永久使用的大功率电子镇流器

本发明涉及到荧光灯、气体放电灯的电子镇流器或电源电路。当荧光灯老 化了或启辉困难时，本发明的电子镇流器不会因此损坏，是能永久使用的电子 镇流器。本发明公开40W日光灯用的电子镇流器和250W高压钠灯用的电子镇流 器两个实例。其中，反馈谐振相位和电压的半桥逆变电路、谐振倍压功率因数校 正电路、开关管反向击穿电压的限定电路、持续限定LC串联谐振电流峰值的电 路具有新颖性。内含谐振倍压功率因数校正电路等新颖电路，因此，本发明属 于高功率因数电子镇流器。本发明不仅是电子节能灯、20W以上荧光灯以及高压 钠灯、金卤灯等大功率气体放电灯的电子镇流器，还能应用在DC-DC转换器以 及将直流电转换为交流电的技术领域中。

目前市场上电子节能灯里的电子镇流器电路结构较为简单，大多数电路是 个变压器驱动自振荡的LLC型半桥串联谐振逆变电路，如说明书附图3所示， 其中已有的主要改进包括以下两种：(一)双极型开关管基极-发射极(或者MOS开 关管的栅极-源电极)反向电压的限压电路(图3中Z1，D7，R5等元件组成)。(二) 灯管灯丝与PTC元件(图3中RT元件)串联，用于灯管启辉时灯丝预热。电 路作了这些改进后仍有一个缺点：荧光灯部件老化了等原因导致荧光灯未能正 常发光时，必导致其中的开关管损坏。灯管启辉时，谐振电流经PTC元件对灯 丝预热，同时谐振电流使PTC元件温升，PTC元件温度到达居里点之后，阻值随 温度升高而迅即增大，近似开路。这时LC串联谐振电路中只有灯管两端灯丝的 小电阻，LC串联谐振电路中等效负载电阻R较小，LC串联谐振电路的品质因数 Q值变大，电容器C两端电压峰值Vc＝电源输入电压的Q倍，C两端高电压用于 灯管启辉；串联谐振电流峰值I＝电源输入电压/R，其中R较小，串联谐振电流 必较大，这个较大的串联谐振电流通过开关管，如果荧光灯部件发光困难，即 LC串联谐振回路中的电磁能无即时转换为光和热的话，持续时间超过几秒后， 谐振电流越来越大，导致开关管损坏。所以现在的电子节能灯寿命终止时，不仅 它的荧光灯部件老化了，而且它的电子镇流器的开关管也因此同时损坏。本发 明公开的电路结构和技术方案，彻底解决了因荧光灯部件发光不正常而导致电 子镇流器损坏的问题。

世界上主要生产、开发电子镇流器用的半桥驱动器IC主要厂商有：美国国 际整流器公司(IR)、摩托罗拉公司(MC)、美国微线公司(ML)、韩国三星公司、 意法半导体(ST)公司和国内的上海贝岭等。可参考生产厂商提供的技术资料 以及人民邮电出版社出版，毛兴武、祝大卫编著的《电子镇流器原理与制作》，《光 源与照明》2008年第3期《采用专用驱动芯片的36W荧光灯电子镇流器》，2011 年4月《电源技术应用》第14卷第4期《基于L6585DE的2X58W/T8荧光灯电 子镇流器电路》。这些电子镇流器用的半桥驱动器IC的共同特点是：IC的振荡 频率可编程或自动调整，IC输出电压驱动半桥电路，在电路设计阶段设定电路 参数，设定了灯管预热时间(少于1.5秒)，设定了灯管正常启辉时限(例如0.15 秒)，具有固定的死区控制时间以及灯管寿命终止检测、过流过压保护等功能。 这些具有多功能的半桥驱动器IC的不足之处是：新荧光灯管与它经长时间使用 后老化了时所需灯丝预热时间不同，以及因使用环境温度变化所需灯丝预热时 间也不同；但是，现有IC电路不会因随着荧光灯使用时间、使用环境温度等因 素的变化而作自动调整，只是按固定程序分三步走：先灯丝预热1.5秒，接着 启辉0.15秒，最后检测能否正常启辉，异常的由灯管寿命终止检测、过流过压 保护电路输出信号，半桥电路停止工作。

与应用半桥驱动器IC的电子镇流器相比较，本发明公开的电路功能简单、 工作更可靠。本发明公开的电路只有两种工作状态：(一)荧光灯还没有进入正 常发光的状态，这包括启辉状态；(二)荧光灯正常发光状态。对于荧光灯老化、 或灯管寿命终止时、或使用环境温度低等因素导致荧光灯没有进入正常发光的 状态，即荧光灯在使用过程中有可能长时间处于第一种工作状态。本发明公开 的电路能持续提供高频、电流峰值受限的交流电，用于灯丝加热和荧光灯启辉， 直到荧光灯正常发光。

应用本发明公开的电路制作40W日光管电子镇流器，使用常用的2SC3150 等双极型开关管，开关管不装散热片，用已老化的40W直管荧光灯做测试，长 时间(远长于1.5秒，8小时也可以)处于第一种工作状态时，开关管温升不高， 电子镇流器不损坏。当荧光灯还没有达到它的寿命极限时，荧光灯经过一段时 间预热和启辉，会进入正常发光状态，即第二种工作状态。本发明自适应地持续 提供荧光灯所需的交流电，遇到荧光灯启辉困难时而不关停半桥电路的串联谐 振输出，这特征区别于使用集成电路L6585或者IR215X等的电子镇流器；他们 针对荧光灯预点火状态由电路设定约1.5秒的灯丝预热时间，荧光灯没能在1.5 秒内正常启辉的，其保护电路关停半桥电路输出交流电。

本发明又是高压钠灯等大功率气体放电灯的电子镇流器。高压钠灯接通电 源后，需经过3分钟甚至更长的启辉时间才能达到正常发光状态。本发明自适 应地持续提供高压钠灯所需的高频交流电这一特征，尤其能满足高压钠灯启辉 时间较长的要求。已有的电子镇流器技术，在高压钠灯启辉阶段大概率地引起保 护电路关停动作而无法发光，或者因为没有内置保护电路而容易引起电子镇流 器本身出故障损坏。经测试证实：当高压钠灯老化出现启辉困难时，本发明的 高压钠灯电子镇流器不会损坏，是永久使用的电子镇流器。

内含新颖的功率因数校正电路，本发明又是高功率因数电子镇流器。为把 工频交流电变换成直流电源，全桥整流电路后并接大容量滤波电容器，必然导致 电源输入端的电流波形畸变，这产生了功率因数校正问题。功率因数校正电路 的基本功能是增大整流二极管的导通角，抵制电源电流的波形畸变，提高线路功 率因数。本发明包含的谐振倍压功率因数校正电路，属于高频能量反馈式PPFC 电路。相关的背景技术有：带再生电流充电式滤波网络的双管荧光灯电子镇流 器(美国专利号5032767)，已有的功率因数校正电路技术在人民邮电出版社出 版毛兴武、祝大卫编著的《电子镇流器原理与制作》第7、8章有详细说明，它 们共同的不足之处是：普遍使用铝电解电容器作为高频整流电路后并接的大容 量滤波电容器，而铝电解电容器存在高频充放电时发热、致使铝电解电容器使 用寿命缩短的缺点。本发明公开的谐振倍压功率因数校正电路，它的电路结构区 别于已有的功率因数校正电路，这部分电路不使用场效应管和升压电感器、不 使用大容量高压电容，这部分电路由小容量高压电容器和二极管组成，对高频 谐振波形进行倍压整流，结构简单、工作可靠、耐用、制造成本低，适应供电 电源电压波动幅度大。

针对原有的电子镇流器当荧光灯老化或启动困难时易损坏的缺点，本发明 对电子镇流器的电路结构作改进，达到电子镇流器永久使用的目标。当用户没 有及时更换老化了的荧光灯时，本发明的电子镇流器不会因此损坏，并且在接 通电源时，产生下列现象提示用户荧光灯老化了需要更换：(一)荧光灯两端灯 丝因持续加热而发出弱的红光。(二)反复尝试启辉荧光灯，闪烁、预热一段时 间后，老化的荧光灯也会继续正常发光。荧光灯部件寿命终止后，用户不必及 时立即更换，本发明的电子镇流器不会受到坏影响，换上新的荧光灯后，仍能继 续正常使用。

本发明应用在电子节能灯上，用作节能灯的电子镇流器，可提高它的工作可 靠性。其中的电子镇流器不会因荧光灯老化、或启辉困难而损坏，能最大化地延 长电子节能灯的使用寿命，能将电子节能灯的使用寿命延长到它的荧光灯部件 的寿命终止时。其中的电子镇流器部件有回收循环再利用价值，利于环保。

本发明又是高压钠灯等大功率气体放电灯的电子镇流器。高压钠灯老化出 现启辉困难时，本发明的高压钠灯电子镇流器不会损坏，是永久使用的电子镇 流器。它能将气体放电灯最大化地使用到它的寿命终止时，换上新的气体放电灯 后仍能继续正常使用，符合节能、环保的要求。

说明书附图的图1是40W日光灯电子镇流器电路图，图2是250W高压钠灯 电子镇流器电路图。

这是永久使用的大功率电子镇流器，本发明所采取的新颖技术措施集合包 括反馈谐振相位和电压的半桥逆变电路、谐振倍压功率因数校正电路、开关管 反向击穿电压的限定电路、持续限定LC串联谐振电流峰值的电路共四个电路单 元。本发明的技术方案，下面分四部分说明：

(1)反馈谐振相位和电压的半桥逆变电路

反馈谐振相位和电压的半桥逆变电路，它是在传统半桥逆变电路基础上增 加Q111、Q211、Q215等元件组成的电路单元，关于这部分电路的详细说明分为 两个方面。

一方面反馈谐振相位：说明书附图的图1所示，驱动变压器T11初级绕组1-2 两端电压经电阻R215直接耦合至Q215基极，这个反馈信号取自驱动变压器T11 初级绕组1-2，它代表LC串联谐振电路(由T11，T301A，C302，C303，C304，C305， C306组成)中的L电压相位。Q215将LC串联谐振的L电压相位信号反馈回半桥 输出电路输入端，并且控制半桥输出电路中两开关管(Q1、Q2)的开关状态切换。 Q215导通时，锁定Q2开关管截止，Q1开关管开始导通、进入饱和状态；Q215 截止时，表示Q1开关管切换到截止状态，此时刻Q2开关管开始才导通、切换 到饱和状态。半桥输出电路的开关管Q1与Q2开关状态的切换交替，要等待Q215 这个第三方从导通到截止或者从截止到导通的状态切换过程完成之后才能进 行；Q1与Q2不再存在共态导通问题了。传统的半桥输出电路的开关管状态切换 交替时序是：直接从Q1到Q2，或者直接从Q2到Q1；而本发明公开的反馈谐振 相位和电压的半桥逆变电路，由于增加第三方Q215，开关管状态切换交替时序 变为：从Q1到Q215的状态切换完成后，再到Q2，或者从Q2到Q215的状态切 换完成后，再到Q1。此外，由于半桥输出电路的开关管状态切换相位只被LC谐 振电路中的L电压相位锁定同步，所以它的抗电磁干扰能力得到提高，实现了 开关管的软开关，开关损耗大大减小，长时间工作时开关管温升不高。

另一方面反馈谐振电压：说明书附图的图1所示，D301、C302、D302、C303 组成倍压整流电路，对C304、C305电容器两端电压进行倍压整流。所以，C302、 C303的电压反映LC谐振电压幅度。当Q1饱和导通，Q2截止时，C302、C303的 电压加在R217和D216上，进而控制Q211的放大导通状态下集电极电流的大小。 当Q1截止，Q2饱和导通时，C302、C303的电压加在R117和D116上，进而控 制Q111的放大导通状态下集电极电流的大小。如果C302、C303的电压越高， Q211、Q111的集电极电流越大，Q1、Q2的基极负偏压越低，使Q1、Q2每次饱 和导通的时间越短，C302、C303的电压因LC谐振幅度降低而减少。这是个负反 馈过程，稳定了LC串联谐振幅度。

已有的半桥驱动IC是自振荡的，输出驱动波形到半桥输出电路，从IC到 半桥输出，传输是单向的。LC串联谐振电路作为半桥输出电路的负载，它的相位 信号并无反馈回半桥驱动IC的自振荡部分。半桥输出电路的两开关管的开关状 态切换受半桥驱动IC的输出所驱动，半桥输出的开关相位与驱动波形必然近似 同相。如果将LC串联谐振的L电压相位信号反馈回IC自振荡部分，这样做似 乎是冗余的。也就是说，已有的相关技术并没有用LC串联谐振电路的相位信号 同步IC的自振荡的相位。与此不同，本发明的技术方案是：LC串联谐振电路作 为半桥输出电路的负载，L相位信号反馈回半桥输出电路，用来同步控制半桥输 出电路的开关管的状态切换，C的电压信号反馈回半桥输出电路，用来控制开关 管的每次导通时间。这是反馈谐振相位和电压的半桥逆变电路，它达到三个目 标：(一)解决了半桥输出电路的开关管共态导通问题；(二)开关管的开关状 态切换实现了软开关，开关损耗大大减小，工作温升低。(三)反馈控制过程稳 定了LC串联谐振幅度。

说明书附图4是本发明实例——40W日光灯电子镇流器的驱动变压器T11 次级绕组4-5两端电压使用示波器实测得的波形图，这是下开关管Q1基极-发 射极的驱动脉冲。从其中清晰的一条曲线中可见，正脉冲和负脉冲的前后都有 一段6μs(0.6div×10μs/div＝6μs)零电平的水平线，也就是说死区控制时间 ＝6微秒，波形图中还有不太清晰的多条曲线，与清晰的这条曲线相似，只是相 位和周期不同，这是自动调节开关管每次导通时间的结果。实测数据证实：反 馈谐振相位和电压的半桥逆变电路解决了开关管共态导通问题，并且通过自动 调节开关管每次导通时间来稳定LC串联谐振幅度。

(2)谐振倍压功率因数校正电路

这部分电路由C302、C303、C304、C305和D301、D302组成，呈日字形结
构，它的电路结构，是区别于已有相关技术的特征。其中C302、C303、C304、C305
又是LC谐振电路中的C组成元件，C304、C305有谐振电流通过，C302、C303
两端电压是对C304、C305经D301、D302倍压整流所得，并为半桥逆变电路提供
直流电源。由于电容器贮存的能量这里倍压措施提升了电压V，V的
平方与增大电容量C相比较，使电容器所贮存的能量提升较为显著，因而由D001、
D002、D003、D004组成的全桥整流电路后没有并接大容量滤波电容器，全桥整
流电路后并接的元件有：C002、T100A、C301，其中只有小容量高压电容器，并
没有使用大容量的铝电解电容器，从而解决了功率因数校正问题。由于C002、
C301只使用小容量高压电容器，例如使用金属化绦纶电容器，这类元件没有象
铝电解电容器存在的高频充放电致热而使其寿命缩短的问题。小容量高压电容
器元件的长寿命有助于永久使用的大功率电子镇流器得以实现。

说明书附图5是本发明实例——40W日光灯电子镇流器的50Hz交流电输入
电流波形，这是使用示波器实测R0(0.39Q)电阻两端电压波形图。图中非零
电平的间距有7ms，即
，这证实了谐振倍压功率因数校正电路能增大整流二极管的导通角，抵制电源
电流的波形畸变，提高线路功率因数。

此外，高压钠灯的启辉脉冲电压需要3kv以上。谐振倍压功率因数校正电 路，由于是谐振倍压整流，在高压钠灯启辉阶段能提供较高电压的直流电源给 半桥逆变电路，使LC串联谐振电路容易产生3kv以上的高频交流电，确保高压 钠灯正常启辉。例如，C302、C303两端电压为600V，LC串联谐振电路的品质因 数Q值只需大于5，就能产生3kv以上的高频交流电，就能让高压钠灯正常启辉。 在高压钠灯进入正常发光状态后，由于高压钠灯的发光能量转换过程使LC串联 谐振电路的品质因数Q值自动减小，加上反馈谐振相位和电压的半桥逆变电路 的自动调整，C302、C303两端电压会相应降低，有利于半桥逆变电路能长时间 低功率损耗地运行。

(3)开关管反向击穿电压的限定电路

说明书附图1所示的电子镇流器中，包含了不同于已有技术的开关管发射 极-基极Vebo反向电压峰值限定电路，兼有自动稳定气体放电灯的发光亮度的 功能。保护上开关管Q2的Vebo反向电压峰值限定电路由C211、D210、R213、 D213、Q213和R211组成。驱动变压器2-3次级绕组在Q2截止时，经D210、 R211对C211充电，C211两端电压与LC串联谐振的L电压近似成正比。由于气 体放电灯正常发光时的呈负阻性，所以气体放电灯发光亮度越高，L的电压越大； C211两端电压越大，大于稳压二极管D213的稳压值(5.2V))时，Q213处于导 通放大状态，自动调低通过C211加在上开关管Q2基极的负偏置电压。另外， C211经Q213发射极-集电极的放电电流通过驱动变压器2-3次级绕组，形成 次级绕组的正向偏置电流。这里所谓的正向偏置电流，指的是与驱动Q2导通的 基极电流方向相同。次级绕组的正向偏置电流越大，驱动变压器离磁饱和越近， 这两个因素都促使死区控制时间延长，一周期内Q2的导通时间必随之减少，从 而自动减少从电源注入到LC串联谐振电路的电磁能量，气体放电灯发光亮度相 应调低下来，这是Vebo反向电压峰值限定电路兼有稳定气体放电灯发光亮度的 自动控制过程。

保护下开关管Q1的Vebo反向电压峰值限定电路由C111、D110、R113、D113、 Q113和R111组成，与保护上开关管Q2的Vebo反向电压峰值限定电路的结构呈 对称性，工作原理和功能两者相同。

在说明书附图2高压钠灯电子镇流器电路图中，开关管Q1、Q2(STL24NM60N) 是功率MOSFET，VGS(max)最大允许变化范围一般是±20V，所以反向电压峰值限 定电路中D113、D213稳压二极管的稳压值是18V，限定VGS允许变化范围约± 19V，元件参数有变动，但它的工作原理和功能与上述相同。

(4)持续限定LC串联谐振电流峰值的电路

在说明书附图1，这部分功能电路由R100、D101、R101、C101、Q101、Q102、 R102、R103、D103、Q103和R105组成。这里通过R100只检测下开关管Q1饱和 时段发射极电流，即只检测串联谐振电流的半个周期的峰值，另一半周期的电 流峰值不检测。当荧光灯启辉时或发光困难或电源电压升高时，LC串联谐振电 流会随时间推移会越来越大，当通过R100的电流较大时，R100电压峰值大于 0.6V，经D101开始对C101充电；当通过R100的电流更大时，R101与R106电 压分值大于1.8V并持续若干个开关周期，持续时间大于C101的RC充电时间常 数时，C101充电获得电压值大于1.8V，经R102触发Q102、D103、Q102开始导 通，由于Q101和Q102是正反馈连接关系，导致Q101、Q102、Q103自维持饱和 导通，C111的负偏置电压强制Q1进入截止状态，这时C101经R102和处于饱和 状态的Q101和Q102放电，由于C101的RC放电时间常数远大于LC串联谐振周 期，所以Q103维持饱和导通一段时间直到C101放电完为止。在这一间歇期，锁 定Q1、Q2截止，停止向LC谐振回路注入新的电能，LC谐振回路原贮存的电流 经D105或D205作阻尼衰减振荡。

自动持续地限定LC串联谐振电流强度峰值的电路工作机制是：产生一个触 发脉冲，对LC串联谐振电流强度峰值限定了一段间歇期，停止注入新的电能， 让其自行能量衰减；经过一间歇期，接着让LC回路恢复自由谐振状态、继续 谐振。既不是每个开关周期都限定LC串联谐振电流强度峰值，而是让电路有机 会产生气体放电灯启辉用的高压交流电；又不是仅触发一次之后从此关停半桥 输出，而是让电路重复从间歇到恢复自由谐振，自适应地持续提供高频交流电， 用于灯丝预热、启辉或荧光灯正常发光。这是新颖的灯管异常保护机制，区别 于已有保护电路的特征。

自动持续地限定LC串联谐振电流强度峰值的电路工作机制，决定本发明的 电子镇流器接通电源后，在荧光灯启辉阶段会闪烁若干次后才进入正常发光状 态，这段闪烁时间让灯丝充分预热，并反复尝试驱使荧光灯进入正常发光状态。 在实际应用中必然会遇到气体放电灯老化、启辉困难等异常情况，本发明的电 子镇流器不会因此引起硬件故障。所以，本发明是永久使用的大功率电子镇流 器。

在说明书附图2高压钠灯电子镇流器电路图中，也包含持续限定LC串联谐 振电流峰值的电路，属于这部分电路单元的元件编号与上述相同，它的工作原 理和功能与上述相同。因高压钠灯的额定功率、工作电流等标准不同，元件参 数相应改变。由于内含包含持续限定LC串联谐振电流峰值的电路，允许灯座上 无接高压钠灯而它的电子镇流器却接通了供电电源，这种情况不会引起电子镇 流器出现硬件故障；当然，这时电子镇流器因空转而浪费了点电能。

对于荧光灯、大功率高压钠灯、金卤灯等气体放电灯所用的高性能电子镇 流器，应用本发明公开的技术方案和说明书附图1和2所示的电路结构同样有 效和可行。因气体放电灯种类不同，它们的额定功率、工作电流等标准不同， 电路元件参数要作相应的改变。

由于已有的半桥逆变电路以及功率因数校正电路在诸多领域中得到应用， 所以本发明包含的反馈谐振相位和电压的半桥逆变电路以及谐振倍压功率因数 校正电路同样应用于诸多领域中。本发明公开的这些技术方案和电路结构，能 应用在把直流电转换为交流电以及直流-交流-直流转换的诸多领域的产品中。

图1.40W日光灯电子镇流器电路图

图2.250W高压钠灯电子镇流器电路图

图3.市场上常见的电子节能灯或40W/20W光管用的电子镇流器电路图

图4.40W日光灯电子镇流器的驱动变压器T11次级绕组4-5两端电压波形

图5.40W日光灯电子镇流器的50Hz交流电输入电流波形

根据说明书附图的图1公开的电路结构和参数，使用常见的2SC3150晶体 管作为开关管，制作40W荧光灯电子镇流器，开关管不加装散热片，能长时间 正常运行。使用已老化不能正常启动的40W日光灯与它相连接，经长时间通电 测试证实：本发明的电子镇流器不会因此损坏，达到电子镇流器永久使用的目 标。换上寿命还没有终止的40W日光灯，通电能正常发光并能长时间运行。这 是本发明的实例一。

根据说明书附图的图2公开的电路结构和参数，使用STL24NM60N功率 MOSFET作为开关管，制作250W高压钠灯电子镇流器，开关管加装散热器，能长 时间正常运行。使用已老化了的250W高压钠灯与它相连接，经长时间通电测试 证实：当高压钠灯老化出现启辉困难时，本发明的电子镇流器不会因此损坏。 换上寿命还没有终止的250W高压钠灯，通电能正常发光并能长时间运行。这是 本发明的实例二。

说明书附图的图1公开的电路结构，适用于诸如日光灯等有灯丝预热的气体 放电灯电子镇流器；说明书附图的图2公开的电路结构，适用于诸如高压钠灯等 无灯丝预热的气体放电灯电子镇流器。对于其它气体放电灯，因种类不同，气体 放电灯的额定功率、工作电流等标准不同，电路元件参数要作相应的改变。对 于荧光灯、高压钠灯、金卤灯等大功率气体放电灯所用的高性能电子镇流器， 应用本发明公开的技术方案和说明书附图1和2所示的电路结构同样有效和可 行。

本发明说明书附图1、图2公开的电路结构，开关管Q1、Q2可以是双极型 开关管，又可以是MOSFET；电路结构既可以用分立电子元件实现，又可以用集 成电路或厚膜电路参照说明书附图1、图2公开的结构来实现。