操作在相关负载电路中至少有一个电灯的驱动电路

技术领域

本发明涉及操作在相关负载电路中至少有一个电灯的驱动电路， 其中安排了至少一个电灯的接头，并有两个开关以半桥形式配置。

背景技术

如象从技术状况已知的一个驱动电路图解地示于图1，所谓中间电 路电压UZW加在输入端，这里中间电路电压是一直流电压，它通常用专 业人士所熟知的电路从电网电压产生。两个开关S1、S2以半桥方式串 联安排，并由(图中未表明)各自的输入电路E1、E2驱动，两开关的 连接点通过扼流圈L连至电灯La，工作时有电流IL流过该灯。电路的 输出端由两个耦合电容CK1、CK2终止。其他可供选择的电路结构是专业 人士所熟知的，下面就不作更详细的描述，因为它们和本发明的实现 是不相干的。在用于所谓中等电压范围的情况下，开关S1、S2必须设 计得以开关400和1000伏特之间的电压，开关频率量级在40到50kHz 之间。图1所示电路的占空因数是50％，这时要连于电网的供电功率 大于100瓦。此外为了使系统能以较为简单的方式采用微控制器或集 成控制模块具有可控制性，目前金属氧化半导体场效应晶体管 (MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)被用作开关。在采用场效应 晶体管时，因为导通功率损耗随电流的平方增加，芯片的面积需要和 导通功率损耗相关联，而当电流超过1安培，平均电压接近600伏时， 金属氧化半导体场效应晶体管是比较昂贵的。反之，在采用绝缘门双 极晶体管时，产生高导通功率损耗，对纯双极晶体管，导通功率损耗 与电流成正比，虽然为此边界条件设计的部件不太昂贵，因为它们要 求较小的芯片面积。然而它们比较差地动态开关特性有负作用。由于 集电极电流不能足够快地切断，和集电极-发射极电压时间上的重叠 导致高开关损失。

发明的概述

本发明的目的在于发展一种一般的驱动电路，使其在平均电流大 体为1到10安培时有低的导通损耗，同时有较低的价格和已知的利用 微控制器或者集成控制模块在一定程度的可驱动性。

该任务通过采用有权利要求1特征的一个驱动电路解决。

本发明一方面立足于认识到快捷开关可以用一低电压MOSFET结合 一双极晶体管实现，从而MOSFET只需要为双极晶体管产生小的控制电 压，因此它将可设计得比较小而且不昂贵。双极晶体管的功率损耗仅 只线性地和通过它的电流相联系，可以低价形成高电流所需要的尺 寸。MOSFET的优点，即高动态响应和利用集成电路的可驱动性，和双 极晶体管的优点，即以低的代价可获得的高性能，就能以最佳的方式 相互结合。

其次，本发明也基于这样的认识，即如果流过负载电路的一些能 量转移到相应开关的输入电路，驱动电路就能以一简单的方式启动。 因为双极晶体管基本上是一个电流控制的器件，相应的控制电流需要 在其基极提供。为此目的，在负载电路中形成一个变压器的初级绕组， 其次级绕组安排在每个双极晶体管的输入电路，供给双极晶体管的基 极电流。为了降低双极晶体管的导通功率损耗，最好设计变压器使得 基极电流是大约五分之一的集电极电流。在实际电流放大为20的情况 下，双极晶体管将处于4倍的过激励，从而产生低的导通损耗。与此 同时，因为要求高的控制电流而不可能采用集成电路来驱动双极晶体 管，但用一个基本上是电压控制元件的MOSFET却很容易做到。

从技术现状知道的是有着MOSFET和双极晶体管各一个的共射共基 放大电路，但是这些电路用于完全不同的目的：EP 0 753 987 D1揭 示了一个这样共射共基放大电路的使用，其中双极晶体管为安排在其 发射极的MOSFET所控制，以便工作的电灯老化时关断半桥连接。US 5,998,942(见那里的图4)也采用这样一个共射共基放大电路，但是 由于不同的应用，在双极晶体管20的基极加了恒定电压。US 4,894,587 的图6也揭示了这样一个共射共基放大电路，然而和本发明大不相同 的是没有发生确定的变压器磁性反转。为了防止饱和，所说的变压器 只应该短时间被连接，之后应该花至少两倍长的时间使磁场重新耗 散，因此这样一个电路结构不能用在本发明。此外仅有一个这样的开 关用来实施调光装置，而在本发明中，半桥连接的两个开关的占空因 数主要是50％，这就保证了变压器不致饱和，因为其磁化每次都被另 一个晶体管电流反转。

本发明的一个优先选择的具体装置有如下特征，接入一个二极 管，以便在采用npn双极晶体管时，阻止正向基极电流流过次级绕组； 在采用pnp双极晶体管时，阻止负向基极电流流过次级绕组。这是重 要的，因为基极电流通过次级绕组流出将防止形成双极晶体管控制电 极和场效应晶体管基准极之间的电压，从而形成足够高的基极-发射 极电压。至少一个二极管或齐纳二极管可以安排在双极晶体管控制极 电位和场效应晶体管基准极电位间，并与该二电极并联，结果至少二 极管pn-结两端的电压附在双极晶体管pn-结两端作为其基极-射极 电压，从而使双极晶体管开路。用齐纳二极管也有同样的结果。

此外最好安排相互串联一个欧姆的电阻和一个电容，与双极晶体 管的控制极和场效应晶体管的基准极并联，那末按照本发明就有可能 以简单和实惠的方式启动该驱动电路。这方面详细的实施方案解释于 后。场效应晶体管的控制极最好与一个集成驱动器电路相连，如前所 述，场效应晶体管是一个电压控制元件，它可以用一个集成电路控制， 这是对控制电流低要求的结果。

安排在双极晶体管控制极电位和场效应晶体管基准极电位间，并 与该二电极并联的二极管或齐纳二极管，宜于设计得使其至少有1伏 最好接近2伏的电压降。

每个开关的场效应晶体管的基准极宜于连至第一基准电位，而每 个开关的双极晶体管的控制极通过一高阻值电阻连至第二基准电位。 采用该电阻的目的是只要变压器的次级绕组还未在输入电路中引进任 何电荷载流子，特别是启动时，就给双极晶体管的基极提供电荷载流 子。

此外，在每个开关双极晶体管的控制和基准极之间宜于装上一个 欧姆性电阻，这能保证晶体管开路时，不至于在不凑巧的时刻被干扰 脉冲所接通。在如象现在所述的共射共基放大器电路中，该电阻也用 来使场效应晶体管的寄生电容充电或者放电，最后所说电阻也提高了 双极晶体管的耐压强度。

开关宜于设计得使其工作时，能够在100Hz和300kHz的频率范 围，以及在100到1000伏特的电压被操作。更优越的实施方案在子权 利要求中描述。

附图简述

本发明的示范实施方案将参考附图在下面得到更详细的叙述，在 此叙述中：

图1表示有一个电灯用半桥电路所驱动的电路原理图的图解说 明；

图2表示按照本发明驱动电路的输入电路的第一个范例实施方 案；

图3表示按照本发明驱动电路的输入电路的第二个范例实施方 案；而

图4表示驱动电路中按照本发明半桥连接的开关关断过程的基 极电流、集电极电流和集电极-发射极电压的时间特征。

发明的优选实施方案

图2和3表示按照本发明的驱动电路图1中输入电路E2的实施方 案，相同的器件用同样的数码标明并只解释一次。双极晶体管B2和场 效应晶体管F2连成的共射共基放大电路构成开关S2，场效应晶体管 F2的门栅通过其端口10连至一个集成驱动电路的输出。变压器，最好 是环形磁芯变压器的初级绕组L0处于负载电路中，次级绕组则安排在 各自的输入电路中，这里次级绕组L2在输入电路E2中。二极管D21 防止电荷载流子从基极通过次级绕组的流出。在应用中，一端连接双 极晶体管B2的基极另一端连至中间电路电压UZW的高阻值电阻R21可 以用来给基极提供电荷载流子，另一方面双极晶体管的基极还通过并 联的二极管D22和电阻R22连至基准电位，那里是场效应晶体管的基 准电极所在位置。这样一来就有可能产生足够高的基-射极电压用来 启动整个电路，电阻R23提高了相应双极晶体管的介电强度。

R21的典型值是1MΩ，R22的典型值是100Ω，在二极管D22的 位置，也可以使用齐纳二极管，自然是反向连接。

在图3中，串联着的次级绕组L2及二极管D21，一方面和齐纳二 极管Z2，另一方面又和相互串联的电阻R22及电容C2并联，晶体管的 基极又通过高阻值电阻R21连至中间电路电压UZW，通过电阻R23连至 场效应晶体管F2的工作电极。

例如，若对2伏电压选择齐纳二极管Z2，当中间电路电压UZW加上 时，电容C2通过电阻R22和R21充电到大约2伏。当场效应晶体管F2 在端口10连接一个适当的信号，结果将使双极晶体管B2开路，电容 C2放电，当选择电阻R22的大小为10Ω时，导致100mA的基极电流 IB，结果开关S2连通1到2微秒，负载电流IL开始流通，通过连接初 级绕组L0和次级绕组L2，一个信号注入输入电路E2，最终使整个电 路启动。

这种解决办法以一个特别优越的方式改善了电路的关断性能，所 存在的问题是，当场效应晶体管F2关断时，双极晶体管的射极电流IE 突然变为零，而集电极电流IC仍然要继续流动，基极却因电荷载流子 充斥，结果出现长间断时间。然而长的关断时间是和在一确定的时期 内集电极电流IC和集-射极电压UCB同时有正值的问题相联系的，因为 该二变量的乘积决定了导通功率损耗，而高的导通功率损耗是并不希 望的。图2中并联的二极管D22和欧姆性电阻R22，以及按照图3的实 施方案中齐纳二极管Z2及串联的电阻R22和电容C2，都在基极上提供 了到地的低阻旁路。因而一旦场效应晶体管F2被关断，集电极电流IC 就可以实际上毫无障碍地作为一个负基极电流流到地，从而产生迅速 的间断时间。例如将电阻设计得取值100Ω，只要场效应晶体管有高 阻值，就可以保证无电流流出。

图4中在实验室的模型所做有图形说明的典型测量已经得到证 实，图中基极电流IB的分辨率大约是集电极电流IC分辨率的一百倍。 一旦场效应晶体管被关断，基极电流IB下降到很大的负值，即是说- IC，在一段相对短的时间里又重新上升至其零值，集电极电流在少数几 次振荡后同样达到零值，集电极电压UCE只在集电极电流IC已经降到很 低值的时刻才上升。从标有P的点确定了其最大值看，功率损耗是很 低的。基准线A表示集电极电流IC的零线，基准线D表示基极电流IB 的零线。

作为例子，图2和3表示输入电路E2，对专业人士说，显然输入 电路E1应该相应地与之对称设计。