專利名稱：鎮流器的制作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及一種鎮流器，該鎮流器具有在額定鎮流器負載條件下從公用電力線接收具有峰值的交流電流的輸入端以及在鎮流器輸入端之間測得的鎮流器輸入等效阻抗ZIN，還包括具有等效阻抗Zeq的濾波器，該濾波器與鎮流器的輸入端相連，并包括濾波器輸出端，具有磁芯的電感以及與濾波器的輸出端和至少一部分電感相連的電容器，磁芯的基本特點是具有基本線性區和基本非線性區的B-H曲線，當處于B-H曲線的非線性區時，整個磁芯存在基本均勻的磁通密度，其中在額定鎮流器負載條件下，當至少在交流電流的峰值時，磁芯工作于B-H曲線的非線性區。
本發明還涉及一種使鎮流器工作的方法，該鎮流器具有鎮流器輸入端，在鎮流器輸入端之間測得的鎮流器輸入等效阻抗ZIN，以及與鎮流器的輸人端相連、具有濾波器輸出端和等效阻抗Zeq的濾波器，該方法包括以下步驟在鎮流器輸入端，在額定鎮流器負載條件下從公用電力線接收具有峰值的交流電流；取出經濾波器的交流電流，濾波器還包括具有磁芯的電感和電容器，電容器與至少一部分電感以及濾波器輸出端和鎮流器的輸入端中之一相連，磁芯的基本特點是具有基本線性區和基本非線性區的B-H曲線，當處于非線性區時，整個磁芯存在基本均勻的磁通密度；在額定鎮流器負載條件下，當至少在交流電流的峰值時，使磁芯保持在B-H曲線的非線性區。
這種鎮流器和這種方法從US4,672,522中已經知道。一般來說，鎮流器中濾波器的功能是減小總諧波失真量。術語“總諧波失真”(THD)反映了電力線輸送給鎮流器的電流中存在的諧波失真量，并可以計算確定該量。眾所周知電子鎮流器得到含有許多諧波分量的線電流。在電子鎮流器的前端提供濾波器，以便限制從電力線得到的諧波。
通過采用LC低通濾波器，許多常規的電子鎮流器工作在大約14％至18％范圍的THD中。近來不僅一般的公眾而且民用工業都要求鎮流器得到的線電流的THD小于10％。
為了得到這一較低的THD，常規的LC濾波器必須在犧牲效率即消耗大得多的功率的情況下，提高其低通衰減特性。
本發明的目的是提供一種改進的鎮流器，利用該鎮流器可以降低THD，同時保持相對高的鎮流器效率，即基本不增加鎮流器濾波器消耗的功率。
因此根據本發明，本說明書第一段中描述的鎮流器的特征在于改變額定鎮流器負載條件下的等效阻抗Zeq和鎮流器輸入阻抗ZIN之間的關系，使之滿足下式0.5≤Zeq/ZIN≤1.5。
因此根據本發明，本說明書第二段中描述的方法的特征在于改變額定鎮流器負載條件下的等效阻抗Zeq和鎮流器輸入阻抗ZIN之間的關系，使之滿足下式0.5≤Zeq/ZIN≤1.5。
通過改變等效阻抗Zeq和鎮流器輸入阻抗ZIN之間的關系，并結合至少當處于交流電流的峰值時工作在B-H曲線的非線性區的電感磁芯，濾波器提供了充分的諧波衰減，以確保得到小于10％的可接受的THD，同時保持相對高的鎮流器效率。具體地說，通過限制鎮流器輸入阻抗ZIN，使之不大于等效阻抗Zeq的兩倍，將THD保持在可接受的水平。當鎮流器輸入阻抗ZIN接近等效阻抗Zeq時，THD持續下降。不僅在鎮流器得到的交流電流的峰值，而且在接近這一峰值時，通過使磁芯工作在B-H曲線的非線性區而將鎮流器的效率保持在相對高的水平。
最好電容器連接在鎮流器輸入端和濾波器輸出端之間。另外，電容器也可以連接在電感的抽頭以及濾波器輸出端和鎮流器輸入端中之一之間。
在根據本發明的鎮流器的一個最佳實施例中，另外的電感和電阻與電容器串聯，以便進一步降低THD。
根據本發明的最佳方法，還包括通過使一部分諧波流經電容器而濾除諧波的步驟。
在附圖中，
圖1是根據本發明的鎮流器的部分框圖和部分電路結構；圖2是圖1的濾波器的電路結構，表示確定其等效阻抗所采取的措施；圖3是在額定激勵下研究的圖1的濾波器中的變壓器磁芯的B-H曲線；圖4表示濾波器輸出端短路時鎮流器濾波器電感與流經電感的電流之間關系的點；圖5表示在額定激勵下THD與歸一化的等效濾波器阻抗之間關系的點；以及圖6表示在額定激勵下濾波器阻抗消耗的功率與歸一化的等效濾波器阻抗之間關系的點。
現在參照圖1，鎮流器10包括濾波器20、整流器30和逆變器40。標稱電壓為VL并向鎮流器10輸送線電流IL的公用電力線用AC電源11代表。電源11與鎮流器10的一對輸入端12和13相連。濾波器20的部分作用是去除從鎮流器10到公用電力線的電磁干擾(EMI)。經濾波的AC信號通過一對濾波器輸出端14和15提供給整流器30。一般是半橋或全橋的整流器30向逆變器40產生變化的DC信號。雖然在圖1中未示出，但是通過任何已知的技術，如(但不限于此)倍壓器、升壓變換器等，整流器30產生的電壓可以被升高，以便向逆變器40的輸入端提供適合的相對穩定的DC電壓。逆變器40可以是(但不限于此)電流饋送半橋型的，并在鎮流器10的一對輸出端18和19之間提供交流信號，為燈負載50提供電能。
濾波器20包括具有磁芯和一對電感L1和L2的互感器T。電感L1和L2一般是指分開的扼流圈或耦合電感。電感L1連接在鎮流器輸入端12和濾波器輸出端14之間。電容器C1、電感L3和電阻R的串聯組合也連接在鎮流器輸入端12和濾波器輸出端14之間。該串聯組合不是必須與鎮流器輸入端12相連。例如，部分地根據所需的衰減，可以與電感L1的抽頭相連。因此，電容器C1應考慮與至少一部分電感L1和濾波器輸出端14相連。電感L1和L2也可以設計成單一的一個電感，電容器C1、電感L3和電阻R的串聯組合其一端與該單個電感的抽頭相連，其另一端與濾波器輸出端14相連。
連接在鎮流器輸入端13和濾波器輸出端15之間的是電感L2。電容器C2的一端與電感L1、電阻R和濾波器輸出端14的連接節點相連。電容器C2的另一端與電感L2和濾波器輸出端15的連接節點相連。
電感L3與電容器C1一起，衰減部分從鎮流器到AC電源11的EMI。電阻R用來減小由電感L3和電容器C2形成的諧振電路的Q值。
電容器C2和電感L1、L2被調諧到電力線電流IL的三次諧波。電感L1和電容器C1用來衰減更高的諧波。電容器C2還用來減慢由整流器30產生的方波中的過渡周期。濾波器20感受到的由整流器30產生的其它諧波也被電感L1濾除。
用于兩個串聯的40W、120V熒光燈的燈負載的典型的標稱濾波器元件包括33歐姆、1/2W的電阻R；1.3微法的電容器C1；2.8微法的電容器C2；820微亨的電感L3和69W、120V、60Hz的互感器T。
現在參照圖2，濾波器20的等效阻抗為Zeq＝Voc/Isc。電壓Voc是濾波器輸出端14和15之間的開路電壓。電流Isc是輸出端14和15之間流動的短路電流。AC電源11′是AC電源11的標稱線電壓VL的四分之一。
如圖3所示，與濾波器20的分開的扼流圈/耦合電感相關的磁芯即與電感L1、L2相關的磁芯的基本特點在于具有基本線性區“a”和基本非線性區“b”的B-H曲線。如圖4所示，設計電感L1和L2的電感量，使之在線電流IL的峰值處和該峰值附近工作于非線性區b。具體地說，當在額定鎮流器負載條件下在交流線電流IL的峰值處時，磁芯工作在其非線性區中。因此最大限度地減小了額定鎮流器負載條件下由磁芯消耗的功率。
圖4所示的以毫亨為單位的電感與以毫安為單位的RMS線電流之間關系的點是基于元負載條件下，即不將燈負載50與鎮流器10相連的條件下，120V的59W鎮流器電感(即電感L1和L2的組合)。當流經電感的電流增長超過大約100毫安時，開始工作在B-H曲線的非線性區。
相反，具有分開的扼流圈/耦合電感的常規的鎮流器濾波器當在額定鎮流器負載條件下時，基本工作在相關的磁芯B-H曲線的線性區，而不是非線性區。結果導致常規濾波器中的不希望的功率損耗。
現在參照圖5，該圖表示電力線電流IL中THD與濾波器的歸一化等效阻抗之間的關系的點。THD=ΣIn2/Il2]]>，其中I1是基頻的電流IL的分量，n是大于1的整數，In是電流IL的諧波。換句話說，IL=I12+I22+···]]>。濾波器20的歸一化的等效阻抗定義為Zeq/ZIN。
圖5所示的THD與濾波器20的歸一化等效阻抗之間的關系是基于額定值為69W的鎮流器得出的，該鎮流器具有磁芯體積大約為27.3cm3的互感器。為了保持大約16％或低于這一數值的THD，濾波器20的歸一化等效阻抗等于或大于0.5。為了限制當電流IL增加時電感L1和L2引起的損耗，這一比值最好不大于1.5。如圖6所示，對具有磁芯體積大約為27.3cm3的互感器的額定值為69W的鎮流器而言，當歸一化等效濾波器阻抗分別為0.5和1.5時，由電感L1和L2消耗的功率在大約3.2W至大約6W之間。
當至少在電流IL的峰值處或接近峰值處時，工作在與電感L1和L2相關的磁芯的B-H曲線的非線性區，改變額定鎮流器負載條件下的等效阻抗Zeq和鎮流器輸入阻抗ZrN之間的關系，使之滿足下式0.5≤Zeq/ZIN(歸一化等效濾波器阻抗)。超過這一比值的所希望的上限，即大于1.5，將導致不能接受的與電感L1和L2有關的高的功率損耗。
通過將濾波器20的歸一化等效阻抗限制在0.5至1.5之間(包括0.5和1.5)，達到THD和濾波器20消耗功率之間的平衡。通過提高歸一化等效濾波器阻抗的最小值，可以進一步限制THD值，以便滿足近來一些電力應用提出的10％或小于這一數值的要求。更具體地說，對69W額定值的鎮流器而言，可以將歸一化等效濾波器阻抗設為至少0.65但不大于1.5的值，這樣THD可以保持在10％或小于這一數值。
在額定鎮流器負載條件下將低THD和相對低的電感功率損耗結合部分地是根據(1)當接近和處于電流IL的峰值處，基本上使整個互感器磁芯工作在其非線性區之中，以及(2)耦合電容器C1處于至少一部分電感L1和濾波器輸出端14之間。
現在可以很容易地理解，本發明提供了在可接受的功耗條件下由濾波器20濾除THD的方法和裝置。具體地說，通過將濾波器20的歸一化等效阻抗(Zeq/ZIN)保持為不小于0.5和不大于1.5，得到可接受的THD值。當THD保持在10％或小于這一數值時，濾波器20的歸一化等效阻抗按要求增大到最小值0.5以上。
從以上描述可以清楚地看到本發明的目的，并且在不脫離本發明的精神和范圍的前提下可對本發明進行各種修改，包括在上述描述中和附圖中的內容只是為了說明的目的，而不是一種限制。
還應理解，以下的權利要求書旨在囊括上述發明的全部基本特征，對本發明范圍的全部陳述都將包含在該權利要求中。
權利要求
1.一種鎮流器，具有在額定鎮流器負載條件下從公用電力線接收具有峰值的交流電流的輸入端以及在鎮流器輸入端之間測得的鎮流器輸入等效阻抗ZIN，還包括具有等效阻抗Zeq的濾波器，該濾波器與鎮流器的輸入端相連，并包括濾波器輸出端，具有磁芯的電感以及與濾波器的輸出端和至少一部分電感相連的電容器，磁芯的基本特點是具有基本線性區和基本非線性區的B-H曲線，當處于B-H曲線的非線性區時，整個磁芯存在基本均勻的磁通密度，其中在額定鎮流器負載條件下，當至少在交流電流的峰值時，磁芯工作于B-H曲線的非線性區，其特征在于等效阻抗Zeq和輸入阻抗ZIN之間的關系滿足下式0.5≤Zeq/ZIN≤1.5。
2.根據權利要求1的鎮流器，其中電容器連接在鎮流器的輸入端和濾波器的輸出端之間。
3.根據權利要求1的鎮流器，還包括與電容器串聯連接的另外的電感和電阻。
4.根據權利要求2的鎮流器，還包括與電容器串聯連接的另外的電感和電阻。
5.一種使鎮流器工作的方法，該鎮流器具有鎮流器輸入端，在鎮流器輸入端之間測得的鎮流器輸入等效阻抗ZIN，以及與鎮流器的輸入端相連、具有濾波器輸出端和等效阻抗Zeq的濾波器，該方法包括以下步驟在鎮流器輸入端，在額定鎮流器負載條件下從電力線接收具有峰值的交流電流；取出經濾波器的交流電流，濾波器還包括具有磁芯的電感和電容器，電容器與至少一部分電感以及濾波器輸出端和鎮流器的輸入端中之一相連，磁芯的基本特點是具有基本線性區和基本非線性區的B-H曲線，當處于非線性區時，整個磁芯存在基本均勻的磁通密度；在額定鎮流器負載條件下，當至少在交流電流的峰值時，使磁芯保持在B-H曲線的非線性區，其特征在于改變額定鎮流器負載條件下的等效阻抗Zeq和鎮流器輸入阻抗ZIN之間的關系，使之滿足下式0.5≤Zeq/ZIN≤1.5。
6.根據權利要求5的方法，還包括通過使一部分諧波流經電容器而濾除諧波的步驟。
全文摘要
一種鎮流器濾波器，其中鎮流器可以工作在電力線電流的總諧波失真(THD)小于10％的情況下。當THD小于10％時，濾波器損耗的功率相對較小。鎮流器的輸入阻抗設計成不大于前端濾波器的等效濾波器阻抗的兩倍并不小于等效濾波器阻抗的1/1.5。濾波器包括具有磁芯的互感器，在額定鎮流器負載條件下，它經常工作于B-H曲線的非線性區之中。
文檔編號H05B41/28GK1140007SQ95191453
公開日1997年1月8日 申請日期1995年10月10日 優先權日1994年10月14日
發明者G·W·布盧寧, P·M·格拉茲基 申請人:菲利浦電子有限公司