發(fā)明提供一種熒光燈的調(diào)光控制方法，包括驅(qū)動熒關燈的電子鎮(zhèn)流器工作于恒頻、恒占空比方式，鎮(zhèn)流器的直流輸入電壓可變。
所述直流電壓的變化可以通過調(diào)節(jié)前級AC-DC/DC-DC變換器的DC輸出電壓來實現(xiàn)，大約從20V到340V，所述鎮(zhèn)流器工作于恒頻方式，占空比約為0.5。
所述鎮(zhèn)流器的逆變器中的開關可工作于軟開關方式。
所述直流輸入電壓的調(diào)節(jié)可以通過控制前級交流輸入端處的可控硅雙向開關的導通角來實現(xiàn)。
本發(fā)明所帶來的有益效果為，通過調(diào)節(jié)變換器的DC輸出電壓，從而具有從100％到幾個百分點寬廣的調(diào)光范圍，同時逆變器中的開關工作于軟開關方式，從而開關損耗小，EMI被抑制，同時，本發(fā)明可使后級逆變器中的功率器件和無源器件具有較小的電壓定額，從而鎮(zhèn)流器的制造費用可以減小。


圖1繪出了傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器中基本的串聯(lián)諧振逆變器的電路原理圖；圖2繪出了傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器中基本的半橋式串聯(lián)諧振逆變器的電路原理圖；圖3繪出了圖2所示的鎮(zhèn)流器中開關的門極驅(qū)動信號；圖4(a)-(h)依次繪出了圖2所示的鎮(zhèn)流器的工作模式，主要電流方向用黑體表示；圖5繪出了調(diào)頻控制時，燈輸出功率同開關頻率間的關系；圖6繪出了本發(fā)明所對應的電子鎮(zhèn)流器的第一實施方案；圖7繪出了本發(fā)明所對應的電子鎮(zhèn)流器的第二實施方案；圖8繪出了燈輸出功率同變換器輸出直流電壓間的函數(shù)關系；圖9繪出了本發(fā)明所用的一種AC-DC變換器的原理圖；圖10(a)-(b)繪出了圖9所示變換器的兩個拓撲圖；圖11繪出了本發(fā)明所用的另一種AC-DC變換器的原理圖；圖12繪出了圖11所示變換器中開關電流和輸入相電流的典型波形；圖13繪出了本發(fā)明所用的DC-DC變換器的一種形式；圖14繪出了本發(fā)明所用的DC-DC變換器的另一種形式。
在本發(fā)明中，為了控制燈的輸出電壓，前端變換器的直流輸出電壓VDC是可控制的。為了確保寬廣的功率調(diào)節(jié)范圍和軟開關所需的電感電流連續(xù)的條件，半橋逆變器的開關的占空比保持恒定(接近0.5)。并且這也使控制簡單。變換器的開關頻率也是恒定的，這樣便于L-C諧振環(huán)的優(yōu)化設計。
如圖6所示，如果輸入電源是AC電源，則前端變換器為AC-DC變換器。適合的AC-DC變換器包括(a)二極管橋式整流后接Flyback變換器，(b)二極管橋式整流后接Cuk變換器，(c)二極管橋式整流后接SEPIC變換器，(d)二極管橋式整流后接Shepherd-Taylor變換器和(e)二極管橋式整流后接boost變換器等。并且，為了進一步減小EMI，最好在前端變換器中引入軟開關措施。
通過控制VDC而調(diào)光的方法有一個顯著的優(yōu)點，即燈的輸出功率隨VDC的減小而光滑地線性減小。圖8繪出了4腳40W的熒光燈在恒占空比恒頻率情形下的輸出功率同VDC間的實驗和仿真波形，可以看出兩者間的線性關系使得調(diào)光控制變得簡單方便。
圖9繪出了前端變換器為SEPIC時的實現(xiàn)方案。在這個方案中，半橋諧振電子鎮(zhèn)流器有10(a)如SEPIC的負載。SEPIC包括一個可控開關S和不可控開關D，可控開關S可選為MOSFET、BJT、IGBT等。為了免用較大的輸入濾波器，變換器應工作于連續(xù)導電模式。在一個開關周期中，變換器有兩個對應的拓撲，如圖10所示。圖10(a)繪出了第一拓撲，S開通D反偏關斷，電感L1和L2中的電流iL1和iL2增加。當iL1增加到設定的閾值時，S將被關斷，從而進入第二拓撲，S關斷D正偏開通如10(b)示。輸出電容Co被電感L1、L2兩者的電流充電。
通過PWM控制，SEPIC的輸入電流跟隨全波整流后的正弦輸入電壓Vg而變化。本技術中，電流成型反饋環(huán)中參考信號iref同Vg成正比。輸入電流被檢測并同參考信號作比較，其誤差被電流環(huán)放大器Ai放大后再被鋸齒波調(diào)制。為了減小檢測電流同參考電流間的誤差，S的占空比是可調(diào)的。從而，SEPIC的輸出電壓實際上被參考電流iref所控制。在電壓反饋環(huán)中，需要一個乘法電路，和一個誤差放大器Ke(如比例-積分電路)，來處理輸出電壓Vout和參考電壓Vref間的誤差。電壓反饋環(huán)的輸出作為乘法器的一個輸入，從而Vout跟隨Vref的變化。
圖11繪出了AC-DC前端變換器的另一種實現(xiàn)方案，該方案中，采用反激變換器。AC輸入電壓Vs經(jīng)過整流后送到反激變換器，如果反激變換器工作于斷續(xù)方式，則電感電流的包絡線跟隨整流后的電壓波形。輸入L-C濾波器減小電流紋波，從而輸入相電流同AC輸入電壓同相，如圖12所示。若開關頻率很高，如20kHz～100kHz，則電流紋波可以忽略不計。
如圖7所示，如果輸入的電源是DC電源，則前端變換器為DC-DC變換器。適合的DC-DC變換器的選擇依賴于輸入電壓的大小，可以采用升壓式或降壓式。圖13和圖14繪出了可行的前端DC-DC變換器，其中圖13為降壓式變換器(buck)，圖14為升降壓式變換器(Flyback)。
可以看出在本發(fā)明中，鎮(zhèn)流器的前端變換器提供可變的直流電壓。前端變換器可選為帶功率因子校正功能的AC-DC變換器(最好還是軟開關)，當輸入為直流電源時，也可選為DC-DC變換器。前端變換器的直流輸出電壓提供給軟開關的半橋式L-C諧振逆變器。熒光燈并接在諧振電容上。逆變器的兩個開關恒頻動作，開關頻率略高于L-C諧振環(huán)的諧振頻率。同時，為了保證在較大的調(diào)功范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關，逆變器的兩個互補開關應該具有較大的占空比。
為了調(diào)節(jié)燈的亮度，調(diào)節(jié)前端變換器的DC輸出電壓即可調(diào)節(jié)燈的輸出功率，如額定DC輸出電壓對應燈的滿功率，低DC電壓對應低的燈輸出功率。這使得逆變器在整個調(diào)功范圍內(nèi)保持連續(xù)的電感電流，實現(xiàn)軟開關，從而降低逆變橋中的EMI輻射。若前端AC-DC或DC-DC變換器帶有功率因子校正和軟開關功能，則本發(fā)明所述鎮(zhèn)流器具有很低的傳導及輻射EMI，很低的開關損耗和開關應力，高可靠性等的優(yōu)點。本發(fā)明可用于單個燈或多個燈并用系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種熒光燈的調(diào)光控制裝置，包括驅(qū)動熒光燈的電子鎮(zhèn)流器，電子鎮(zhèn)流器的直流電源，其特征在于所述直流電源的輸出電壓是可調(diào)節(jié)的。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述電子鎮(zhèn)流器由半橋式諧振逆變器組成。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述直流電源由交流輸入電源以及AC-DC變換器組成，該變換器能提供可變直流輸出電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述AC-DC變換器包括前端二極管整流橋后接以下其中一種(a)Flyback變換器，(b)Cuk變換器，(c)SEPIC變換器，(d)Shepherd-Taylor變換器和(e)boost變換器。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述變換器采用軟開關。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述直流電源還包括直流輸入電源后接DC-DC變換器，該變換器為整流器提供可變DC電壓。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述DC-DC變換器是降壓式變換器。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述DC-DC變換器是升壓式變換器。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述電子鎮(zhèn)流器中含有兩個開關，其工作于軟開關方式，開關頻率恒定且略高于L-C諧振頻率。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述開關的占空比恒定。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述開關的占空比略小于0.5。
12.一種熒光燈的調(diào)光控制方法，其特征在于驅(qū)動熒關燈的電子鎮(zhèn)流器工作于恒頻、恒占空比方式，鎮(zhèn)流器的直流輸入電壓可變。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述直流電壓的變化可以通過調(diào)節(jié)前級AC-DC/DC-DC變換器的DC輸出電壓來實現(xiàn)，大約從20V到340V，所述鎮(zhèn)流器工作于恒頻方式，占空比約為0.5。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述鎮(zhèn)流器的逆變器中的開關工作于軟開關方式。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述直流輸入電壓的調(diào)節(jié)可以通過控制前級交流輸入端處的可控硅雙向開關的導通角來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提出熒光燈調(diào)光控制的一種電路結(jié)構(gòu)和控制方法。熒光燈被半橋諧振逆變式鎮(zhèn)流器驅(qū)動，鎮(zhèn)流器工作于恒頻恒占空比方式，其輸入直流電壓可變，改變鎮(zhèn)流器的直流輸入電壓可以實現(xiàn)調(diào)光。可變直流電源可來自交流輸入電源后接AC－DC變換器，或來自直流輸入電源后接DC－DC變換器。
文檔編號H05B41/282GK1436029SQ0210311
公開日2003年8月13日 申請日期2002年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月30日
發(fā)明者許樹源, 鐘樹鴻 申請人:香港城市大學