經(jīng)由輔助功率耗散電路的受控電子系統(tǒng)功率耗散的制作方法
【專利說明】經(jīng)由輔助功率耗散電路的受控電子系統(tǒng)功率耗散
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)和37C.F.R.§ 1.78要求于2013年3月14日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/782，253的權(quán)益，將其整體通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體涉及電子領(lǐng)域，并且更具體地涉及經(jīng)由諸如照明系統(tǒng)的電子系統(tǒng)的輔助功率耗散電路來控制功率耗散的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器將從諸如電壓供應(yīng)的電源接收到的功率轉(zhuǎn)換成適合于負(fù)載的功率。從電壓供應(yīng)接收到的功率被稱為“功率輸入(POWER IN) ”，并且被提供給負(fù)載的功率被稱為“功率輸出(POWER OUT)”。所有開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器由于例如非理想的部件特性而具有一些固有功率損耗。這種固有功率損耗傾向于被最小化從而提高開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的效率。固有功率損耗在本文中由“PINH”表示。在一些情景中，被供應(yīng)到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的功率的量能夠超過由開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器提供給負(fù)載的功率的量，即功率輸入 > 功率輸出+PINH。當(dāng)功率輸入大于功率輸出+PINH時，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器使用無源電阻器使過量能量被動地耗散。
[0005]包括諸如一個或多個發(fā)光二極管(LED)的低功率燈的可調(diào)照明系統(tǒng)表示當(dāng)?shù)介_關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸入功率能夠大于輸出功率加開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的固有功率損耗PINH功率時的一種情景。在該示例性情景中，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器接收通過基于三端雙向可控硅開關(guān)元件(用于交流的三極管，“三端雙向可控硅”)的調(diào)光器的電流。一旦基于三端雙向可控硅的調(diào)光器開始在交流(“AC”)供應(yīng)電壓的周期期間執(zhí)行以防止三端雙向可控硅在供應(yīng)電壓的周期中間期間不利地過早地斷開連接，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器就汲取被稱為“保持電流”的最小電流。只要到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸入電流大于或等于保持電流，則基于三端雙向可控硅的調(diào)光器不應(yīng)當(dāng)過早地斷開連接。對于前沿調(diào)光器，過早斷開連接在調(diào)光器開始執(zhí)行并且在到達(dá)供應(yīng)電壓的零交叉之前停止執(zhí)行時發(fā)生。過早斷開連接能夠?qū)е玛P(guān)于照明系統(tǒng)的問題，例如閃爍和不穩(wěn)定性。
[0006]因此，為了防止基于三端雙向可控硅的調(diào)光器的過早斷開連接，到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的最小功率輸入等于保持電流(“乘以到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓“vit入”。傳統(tǒng)的基于三端雙向可控硅的調(diào)光器被設(shè)計為向白熾燈提供功率。對于期望調(diào)光水平，白熾燈一般汲取至少等于針對所有可用調(diào)光水平的保持電流的電流。然而，諸如LED的其它燈在功率對照明輸出方面比白熾燈更高效，并且因此在使用比白熾燈更少的功率的同時提供等效的照明輸出。因此，具有LED的照明系統(tǒng)通常利用比白熾燈更少的功率和更少的電流。為了在照明系統(tǒng)汲取比照明系統(tǒng)固有地耗散和提供作為到燈的功率輸出功率更多的功率輸入功率時平衡功率，則照明系統(tǒng)利用一個或多個無源電阻器以在內(nèi)部使過量功率耗散。
[0007]圖1描繪了包括前沿切相調(diào)光器102的照明系統(tǒng)100。圖2描繪了與照明系統(tǒng)100相關(guān)聯(lián)的理想的示例性電壓示圖200。參考圖1和圖2，照明系統(tǒng)100從電壓供應(yīng)104接收AC供應(yīng)電壓^入。由電壓波形202指示的供應(yīng)電壓^入例如在美國標(biāo)稱為60Hz/110V線路電壓或在歐洲標(biāo)稱為50Hz/220V線路電壓。前沿調(diào)光器102對諸如供應(yīng)電壓的每個半周期的前沿204和前沿206的前沿進行切相。由于供應(yīng)電壓入的每個半周期是輸入供應(yīng)電壓的180度，所以前沿調(diào)光器102在大于0度且小于180度的角度對供應(yīng)電壓V輸Λ進行切相。一般地，前沿調(diào)光器102的電壓切相范圍是10度到170度。對供應(yīng)電壓進行“切相”是指對交流(“AC”)供應(yīng)電壓的每個周期的前沿相位角進行調(diào)制。對供應(yīng)電壓的“切相”也通常被稱為“斬波(chopping) ”。對供應(yīng)電壓進行切相減少被供應(yīng)到諸如照明系統(tǒng)的負(fù)載的平均功率，并且由此控制被提供給負(fù)載的能量。
[0008]到照明系統(tǒng)100的輸入信號電壓νφ—輸人表示使照明系統(tǒng)100調(diào)節(jié)被遞送到燈122的功率的調(diào)光水平，并且因此取決于調(diào)光水平，增大或減小燈122的亮度。存在許多不同類型的調(diào)光器。總體上，調(diào)光器使用指示期望調(diào)光水平的數(shù)字或模擬編碼調(diào)光信號。例如，基于三端雙向可控硅的調(diào)光器102對AC輸入供應(yīng)電壓入的前沿進行切相。前沿調(diào)光器102能夠是任何類型的前沿調(diào)光器，諸如可從賓夕法尼亞州庫?自斯堡市的Lutron Electronics有限公司(“Lutron”)獲得的基于三端雙向可控硅的前沿調(diào)光器?；谌穗p向可控硅的前沿調(diào)光器被描述在發(fā)明人John L.Melanson的于2010年8月17日提交的題為DimmerOutput Emulat1n的美國專利申請?zhí)?2/858，164的背景部分中。
[0009]切相調(diào)光器102將如由切相調(diào)光器102修改的輸入電壓V?—供應(yīng)到全橋二極管整流器106。全橋整流器106將AC整流的電壓νΦΚ—供應(yīng)到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108。電容器110過濾來自整流的電壓νΦΚ—的高頻分量。為了控制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108的操作，控制器110生成用于控制場效應(yīng)管(FET)開關(guān)112的導(dǎo)電性的控制信號CS。?？刂菩盘朇S。是脈寬調(diào)制信號。控制信號CS。的波形114表示示例性控制信號CS。?？刂破?10生成具有如波形114中示出的兩種狀態(tài)的控制信號CS。。控制信號CS。的每個脈沖使開關(guān)112開啟(即，導(dǎo)電)并表示使開關(guān)112有效地操作并最小化由開關(guān)112耗散的功率的第一狀態(tài)。在控制信號CS。的每個脈沖期間，電感器電流i L增大(如示例性電感器電流波形115中示出的)以在充電階段TJ月間對電感器116進行充電。二極管118防止電流從側(cè)電容(linkcapacitor) 120流到開關(guān)112中。當(dāng)控制信號CS。的脈沖結(jié)束時，控制信號CS。處于第二狀態(tài)中，并且電感器116對電壓極性進行反轉(zhuǎn)(通常被稱為“回掃”)。電感器電流1在回掃階段TFJ5間減小，如電感器電流波形115中示出的。電感器電流i J吏側(cè)電容器120兩端的通過二極管118的側(cè)電壓(link voltage)升高?；貟唠A段TFB何時結(jié)束并且下一充電階段1何時開始取決于開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作模式。在不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)中，回掃階段TFB在下一充電階段1\開始之前結(jié)束。然而，無論開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108以不連續(xù)導(dǎo)電模式、連續(xù)導(dǎo)電模式還是臨界導(dǎo)電模式操作，回掃階段TFB在充電階段Τ ε—結(jié)束時就開始。
[0010]開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108是升壓型轉(zhuǎn)換器，并且因此，側(cè)電壓VUNK大于整流的輸入電壓 —輸入?？刂破?10在節(jié)點124處感測整流的輸入電ΗνΦΚ—入并且在節(jié)點126處感測側(cè)電壓VUNK?？刂破?10操作開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108以維持燈122的大致恒定的側(cè)電壓VUNK，提供功率因數(shù)校正，并將側(cè)電流(link current) iUNK與整流的輸入電壓V㈣―|入的切相角相關(guān)聯(lián)。燈122包括一個或多個發(fā)光二極管。
[0011]圖3描繪了將示例性白熾燈和示例性發(fā)光二極管(LED)的每瓦特功率的光輸出進行比較的示例性光輸出/功率示圖300。每瓦特功率，LED比白熾燈提供更多的光輸出。LED的低功率使用和與白熾燈的工作電流相比相對低的工作電流相關(guān)。由于LED的光輸出與功率大致呈線性并且LED在大致恒定的電壓工作，所以LED的工作電流隨著光輸出和功率的減小大致線性地減小。
[0012]參考圖1、圖2和圖3，為了減小燈122的光輸出，切相調(diào)光器102增大整流的輸入電壓νΦΚ—?入的切相角，即，時間T#增大并且時間IV咸小。控制器110對通過減小被提供給燈122的電流iUNI(而增大的切相角作出響應(yīng)，這增大燈122的光輸出。
[0013]開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108包括功率耗散電阻器128，使得調(diào)光器電流iDIM不下降到保持電流值以下并且在整流的輸入電壓入的周期期間不過早地斷開連接。被供應(yīng)到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108的“功率輸入”功率等于νφ—入.iDIMO由開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108供應(yīng)的“功率輸出”功率等于VUNK *iUNK。由于基于LED的燈122的尤其是在低光輸出水平的相對低功率要求，如果功率輸入功率等于功率輸出+PINH功率，則調(diào)光器電流i DIM可以下降到保持電流值以下并使切相調(diào)光器102過早地斷開連接。在這種情形下，為了防止調(diào)光器電流iDIM下降到保持電流值以下，控制器110使開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108維持調(diào)光器電流iDIM在保持電流值以上，其使功率輸入功率大于功率輸出+PINH功率。由于功率輸入功率大于功率輸出+P INH功率，所以開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108通過功率耗散電阻器128使過量功率耗散。該保持電流對于美國調(diào)光器可以大約為60-90mA并且對于歐洲和亞洲調(diào)光器大約為30-45mA。
[0014]由于部件非理想因素，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器108包括固有功率損耗。固有功率損耗包括導(dǎo)體電阻和開關(guān)112中的開關(guān)損耗。然而，電路一般被設(shè)計為最小化固