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CN101868899A - 调光器电路中的过流保护 - Google Patents

调光器电路中的过流保护 Download PDF

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CN101868899A CN200880117554A CN200880117554A CN101868899A CN 101868899 A CN101868899 A CN 101868899A CN 200880117554 A CN200880117554 A CN 200880117554A CN 200880117554 A CN200880117554 A CN 200880117554A CN 101868899 A CN101868899 A CN 101868899A
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詹姆斯·罗伯特·瓦安德森
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Clipsal Australia Pty Ltd
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Abstract

本发明公开了一种用于调光器电路的过流保护电路，所述调光器电路包括用于控制负载功率的开关装置，所述过流保护电路包括：用于检测通过所述负载的负载电流的装置；以及用于将检测到的所述负载电流与阀值比较的装置；其中所述阀值为动态电流阀值。同时，本发明还公开了包括该过流保护电路的调光器电路。

Description

调光器电路中的过流保护
技术领域
本发明涉及一种调光器电路，特别涉及一种能够检测过电流状态的调光器电路。
优先权
本发明申请的权利项要求以下专利申请的优先权：
-澳大利亚临时专利申请号为2007905110，名称为：“改进的调光器电路启动检测”，申请日为：2007年9月19日；
-澳大利亚临时专利申请号为2007905108，名称为：“带有过电流检测的调光器电路”，申请日为：2007年9月19日；
-澳大利亚临时专利申请号为2007905109，名称为：“在调光器电路中的过电流保护”，申请日为：2007年9月19日。
上述每个专利申请的全部内容在此以引用的方式并入本文中。
引用的并入专利申请
接下来的说明书中的描述引用以下专利申请：
PCT/AU03/00365名称为“改进的调光器电路启动检测”；
PCT/AU03/00366名称为“带有改进电感负荷的调光器电路”；
PCT/AU03/00364名称为“带有改进的脉动控制的调光器电路”；
PCT/AU2006/001883名称为：“调光器电路中的电流零交叉检测器”；
PCT/AU2006/001882名称为：“用于调光器的负载检测器”；
PCT/AU2006/001881名称为：“一种通用的调光器”；以及
共同未决的澳大利亚临时专利申请，其名称为“具有过电流检测功能的调光器电路”。
上述每个专利申请的全部内容在此以引用的方式并入本文中。
背景技术
调光器电路用于控制电源(比如电力网供电)提供给一个负载(比如灯或电动马达)的功率。这种电路通常用到一种被称为相位控制调光的技术。这种技术通过改变连接负载与电源的开关在设定周期内的连接时间来控制提供给负载的功率。
例如，如果由电源提供的电压能够由正弦波来表示，那么当连接负载与电源的开关一直处于连接状态时，提供给负载的功率为最大功率。这样，电源的全部能量被传送给负载。如果上述开关在每个周期(正的和负的)中的一部分时间被关闭，那么所述正弦波中的一部分被有效地从负载分离，从而减少提供给负载的平均能量。例如，如果所述开关在每个周期一半时间开一半时间关，那么只有一半的功率被传送给负载；以照明灯作为举例，其总体效果将是：平稳的调光动作导致对灯的发光度的控制。
现代的调光器电路通常以两种方式——前缘(leading edge)或尾缘(trailing edge)——之一操作。前缘技术中，调光器电路在每半个周期的前面部分(下文中称为“前缘”)通过所述负载“砍断”或阻断电的传导。尾缘技术中，所述调光器电路在每半个周期的后面部分通过所述负载切断或阻断电的传导。
由于负载连接到高电压或电流源例如电力网供电，这种电路的故障(比如短路)可能导致突然的高强度电流电涌，这将损坏负载以及任何连接在负载上的电路元件。对于调光器电路来说，检测这种过电流或高电流情形发生的功能将是很有用处的，这样能够将负载或/和连接的电路元件从高电流源断开。
去除负载和/或连接电路的决定可以基于检测到的超过预设定阀值的电流。存在很多方法，这些方法提供了将检测到的电流与预设定阀值进行比较的方法和装置。
在一种方法中，切断的标准由经过调光器的瞬时电流超过预定阀值来判定，尤其是对于当利用控制过渡时间使功率装置开始导通、同时瞬时线电压很高的情况下，功率装置上的瞬时功率耗散当短路负载情况存在时很高。
在另一种现有的方法中，切断的标准由调光器的瞬时电压和瞬时电流的乘积，即功率半导体器件的瞬时功率，超过预定的阀值来判定。但是这种电路设计很复杂，且设计和制造成本很高。
发明内容
用于调光器电路的过流保护电路，包括用于控制负载功率的开光装置，所述过流保护电路包括：
用于检测通过所述负载的负载电流的装置；以及用于将检测到的所述负载电流与阀值比较的装置；其中所述阀值为动态电流阀值。
一种过流保护电路，其中开关装置包括第一开关和第二开关。
在一种实施方式中，动态电流阀值与所述开关装置的电压成反比。
在一种实施方式中，当调光器的瞬时电压和瞬时电流之和超过所述阀值时，所述过流保护电路产生切断信号。
在一种实施方式中，所述过流保护电路还包括跳闸信号发生器，该跳闸信号发生器产生跳闸信号，以将栅极驱动信号与所述第一和第二开关断开。
在一种实施方式中，所述跳闸信号被应用到锁存电路，该锁存电路将栅极驱动信号与所述第一和/或第二开关断开。
在一种实施方式中，用于检测通过所述负载的负载电流的装置包括电流检测电阻器RS1，该电流检测电阻器连接在所述第一和第二开关之间的电流通路之间。
在一种实施方式中，所述第一开关和第二开关均为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，所述电流检测电阻器连接在所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间。
在一种实施方式中，所述第一开关和第二开关均为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，所述电流检测电阻器连接在所述第一开关的集电极和所述第二开关的集电极之间。
在一种实施方式中，所述动态电流阀值IT由以下公式确定：
IT＝[Vref-R1.VLL/(R1+R2)]/RS1
其中：
VLL＝线电压-负载电压
R1＝电压检测电阻
R2＝电压转换器电阻
RS1＝电流检测电阻
Vref＝参考电压
根据本发明的另一方面，提供一种在调光器电路中提供过流保护的方法，所述调光器电路包括用于控制负载功率的开关装置，所述方法包括：检测通过所述负载的负载电流；将检测到的负载电流与阀值比较；其中所述阀值为动态电流阀值。
在一种实施方式中，所述方法还包括当检测到的电流超过阀值时，产生跳闸信号，以将所述负载与电源隔断。
在一种实施方式中，所述方法还包括根据以下关系，计算所述阀值IT：
IT＝[Vref-R1.VLL/(R1+R2)]/RS1
其中：
VLL＝线电压-负载电压
R1＝电压检测电阻
R2＝电压转换器电阻
RS1＝电流检测电阻
Vref＝参考电压
根据本发明的另一方面，提供一种包括所述第一方面的过流保护电路的调光器电路。
附图说明
下面将结合附图和具体实施例对本发明的各方面作详细描述：
图1展示了利用了动态电流检测的，根据本发明第一方面的电路设置；
图2A至2I展示了在通常和短路/过流情况下，图1的电路设置中各点的波形；
图3展示了本发明所获得的线-负载电压VLL与跳闸电流IT的变化；
图4展示了本发明与现有技术的比较，短路瞬时功率对电压的曲线图。
具体实施方式
用于相控调光器内功率半导体器件的短路保护切断机制中，切断的标准由调光器的瞬时电压和瞬时电流之和超过预定阀值来判定。
图1展示了调光器电路10，用于控制负载的功率，如图1所示。调光器10具有开关装置，在此实施例中，为第一开关MOSFET Q1和第二开关MOSFET Q2(例如SPA20N60C3)。这些开关响应模块11提供的调光器栅极驱动信号而接通和断开，如本领域技术人员所将知道的。开关元件Q1和Q2交替地操控/控制所述负载，每个开关元件在线施加的功率的半周期期间以不同极性运作。每个开关元件具有各自关联的反并联二极管D1和D2。
本发明的各方面可以被应用与任何形式的调光器电路，例如在以下的调光器电路中：PCT/AU03/00365名称为“改进的调光器电路”，PCT/AU03/00366名称为“带有改进电感负荷的调光器电路”，PCT/AU03/00364名称为“带有改进的脉动控制的调光器电路”，PCT/AU2006/001883名称为：“调光器电路中的电流零交叉检测器”，PCT/AU2006/001882名称为“用于调光器的负载检测器”，PCT/AU2006/001881名称为“一种通用的调光器”；每个专利申请的全部内容通过引用结合于此。
本实施例举例说明了开关Q1接通时电路的运作。图2A展示了线电流IL的基本为正弦曲线的部分，开关Q1和Q2接通(第二半周期)，通过交替的或同时的栅极触发。相应的线电压VL如图2B所示，峰值为350V。在图2A所示的比例中，接通看起来是阶跃的，但是如本领域技术人员所熟知，从非导通到导通存在过渡，这如图2C所示。在本实施例中，从0V到350V的过渡时间为约50μS。图2C-1展示了负载电流的过渡，图2C-2展示了调光器电压VLL相应的过渡。
参见图1，负载控制功率装置(Q1)的瞬时电压由流经并联电压检测电阻器R1的信号电流表示。该“电压”信号电流通过电阻器R2(与并联电压检测电阻器R1串联)被转换为相应的“电压”信号电压。R2的值比R1小，从而不会明显影响信号电流。
经过开关Q1的瞬时电流表示为串联电流检测电阻RS1的信号电压。R1，R2 & RS1的串联电阻器电路设置导致“电压”信号电压和“电流”信号电压的相加，相对于0V参考电位，在R1和R2的连接点形成复合信号电压。
将复合信号电压的大小与参考电压Vref进行比较，当前者比后者大时，讲触发故障电流切断开关。
各种检测负载的电流的装置均可以使用，包括了共同PCT专利申请，名称为“有过电流检测功能的调光器电路”所描述的方法，其中所述共同PCT专利申请要求了澳大利亚临时申请号2007905108、同样名称为“有过电流检测功能的调光器电路”的优先权，全部内容通过引用结合于此。
参见图2，图2D和2I展示了图1电路在如图2C约50μS过渡时间中，在各点的各种波形。
在图2D中，可见VRS1随着恒定斜坡增加至IRS1xRS1，其中IRS1为在通常负载条件下相应的瞬时负载电流。
在图2E中，可见随着VLL从350V下降，图1中点A处的电压(VA)随着连续的斜坡函数减少，从VLLxR2/(R1+R2)确定的数值到IRS1xRS1确定的小的偏移量。
在短路的情况下，在图2F中，可见电流检测电阻器RS1的VRS1随着恒定斜坡函数增加到比通常情况下(如图2D)大的水平。
图2G展示了在短路的情况下，VLLxR2/(R1+R2)的数值为恒定。
图2H展示了在短路情况下VA的数值。VA的实际值＝[(VLL-2VRS1)(R2/(R1+R2)]+VRS1，但是在短路的情况下，VRS1的值与VLL的值相比非常小，所以可以近似为VA＝VLLx(R2/R1+R2)+VRS1。因此，图2H展示了VA的值，图2G和2F的和。
图2H也展示了Vref的数值，与VA的函数交叉。恒定的参考电压Vref在此实施例中为0.5伏。
图中可见，在某点上，VA与Vref交叉。图2I展示了在此交叉点上，图1中在点C的电压VC，跳至Vref的水平，提供触发信号给锁存电路12(图1)，以将开关Q1和Q2从调光器栅极驱动信号模块11断开。
跳闸电流或者动态电流阀值IT可以通过以下来计算：
IT＝[Vref-R1.VLL/(R1+R2)]/RS1
其中：
VLL＝线电压-负载电压
R1＝电压检测电阻
R2＝电压转换器电阻
RS1＝电流检测电阻
Vref＝参考电压
图3展示了IT随VLL从0V至350V的变化，元件的值如图1所示，Vref等于约0.5V。图3展示了线电压-负载电压越高，跳闸电流越低。这降低了现有方法(跳闸电流为静态的)中过度的功率耗散的问题。
图4展示了功率(W)对线电压-负载电压VLL的图，包括利用静态电流检测和静态功率检测的现有技术方法的图，以及本发明的“动态电流”的图。可见，在高的线电压切断之前，开关装置的功率耗散比静态电流方法和静态功率方法极大地降低。本发明的电路设计复杂性远低于静态功率方法所需的设计复杂性。
对于本领域技术人员来说，本发明的使用并不限制于上文描述的特定应用。也不受此文描述的基于特定装置或技术特征的优选实施方式所限制；任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
例如，在特定应用中，可以仅去除第一开关和/或第二开关其中一个(任何正进行控制的)的栅极驱动，允许另一个开关继续每半周期导通。
同样，也可以将本发明的保护电路应用与直流电的应用，其中开关装置仅包括一个开关。
本发明可以同样地用于其他类型的开关元件，包括双极型晶体管。在整篇说明书及接下来的权利要求书中，除非文中要求，“包括”和“包含”将被理解为一个固定整体或整体组的包含，但不排除任何其他的整体或整体组。
在此说明书中任何在先的引用文献不应当拿来作为公知技术的一部分而被认为有任何的技术启示。

Claims (11)

1.一种用于调光器电路的过流保护电路，所述调光器电路包括用于控制负载功率的开关装置，所述过流保护电路包括：用于检测通过所述负载的负载电流的装置；以及用于将检测到的所述负载电流与阀值比较的装置；其中所述阀值为动态电流阀值。
2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述动态电流阀值与所述开关装置的电压成反比。
3.根据权利要求1或2所述的过流保护电路，其特征在于：当所述调光器电路的瞬时电压和瞬时电流之和超过所述阀值时，所述过流保护电路产生切断信号。
4.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述过流保护电路还包括跳闸信号发生器，该跳闸信号发生器产生跳闸信号，以将栅极驱动信号与所述第一开关和所述第二开关断开。
5.根据权利要求4所述的过流保护电路，其特征在于：所述跳闸信号被应用到锁存电路，该锁存电路将栅极驱动信号与所述第一开关和所述第二开关断开。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的过流保护电路，其特征在于：用于检测通过所述负载的负载电流的装置包括电流检测电阻器R1，该电流检测电阻器连接在所述开关的漏极和比较器的第一输入之间。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的过流保护电路，其特征在于，所述动态电流阀值IT由如下确定：
IT＝[Vref-R1.VLL/(R1+R2)]/RS1
其中：
VLL＝线电压-负载电压
R1＝电压检测电阻
R2＝电压转换器电阻
RS1＝电流检测电阻
Vref＝参考电压
8.一种在调光器电路中提供过流保护的方法，所述调光器电路包括用于控制负载功率的开关装置，所述方法包括：检测通过所述负载的负载电流；将检测到的负载电流与阀值比较；其中所述阀值为动态电流阀值。
9.根据权利要求8所述的提供过流保护的方法，其特征在于，还包括：当检测到的电流超过阀值时，产生跳闸信号，以将所述负载与电源隔断。
10.根据权利要求8或9所述的提供过流保护的方法，其特征在于，还包括：根据如下关系计算所述动态电流阀值IT：
IT＝[Vref-R1.VLL/(R1+R2)]/RS1
其中：
VLL＝线电压-负载电压
R1＝电压检测电阻
R2＝电压转换器电阻
RS1＝电流检测电阻
Vref＝参考电压
11.一种调光器电路，其特征在于，该调光器电路包括根据权利要求1至7任意一项所述的过流保护电路。
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