TWI565368B - 磁控管電源供應器 - Google Patents

Description

磁控管電源供應器

本發明關於一種用於磁控管的電源供應器，明確地說，但是並沒有排它之意，本發明係關於一種配合一磁控管使用來供電給燈的電源供應器。

已知的磁控管電源供應器包含一種轉換器電路，其包括：

‧一轉換器，其會被調適成由一DC電壓源來驅動並且產生一交流電流輸出，該轉換器具有：

‧一共振電路，其包含一電感與一電容(「LC電路」)，其會呈現一共振頻率，以及

‧一切換電路，其會被調適成用以切換該電感與該電容，以便產生一頻率大於該LC電路之共振頻率的切換式交流電流；

‧一輸出變壓器，用以提高該輸出交流電流的電壓；以及

‧一整流器與平滑電路，其會被連接至該輸出變壓器的二次側電路，用以供應已提高的電壓給該磁控管。

本文中將此種電路描述為「磁控管、切換式轉換器功率電路(Magnetron,Switched Converter Power Circuit)」或是MSCPC。

在一已知的磁控管電源供應器中，用於該轉換器的DC電壓源通常都包含(基於調節的理由)功率係數修正(Power Factor Correction，PFC)，以便在其被連接至交流電流市電時實質上會呈現歐姆特徵。

該等PFC電壓源與該等轉換器，也就是，該等PFC級與該等轉換器級，通常係高頻切換裝置，也就是，它們併入的電子切換器會在高於市電頻率的高頻處被切換。兩種級的效率特徵都會在特定的操作條件下導致它們的效率下降。

該PFC級在被操作用以產生越來越高的DC電壓時其效率會下降；該轉換器級在操作於較高的切換頻率(遠離其組件的共振頻率)處時並在產生小於其最大電流的電流時其效率會下降。

低電壓處的最大PFC效率及最大轉換器效率兩者會減輕總電源供應器效率。

本發明的目的係提供一種有效的電源供應器。

根據本發明，提供一種用於磁控管的電源供應器，該電源供應器包含：

‧一磁控管、切換式轉換器功率電路，該MSCPC有一控制輸入並且會被調適成用以在一正常控制電壓或一於一個方向中偏離該正常電壓的控制電壓被施加至該控制輸入時於被施加至該MSCPC的特定倍數DC電壓處產生一已提高的電壓並且在該控制電壓於另一個方向中偏離該正常電壓時於較少倍數處產生一已提高的電壓，該一個方向對該倍數沒有作用，而該另一個方向對該倍數則會產生作用，也就是，降低該倍數；

‧一DC電壓源，其會被安排成用以供應該DC電壓或是該DC電壓連同其中的增額給該MSCPC；

‧測量構件，用以測量通過該MSCPC以便驅動該磁控管之來自該DC電壓源的功率或電流；

‧轉換器控制構件，用以根據所希磁控管功率與該被測量的功率或電流之間的差值的函數施加一控制電壓至該MSCPC；以及

‧DC電壓控制構件，用以在對該倍數沒有作用的方向中將該控制電壓的偏離值傳送至該DC電壓源，以便使其供應已提高的DC電壓給該MSCPC；

該安排方式會使得在使用中達到：

‧當該轉換器控制構件施加該正常電壓至該MSCPC時，該MSCPC會被供應該DC電壓並且施加正常的功率至該磁控管，以便在正常的功率處操作它，

‧當該轉換器控制構件施加在有倍數作用方向中偏離的正常電壓時，該MSCPC會被供應該DC電壓並且施加較少的功率至該磁控管，以便在低於正常功率處操作它，以及

‧當該轉換器控制構件施加在無倍數作用方向中偏離的正常電壓時，該MSCPC會被供應已提高的DC電壓並且施加較高的功率至該磁控管，以便在高於正常功率處操作它。

本發明雖然設計成使得用以傳送控制電壓之偏離值的該DC電壓控制構件可能係一會被程式化成以被設定的方式來控制該電源供應器的微處理器；然而，在較佳的實施例中，用以傳送控制電壓之偏離值的該DC電壓控制構件(DC Voltage Control Means，DCVCM)卻係一硬體電路，用以從該轉換器的控制電壓處推知該電壓源的控制電壓。明確地說，該DCVCM係一被設置在該轉換器控制構件的一輸出以及該DC電壓源的一控制輸入之間的硬體電路，該電路會被調適並且會被安排成用以：

‧當所需要的磁控管輸出為正常值或較小值時，隔離該DC電壓源控制輸入與該轉換器控制構件的輸出，以及

‧將在無作用方向中偏離的控制電壓或是與其對應的訊號傳送至該DC電壓源控制輸入。

於該較佳的實施例中，該轉換器控制構件係：

‧一微處理器，其會被程式化成用以產生一表示該磁控管之所希輸出功率的控制電壓，以及

‧一積體電路，其會被安排在一回授迴路之中並且會被調適成用以根據來自該測量構件的電壓和來自該微處理器的電壓的比較結果來施加一控制訊號給該MSCPC，用以將該磁控管的功率控制在所希的功率處。

較佳的係，該測量構件係一電阻器，其會讓該MSCPC電流通過並且產生該比較電壓。

該較佳的硬體電路係一電晶體電路，其會被連接至一分壓器的共用點，用以控制該電壓源，該電晶體電路僅會在需要用到大於正常功率的功率時才向上偏壓該分壓器電壓。

參考圖1，用於磁控管的電源供應器1具有一PFC DC電壓源2以及一HV(高電壓)轉換器3。該電壓源係由市電來驅動並且會在線路5上供應市電電壓以上的DC電壓(其會由電容器4來平滑化)給該HV轉換器。該HV轉換器會供應切換式交流電流給變壓器6。這會供應較高電壓的交流電流給整流器7，接著，其會在線路8上供應該磁控管一高的磁控管供電陽極電壓。該電壓源與該轉換器的效率為95%或更高。然而，本發明希望在該等組件的實際效用如同整體效率的條件下來操作整個電源供應器。這在由該磁控管來供電的燈的情況中特別希望如此。該磁控管在啟動期間所需要的功率大於正常的功率，並且保持其輸出一直到其壽命結束為止。本發明係關於用於達到此目的並且同時在正常操作期間提供效率。藉由在正常操作期間於該DC電壓源以及該HV轉換器的最有效條件處來運轉它們便會達到後面的目的。

因為該HV轉換器本身有效率，所以，合理的預期被供應至該磁控管的功率接近被供應至且通過該HV轉換器的功率便可以藉由測量流過它的電流來控制它。據此，流過該轉換器的電流可能會被傳送經過一低值的電阻器並且跨越此電阻器的電壓會被饋送至一微處理器，作為要被供應至該磁控管的電流的指示符，更確地說，作為要被供應至該磁控管的功率的指示符，前提假設係被供應至該磁控管的電壓保持恆定，因為其在大部分的操作條件期間都係如此，如下面的更詳細解釋。

然而，在本實施例中，如同在2011年6月17日提申的共同待審國際專利申請案第PCT/GB2011/000920號的較佳實施例中(其說明一種HV轉換器之控制的改良方式)，跨越該低值的電阻器9的電壓係被饋送至一積分誤差放大器10(其係被具現為一運算放大器)的其中一個輸入。微處理器12會供應一訊號給該運算放大器的另一輸入，用以表示所希功率的所希電流。該運算放大器具有一積分回授電容器14並且會透過輸入組件15₁、15₂、15₃傳送一電壓給該HV轉換器的頻率控制電路15，用以表示所需要的電流。該微處理器會在線路16上接收一用以表示該電壓源電壓的輸入並且根據目前所需要的功率來計算所需要的電流。該轉換器(其亦被稱為磁控管、切換式轉換器功率電路)具有多個切換器17以及多個LC組件18，其包含該變壓器6的一次側。該變壓器的二次側20會供給一整流器21，用以施加DC陽極電壓至該磁控管。該變壓器的匝數比會達到提供最佳的陽極電壓給該磁控管。一般來說，十比一的比例會提供用於正常磁控管操作的3.5kV。

響應於該HV轉換器之線路16上的一輸入的結果如下：

‧當正常控制電壓(也就是，適用於該磁控管之正常完全功率操作的電壓)被施加至該轉換器時，例如，用以控制流經該轉換器與該測量電阻器的電流而使其成為最大值，其會施加正常的高電壓與功率至該磁控管，以便使其操作在正常的高功率處。該高電壓係該DC電壓源的電壓乘以該變壓器的匝數比；

‧當高於正常控制電壓的電壓被施加至該轉換器從而導致該轉換器頻率上升及其電流下降時，其會施加小於正常功率的功率至該磁控管。標稱電壓不會改變，該正常DC電壓會被施加至該轉換器，但是，該轉換器的電感性組件卻會阻止並降低該電流，從而降低送往該磁控管的功率。在小於正常功率的功率處來操作該磁控管意謂著在偏離其最有效的狀態中來運轉該磁控管；

‧當小於正常控制電壓的電壓被施加至該轉換器時，其便不會傳送大於其正常最大電流的電流。然而，如下面的解釋，大於正常控制電壓的電壓會造成該DC電壓源提高它的電壓，從而讓該轉換器施加大於正常電壓與功率的電壓與功率給該磁控管。在大於正常電壓的電壓處來操作該DC電壓源意謂著在偏離其最有效的狀態中來運轉該DC電壓源。

該DC電壓源具有一PFC電感器22，其會在一積體電路24的控制下由電晶體切換器23來切換。該電感器會促成該電壓源提供一可變的DC電壓。一輸入整流器25會被提供用以整流市電電壓。該電壓源的輸出電壓會受到監視並且藉由一分壓器26被回授至該積體電路。

根據本發明，此回授電壓會在必要時被控制電路27修正，以便控制要被施加至該HV轉換器的必要電壓。

該HV轉換器於操作在靠近該LC共振頻率之上的頻率處時會最有效率。一般來說，該LC共振頻率為50kHz而該轉換器會操作在52kHz與55kHz之間。該HV轉換器會操作在此範圍的下方端處以達正常的磁控管操作與功率。操作在該下方端頻率之上(因為可能必須降低轉換器電流及磁控管功率以便讓受到該磁控管驅動的燈變暗)意謂著效率會下降。在此操作中，該控制電路(用以控制該電壓源的電壓)並不會操作，從而不會修正由該電壓源所產生的電壓。這意謂著僅有一次效率下降，並且避免隨著PFC電壓源效率下降導致HV轉換器效率的複合性下降。

在啟動期間(尤其是當在寒冷的室外條件中啟動時)，該磁控管會需要高電壓與功率。同樣地，當一直到該磁控管壽命結束為止都可能需要較高的電壓時，或者當因為不良的冷卻作用而運轉在高熱處時，該磁控管便需要較高的功率。藉由讓該HV轉換器保持在其最大電流與效率處並且短暫提高電壓便會達到此目的。在此操作中，該控制電路會操作用以修正來自分壓器26的回授電壓。

該控制電路(用以控制該電壓源的電壓)會利用來自電流控制運算放大器的電壓。當此電壓在對應於正常電流與磁控管功率的位準處或者在此位準之上時(較高的電壓對應於較高的HV轉換器頻率以及送往該磁控管的較低電流)，該控制電路並不會操作。當該微處理器需要正常值以上的HV轉換器電流時，該運算放大器輸出便會下降。該HV轉換器會在其最低的操作頻率(最大電流)處並且不會發揮作用。該低電壓會被傳送至該電壓源，其能夠藉由提高由該電壓源產生的電壓來發揮作用並且達到此目的。這會有提高送往該磁控管之功率的效果，其形式係會有較高的陽極電壓，這會提高陽極電流(不同於HV轉換器電流)。

該控制電路包括一電晶體31，其會有一在線路32上被饋送至其基極的參考電壓。其集極會被連接至該分壓器26的共用點，該共用點係回授點。射極則會透過一電阻器33被連接至該運算放大器的輸出。

本實施例特有的組件的數值如下：

串聯電流測量電阻器　100mΩ，也就是，0.1Ω

‧回授電阻器R5　470Ω

‧電壓控制電阻器33　100kΩ

‧電位分割電阻器26₁　2MΩ

‧電位分割電阻器26₂　13kΩ

‧輸入電阻器15₁　18kΩ

‧輸入電容器15₂、15₃　470pF

‧積分電容器14　470nF

射極電壓係由該基極電壓來決定，該射極電壓比較低。當基極線路32上的參考電壓被設定為使得該射極電壓等於該運算放大器的輸出電壓時，不會有任何電流流過該電阻器33，例如，用以干擾該分壓器。因此，該集極電壓僅會由該分壓器來決定，其因而會導致該PFC電壓源產生它的正常DC電壓，其在市電電壓之上會依照正常的方式倍增強。此為正常的情形。換言之，該基極電壓會被設定用以讓該射極電壓等於該運算放大器電壓，其對應於正常的(實際上為最大值)HV轉換器電流及正常的磁控管功率。

倘若該運算放大器的輸出提高的話，響應於一外部控制訊號，藉由提供該轉換器頻率來降低該磁控管功率(其會減少陽極電流)，該高電壓會與該電壓源的分壓器隔離，該電晶體的基極/射極接面會被逆向偏壓。

倘若該運算放大器的輸出下降的話，則需要比在正常電壓時HV轉換器所能夠傳遞還多的磁控管功率，造成在跨越該電阻器33的方向中有電位差，使得電流能夠且確實流動。在該分壓器26之接面處的電壓會下降，而且該電壓源中的積體電路會發揮作用以提高在線路5上所產生的電壓，其效果係向上復原該分壓器接面電壓。隨著更多功率被供應至該磁控管，該等電路會趨於穩定。倘若這係啟動燈所必須的話，那麼經過一段週期之後便會恢復正常的功率。倘若這係必須的話，那麼因為該磁控管會逐漸邁向其壽命的終點，所以其會保持此高功率。假使該磁控管已經惡化至似乎需要超額功率的程度的話，那麼該微處理器便會藉由圖中並未顯示的構件來切換關閉該電源供應器。

應該明白的係，該微處理器雖然會控制該PFC電壓源；不過卻係透過該控制電路的媒介。

本發明不希望受限於上面所述實施例的細節。舉例來說，該微處理器可被程式化成用以保持恆定，或者，將該電壓源積體電路的控制電壓至少保持在該分壓器數值；並且僅在需要啟動或是其它異常高功率時降低該控制電壓(以便提高線路電壓5)。

進一步言之，在2011年6月17日提中的共同待審國際專利申請案第PCT/GB2011/000920號中還說明一種第二實施例，其中會藉由依附性地調整該HV轉換器電流來補償來自該DC電壓源的電壓中的漣波，以便讓該磁控管功率於整個漣波循環中都保持恆定。這係藉由在該運算放大器的測量輸入與該DC電壓線路之間連接一電阻器來達成。在本發明中亦會達到此改良。

1．．．電源供應器

2．．．PFC DC電壓源

3．．．HV(高電壓)轉換器

4．．．電容器

5．．．線路

6．．．變壓器

7．．．整流器

8．．．線路

9．．．電阻器

10．．．運算放大器

12．．．微處理器

14‧‧‧積分電容器

15‧‧‧頻率控制電路

15₁‧‧‧輸入電阻器

15₂、15₃‧‧‧輸入電容器

16‧‧‧線路

17‧‧‧切換器

18‧‧‧LC組件

20‧‧‧變壓器的二次側

21‧‧‧整流器

22‧‧‧PFC電感器

23‧‧‧電晶體切換器

24‧‧‧積體電路

25‧‧‧輸入整流器

26‧‧‧分壓器

26₁、26₂‧‧‧電阻器

27‧‧‧控制電路

31‧‧‧電晶體

32‧‧‧線路

33‧‧‧電阻器

為幫助瞭解本發明，上面已經透過範例並且參考隨附的圖式說明過本發明的一特定實施例，其中：

圖1所示的係根據本發明的一電源供應器的電路圖。

1．．．電源供應器

2．．．PFC DC電壓源

3．．．HV(高電壓)轉換器

4．．．電容器

5．．．線路

6．．．變壓器

7．．．整流器

8．．．線路

9．．．電阻器

10．．．運算放大器

12．．．微處理器

14．．．積分電容器

15．．．頻率控制電路

15₁．．．輸入電阻器

15₂、15₃．．．輸入電容器

16．．．線路

17．．．切換器

18．．．LC組件

20．．．變壓器的二次側

21．．．整流器

22．．．PFC電感器

23．．．電晶體切換器

24．．．積體電路

25．．．輸入整流器

26．．．分壓器

26₁、26₂．．．電阻器

27．．．控制電路

31．．．電晶體

32．．．線路

33．．．電阻器

Claims (11)

1. 一種用於磁控管的電源供應器，該電源供應器包含：‧一磁控管、切換式轉換器功率電路(MSCPC)，該MSCPC有一控制輸入並且會被調適成用以在一正常控制電壓或以於一個方向中偏離該正常控制電壓的一控制電壓被施加至該控制輸入時於被施加至該MSCPC的DC電壓的特定倍數處產生一已提高的電壓，且在該控制電壓於另一個方向中偏離該正常控制電壓時於較少倍數處產生一已提高的電壓，其中該一個方向對該倍數沒有作用，而該另一個方向對該倍數則會產生作用，也就是降低該倍數；‧一DC電壓源，其會被安排成用以供應該DC電壓或是該DC電壓連同其中的增額給該MSCPC；‧測量構件，用以測量來自該DC電壓源的功率或電流，其通過該MSCPC以驅動該磁控管；‧轉換器控制構件，用以根據所希磁控管功率與被測量的功率或電流之間的差值的函數而施加該正常控制電壓或該控制電壓至該MSCPC；以及‧DC電壓控制構件，用以在對該倍數沒有作用的該一個方向中將該控制電壓的偏離值傳送至該DC電壓源，從而予以供應已提高的DC電壓給該MSCPC；該安排方式會使得在使用中達到：‧當該轉換器控制構件施加該正常控制電壓至該MSCPC時，該MSCPC會被供應該DC電壓並且施加正常的功率至該磁控管，以便在正常的功率處進行操作， ‧當該轉換器控制構件施加在對該倍數有作用的該另一個方向中偏離的控制電壓時，該MSCPC會被供應該DC電壓並且施加較少的功率至該磁控管，以便在低於正常功率處進行操作，以及‧當該轉換器控制構件施加在對該倍數無作用的該一個方向中偏離的控制電壓時，該MSCPC會被供應已提高的DC電壓並且施加較高的功率至該磁控管，以便在高於正常功率處進行操作。
2. 如申請專利範圍第1項的電源供應器，其中該用以傳送控制電壓之偏離值的該DC電壓控制構件係一微處理器，其會被程式化成用以產生一表示該磁控管之所希輸出功率的控制電壓給該MSCPC，以便控制該磁控管的功率。
3. 如申請專利範圍第2項的電源供應器，其中用於測量功率或電流的該測量構件係一串聯該MSCPC的電阻器，該電阻器的一端會被接地，而另一端則會被連接至該MSCPC與該微處理器。
4. 如申請專利範圍第2或3項的電源供應器，其中該轉換器控制構件係該微處理器的一改造版，其會被程式化成以被設定的方式來控制該DC電壓源。
5. 如申請專利範圍第1項的電源供應器，其中該轉換器控制構件係：‧一微處理器，其會被程式化成用以產生一表示該磁控管之所希輸出功率的控制電壓，以及‧一積體電路，其會被安排在一回授迴路之中並且會 被調適成用以根據來自該測量構件的電壓和來自該微處理器的控制電壓的比較結果來施加一控制訊號給該MSCPC，用以將該磁控管的功率控制在所希輸出功率處。
6. 如申請專利範圍第5項的電源供應器，其中用於測量功率或電流的該測量構件係一串聯該MSCPC的電阻器，該電阻器的一端被接地，而另一端則被連接至該MSCPC、且透過一回授電阻器而被連接至該積體電路的一輸入。
7. 如申請專利範圍第5項或第6項的電源供應器，其中該積體電路係一被連接成為一誤差訊號放大器的運算放大器，其之誤差訊號係在用以表示對該MSCPC的電流之測量值的訊號和該磁控管之所希輸出功率之間的差值。
8. 如申請專利範圍第6項的電源供應器，其中一漣波平滑電阻器會被併入在該積體電路的輸入與一DC電壓源線路之間，其中該積體電路的輸入具有予以串聯相連的該電阻器。
9. 如申請專利範圍第5項、第6項、或第8項的電源供應器，其中該積體電路會被安排成一具有一回授電容器的積分器，藉此其輸出電壓會被調適成用以控制一電壓至頻率電路，以便控制該轉換器控制構件。
10. 如申請專利範圍第5項、第6項、或第8項的電源供應器，其中該用以傳送控制電壓之偏離值的DC電壓控制構件係一被設置在該積體電路的一輸出以及該DC電壓源的一控制輸入之間的硬體電路，該硬體電路會被調適成並且會被安排成用以： ‧當所需要的磁控管輸出為正常值或較小值時，隔離該DC電壓源的控制輸入與該積體電路的輸出，以及‧將在對該倍數無作用的該一個方向中偏離的控制電壓或是與其對應的訊號傳送至該DC電壓源的控制輸入。
11. 如申請專利範圍第10項的電源供應器，其中該硬體電路係一射極隨耦器電晶體電路，其會被連接用以偏壓一分壓器的一共用點，用以控制該DC電壓源，該射極隨耦器電晶體電路僅會在需要用到大於正常功率的功率時才向上偏壓該分壓器的電壓。