具即时改善电流尖峰因数功能的电子安定器

摘要

本发明公开了一种具即时改善电流尖峰因数功能的电子安定器，包含：转换电路，用以提供直流电压；换相电路，与转换电路连接而将直流电压转换为交流电压，以驱动气体放电灯；控制单元，与转换电路及换相电路的多个开关元件连接，用以输出第一控制信号控制转换电路运作，并输出状态相反的第二及第三控制信号，以控制对应的开关元件进行导通或截止切换，其中第二及第三控制信号间存在死区时间；以及电流尖峰因数改善电路，与控制单元连接，用以通过死区时间的触发产生抑制信号至控制单元，使控制单元对应调整第一控制信号，以控制转换电路降低输出的功率至预设值或暂停运作。

说明书

技术领域

本案关于一种电子安定器，尤指一种具即时改善电流尖峰因数功能的电子安定器。

背景技术

气体放电灯由于具有光度强、寿命长、体积小、光效率高、演色性佳等特点，因此被广泛地应用于各种户外、室内或是汽车等照明设备中，而气体放电灯更需要搭配一电子安定器(ballast)来使用，以通过电子安定器控制输出于气体放电灯的交流电流。

现有电子安定器至少包含一转换电路(converter)以及一换相电路(inverter)，其中转换电路通过一定功率控制电路的控制而将所接收的直流电压进行转换，以输出不同电平的直流电压，且定功率控制电路更检测转换电路所输出的直流电压及直流电流，以依据检测结果控制转换电路的输出为定功率，至于换相电路则为全桥式换相电路，其具有以并联方式连接且各自包含两个开关元件的上桥臂及下桥臂，该上桥臂及该下桥臂所具有的两个开关元件是通过一换相控制电路的控制而同步进行导通或截止的交错切换，使换相电路可将转换电路输出的直流电压及直流电流转换为交流电压及交流电流。

在上述架构中，为了避免上桥臂及下桥臂内各自的两个开关元件于切换的瞬间，发生同时导通而导致开关元件损坏的情况，换相控制电路在控制上桥臂及下桥臂内的开关元件作动时，先控制上桥臂及下桥臂内原先为导通的开关元件截止，再控制上桥臂及下桥臂内原先为截止的开关元件导通，因此上桥臂及下桥臂各自的两个开关元件具有同时截止的一段时间，亦称为死区时间(Dead-Time)，至于换相电路所输出的交流电压将经由一高压点灯电路暂时性地大幅提升电压电平，以提供气体放电灯启动时所需的电能，而气体放电灯将通过该交流电流的电能而持续发亮。

由于电子安定器输出交流电流来供气体放电灯作动，因此该交流电流的电流尖峰因数(Current Crest Factor;CCF)的品质将直接影响气体放电灯的寿命。请参阅图1，其为现有电子安定器所驱动的气体放电灯的灯电流的波形图。如图1所示，当现有电子安定器所输出的交流电流于换相时，由于换相瞬间，转换电路仍持续运作而提供额定电能至换相电路，但此时换相电路的上桥臂中的两个开关元件以及下桥臂中的两个开关元件将因死区时间而皆为截止状态，使得换相电路的输出为关断状态，因此转换电路所输出的电能仅能储存于转换电路内的一输出电容上，如此一来，当电子安定器所输出的交流电流换相完成后，转换电路所输出的预定电能与储存于输出电容上的电能将同时输出给气体放电灯，此时瞬间输出的高电能将使气体放电灯上的灯电流在换相时发生电流尖峰，亦即如图1所示，而气体放电灯上的灯电压亦出现电压尖峰，如此一来，将导致降低电流尖峰因数而使得气体放电灯的寿命缩短。

虽然部分的现有电子安定器增加一检测电路，以检测转换电路所输出的电流是否产生波动，藉此当转换电路所输出的电流产生波动时，检测电路便输出对应的信号来驱使转换电路降低输出，以抑制电流尖峰的发生，然而由于该电流尖峰抑制方式是于电子安定器所输出的交流电流发生电流尖峰后，才被动的进行电流尖峰的抑制，亦即，该现有电流尖峰抑制方式是以电子安定器所输出的交流电流的电流尖峰作为触发依据，因此并无法完全抑制电流尖峰的发生，其抑制电流尖峰的效果亦相当有限，此外，该检测电路必须通过检测及评断转换电路所输出的电流是否产生波动，故运算方法较为复杂，电路成本亦较高。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术缺失的具即时改善电流尖峰因数功能的电子安定器，实为相关技术领域技术人员目前所迫切需要解决的问题。

发明内容

本案的主要目的在于提供一种具即时改善电流尖峰因数功能的电子安定器，其通过电流尖峰因数改善电路来撷取控制换相电路内的多个开关元件作动的控制信号的死区时间，以便在该死区时间而电子安定器所输出的交流电流换相的瞬间即通知控制单元，使控制单元对应地控制转换电路即时降低输出的功率至一固定值或暂停运作，藉此主动地抑制电流尖峰的发生，以解决现有电子安定器仅能在电流尖峰发生后，才被动地进行电流尖峰的抑制，故抑制电流尖峰的效果不佳，且电路结构及运算方法较为复杂，导致生产成本较高等缺失。

为达上述目的，本案的较佳实施方式为提供一种电子安定器，包含：转换电路，用以提供直流电压；换相电路，与转换电路连接，用以将直流电压转换为交流输出电压，以通过交流输出电压的电能驱动至少一气体放电灯，且具有多个开关元件；控制单元，与转换电路以及多个开关元件的控制端连接，控制单元输出第一控制信号以控制转换电路，并输出状态相反的第二控制信号与第三控制信号，以控制对应的开关元件进行导通或截止切换，其中第二控制信号及第三控制信号间存在使多个开关元件同时截止的死区时间；以及电流尖峰因数改善电路，连接控制单元并接收第二控制信号及第三控制信号，以通过死区时间的触发产生抑制信号至控制单元，使控制单元应调整输出的第一控制信号，以驱使转换电路即时降低输出的功率至预设值或暂停运作。

为达上述目的，本案的较佳实施方式另提供一种电子安定器，包含：转换电路，用以提供直流电压；换相电路，与转换电路连接，用以将直流电压转换为交流输出电压，以通过交流输出电压的电能驱动至少一气体放电灯；以及控制单元，与转换电路以及多个开关元件的控制端连接，控制单元输出第一控制信号以控制转换电路，并输出状态相反的第二控制信号与第三控制信号，以控制对应的开关元件进行导通或截止切换，其中第二控制信号及第三控制信号间存在使多个开关元件同时截止的死区时间；其中控制单元对应于死区时间的发生控制第一控制信号改变，以驱使转换电路即时降低输出的功率至预设值或暂停运作。

附图说明

图1：其为现有电子安定器所驱动的气体放电灯的灯电流的波形图。

图2：其为本案较佳实施例的电子安定器的电路方块示意图。

图3：其为图2所示的电子安定器的具体电路结构示意图。

图4：其为图3所示的第二控制信号及第三控制信号的波形图。

图5：其为本案的电子安定器所驱动的气体放电灯的灯电流的波形图。

图6：其为本案另一较佳实施例的电子安定器的电路方块示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、6：电子安定器

10：输入滤波及整流电路

11：功率因数校正电路

12：转换电路

13：换相电路

14：高压点灯电路

15、60：控制单元

150：定功率控制电路

151：换相控制电路

16：电流尖峰因数改善电路

160：死区时间撷取电路

160a：与门电路

161：功率抑制电路

9：交流输入电源

8：气体放电灯

V_in：交流输入电压

V_s1：全波直流电压

V_S2：高压直流电压

V_d：降压直流电压

V_out：交流输出电压

V_r：抑制信号

V_t：触发信号

V_i：外部电压

M₁~M₄：第一~第四开关元件

S₁~S₃：第一~第三控制信号

I_d：工作直流电流

I--c：灯电流

T_d：死区时间

D₁：第一二极管

D₂：第二二极管

C₁~C₂：第一～第二电容

R₁～R₆：第一~第六电阻

B₁：PNP双极结型晶体管

B₂：NPN双极结型晶体管

A：第一共接点

B：第二共接点

G：接地端

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本案。

请参阅图2及3，其中图2为本案较佳实施例的电子安定器的电路方块示意图，图3为图2所示的电子安定器的具体电路结构示意图。如图2及3所示，本案的电子安定器1与一交流输入电源9，例如市电，及至少一气体放电灯8连接，电子安定器1接收该交流输入电源9所提供的交流输入电压V_in，并将交流输入电压V_in进行转换，以提供气体放电灯8点灯以及运作时所需的电能。电子安定器1包含输入滤波及整流电路10、功率因数校正电路11、转换电路12、换相电路13、高压点灯电路14、控制单元15以及电流尖峰因数改善电路16。

输入滤波及整流电路10连接于电子安定器1的输入端，且与交流输入电源9连接，用以阻隔电子安定器1本身的高频噪声及来自交流输入电源9所提供的交流输入电压V_in的外在噪声，以避免交互干扰的情形产生，并将交流输入电压V_in进行整流，以输出全波直流电压V_s1。功率因数校正电路11与输入滤波及整流电路10连接，且为升压电路的电路架构，功率因数校正电路11用以通过内部的开关元件的切换而使电子安定器1输入端所接收的输入电流(未图示)的电流分布与包络曲线(envelope curve)相似于交流输入电压V_in的波形，以提高功率因数，并将全波直流电压V_s1升压为高压直流电压V_S2。

转换电路12如图3所示，为降压转换电路，且与功率因数校正电路11及控制单元15连接，并具有一开关元件，其通过控制单元15控制开关元件的切换而将高压直流电压V_S2降压为降压直流电压V_d。当然，于上述实施例中，转换电路12并不局限于如图3所示为降压转换电路的电路架构，只要为降压形式的电路架构，例如降压-升压转换电路或降压隔离转换电路等，皆可构成于本案的转换电路12。

换相电路13与转换电路12以及控制单元15连接，且具有多个开关元件，例如构成全桥电路且为金氧半导体场校晶体管所构成的第一至第四开关元件M₁~M₄，第一开关元件M₁及第二开关元件M₂串接而构成上桥臂，第三开关元件M₃及第四开关元件M₄串接而构成与上桥臂并联连接的下桥臂，且上桥臂的第一开关元件M₁及第二开关元件M₂受控制单元15的控制而交错地进行导通或截止切换，下桥臂的第三开关元件M₃及第四开关元件M₄亦受控制单元15的控制而交错地进行导通或截止切换，且上桥臂及下桥臂同步进行切换运作，故换相电路13可通过第一至第四开关元件M₁~M₄的切换运作而将降压直流电压V_d转换为交流输出电压V_out，以提供气体放电灯18发光时所需的电能。

高压点灯电路14连接于换相电路13及气体放电灯18之间，其可暂时性将交流输出电压V_out的电压电平提升，例如提升至3~5KV，以驱动气体放电灯18发光。当然于一些实施例中，换相电路13亦可仅包含两个开关元件而构成半桥电路(未图示)。

控制单元15与转换电路12及换相电路13连接，用以控制转换电路12及换相电路13运作，且于本实施例中，控制单元15包含定功率控制电路150及换相控制电路151。定功率控制电路150与转换电路12内部的开关元件连接，定功率控制电路150输出脉冲宽度调变(PWM)的第一控制信号S₁以控制转换电路12中的开关元件进行切换作动，使转换电路12可将高压直流电压V_S2降压为降压直流电压V_d，此外，于一些较佳实施例中，定功率控制电路150更与转换电路12的输出端连接，其可检测转换电路12输出的降压直流电压V_d及工作直流电流I_d，藉此调整输出的第一控制信号S₁，以控制转换电路12的输出为定功率。

请参阅图4，并配合图2及3，其中图4为图3所示的第二控制信号及第三控制信号的波形图。如图2~4所示，换相控制电路151与换相电路13的第一~第四开关元件M₁~M₄的控制端连接，其输出为脉冲宽度调变的第二控制信号S₂至第一开关元件M₁及第四开关元件M₄的控制端，以控制第一开关元件M₁及第四开关元件M₄进行相同的切换动作，换相控制电路151亦输出为脉冲宽度调变的第三控制信号S₃至第二开关元件M₂及第三开关元件M₃的控制端，以控制第二开关元件M₂及第三开关元件M₃进行相同的切换动作。

其中，图4所示，换相控制电路151控制第二控制信号S₂及第三控制信号S₃的状态相反，因此接收第二控制信号S₂的第一开关元件M₁及第四开关元件M4及接收第三控制信号S₃的第二开关元件M₂及第三开关元件M₃以交错的方式进行导通或截止的切换，此外，换相控制电路151更控制第二控制信号S₂及第三控制信号S₃间存在皆为禁能(disable)电平的死区时间T_d，藉此使第一~第四开关元件M₁~M₄于该死区时间T_d时同时截止，以避免第一开关元件M₁及第二开关元件M₂同时导通及第三开关元件M₃及第四开关元件M₄同时导通的情况发生，而于该死区时间T_d发生时，换相电路13所输出的交流输出电压V_out处于换相的瞬间。

于一些实施例中，控制单元15可由组合式集成电路(IC)所构成，例如型号为IRS2573D的集成电路，该组合式集成电路可同时具有定功率控制电路150及换相控制电路151的功能，故可使控制单元15避免使用多个集成电路来分别提供定功率控制电路150及换相控制电路151的功能。

电流尖峰因数改善电路16与换相控制电路151连接而接收第二控制信号S2及第三控制信号S3，且与定功率控制电路150连接，电流尖峰因数改善电路16用以当第二控制信号S2及第三控制信号S3进入死区时间T_d时，通过死区时间T_d的触发而产生抑制信号V_r至定功率控制电路150，使定功率控制电路150依据抑制信号V_r而对应调整第一控制信号S₁，藉此控制转换电路12即时降低输出的功率至预设值，例如降低输出的功率至50%，或暂停运作，以避免流过气体放电灯8的灯电流I--c于换相电路13所输出的交流输出电压V_out换相的瞬间产生电流峰值及电压峰值，进而改善电流尖峰因数。

由上述的现有技术可知，电流尖峰及电压尖峰的产生发生于现有换相电路的多个开关元件为同时截止而电子安定器输出的交流电流为换相瞬间的死区时间，而由于本案的电流尖峰因数改善电路16可通过第二控制信号S₂及第三控制信号S₃间的死区时间T_d的触发来产生抑制信号V_r，使控制单元15在电子安定器1所提供的交流输出电压V_out换相的瞬间，即可根据抑制信号V_r而控制转换电路12即时降低输出的功率至预设值或暂停运作，使转换电路12在第一~第四开关元件M₁~M₄同时截止而换相电路13的输出为关断状态时，减少输出的电能或停止输出电能，如此一来，便可避免转换电路12于电子安定器1所输出的交流输出电压V_out换相完成后瞬间输出高电能，进而改善电流尖峰因数。

请再参阅图3，于本较佳实施例中，电流尖峰因数改善电路16包含死区时间撷取电路160以及功率抑制电路161，其中死区时间撷取电路160与换相控制电路151连接而接收第二控制信号S₂及第三控制信号S₃，其通过第二控制信号S₂及第三控制信号S₃间的死区时间T_d的触发而产生一触发信号V_t，功率抑制电路161则与死区时间撷取电路160及定功率控制电路150连接，其于接收该触发信号V_t时对应产生抑制信号V_r至定功率控制电路150，使定功率控制电路150依据抑制信号V_r而对应调整第一控制信号S₁，藉此控制转换电路12即时降低输出的功率至预设值，例如降低输出的功率至50%，或暂停运作。

于上述实施例中，死区时间撷取电路160包含由第一二极管D₁及第二二极管D₂所构成的与(AND)门电路160a、第一电容C₁、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅以及第一晶体管，例如PNP双极结型晶体管B₁，其中第一二极管D₁的阳极端经由死区时间撷取电路160的一输入端与换相控制电路151连接而接收第二控制信号S₂，第二二极管D₂的阳极端经由死区时间撷取电路160的另一输入端与换相控制电路151连接而接收第三控制信号S₃，且第一二极管D₁的阴极端与第二二极管D₂的阴极端连接于第一共接点A，第一电容C₁连接于第一共接点A及接地端G之间，第一电阻R₁的一端与一外部电压Vi的电能连接，第一电阻R₁的另一端与第二电阻R₂的一端连接，第二电阻R₂的另一端与第三电阻R₃的一端及第一共接点A电连接，第三电阻R₃的另一端与接地端G连接，第一电阻R₁、第二电阻R₂及第三电阻R₃构成第一分压电路，且第三电阻R₃与第一电容C₁并联连接而提供第一电容C₁放电路径，PNP双极结型晶体管B₁的基极与第一电阻R₁的另一端及第二电阻R₂的一端连接，PNP双极结型晶体管B₁的射极与第一电阻R₁的一端及外部电压V_i的电能连接，PNP双极结型晶体管B₁的集极与第四电阻R₄的一端连接，第四电阻R₄的另一端与第五电阻R₅的一端以及死区时间撷取电路160的输出端连接于第二共接点B，第五电阻R₅的另一端与接地端G连接。

功率抑制电路161包含第二电容C₂、第六电阻R₆以及第二晶体管，例如NPN双极结型晶体管B₂，其中第二电容C₂的一端经由功率抑制电路161的输入端及死区时间撷取电路160的输出端而与第四电阻R₄的另一端及第五电阻R₅的一端连接，第二电容C₂的另一端与接地端G连接，该第二电容C₂可经由第五电阻R₅所提供的放电路径放电，NPN双极结型晶体管B₂的基极与第二电容C₂的一端连接，且经由连接于功率抑制电路161的输入端及死区时间撷取电路160的输出端而与第四电阻R₄及另一端及第五电阻R₅的一端连接，亦即与第二共接点B连接，NPN双极结型晶体管B₂的射极与接地端G连接，NPN双极结型晶体管B₂的集极与第六电阻R₆的一端连接，第六电阻R₆的另一端则经由功率抑制电路161的输出端与控制单元15的定功率控制电路150连接，其可通过设定电阻值来调节提供给定功率控制电路150的抑制信号V_r的大小。

以下将示范性地说明本案的电子安定器1及电流尖峰因数改善电路16内部电路的作动方式。请再参阅图4，并配合图2-3，当电子安定器1运作时，若第二控制信号S₂及第三控制信号S₃尚未进入死区时间T_d或死区时间T_d已结束时，亦即第二控制信号S₂及第三控制信号S₃之间的状态相反，此时为致能电平，例如15V的第二控制信号S2或是第三控制信号S3的电能将经由死区时间撷取电路160的与门电路160a的对应连接的第一二极管D₁或第二二极管D₂而传送至第一共接点A，使共接点A通过第一电容C₁而建立例如约等于15V的电压，如此一来，当共接点A的电压经由第一电阻R₁、第二电阻R₂及第三电阻R₃所构成的第一分压电路传送至PNP双极结型晶体管B₁的基极时，由于PNP双极结型晶体管B1的射极所接收的外部电压Vi与基极上的电压的电压差小于PNP双极结型晶体管B1的导通电压，因此PNP双极结型晶体管B1为截止状态，此时死区时间撷取电路160将对应地不输出或中断触发信号V_t至功率抑制电路161的NPN双极结型晶体管B₂的基极，因此NPN双极结型晶体管B₂的基极与射极间的电压差小于NPN双极结型晶体管B₂的导通电压，故NPN双极结型晶体管B₂亦为截止状态，是以NPN双极结型晶体管B₂将对应地不输出抑制信号V_r至控制单元15的定功率控制电路150，使定功率控制电路150控制转换电路12以定功率输出的方式正常运作。

一旦当第二控制信号S₂及第三控制信号S₃进入死区时间T_d，亦即第二控制信号S₂及第三控制信号S₃之间的状态皆为禁能电平时，例如0V，此时与门电路160a的第一二极管D₁及第二二极管D2将为截止状态，因此第一共接点A的电压将对应下降，并经由第一分压电路而反应于PNP双极结型晶体管B₁的基极，使得PNP双极结型晶体管B₁的射极所接收的外部电压V_i与基极上的电压的电压差大于PNP双极结型晶体管B₁的导通电压，因此PNP双极结型晶体管B₁切换为导通状态，此时外部电压V_i的电能将经由导通的PNP双极结型晶体管B₁传送至由第四电阻R₄及第五电阻R₅所构成的第二分压电路，并经由第四电阻R₄及第五电阻R₅的分压而于第四电阻R₄及第五电阻R₅间连接的第二共接点B，即死区时间撷取电路160的输出端产生例如5V的触发电压V_t，并传送到NPN双极结型晶体管B₂的基极，故使得NPN双极结型晶体管B₂的基极与射极间的电压差大于NPN双极结型晶体管B₂的导通电压，NPN双极结型晶体管B₂便切换为导通状态，如此一来，功率抑制电路161的输出端将经由第六电阻R₆及导通的NPN双极结型晶体管B₂而与接地端G连接，因此功率抑制电路161的输出端将通过连接与接地端G而拉地，亦即功率抑制电路161的输出端将输出为零电压的一抑制信号V_r，故控制单元15便可通过抑制信号V_r而控制转换电路12即时降低输出的功率至一预设值或暂停运作，故如图5所示，本案电子安定器1提供给气体放电灯8的灯电流I_C于换相时并不会产生电流尖峰或电压尖峰，故可改善电流尖峰因数。

请参阅图6，其为本案另一较佳实施例的电子安定器的电路方块示意图。如图6所示，本实施例的电子安定器6与图2所示的电子安定器1的结构及功能相似，故以相同的标号代表电路结构及功能相似而不再赘述，唯独相较于图2所示的电子安定器1，本实施例的电子安定器6的电流尖峰因数改善电路16与电功率控制电路150及换相控制电路151整合而构成微控制器(Microcontroller Unit;MCU)的控制单元60，如此一来，当控制单元60通过内部的换相控制电路151输出状态相反且具有死区时间T_d(如图4所示)的第二控制信号S₂及第三控制信号S₃至换相电路13内的第一~至第四开关元件M₁~M₄(如图3所示)时，控制单元60内部的电流尖峰因数改善电路16可同步得知第二控制信号S₂及第三控制信号S₃间的死区时间T_d(如图4所示)的发生，而对应产生抑制信号V_r，换言之，由于本实施例的控制单元60控制第二控制信号S-及第三控制信号S₃间的死区时间T_d的发生，故控制单元60即可对应于该死区时间的发生而立即控制第一控制信号S₁改变，以控制转换电路12即时降低输出的功率至一预设值或暂停运作，因此相较于图2所示的电子安定器1于控制单元15输出第二控制信号S₂及第三控制信号S₃后，与控制单元15分离独立设置的电流尖峰因数改善电路16才能通过接收第二控制信号S₂及第三控制信号S₃而通过第二控制信号S₂及第三控制信号S₃间的死区时间T_d的触发，以对应产生抑制信号V_r，本实施例的电子安定器6更可提早且即时地抑制电流尖峰及电压尖峰的效果。

综上所述，本案的具即时改善电流尖峰因数功能的电子安定器由于通过电流尖峰因数改善电路来撷取用来控制换相电路内的多个开关元件作动的第一控制信号及第二控制信号间的死区时间，使得控制单元可仅仅通过控制信号的死区时间的发生而直接控制转换电路即时降低输出的功率至一预设值或暂停运作，因此本案的控制单元可主动且即时地抑制电流尖峰及电压尖峰的发生，进而使气体放电灯具有更长的使用寿命及节能效益，此外，由于本案的控制单元仅通过第一控制信号及第二控制信号间的死区时间是否发生的单一条件即可控制转换电路即时降低输出的功率至一预设值或暂停运作，并无需如现有电子安电器需要通过复杂的电路结构及运算来检测判断并转换电路输出的电流是否有电流尖峰因数的发生，故本案的电子安定器的电路结构较为简单而便宜，且抑制电流尖峰的处理时间亦较为迅速。

本案得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利权利要求范围所欲保护者。