TW200906230A - Symmetrical RF power supply for inductively coupled electrodeless lamps - Google Patents

Description

200906230 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本專利申請書係要求在2007年5月10日所申請之美 國臨時申請案第60/928,603號之優先權，在此將其揭露完 全納入參考。 【先前技術】^ 本發明係關於一種射頻（RF)電源供應器，用以操作無 電極燈，如日光燈，汞燈，或高亮度放電無電極燈。RF電 源供應器將DC電壓轉換成適用於燈泡之射頻，而且其典 型爲燈泡之電子安定器的部分。RF電源供應器包含耦合到 無電極燈之安定電感器，以點燃並保持在燈泡放電氣體中 之電漿，不用在燈泡中提供電極。 因爲除了 RF電源供應器之外，完整的電子安定器還包 含許多構件（如EMI濾波器，整流器，PFC升壓級’ DC匯 流電解質電容器），所以RF電源供應器的效率期望爲9 5 % 或更高，而商品化的電源供應器則此無法達到此效率。發 現改善效率的關鍵因素之一係減少耦合到燈泡之安定電感 器中的功率損失。 第1圖爲效率約爲91.7%之RF電源供應器的習知電 路。DC電源E以電解質電容器（寄生電感）CQ，將DC電壓 傳輸到D C軌道對。在操作期間，第一電感器L1感應稱合 到燈泡D。電晶體S !和S2以藉由驅動變壓器Dt傳輸之弦 波電壓（8-9Vp)驅動，其藉由電容器Cp’ CG’和CiSS調到 特定頻率（2·6ΜΗζ)。回授電容器Ci耦合驅動變壓器Dt和 輸出電壓V,。振盪電容器CR並聯到第一電感器Li ’而稱 200906230 合電容器Cc透過安定電感器Ll將驅動變壓器Dt的輸出端 連接到第一電感器1^的其中之一輸入端。振盪電路被調整 在頻率 fRS(2.45MHz)，其略低於結果操作頻率 (f〇^2.5MHz)。此RF電源供應器具有i3_5w的損失，其中 的7.8W係貢獻給安定電感器Ll。此電路在美國專利第 5,962,987號有進一步的說明。此電路特別的參數示於表 1(在第5圖），其中包含習知技術（第1圖到第2圖）和本發 明（第3圖到第4圖）在相當的輸入參數設定下之RF電源供 應器的操作特性，使得結果可以很容易比較。 第2圖爲第1圖電路的變化，其中藉由半電橋所觀察 到的電壓（在CR上的電壓VG)係藉由插入一個與第一電感 器L!串接之額外電容器Cs而減少，因此可以避免本體耦 合電容器Cc。此可以減少安定電感器Ll的電感値，於是 可以減少安定電感器 Ll的損失。CS的電壓降係 Vc^hXcs，其在本範例中約爲190V。此可以減少在CR上 所觀察到的電壓Vg，從5 5 0V到3 60V，減少35%。其次， 此可以減少安定電感器U的電感値35%，從37μΗ到 24 μΗ。藉由減少IL和包含在半電橋中點電壓內之基本正弦 波 VCf之間的相位角，安定電感器的電流也可以從 3.8App減少到3.4App，其中由於ZVS使得基本正弦波係 梯形。結果，安定電感器的損失可以減少到約4.4W (電晶 體81和S2的損失還有3.6W)，所以總損失爲9_4W，於是 效率可以從9 1.7 %增加到9 4.1 %。此電路在美國專利第 5,446,350號有進一步的說明。第2圖之電路的特別參數也 示於表1。 200906230 本發明之目的係要提供一種用於無電極燈之新型RF 電源供應器，其效率至少有9 5 %。 本發明之另一目的係要提供一種用於無電極燈之新型 RF電源供應器，其中燈的感應線圈（第一電感器Ll)係被連 接到對稱π濾波器，以進一步減少安定電感器Ll的損失。 本發明之再一目的係要提供一種用於無電極燈之新型 RF電源供應器’其中燈泡包含：DC軌道對，一 RF反相器， 其具有連接在軌道之間的電源輸入端，一第一電感器，其 ( 排列以電感耦合無電極燈，其中對稱π濾波器包含第一和 第二振盪電容器’其將第一電感器的兩個輸入端個別的其 中一端各自連接到相同DC軌道對的第一軌道，及一第二 (安定）電感器，其將RF反相器的輸出連接到第一電感器的 兩個輸入端的其中一端。 在考慮下面的圖式和優選實施例的說明之後，對於熟 悉本發明技術的那些人士，本發明這些和其他的目的，與 優點將會顯現。 【實施方式】

•V 現在參考第3圖，在本發明中，用於無電極燈D之RF 電源供應器包含：一 DC軌道對接受來自DC電源E之DC 電源，一 RF反相器，其具有連接在軌道之間的電源輸入端 (反相器包含驅動變壓器Dt與電晶體開關Sl和S2)，一第 一電感器L!，其電感耦合燈泡D，第一和第二振盪電容器 (^和C2，其將第一電感器L!的兩個輸入端個別的其中一 端各自連接到相同DC軌道對的第一軌道，及一第一（安定） 電感器Ll，其將RF反相器的輸出連接到第—電感器川的 200906230 兩個輸入端的其中一端。RF反相器可以爲全電橋或半電橋 反相器。 第3圖實施例的操作特性示於表丨（在第5圖），其與第 1圖和第2圖的輸入參數相同，所以可以直接作比較。列 於表1之操作特性將會被那些熟悉此項技術之人士體會， 因此不需要詳細說明。但是，應該注意安定電感器的損失 減少到2.7W(而開關St和S2的損失減少到2.4W)，所以效 率增加到9 6.0 °/〇。 明顯地’燈泡電感器，第一電感器L,，係連接對稱π 濾波器，因此可以藉由兩個相等但反相的電壓VC1和VC2 供應。它們的和係燈泡電壓V !。燈泡電流係第二振盪電容 器C2的電流；即Iplu。在根據表1的輸入參數之範例中， 半電橋只觀察到Vi (27 7V)的一半，而且第二（安定）電感器 只有18·4μΗ。連續此範例並再參考表1，電流Il = 1.13A 係I c 1 = 3 · 1 A和I i = 2 · 2 5 A的向量和，但是此爲最小値’而其 中電流爲3.2APP。在此第二電感器Ll具有2.7W損失，開 關Sj[] S2具有2.4W損失，Dt具有0_4W損失，及振盪電 容器山和C2具有0.3W損失之組態中，總損失爲6.3W， 所以效率可以達到9 6 %。 因爲在電感線圈和電漿之間有很低的磁耦合，所以此 酉己置特別適合具有低功率因子（ΡΡ = (：〇3φι<0.2)之無電極 燈。此合適性也可以藉由低線圏電感値和低操作頻率增強。 在應用到第一電感器Li的HF電位被減半方面，本發 明可以提供更多的優點，使得燈泡中螢光粉的離子轟擊可 以減少四倍。此可以提供壽命較長的燈泡，和減少燈泡的 200906230 維修。有關於一個EMI抑制之額外的優點係對地只有一半 的RF電位，此可以很容易在燈泡安定範圍內抑制共模干 涉。因此，在某些燈泡中，可以避免使用電場補償雙電感 線圈。 第4圖爲本發明之RF電源供應器之另一實施例。在本 實施例中。振盪電容器（^和C2係分開的，而且連接到個 別的DC軌道。換言之，電源供應器包含第三和第四振盪 電容器其將第一電感器Ll的兩個輸入端個別的其中一端各 f 自連接到相同DC軌道對的第二軌道（與第一實施例中C, 和C 2所連接的軌道不同）。在相似的方式下，回授電容器 c i係分開的，而且連接到相對的軌道。此種配置可以減少 電解質電容器CQ的高頻漣波電流，而且更容易抑制EMI。 再者’可以加入低通濾波器，其中包含電容器Cf和電 感器L f ’以過濾在2.5 Μ Η z因E S R所造成之剩餘干涉，所 以從處理ΕΜΙ的觀點，可以過濾寄生電感cQ，使RF電源 供應器爲中性。 I 値得注意地，第4圖的電路也可以將CG的損失顯著減 少0.5 W ’使得效率還可以改善到9 6.3 %。 第4圖的電路之變化例示於第6圖，多出電容器<：5係 連接在第一節點和第二節點之間，其中第一節點係在回授 電容器Ci/2對之間，而第二節點係在振盪電容器Cl/2之 間。多出電容器C5係任選的，而其可用以減少S !和S2 (在 第6圖中的Q 1和q2)的開關on閘控制之間的失效時間。 本發明之對稱拓樸允許藉由最小化儲存在安定電感器 內的能量完成很低的損失和很長的壽命，藉由燈泡的電感 200906230 線圈減少離子轟擊，減少振盪電容器內的應力，及降低干 涉程度，使可以很容易抑制EMI。 雖然本發明之實施例已在上述的說B月書和圖式中詳細 說明，但是應該瞭解：當根據說明書和圖式閱讀時，本發 明係藉由下面的申請專利範圍界定。 【圖式簡單說明】 第1圖爲習知技術之RF電源供應器的電路圖； 第2圖爲習知技術之另一 RF電源供應器的電路圖； f 第3圖爲本發明之RF電源供應器實施例的電路圖； 第4圖爲本發明之RF電源供應器第二實施例的電路 圖； 第5圖爲表1 ;及 第6圖爲本發明之RF電源供應器第二實施例的變化 例。 【主要元件符號說明】 C〇 電解質電容器 C, 第一振盪電容器 C2 第二振盪電容器 第一電感器 Lf 電感器 D 燈泡 S,,s2 電晶體 Dt 驅動變壓器 Cf,Cp,CG,Cjss 電容器 -10- 200906230

Ci 回授電容器 Cc 稱合電容器 Ll 安定電感器（第二電感器） Vi 輸出電壓 VG,VCS 電壓 Cs 額外電容器 C5 多出電容器 11 ,1C 1 ,1C 2 電流 -11-

Claims (1)

1. 200906230 十、申請專利範圍： 1.—種用於無電極燈之射頻（RF)電源供應器，包括： 一對DC軌道； 一 RF反相器，其具有連接在該DC軌道對之間的電源 輸入iW， 一第一電感器，其排列以電感耦合無電極燈； 第一和第二振盪電容器，其將該第一電感器的兩個輸 入端個別的其中一端各自連接到相同該D C軌道對的第 一軌道；及 一第二電感器，其將該RF反相器的輸出連接到該第一 電感器的兩個輸入端的其中一端。 2 .如申請專利範圍第1項之電源供應器，還包括第三和第 四振盪電容器，其將該第一電感器的兩個輸入端個別的 其中一端各自連接到相同該DC軌道對的第二軌道。 3 .如申請專利範圍第2項之電源供應器，其中該第一和第 三振盪電容器具有相同的電容値。 4.如申請專利範圍第3項之電源供應器，其中該第二和第 四振盪電容器具有相同的電容値。 5 .如申請專利範圍第2項之電源供應器’還包括兩個回授 電容器，其將該RF反相器的驅動變壓器連接到該DC軌 道對個別軌道。 6 ·如申請專利範圍第5項之電源供應器，其中該兩個回授 電容器具有相同的電容値。 -12- 200906230 7.如申請專利範圍第5項之電源供應器，還包括一多出電 容器，其連接在第一節點和第二節點之間，其中第一節 點係在該第一和第二回授電容器之間，而該第二節點係 在第一和第三振盪電容器之間。 8 ·如申請專利範圍第1項之電源供應器，其中該rf反相器 包括一驅動變壓器和兩個控制該驅動變壓器的操作之開 關’該兩個開關係藉由燈泡輸入電壓之導數的回授控 制’該導數係藉由高通電容器提供，其中包括一第一回 授電容器，其連接在該驅動變壓器和該DC軌道對的第一 軌道之間，及一第二回授電容器，其連接在該驅動變壓 器和該DC軌道對的第二軌道之間。 9 .如申請專利範圍第1項之電源供應器，其中該RF反相器 係全電橋和半電橋反相器其中之一。 1 〇 ·如申請專利範圍第1項之電源供應器，其中電源供應器 的效率至少9 5 %。 -13-