用于低功率负载的两线式调光开关制造技术

一种用于控制从交流电源传输到电气负载(例如，高效率照明负载)的功率大小的两线式负载控制装置(例如，调光开关)，包括耦合连接在所述电源与所述负载之间的晶闸管，耦合连接在第一主负载端与所述晶闸管的栅极之间的栅极耦合电路，以及耦合连接到所述栅极耦合电路的控制输入端的控制电路。所述控制电路产生驱动电压，用于使所述栅极耦合电路导通栅极电流，因而使所述晶闸管在交流电源的半周期中在点火时间导通，并且允许所述栅极耦合电路在该半周期中的大致剩余部分期间从点火时间起的任何时间导通所述的栅极电流，其中所述栅极耦合电路传导大致无净平均电流来呈现并保持该晶闸管导通。

【技术实现步骤摘要】
用于低功率负载的两线式调光开关本专利技术的
技术介绍
本案是分案申请，本分案的母案是申请日为2012年9月13日、申请号为201280055749.5、专利技术名称是“用于低功率负载的两线式调光开关”的专利技术专利申请案。本专利技术的
本申请是于2011年9月14日提交的、题为“用于低功率负载的两线式调光开关”的共同转让的美国专利申请No.13/232,344的部分继续申请，该专利申请是于2010年11月23日提交的、题为“用于低功率负载的两线式调光开关”的共同转让的美国专利申请No.12/952,920的部分继续申请，其要求于2009年11月25日提交的美国临时专利申请No.61/264,528以及于2010年5月10日提交的美国临时专利申请No.61/333,050的优先权益，这两个临时专利申请均题为“用于低功率负载的两线式模拟调光开关”，上述这些专利申请的全部公开内容通过引用的方式并入本申请中。
本专利技术涉及一种用于控制传输到电气负载的功率大小的负载控制装置，并且更具体地讲，涉及一种用于控制低功率照明负载的强度的两线式模拟调光开关，这种负载例如具有发光二极管(LED)驱动电路的LED光源或者具有电子调光整流器的荧光灯。
技术介绍
现有的两线式调光开关以串联电气连接的方式耦合连接在交流(AC)电源与照明负载之间，用于控制从交流电源传递到照明负载的功率大小。一种壁挂两线式调光开关被适配安装在标准的电墙盒中，并且包括两个负载端：一个热端被适配成耦合连接到交流电源的高电位侧，以及一个调光的热端被适配成耦合连接到所述的照明负载。换句话讲，两线式调光开关不需要连接到交流电源的中性线端(即，该负载控制设备是一种“两线式”设备)。现有技术的“三路”调光开关可以用于三路照明系统中，并且包括至少三个负载端，但是不需要连接到交流电源的中性线端。典型地，调光开关包括双向半导体开关，例如，晶闸管(例如，三端双向可控硅开关元件)或反串联连接的场效应晶体管(FETS)。所述双向半导体开关串联耦合连接在交流电源与负载之间，并且被控制成在交流电压的半周期的部分导通和不导通，由此来控制传输到该电气负载的功率大小。一般来讲，调光开关可使用前锋相位控制调光技术亦或反向相位控制调光技术来控制何时使所述双向半导体开关呈现导通和不导通，由此控制传输到负载的功率。调光开关可以包括一拨动切换器，用于点亮和断开照明负载；以及包括一强度调节器，用于调节照明负载的光强。现有技术的调光开关的实例在以下文献中有更详细地描述，详见于1993年9月29日公开的、题为“照明控制装置”的共同转让的美国专利No.5,248,919；于2005年11月29日公开的、题为“电子控制系统与方法”的美国专利No.6,969,959；以及于2010年3月30日公开的、题为“用于具有三路开关照明电路的调光开关”的美国专利No.7,687,940，上述这些专利的公开内容通过引用的方式并入本申请中。在使用前锋相位控制调光时，所述的双向半导体开关在每个交流线电压半周期内的某个点呈现导通，并且保持导通状态直到接近下一个电压过零点，使得双向半导体开关在每个半周期内导通一定的导通时间。过零点被定义为在每个半周期开始时交流线电压从正极过渡到负极或者从负极过渡到正极的时间。前锋相位控制调光通常用于控制传输到电阻性负载或电感性负载的能量，这些负载可以包括例如白炽灯或磁性低压变压器。前锋相位控制调光开关的双向半导体开关通常采用晶闸管，例如，三端双向可控硅开关元件或耦合成反并联连接的两个可控硅整流器(SCRS)，因为当通过晶闸管的电流的幅值减小到接近零安培时，该晶闸管变成不导通。许多前锋相位控制调光器包括模拟控制电路(例如，定时电路)，用于控制何时该晶闸管在交流电源的每个半周期呈现导通。典型地，此类模拟控制电路包括一电位器，可以响应于用户操作例如线性滑块控件或旋钮所提供的输入进行调节，以便控制传输到照明负载的功率大小。典型地，模拟控制电路与晶闸管并联连接,并且当晶闸管处于非导通状态时，传导一小的定时电流流过照明负载，该定时电流的幅值足够小，以使得当照明负载断开时受控的照明负载不会产生人眼容易发现的照明。典型地，晶闸管的特征在于具有一额定锁存电流和一额定保持电流，并且包括两个主负载端以及一个控制端(即，栅极)。流过晶闸管的主端的电流必须大于所述的锁存电流，以使晶闸管变成完全导通。此外，流过晶闸管的主端的电流必须保持在所述的保持电流以上，以使晶闸管保持完全导通。由于白炽灯是电阻式照明负载，所以典型的前锋相位控制调光开关是可调节的，以便当白炽灯的阻抗足够低时可导通足够的电流通过白炽灯，以超过晶闸管的额定锁存电流和保持电流。因此，现有技术的前向控制调光开关一般适合为其额定功率在最小额定功率(例如，大约40W)以上的照明负载工作，以保证晶闸管当对照明负载进行调光时能够锁存并且保持在锁存状态。一些现有的调光开关包括两个相互连接在一起的三端双向可控硅开关元件，以三端双向可控硅开关元件的额定锁存电流和保持电流有关的一些需要克服的问题参见于1990年9月4日公布的、题为“两线式电压调光”的共同转让的美国专利No.4,954,768，其中有更为详细的描述。这种现有的调光开关可以包括第一和第二三端双向可控硅开关元件，前者的特征在于具有低额定功率以及低锁存电流和保持电流，而第二三端双向可控硅开关元件的特征在于具有高额定功率和高锁存电流和保持电流。第一三端双向可控硅开关元件的主负载端被耦合连接在该主负载端之一和第二三端双向可控硅开关元件的栅极之间。此外，一电阻器耦合连接在另一个主负载端与第二三端双向可控硅开关元件的栅极之间。如果负载电流的幅值较小，那么当一个脉冲电流流过栅极时第一三端双向可控硅开关元件呈现导通并保持锁存直到负载电流的幅值降低到第一三端双向可控硅开关元件的保持电流以下(即，在半周期的末端)。如果负载电流的幅值较大，那么第一三端双向可控硅开关元件传导一个栅极电流脉冲流过第二三端双向可控硅开关元件的栅极，以使第二三端双向可控硅开关元件呈现导通，并且第二三端双向可控硅开关元件传导所述负载电流。由于第一三端双向可控硅开关元件两端的电压在第二三端双向可控硅开关元件导通时降低到大约为零伏特，所以第一三端双向可控硅开关元件在第二三端双向可控硅开关元件导通之后变成不导通。第二三端双向可控硅开关元件保持导通状态直到负载电流的幅值降低到第二三端双向可控硅开关元件的保持电流以下(即，在半周期的末端)。在使用反向相位控制调光时，双向半导体开关在交流线电压的过零点时呈现导通，并在交流线电压的每个半周期内的某一点呈现非导通，使得双向半导体开关在每个半周期内导通一定的导通时间。反向相位控制调光通常用于控制传输到电容式负载的能量，此类负载可以包括例如电子式低压变压器。由于在半周期开始时必须使双向半导体开关导通，并且必须能够在这个半周期内使其不导通，所以反向相位控制调光需要调光开关具有两个反串联的FETS等。每个FET是可操作的，以独立于流过FET的电流的幅值被导通并且保持导通状态。换句话讲，每个FET因为是晶闸管，它不受额定锁存或保持电流的限制。然而，现有的反向相位控制调光开关需要连接中性线和/或先行控制FETS操作的控制电路(例如，微处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负载控制装置，用于控制从交流电源传输到电气负载的功率大小，所述负载控制装置包括：晶闸管，具有第一和第二主负载端，该晶闸管以串联电气连接的方式耦合连接在所述交流电源与所述电气负载之间，用于将负载电流从所述交流电源传导到所述电气负载，所述晶闸管具有栅极，用于传导栅极电流以驱动所述晶闸管导通；栅极耦合电路，耦合连接以传导所述栅极电流流过所述晶闸管的所述栅极；可控开关电路，耦合连接在所述栅极耦合电路与所述晶闸管的所述栅极之间，用于在所述可控开关电路导通时传导所述栅极电流；以及控制电路，可操作的使所述可控开关电路导通和控制所述栅极耦合电路引发栅极耦合电路向晶闸管传导所述栅极电流，以使所述晶闸管在所述交流电源的半周期期间在点火时间变为导通，所述控制电路继续控制所述栅极耦合电路，使得所述栅极耦合电路能够在所述点火时间之后再次传导所述栅极电流，所述控制电路使所述可控开关电路在所述半周期末之前变为不导通，以使所述栅极耦合电路在所述可控开关电路变成不导通之后，无法传导所述栅极电流流过所述晶闸管的所述栅极。

【技术特征摘要】
2011.09.14 US 13/232,344;2012.04.27 US 13/458,3241.一种负载控制装置，用于控制从交流电源传输到电气负载的功率大小，所述负载控制装置包括：晶闸管，具有第一和第二主负载端，该晶闸管以串联电气连接的方式耦合连接在所述交流电源与所述电气负载之间，用于将负载电流从所述交流电源传导到所述电气负载，所述晶闸管具有栅极，用于传导栅极电流以驱动所述晶闸管导通；栅极耦合电路，耦合连接以传导所述栅极电流流过所述晶闸管的所述栅极；可控开关电路，耦合连接在所述栅极耦合电路与所述晶闸管的所述栅极之间，用于在所述可控开关电路导通时传导所述栅极电流；以及控制电路，可操作的使所述可控开关电路导通和控制所述栅极耦合电路引发栅极耦合电路向晶闸管传导所述栅极电流，以使所述晶闸管在所述交流电源的半周期期间在点火时间变为导通，所述控制电路继续控制所述栅极耦合电路，使得所述栅极耦合电路能够在所述点火时间之后再次传导所述栅极电流，所述控制电路使所述可控开关电路在所述半周期末之前变为不导通，以使所述栅极耦合电路在所述可控开关电路变成不导通之后，无法传导所述栅极电流流过所述晶闸管的所述栅极。2.如权利要求1所述的负载控制装置，其中所述栅极耦合电路包括以反串联连接方式耦合连接在所述晶闸管的第一主负载端与所述栅极之间的两个MOS-门控晶体管。3.如权利要求2所述的负载控制装置，其中所述晶闸管是可操作的，以在所述控制电路使所述可控开关电路变成不导通之后关闭换向，并且在所述半周期的剩余部分中保持不导通。4.如权利要求3所述的负载控制装置，其中，当所述可控开关电路不导通时，所述MOS-门控晶体管的反串联组合是可操作的，以在所述晶闸管变成不导通之后传导所述负载电流。5.如权利要求4所述的负载控制装置，其中所述可控开关电路包括带有一输入光电二极管的光电耦合器，所述输入光电二极管可操作的从所述控制电路接收开关控制电压，所述可控开关电路响应于所述光电耦合器的一输出光电晶体管的驱动呈现导通和不导通。6.如权利要求2所述的负载控制装置，其中所述MOS-门控晶体管包括MOSFETS。7.如权利要求6所述的负载控制装置，其中所述栅极耦合电路包括一个用于从所述控制电路接收驱动信号的控制输入，当所述MOSFETS在所述点火时间被导通时，所述控制输入传导为所述MOSFETS的各栅极的输入电容充电所需的电流量，所述的电流量具有很小的幅值，使得所述栅极耦合电路从所述控制输入传导平均电流小于1微安的电流。8.如权利要求6所述的负载控制装置，其中所述晶闸管包括三端双向可控硅开关元件。9.如权利要求2所述的负载控制装置，其中所述控制电路产生由所述栅极耦合电路所接收的两个驱动信号，用于独立地驱动所述的MOS-门控晶体管。10.如权利要求9所述的负载控制装置，其中第一个所述MOS-门控晶体管在当前半周期末之前呈现不导通，以在下一个半周期开头时阻挡电流，并且第二个所述MOS-门控晶体管在当前半周期末之后不导通以传导电流直到所述半周期末。11.如权利要求10所述的负载控制装置，其中所述的每个MOS-门控晶体管在所述点火时间都呈现导通。12.如权利要求9所述的负载控制装置，其中所述控制电路包括微处理器。13.如权利要求2所述的负载控制装置，其中所述控制电路包括电源，用于产生直流电源电压，以对所述控制电路供电并致使所述的MOS-门控晶体管导通。14.如权利要求13所述的负载控制装置，其中，所述电源电压是可操作的，以通过所述负载传导充电电流，从而产生直流电源电压。15.如权利要求13所述的负载控制装置，进一步包括：接地端，被适配成耦合连接到接地；其中，所述电源电压是可操作的，以通过所述负载传导充电电流，从而产生直流电源电压。16.如权利要求13所述的负载控制装置，其中控制电路控制驱动电压，导致栅极耦合电路传导栅极电流，从而使晶闸管在点火时间呈现导通，这是通过将所述驱动电压的幅值拉升到高于所述MOS-门控晶体管的额定栅极阈值电压，以使所述MOS-门控晶体管的反串联组合呈现导通来实现的，所述控制电路通过在所述半周期的剩余部分中从所述点火时间将所述驱动电压的幅值维持在所述栅极阈值电压之上来控制所述栅极耦合电路，使其在所述半周期的剩余部分中从所述点火时间起的任何时间能传导所述的栅极电流。17.如权利要求2所述的负载控制装置，其中所述控制电路是可操作的，以产生用于控制所述栅极耦合电路的单个驱动电压。18.如权利要求17所述的负载控制装置，其中所述栅极耦合电路包括用于接收所述驱动信号的控制输入，所述控制输入传导的平均电流小于1微安，以便维持所述的MOS-门控晶体管导通，并且因而能够在所述半周期的剩余部分中从所述点火时间起的任何时间传导所述的栅极电流。19.如权利要求2所述的负载控制装置，其中所述MOS-门控晶体管包括IGBTS。20.如权利要求1所述的负载控制装置，其中所述控制电路是可操作的，以在所述点火时间之后和在所述半周期末之前的一个第二时间致使所述可控开关电路不导通，以防止所述栅极耦合电路传导所述栅极电流，并且允许所述晶闸管变成不导通，由此所述栅极耦合电路能够在所述点火时间与所述第二时间之间的任何时间传导所述栅极电流。21.如权利要求20所述的负载控制装置，其中所述第二时间出现在所述半周期末附近。22.如权利要求20所述的负载控制装置，其中所述栅极耦合电路是可操作的，以当所述晶闸管在所述第二时间之后变成不导通时可传导所述负载电流。23.一种负载控制电路，用于控制从交流电源传输到电气负载的功率大小到所要求的功率大小，所述负载控制电路包括：晶闸管，具有第一和第二主负载端，该晶闸管以串联电气连接的方式耦合连接在所述交流电源与所述电气负载之间，用于从所述交流电源传导负载电流到所述电气负载，所述晶闸管具有栅极，用于传导栅极电流以致使所述晶闸管导通；栅极耦合电路，耦合连接以传导所述栅极电流流过所述晶闸管的所述栅极；可控开关电路，耦合连接在所述栅极耦合电路与所述晶闸管的所述栅极之间，用于在所述可控开关电路导通时传导所述栅极电流；其中所述的可控开关电路被导通，并且所述栅极耦合电路被导通，以传导所述栅极电流，以便在所述交流电源的半周期期间的点火时间致使所述晶闸管导通，所述栅极耦合电路维持导通，使得所述栅极耦合电路能够在所述半周期中的所述点火时间之后再次传导所述栅极电流，所述可控开关电路在所述半周期末之前不导通，使得所述栅极耦合电路无法传导所述栅极电流流过所述晶闸管的所述栅极。24.如权利要求23所述的负载控制电路，其中所述栅极耦合电路包括以反串联连接方式耦合连接在所述晶闸管的第一主端与所述栅极之间的两个MOS-门控晶体管。25.如权利要求24所述的负载控制电路，其中所述晶闸管是可操作的，以在所述控制电路使所述可控开关电路变成不导通之后关闭换向，并且在所述半周期的剩余部分中保持不导通。26.如权利要求25所述的负载控制电路，其中，当所述可控开关电路不导通时，所述MOS-门控晶体管的反串联组合是可操作的，以在所述晶闸管变成不导通之后传导所述的负载电流。27.如权利要求26所述的负载控制电路，其中所述可控开关电路包括带有一输入光电二极管的光电耦合器，所述输入光电二极管可操作以接收开关控制电压，所述可控开关电路响应于所述光电耦合器的一个输出光电晶体管的驱动呈现导通和不导通。28.一种负载控制装置，用于控制从交流电源传输到电气负载的功率大小，所述负载控制装置包括：晶闸管，具有第一和第二主负载端，被适配成以串联电气连接的方式耦合连接在所述交流电源与所述电气负载之间，用于从所述交流电源传导负载电流到所述电气负载，所述晶闸管具有栅极，用于传导栅极电流以驱动所述晶闸管导通，并且其特征在于一额定保持电流；栅极耦合电路，耦合连接以传导所述栅极电流流过所述晶闸管的所述栅极；以及控制电路，可操作控制所述栅极耦合电路以传导所述栅极电流，因而在所述交流电源的半周期中的点火时间致使所述晶闸管导通，所述控制电路继续控制所述栅极耦合电路，使得所述栅极耦合电路能够在所述点火时间之后再次传导所述栅极电流；其中所述栅极耦合电路被阻止在太靠近所述半周期末传导所述栅极电流，以防止所述晶闸管从下一个半周期开头时呈现导通，所述栅极耦合电路还可操作以传导所述负载电流，使得所述晶闸管和所述栅极耦合电路的组合是可操作的，以独立于所述晶闸管的所述额定保持电流来传导所述负载电流流过所述负载。29.如权利要求28所述的负载控制装置，进一步包括：可控开关电路，耦合连接在所述栅极耦合电路与所述晶闸管的所述栅极之间，用于在所述可控开关电路导通时传导所述栅极电流；其中所述控制电路是可操作的，以驱动所述可控开关电路导通，并且导致所述栅极耦合电路传导所述栅极电流，因而在所述交流电源的半周期中的点火时间致使所述晶闸管呈现导通，所述控制电路在所述半周期末之前使所述可控开关电路变为不导通，使得所述栅极耦合电路无法通过所述晶闸管的所述栅极传导所述栅极电流。30.如权利要求29所述的负载控制装置，其中所述栅极耦合电路包括以反串联连接方式耦合连接在所述晶闸管的第一主端与所述栅极之间的两个MOS-门控晶体管。31.如权利要求30所述的负载控制装置，其中所述晶闸管是可操作的，以在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·C·纽曼，克里斯托弗·J·萨尔韦斯特里尼，马修·V·哈特，
申请(专利权)人：路创电子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US