專利名稱：具有可調sepic變換器的燈的驅動設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于給燈供電的電子驅動設備，且所述的燈被供給交流電壓。
背景技術：
這一方面包括用于單個燈的驅動設備，而另一方面還包括可能給多個燈供電的驅動設備。
在許多這種驅動設備中，必須由交流電壓給一個存儲電容充電，并由該電容給隨后的電路部件供給直流電壓。為此對所述的通常在兩個極性之間振蕩的交流電壓進行整流，并將其作為單極性交流電壓施加給所述的電容。但這有一個重大的缺點，即只有當所述交流電壓的瞬時電壓值大于電容上的電壓時才由該交流電壓給電容充電。于是會在供電交流電壓的電壓最大值附近導致短時間的脈沖充電沖擊。該沖擊充電電流包含有一種規則的且不允許的強烈諧波譜。為了進行校正(所謂的功率因數校正(PFC))而采用了特殊的變換電路。
這種變換電路的已知結構形式被稱為升壓器或升壓調節器。這種例子可以參見WO 96/03017。該解決方案具有的優點是效率較好，并且能較便宜和簡單地實現。但它一方面具有以下缺點，即根據原理它只能產生大于供電交流電壓幅值的直流電壓。另一方面，該變換器會產生較強的無線電干擾。但起決定性作用的是由原理所決定的存儲電容直流電壓的下限值，在該電容及由其供電的后隨電路部件所需的耐壓性方面，該下限值是一種非常大的干擾，由此在電路費用方面也是非常大的干擾。
相反，在所謂的SEPIC變換器的情況下，給所述存儲電容充電的直流電壓可以在較寬的界限內任意調節，尤其還可以小于供電交流電壓的電壓幅值。另一方面該變換原理需要更多的器件。在SEPIC變換器情況下，所謂的間歇運行是非常重要的，其中設于該變換器中的兩個電感的單個充電和放電階段是通過無電流的時間分隔開的。所述的SEPIC變換器通常由一個頻率固定的調節電路來控制。沒有必要通過占空比來跟蹤所需的耗電形式。因此，SEPIC變換器的控制電路原則上要比上述升壓調節器簡單。
所述的兩種電路方案對本領域技術人員來說是慣用的，因此在此不再詳述。但對于SEPIC變換器的作用方式，可以補充地參考本發明的以下說明。

發明內容
本發明基于的技術問題在于，為具有SEPIC變換器的燈提供一種改善的電子驅動設備。為此，根據本發明規定，所述的電子驅動設備具有一個存儲電容；一個SEPIC變換器，用于在以基本為交流電壓形狀的工作頻率跟蹤所述驅動設備的電流消耗的過程中從交流電壓把所述的存儲電容充電到一個直流電壓；一個用于把所述SEPIC變換器調節到一個輸出量的調節電路，其特征在于，所述的調節電路在調節時改變所述SEPIC變換器的工作頻率。
本發明的改進方案由從屬權利要求給出。
本發明的主要方面在于，不是頻率固定地控制所述驅動設備的SEPIC變換器，而是以調節量的形式改變其工作頻率以調節到所述SEPIC變換器的一個輸出量。該輸出量譬如可以是所述SEPIC變換器的被用來給存儲電容進行充電的輸出電壓。但原則上也可以考慮所述變換器或其后隨電路部件的其它輸出量。
通常，在調節時改變占空比，但頻率保持不變。例如，在供電電壓幅值下降(電網電壓波動)時加大所述SEPIC變換器的開關晶體管的導通時間和縮小關斷時間，其中總周期保持不變。由此，盡管電網電壓波動也可以實現恒定的輸出電壓。
但本發明人的出發點還在于頻率固定地控制開關晶體管，在驅動設備的與線路有關的干擾方面是非常不利的。因此根據本發明，所述開關晶體管的工作頻率在調節輸出量時被改變，使得與線路有關的干擾在時間過程中被分布到某個頻率范圍。
在此有利的是，改變所述SEPIC變換器的開關晶體管的導通時間。也即由此可以通過改變開關晶體管的導通時間和由此改變工作頻率來是實現所述的調節。另外還優選地使所述開關晶體管的關斷時間保持恒定。這另外還有個優點，即所述的關斷時間可以如此地優化，使得能確保本發明的有利的間歇運行。于是，導通時間優選地為(單個的)調節量。
間歇運行的前提條件是，在SEPIC變換器的電感的充放電脈沖之間有一個無電流的、哪怕是短的階段(在與存儲電容相串聯的二極管中)。放電脈沖屬于開關晶體管的關斷時間。由于在正常情況下被調節到一個恒定的輸出電壓，所以放電特性沒有較大的波動，以至于用于確保間歇運行的關斷時間可以被調節到一個隨時間不變的最佳值。
于是應該如此地選擇該最佳值，使得關斷時間盡可能地小，但還能確保間歇運行。在最有利的情況下，人們稱之為準瞬態運行，本發明優選地如此地選擇該運行，使得在開關晶體管的新導通階段之前，所述關斷時間結束處的無電流時間最高達周期時延-也即SEPIC變換器的工作頻率的倒數-的10％。
另一方面，利用開關晶體管的導通時間可以如此地匹配電感的充電過程，使得因電網電壓或類似的干擾而使充電條件發生變化時，仍然還可以提供一個基本恒定的輸出量，尤其是輸出電壓。
由此，除了在頻率固定的控制電路中避免與線路有關的干擾之外，通過最優化關斷時間能最佳地“利用”電感。對于導通時間，可以選擇一個依賴于最低允許的供電電壓和燈的最大值。
所采用的調節電路優選地是數字式的，并且時間離散地調節SEPIC變換器。在該情形下，調節過程之間的間隔優選地為至少供電交流電壓的半個周期，在此可以參見本發明人于2001.1.24的在先申請“具有SEPIC變換器的燈的驅動設備”。該申請的申請號是10110239.9。
簡言之，此處利用了SEPIC變換器的如下性能，即在間歇運行中，在導通時間和關斷時間之間的、不考慮調節到輸出量的恒定占空比的情況下可以實現足夠好的功率因數。也就是說在該情形下占空比不是跟蹤瞬時的電網電壓，而只是以調節量的形式根據所述的輸出量進行調節。因此，至少一半電網周期的時間離散調節的調節間歇是足夠的。利用這種調節間歇不能跟蹤所述的供電交流電壓。優點在于對調節電路的要求較低，由此可能實現節省。
本發明的一種有利的應用情況在于，為多種燈類型提供一個電子驅動設備。這種驅動設備具有可編程的控制電路，該控制電路具有存儲這些燈類型的工作參數的存儲器。該可編程的控制電路尤其還包含有所述SEPIC變換器的控制電路用的調節電路，并使該變換器與燈的相應參數相匹配，也即通過考慮燈阻抗而譬如調節到所需的輸出電壓。于是，譬如可以針對關斷時間、可選導通時間的范圍、以及頻率，并根據與所述驅動設備所檢測的或在開始工作時通知該驅動設備的特定燈類型相匹配的參數來實現所述SEPIC變換器的控制電路。此時尤其有利的是，在利用新接入的燈開始工作時，由驅動設備自動地識別該燈。
另外優選的是，所述的驅動設備在工作開始時自動地在通常的器件波動范圍內判斷特定的參數，其中所述的參數是由所裝配的器件預給定的。由此，可以便宜地滿足器件選擇的要求，同時確保精確的最佳運行。這一點還適用于多類型驅動設備和只設計用于某個燈類型的驅動設備。
最后，所述的驅動設備在許多情況下還具有一個振蕩器，該振蕩器優選地由同一個調節電路進行控制，該調節電路還控制所述的SEPIC變換器。尤其是，整個驅動設備可以由單個的數字IC進行控制。
優選的應用范圍在于低壓氣體放電燈的驅動設備。此時采用的振蕩器優選地是由上述IC進行外部控制的半橋振蕩器。


下面借助實施例來詳細講述本發明的各個方面。在此公開的單個特征也可以按本發明思想進行其他組合。為慎重起見，在工作方法上以同樣的方式來理解上述和下面的說明。
圖1示出了本發明驅動設備的簡要框圖，以及圖2以時間圖的形式示出了圖1的開關晶體管的導通時間和關斷時間。
具體實施例方式
在圖1中以實施例的形式給出了本發明的驅動設備。從左邊可以看到，供電交流電壓、例如通常的家用電網電壓經二極管整流橋進行整流。由此，在附圖中位于上面的導線分支表示整流后的正電位，而下面的則表示整流后的負電位-通常接地。被整流后的交流電壓形成了SEPIC變換器的輸入，該SEPIC變換器具有線圈(電感)L1和L2、電容C1、整流二極管D1和開關晶體管T1，并由調節電路RS進行調節。在右邊示出的SEPIC變換器的輸出端上，也即并聯于存儲電容C2連接了負載RI，該負載被供給了由電容C2所提供的直流電壓。負載RI涉及通常的半橋振蕩器，它具有兩個用于產生高頻交流電壓的開關晶體管，利用該高頻交流電壓可以運行低壓氣體放電燈。由于這種電路是現有技術并且通常是已知的，所以在此僅僅用電阻示出了該負載。
電容C2被用作存儲電容，且必須由SEPIC變換器從被整流的交流電壓充電到盡可能恒定的直流電壓。在此，來自電網的電流消耗盡可能無干擾地跟蹤電網電壓的正弦曲線。
通過所述開關晶體管T1的交變的開關工作，線圈L1在導通狀態從被整流的電網電壓被充電到某個電流，并且在開關晶體管T1的關斷狀態被放電到電容C1。同樣，線圈L2在開關晶體管T1的導通狀態被充電，并且在關斷狀態被放電到存儲電容C2。(需要注意二極管D1的極性。)在該情形下，如果開關晶體管T1的關斷時間足夠地長，則產生一種所謂的間歇運行，由此使整流二極管D1中的電流降到0。此時，電容C1基本平均地被充電到瞬時整流供電電壓的值。由此再次得出，存儲電容C2在關斷時間內只利用由線圈L2產生的感應電壓被充電。因此，通過相應的占空比-也即導通時間和關斷時間之間的比值-，并通過考慮負載RI，基本上可在電容C2上調節出任意的直流電壓，該電壓可以小于電網電壓的幅值。于是，存儲電容C2不必是耐壓非常高的電容。電容C1在某種程度上負責兩個線圈L1和L2之間的去耦合，使得通過線圈L1產生的電壓不會加到瞬時的電網電壓上-與升壓調節器相反。
所述的導通時間和關斷時間共同給出了周期時延，并由此給出了工作頻率，該工作頻率通過開關晶體管T1的開關運行并由此通過調節電路RS給定。典型的工作頻率位于幾十kHz~約200kHz。
在圖2中給出了開關狀態。在此，dTs表示導通時間，d’Ts表示關斷時間。兩者相加成周期時延Ts，該周期時延從時間點T0延伸到時間點T2。在時間點Tt開關晶體管T1斷開，并由此終止導通時間并開始關斷時間。上面多次提到的間歇運行的特征在于，至少在關斷時間d’Ts結束處，也即在圖2所示的時間點T2前的不遠處，整流二極管D1將產生無電流的狀態。優選地，該無電流狀態盡可能地短，在該情形下位于周期長度Ts的5-10％的范圍。
從圖1可以看出，調節電路RS具有四個接線端，其中兩個從整流橋的輸出端抽取被整流過的電網電壓。另一個接線端測量輸出電壓，也即給半橋振蕩器供電的存儲電容C2上的電壓。第四個接線端控制開關晶體管T1的控制電極，該開關晶體管涉及MOSFET或IGBT。在該情形下，調節電路RS以調節量的形式調節所述開關晶體管T1的開關運行，使得存儲電容C2上的輸出電壓為恒量。根據本發明，所述的調節量為所述的導通時間dTs，換句話說是關斷時間d’Ts為恒定時的周期時延Ts。
在此，所需的輸出電壓作為調節量是通過整個驅動設備的控制電路來預給定的，所述的控制電路還負責所述半橋振蕩器的運行。該控制電路具有用于不同燈類型的參數組，在接通燈時通過識別燈類型和讀出相應的參數來設置所述的參數組。相應地，由所述的調節電路選擇一個適合于該燈類型的輸出電壓。另外，在此可以考慮不同的電網輸入電壓，以便總共涉及一個寬范圍輸入的驅動設備。
通過所示的抽取整流電網電壓，調節電路RS可以限制最大輸出的功率。另外，為所述具有調節電路RS的控制電路使用一種所謂的微控制器(可編程的控制電路)，其中，可以較簡單地實現以調節量的形式利用周期時延Ts或導通時間dTs進行調節。
由于SEPIC變換器運行具有很大程度的頻率恒定性，所以產生較大的調節間歇(與升壓調節器中的頻率跟蹤相反)，從而由微控制器承擔的計算費用相當地小。
本發明的優點一方面在于，在電網供電時規則地出現的電網電壓波動會產生工作頻率或工作周期時延Ts的相應匹配，由此在頻率中調制所述驅動設備的與線路有關的干擾。
如果瞬時電網電壓幅值下降，導通時間dTs便相應地延長，以便在線圈L1和L2中實現同樣的電流。相反，在電網電壓幅值上升的情況下增大導通時間dTs。此時，位于關斷時間d’Ts內的放電時間基本保持恒定。
由于與線路有關的干擾或其頻移被減小，所以用于去干擾的總費用被降低。由此可以滿足有關的標準并同時實現節省。
另外，關斷時間d’Ts被最優化為固定量，其中顯然可以考慮燈類型的相應的參數組，尤其是考慮所需的輸出電壓和負載RI的阻抗。也即，通過以調節量的形式調節到輸出電壓，兩個線圈L1和L2的放電過程在關斷時間d’Ts期間將經歷恒定的條件。由此可以“很緊俏地”、也即以準瞬態的工作方式來設置所述的間歇運行。在這方面，線圈L1和L2不必把規格設計得過大。
在圖1所示的兩個線圈的耦合對于本發明是沒有多大意義的，它屬于在優化SEPIC變換器時的普通措施。這種耦合尤其被用于無線電去干擾，在此不再講述其細節。
權利要求
1.用于燈的電子驅動設備，該驅動設備被設計用來提供交流電壓，并具有-一個存儲電容(C2)；-一個SEPIC變換器(L1，L2，C1，T1，D1)，用于在以基本為交流電壓形狀的工作頻率跟蹤所述驅動設備的電流消耗的過程中從交流電壓把所述的存儲電容(C2)充電到一個直流電壓；以及-一個用于把所述SEPIC變換器調節到一個輸出量的調節電路(RS)，其特征在于，所述的調節電路(RS)在調節時改變所述SEPIC變換器(L1，L2，C1，T1，D1)的工作頻率。
2.按權利要求1的驅動設備，其中，在調節SEPIC變換器(L1，L2，C1，T1，D1)時，改變所述SEPIC變換器(L1，L2，C1，T1，D1)的開關晶體管(T1)在所述工作頻率周期內所出現的導通時間(dTs)。
3.按權利要求2的驅動設備，其中，在調節SEPIC變換器(L1，L2，C1，T1，D1)時，所述SEPIC變換器(L1，L2，C1，T1，D1)的開關晶體管(T1)在所述工作頻率周期(Ts)內所出現的關斷時間(d’Ts)保持不變。
4.按上述權利要求之一的驅動設備，其中，為準瞬態地運行所述的SEPIC變換器(L1，L2，C1，T1，D1)，利用在所述工作頻率的周期(Ts)內所出現的最大分別為周期時延(Ts)的10％的無電流時間來設計所述的驅動設備。
5.按上述權利要求之一的驅動設備，其中，所述的調節電路(RS)是一種數字電路，且所述SEPIC變換器(L1，L2，C1，T1，D1)的工作頻率的調節是時間離散地進行的。
6.按權利要求5的驅動設備，其中，所述時間離散的調節的調節間歇至少與所述交流電壓的半周期一樣大。
7.按上述權利要求之一的驅動設備，該驅動設備適合于多種燈類型，并且具有一個可編程的控制電路，所述控制電路具有含所述燈類型的工作參數的存儲器，其中所述可編程的控制電路還一同包括所述用于調節所述SEPIC變換器的調節電路。
8.按權利要求7的驅動設備，該驅動設備被如此地設計，使得在開始工作時根據所裝器件(L1，L2，C1，C2，T1，D1)的各個參數來進行自動的初始設置。
9.按權利要求7或8的驅動設備，具有一個振蕩器，該振蕩器由所述可編程的控制電路控制，并由所述的存儲電容(C2)供給直流功率。
10.按上述權利要求之一的驅動設備，被設計用于給低壓氣體放電燈供電。
全文摘要
本發明涉及燈的、尤其是低壓氣體放電燈的新型驅動設備，其中采用SEPIC變換器從交流供電電壓把存儲晶體管充電。在此，以調節量的形式把所述的SEPIC變換器調節到一個輸出量，其中改變其工作頻率。優選地，在此只改變所述SEPIC變換器的開關晶體管的導通時間而不改變關斷時間。
文檔編號H05B41/282GK1440229SQ0310603
公開日2003年9月3日 申請日期2003年2月20日 優先權日2002年2月20日
發明者M·維里希 申請人:電燈專利信托有限公司