用于高效负载的负载控制设备制造技术

一种用于控制从AC电源输送到电负载的电力的负载控制设备可以包括晶闸管、栅极电流路径和控制电路。控制电路可以被配置为控制栅极电流路径，以传导栅极电流脉冲通过晶闸管的栅极端子，以在AC电源的半周期期间的激发时间使晶闸管导通。控制电路可以以第一栅极驱动模式操作，在第一栅极驱动模式下，控制电路在从激发时间起的脉冲时间段之后使栅极电流路径不导通。控制电路可以以第二栅极驱动模式操作，在第二栅极驱动模式下，控制电路在半周期期间在所述脉冲时间段之后维持栅极电流路径导通。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高效负载的负载控制设备对相关申请的交叉引用本申请要求于2015年9月4日提交的临时美国专利申请No.62/214,616的优先权。
本专利技术涉及用于控制输送到电负载的电力量的负载控制设备，并且更特别地涉及用于控制输送到照明负载(诸如高效负载)的电力的调光开关。现有技术的双线负载控制设备(诸如调光开关)耦合在交流(AC)电源和照明负载之间的串联电连接中，用于控制从AC电源输送到照明负载的电力量。双线壁挂式调光开关适于安装到标准电气壁箱并且包括两个负载端子：适于耦合到AC电源的热侧的热端子和适于耦合到照明负载的调光的热端子。换言之，双线调光开关不需要到AC电源的中性侧的连接(即，负载控制设备是“双线”设备)。现有技术的“三路”调光开关可以用于三路照明系统并且包括至少三个负载端子，但不需要到AC电源的中性侧的连接。调光开关可以包括用于接通和关断照明负载的拨动致动器以及用于调整照明负载的强度的强度调整致动器。更详细地描述现有技术调光开关的示例的是共同受让的于1993年9月28日颁发的标题为“LIGHTINGCONTROLDEVICE”的美国专利No.5,248,919；于2005年11月29日颁发的标题为“ELECTRONICCONTROLSYSTEMSANDMETHODS”的美国专利No.6,969,959；以及于2010年3月30日颁发的标题为“DIMMERSWITCHFORUSEWITHLIGHTINGCIRCUITSHAVINGTHREE-WAYSWITCHES”的美国专利No.7,687,940，其全部公开内容通过引用结合于此。调光开关通常包括双向半导体开关，例如反串联连接的晶闸管(诸如双向晶闸管)或两个场效应晶体管(FET)。双向半导体开关串联耦合在AC电源和负载之间，并且被控制为对于AC电源的半周期的一些部分为导通和不导通，从而控制输送到电负载的电力量。一般而言，调光开关使用正向相位控制调光技术或者反向相位控制调光技术，以便控制双向半导体开关何时导通和不导通，从而控制输送到负载的电力。对于正向相位控制调光，双向半导体开关在每个AC线路电压半周期内的某个点处变为导通，并且保持导通直到接近下一个电压过零为止，使得双向半导体开关对于每个半周期在导通时间内导通。过零定义为在每个半周期开始时AC线路电压从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性的时间。正向相位控制调光常常被用于控制输送到电阻性或电感性负载(其可以包括例如白炽灯或磁性低压变压器)的能量。正向相位控制调光开关的双向半导体开关可以被实现为晶闸管，诸如以反并联连接耦合的双向晶闸管或两个硅控整流器(SCR)(例如，因为当通过晶闸管传导的电流的幅度降低到接近零安培时晶闸管变为不导通)。许多正向相位控制调光器包括模拟控制电路(诸如定时电路)，用于控制晶闸管在AC电源的每个半周期何时导通。模拟控制电路通常包括电位计，该电位计可以响应于例如从线性滑块控件(control)或旋钮提供的用户输入而被调整，以便控制输送到照明负载的电力量。模拟控制电路通常与晶闸管并联，并且当晶闸管不导通时，通过照明负载传导小的定时电流。定时电流的幅度足够小，使得当照明负载关断时受控照明负载不被点亮至人眼可感知的水平。晶闸管的典型特征在于额定闭锁电流和额定保持电流，并且包括两个主负载端子和控制端子(例如，栅极)。当通过晶闸管的主端子传导的电流超过闭锁电流时，晶闸管可以变得完全导通。如果通过晶闸管的主端子传导的电流保持高于保持电流，则晶闸管可以保持处于完全导通。由于白炽灯是电阻性照明负载，因此，如果白炽灯的阻抗足够低，则典型的正向相位控制调光开关可操作以通过白炽灯传导足够的电流至超过晶闸管的额定闭锁电流和保持电流。因此，现有技术的正向相位控制调光开关通常被额定为与具有高于最小额定功率(例如，近似40W)的额定功率的照明负载适当地操作，使得晶闸管在对照明负载进行调光时将能够闭锁并保持闭锁。一些现有技术的调光开关已经包括两个耦合在一起的双向晶闸管，以克服与双向晶闸管的额定闭锁电流和保持电流相关的一些问题，例如，如在共同受让的于1990年9月4日颁发的标题为“TWOWIRELOWVOLTAGEDIMMER”的美国专利No.4,954,768中更详细描述的。这种现有技术的调光开关可以包括以低额定功率及低闭锁电流和保持电流为特征的第一双向晶闸管以及以高额定功率及高闭锁电流和保持电流为特征的第二双向晶闸管。第一双向晶闸管的主负载端子耦合在第二双向晶闸管的主负载端子之一与栅极之间。此外，电阻器耦合在第二双向晶闸管的另一个主负载端子与栅极之间。如果负载电流的幅度小，则当传导电流脉冲通过栅极时，第一双向晶闸管导通，并且保持闭锁直到负载电流的幅度降至低于第一双向晶闸管的保持电流(例如，在半周期结束时)。如果负载电流的幅度大，则第一双向晶闸管传导栅极电流脉冲通过第二双向晶闸管的栅极，以使第二双向晶闸管导通，并且第二双向晶闸管传导负载电流。由于当第二双向晶闸管导通时第一双向晶闸管两端的电压下降到接近零伏，因此在第二双向晶闸管导通后第一双向晶闸管变为不导通。第二双向晶闸管保持导通，直到负载电流的幅度降至低于第二双向晶闸管的保持电流(例如，在半周期结束时)。当使用反向相位控制调光时，可以使双向半导体开关在AC线路电压的过零处变为导通，并且使其在AC线路电压的每个半周期内的某点处不导通，使得双向半导体开关对于每个半周期在导通时间内导通。反向相位控制调光可以被用于控制到电容性负载(其可以包括例如电子低电压变压器)的能量。由于可以使双向半导体开关在半周期开始时导通，并且可以使其在半周期内不导通，因此调光开关可以包括处于反串联连接的两个FET(诸如此类)，以便执行反向相位控制调光。FET可操作以独立于通过FET传导的电流的幅度而导通并保持导通。换言之，FET不受额定闭锁电流或保持电流的限制(例如，像晶闸管可能的那样)。但是，现有技术的反向相位控制调光开关具有用于控制FET的操作的所需的中性连接和/或高级控制电路(诸如微处理器)。为了向微处理器供电，调光开关还必须包括电源，电源通常与FET并联耦合。这些先进的控制电路和电源增加了现有技术的基于FET的反向相位控制调光开关的成本(例如，与模拟正向相位控制调光开关相比)。另外，在很多情况下甚至在照明负载关断时，为了适当地充电，这种双线调光开关的电源可以在电源两端产生电压量并且可以通过电负载从AC电源传导充电电流。如果照明负载的额定功率太低，则当照明负载关断时由电源通过照明负载传导的充电电流可能足够大以使照明负载点亮至人眼可感知的水平。因此，现有技术的基于FET的反向相位控制调光开关通常被额定为与具有最小额定功率以上的额定功率的照明负载适当地操作，使得照明负载不会点亮至人眼可感知的水平(例如，由于照明负载关断时的电源电流)。一些现有技术的负载控制设备已经包括仅在充电时产生小电压并且汲取小电流的电源，使得控制照明负载的最小额定功率可以低至10瓦。在共同受让的于2010年3月31日提交的标题为“SMARTELECTRONICSWITCHFORLOW-POWERLOADS”的美国专利申请No.12/751,324中更详细地描述了这种电源的示例，该申请的全部公开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负载控制设备，用于控制从AC电源向电负载输送的电力，所述负载控制设备包括：晶闸管，适于电耦合在AC电源与电负载之间，晶闸管包括第一主端子、第二主端子和栅极端子，第一主端子和第二主端子被配置为传导电流以激励电负载，栅极端子被配置为传导电流以使晶闸管导通；栅极电流路径，连接到栅极端子，栅极电流路径包括栅极耦合电路并且被配置为将电流传导通过晶闸管的栅极端子；以及控制电路，电耦合到栅极耦合电路以控制栅极电流路径，控制电路被配置为控制栅极电流路径，以在AC电源的半周期期间的激发时间传导电流脉冲通过晶闸管的栅极端子以使晶闸管导通，控制电路还被配置为以第一栅极驱动模式和第二栅极驱动模式进行操作，其中，在第一栅极驱动模式下，在AC电源的半周期期间，控制电路使栅极电流路径在脉冲时间段内导通并且使栅极电流路径在所述脉冲时间段之后不导通，并且其中，在第二栅极驱动模式下，在AC电源的半周期期间，控制电路维持栅极电流路径在所述脉冲时间段之后导通，以允许至少一个其它电流脉冲在所述脉冲时间段之后被传导通过晶闸管的栅极端子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.04 US 62/214,6161.一种负载控制设备，用于控制从AC电源向电负载输送的电力，所述负载控制设备包括：晶闸管，适于电耦合在AC电源与电负载之间，晶闸管包括第一主端子、第二主端子和栅极端子，第一主端子和第二主端子被配置为传导电流以激励电负载，栅极端子被配置为传导电流以使晶闸管导通；栅极电流路径，连接到栅极端子，栅极电流路径包括栅极耦合电路并且被配置为将电流传导通过晶闸管的栅极端子；以及控制电路，电耦合到栅极耦合电路以控制栅极电流路径，控制电路被配置为控制栅极电流路径，以在AC电源的半周期期间的激发时间传导电流脉冲通过晶闸管的栅极端子以使晶闸管导通，控制电路还被配置为以第一栅极驱动模式和第二栅极驱动模式进行操作，其中，在第一栅极驱动模式下，在AC电源的半周期期间，控制电路使栅极电流路径在脉冲时间段内导通并且使栅极电流路径在所述脉冲时间段之后不导通，并且其中，在第二栅极驱动模式下，在AC电源的半周期期间，控制电路维持栅极电流路径在所述脉冲时间段之后导通，以允许至少一个其它电流脉冲在所述脉冲时间段之后被传导通过晶闸管的栅极端子。2.如权利要求1所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在接通电负载时以第一栅极驱动模式操作，并且当处于稳态状况时以第二栅极驱动模式操作。3.如权利要求1所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在AC电源的第一多个半周期内以第一栅极驱动模式操作，并且在AC电源的所述第一多个半周期之后的第二多个半周期内以第二栅极驱动模式操作。4.如权利要求3所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在所述第一多个半周期中的第一半周期期间将所述脉冲时间段控制为最小脉冲时间段，并且在所述第一多个半周期中的后续半周期期间增加所述脉冲时间段。5.如权利要求4所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在以第一栅极驱动模式操作时周期性地增加所述脉冲时间段。6.如权利要求5所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在所述第一多个半周期中的每一个半周期中增加所述脉冲时间段。7.如权利要求5所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在以第一栅极驱动模式操作时周期性地增加所述脉冲时间段，直到所述脉冲时间段等于最大脉冲时间段。8.如权利要求7所述的负载控制设备，其中，在第二栅极驱动模式期间，控制电路被配置为在所述第二多个半周期中的每一个半周期中维持栅极电流路径在最大脉冲时间段内导通。9.如权利要求8所述的负载控制设备，其中最大脉冲时间段取决于第二栅极驱动模式的激发时间。10.如权利要求7所述的负载控制设备，其中控制电路在此期间将所述脉冲时间段从最小脉冲时间段增加到最大脉冲时间段的半周期的数量取决于第二栅极驱动模式的激发时间。11.如权利要求3所述的负载控制设备，其中在控制电路以第一栅极驱动模式操作时，所述脉冲时间段恒定。12.如权利要求1所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在接通电负载时以第二栅极驱动模式操作，在使用第二栅极驱动模式接通电负载时检测故障状况，在接通电负载时在AC电源的第一多个半周期内切换到第一栅极驱动模式，并且在AC电源的在所述第一多个半周期之后的第二多个半周期内以第二栅极驱动模式操作。13.如权利要求1所述的负载控制设备，还包括：第一过零检测电路，被配置为生成提供AC电源的过零的指示的第一过零信号；其中控制电路被配置为基于第一过零信号控制栅极电流路径以传导电流脉冲通过晶闸管的栅极端子，以在AC电源的半周期期间的激发时间使晶闸管导通。14.如权利要求13所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在过零窗口期间对第一过零信号进行采样，并且确定第一过零信号是否指示AC电源在所述过零窗口期间的过零。15.如权利要求14所述的负载控制设备，其中控制电路被配置为在接通电负载时以第二栅极驱动模式操作，并且在使用第二栅极驱动模式接通电负载时确定第一过零信号不指示AC电源在过零窗口期间的过零，控制电路被配置为随后在接通电负载时以第一栅极驱动模式操作。16.如权利要求13所述的负载控制设备，其中第一过零检测电路与晶闸管并联耦合。17.如权利要求16所述的负载控制设备，还包括：第二过零检测电路，适于与AC电源并联耦合，所述第二过零检测电路被配置为生成提供AC电源的过零的指示的第二过零信号；其中控制电路被配置为确定第二过零检测电路与AC电源并联耦合，并且在接通电负载时以及在处于稳态状况时基于该确定而以第一栅极驱动模式操作。18.如权利要求1所述的负载控制设备，其中栅极电流路径还包括可控开关电路，所述可控开关电路被配置为串联电耦合在栅极耦合电路与晶闸管的栅极端子之间，并且将电流传导通过晶闸管的栅极端子，并且其中控制电路被配置为使可控开关电路导通并且控制栅极耦合电路在激发时间传导电流脉冲通过晶闸管的栅极端子，以使晶闸管导通。19.如权利要求18所述的负载控制设备，其中，当以第二栅极驱动模式操作时，控制电路被配置为在AC电源的半周期结束之前使可控开关电路不导通，以防止更多电流脉冲被传导通过晶闸管的栅极端子。20.如权利要求19所述的负载控制设备，其中在控制电路使可控开关电路不导通之后，晶闸管能够换向，控制电路还被配置为维持可控开关电路不导通直到至少AC电源的后续半周期开始。21.如权利要求20所述的负载控制设备，其中栅极耦合电路包括以反串联连接电耦合在晶闸管的第一主端子与可控开关电路之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·L·马卡达姆，J·T·帕伦特，R·维特曼，
申请(专利权)人：卢特龙电子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US