CN100364368C - 用于运行高压放电灯的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于运行高压放电灯的电子镇流器，包括开关模式供电电路(SMPS)以便把干线电压Vrail提供给高压放电灯，供电电路包括半波电桥整流前向电路，该前向电路含有电感(Lhbcf)，第一电容器(Cs1)与第二电容器(Cs2)串联的电容器电路，灯(LA)连接在电感(Lhbcf)与第一和第二电容器(Cs1，Cs2)间的中点(M)之间；占空比控制电路，连接到开关模式供电电路，用于控制半波电桥整流前向电路的占空比；以及过压保护装置，用于防止所述电容器过压，包括：中点电压检测电路，用于检测在第一与第二电容器之间的中点处的电压，该中点电压检测电路提供代表检测到的中点电压的第一信号；电压差确定电路，用于确定在第一信号与第二信号之间的差值，它代表干线电压的一半，其中电压差确定电路被连接到占空比控制电路，以及如果所确定的差值超过最大电压差，占空比控制电路用来改变半波电桥整流前向电路的占空比。

Description

用于运行高压放电灯的装置
本发明涉及用于运行高压放电灯的装置。
用于运行放电灯的电子镇流器是已知的，包括被连接在主电源与灯之间的开关模式供电电源。在三级镇流器电路中，开关模式供电电源的第一级包括预调节器，例如双整流器，用于整流主电源(230V，50Hz，二相)，并与上变换器相组合。第二级可包括下变换器(DC-DC变换器)，也被称为前向或降压(buck)变换器，用于稳定输出电流。镇流器电路的第三级包括整流全波电桥(和点火极)，以实施灯的方波电流运行。在二级镇流器拓扑中，下变换器和整流电桥用半波电桥整流前向(HBCF)或全波电桥整流前向(FBCF)拓扑代替。
半波电桥整流前向(HBCF)电路相应于全波电桥整流前向(FBCF)路，其中一部分电桥用串联的两个(电解)电桥电容器代替。在这个拓扑中的镇流器包括上变换器，与半波电桥相组合，用作为双下变换器。用于运行HID灯的这种二级镇流器拓扑是相对较简单和相对较便宜的。
在启动阶段期间以及在灯的寿命结束时，放电灯的特性可能是不规则的。例如，在一半整流周期期间灯可以是导通的，而在另一半整流周期期间灯是非导通的。在以上提到的半波电桥整流前向电路的电容器串联电路中，这导致半波电桥的中点电压的位移，它可以使得电桥电容器之一的最大电压额定值被超过。这又可能使电容器损坏，和/或镇流器故障。而且，HBCF的上变换器的输出电压或干线电压在灯的启动阶段期间，即，在灯的点火期间可被提升，而在灯的正常运行期间可降低，以便提高镇流器的运行效率。在启动阶段期间灯的不规则或非对称特性因而可造成半波电桥的中点电压的甚至更高的电平，因此，甚至更高的损坏电桥电容器的风险。
这个问题的解决方案是，在镇流器的半波电桥中应用具有增大的最大电压额定值的电容器的电容器串联电路。然而，这将使得镇流器更昂贵，并将增加其尺寸。
可以设想使用能提供过压保护的SIDAC。然而，由于SIDAC本身相当大的功率耗散，镇流器电路的功率效率会降低。而且，在灯的不规则(不对称)运行期间，特别是在寿命结束的情形下，加到灯上的功率可能造成灯具过热。
本发明的目的是解决上面提到的问题，以及提供相对较低的成本和简单的、用于运行高压灯的电路装置，其中功率耗散可减到最小。
按照本发明，提供了用于运行高压放电灯的电子镇流器，包括开关模式供电电路(SMPS)，用于向高压放电灯提供干线电压，供电电路包括半波电桥整流前向电路，它含有电感，第一电容器与第二电容器串联的电容器电路，灯连接在电感与第一和第二电容器间的中点之间；占空比控制电路，连接到开关模式供电电路，用于控制半波电桥整流前向电路的占空比；以及过压保护装置，用于防止所述电容器过压，包括：
中点电压检测电路，用于检测在第一与第二电容器之间的中点处的电压，中点电压检测电路提供代表检测到的中点电压的第一信号；
电压差确定电路，用于确定在第一信号与第二信号之间的差值，它代表干线电压的一半，其中电压差确定电路被连接到占空比控制电路，以及如果所确定的差值超过最大电压差，占空比控制电路用来改变半波电桥整流前向电路的占空比。占空比改变，以使得中点电压保持在上限与下限内。更具体地，开关模式供电电源的占空比被减小，以使得当中点电压向上漂移时，保持中点电压在上限电平处，而当中点电压向下漂移时，保持中点电压在下限电平处。
这将使得中点电压和在电桥电容器上的电压被校正到安全值。过压保护电路实际上阻止电容器串联电路的每个电容器的过压情形。而且，占空比以这种方式增加或减小，以使得在灯是导通的时间间隔内电源功率最小化，这将减小镇流器中的功率耗散和灯具的发热。
按照优选实施例，当中点电压达到等于干线电压的一半加上最大电压差的上限时，占空比减小，占空比的减小导致中点电压等于或小于上限，而当中点电压达到等于干线电压的一半减最大电压差的下限时，占空比被增加，占空比的增加导致中点电压等于或高于下限。
按照另一个优选实施例，代表干线电压的第二信号是预先规定的信号。这个相对较简单的实施例可应用在由开关模式供电电源提供的干线电压是恒定的情形下。然而，在可变的干线电压的情形下，例如，在灯的启动阶段期间干线电压被提升以产生足够的开路电压，而在正常运行期间干线电压被减小以提高镇流器的效率的这种情形下，另一个实施例也是优选的，其中代表干线电压一半的第二信号由检测电路提供，该检测电路被连接到由开关模式供电电源提供的干线电压。这时，第二电压取决于供电电源的实际干线电压，由此提供在正常运行期间和启动运行期间的过压保护。
优选地，中点电压检测电路是与干线电压和中点电压相连接的电阻分压器，以及干线电压检测电路是与干线电压相连接的电阻分压器。这些电路是相对较简单的。此外，被连接到电容器中点的电阻分压器被做成基本上对称的，以保持电阻负载为对称的。
在优选实施例中，占空比控制电路包括与触发器串联连接的频率振荡器，其中触发器的输出是驱动半波电桥整流前向(HBCF)的逻辑整流信号。这个输出被使用来交替地接通和关断开关模式供电电源的两个半波电桥开关元件。优选地，触发器是D型触发器和特别是用作为二分频器。分频器与振荡器串联连接，以保证50％的占空比。
在另一个优选实施例中，电压差确定电路包括第一开关元件(Q4)，当中点电压是在上限时它是导通的，和第二开关元件(Q3)，当中点电压是在下限时它是导通的。这提供一个或多个第三输出信号，表示是否达到了允许的中点电压范围的边界之一。在第一开关元件(Q4)被连接到触发器的RESET(复位)输入端和第二开关元件(Q3)被连接到触发器的SET(置位)输入端的情形下，第一开关元件或第二开关元件分别从非导通模式转移到导通模式，将迫使触发器复位或置位。只要任一个开关元件保持在导通模式，触发器的输出端O处的输出将分别具有逻辑低电平值或逻辑高电平值。这将使得镇流器的占空比的设置被减小或被增加。
下面参照附图阐述本发明的进一步的优点，特性和细节，其中：
图1显示按照本发明的优选实施例的电子镇流器的电路图；
图2更详细地显示图1的电路图的一部分；
图3显示在中点电压向上漂移的情形下电容器串联电路的中点电压、控制信号和逻辑整流信号的图；以及
图4显示在中点电压向下漂移的情形下电容器串联电路的中点电压、控制信号和逻辑整流信号的图。
图1显示用于高压放电灯LA的二级镇流器。镇流器的第一级I包括用于把AC供电电压(典型地230V 50Hz主电源)变换成DC供电电源的整流器2，和用于提升DC供电电压的提升变换器3。在图1上显示提升变换器或上变换器的典型拓扑。提升变换器本身由电感Lboost，开关元件T和二极管D组成。
在灯的启动阶段期间，开关模式供电电压SMPS的输出电压或干线电压被提升，以建立足够的开路电压(OCV)。在灯的运行的阶段中所需要的开路电压取决于所使用的HID灯的类型。典型地，在启动阶段期间干线电压被提升到约500V，产生250V的OCV。在以后的灯的正常运行期间，干线电压被减小(典型地约400V)，以提高镇流器的效率。
镇流器的第二级II包括半波电桥整流前向HBCF电路，用作为双下变换器。HBCF电路包括第一MOSFET T1，第二MOSFET T2，第一与第二(内部)体二极管D1与D2，与灯串联的灯的电感Lhbcf，与灯并联的灯的电容器Cr，以及互相串联的两个电解电桥电容器Cs1和Cs2。电桥电容器Cs1和Cs2是相对较小尺寸和便宜的电解电容器，每个具有仅仅300V的最大值电压额定值。半波电桥整流前向电路在临界的非连续模式下运行，允许零电压切换。每半个整流周期(约100Hz的整流频率)，一个MOSFET(第一MOSFET T1或第二MOSFET T2)与另一个MOSFET的二极管(D1或D2)相组合地运行。
半波电桥整流前向电路由占空比控制电路操纵，它包括低频振荡器，如图2所示(提供时钟信号CLK，典型地约200Hz)。振荡器与二分频器串联连接。分频器被提供来保证精确的50％的占空比。在本实施例中，如图2所示，分频器是由D型触发器构建的。通常，数据输入端(D)与它本身的O’输出端(它是输出端O的倒相端)相连接，D型触发器在时钟脉冲时在它的D输入端处看到它的现有的输出的反码。输出信号是输入信号频率的一半。把低频振荡器部分的200Hz输出信号连接到触发器的时钟端CLK，半波电桥用约100Hz的整流频率驱动。
在灯的正常运行期间，半波电桥整流前向电路的低频(典型地约100Hz的整流频率)占空比是50％。占空比是50％，因为半波电桥的“灯的”负荷在灯的正常运行期间的大多数情形下是对称的。
然而，在启动阶段期间和/或灯的寿命(EOL)结束时，灯的特性可能是不规则的，造成半波电桥整流前向电路的非对称的灯的负荷。例如，在占空比的一半周期，灯可能是导通的，而在另半个周期，灯可能是非导通的。半波电桥的这种非对称负荷导致电容器串联电路Cs1，Cs2中的中点电压的移位，也就是，在第一电解电容器Cs1和第二电解电容器Cs2之间的中点处的电压增加或减小。
当图1的灯LA在MOSFET T1是导通和MOSFET T2是不导通的第一个半周期中是导通的，以及灯在MOSFET T1是不导通和MOSFET T2是导通的第二个半周期中是非导通时，中点电压将增加。在400V的干线电压Vrail的情形下，中点电压会从200V移到超过第二电解电容器Cs2的最大电压额定值(300V)的电压值。另一方面，当灯在MOSFET T1是导通和MOSFET T2是不导通的第一个半周期中是非导通的，以及灯在MOSFET T1是不导通和MOSFET T2是导通的第二个半周期中是导通时，中点电压将降低。在200V的干线电压Vrail的情形下，中点电压从200V移到超过第一电解电容器Cs1的最大值电压额定值(300V)的电压值。
在灯的启动阶段期间，干线电压被提升到500V。250V的中点电压只可以向上或向下移动50V，达到第二电桥电容器Cs2或第一电容器Cs1的最大电压额定值。
为了防止超过任一个电容器的最大电压额定值，提供了过压保护装置。按照图1所示的实施例，提供了两个分压器。第一电阻分压器是电容器中点电压检测分压器CVD，它被连接到半波电桥所运行的干线电压Vvail和在两个电桥电容器Cs1和Cs2之间的中点，以及提供代表检测的中点电压的第一输出信号。第二电阻分压器是干线电压分压器RVD，它被连接到干线电压，以及提供代表半波电桥所运行的实际的干线电压的第一输出信号。当干线电压在灯的启动阶段期间被提升时，正如前面提到的，第二分压器将跟随提升的干线电压，而第二输出信号将代表在这个时刻的实际的干线电压。
在另一个优选实施例中(未示出)，干线电压在灯的运行期间是恒定的。在这种情形下，可以省去第二分压器，以及来自电容器中点电压检测分压器的第一信号可以与代表恒定的干线电压的恒定信号相比较。
在图2上，详细地显示电容器中点电压检测分压器和干线分压器。电容器中点电压检测分压器被做成对称的，以保持相对较小的电阻负荷也是对称的。在具有对称电容器电压分布的正常情形下，第一和第二电阻分压器的输出信号是等价的。
电阻分压器与分立的差分电压测量电路相耦合，如图1所示。这个电路测量由电容器中点电压检测分压器提供的第一信号与由干线分压器提供的第二信号之间的差值。当测量的电压差的绝对值超过预定的电平时，就提供代表被确定的差值的第三信号。这个信号可能是正比于测量的电压差值。
然而，在本实施例中，第三信号实际上包括两个信号，它们在组合时把关于是否达到最大电压差的信息提供到占空比控制电路(在后面描述)，如果是这样的话，是否达到下限或上限。在本实施例中，差分电压测量电路包括第一开关元件Q4和第二开关元件Q3，如图2所示。当测量的电压差正向地超过预定的数值时，也就是当测量的电压差达到中点电压上限(例如，+300V)时，第一开关元件Q4成为导通。这使得RESET信号提供到占空比控制电路的触发器FF。当测量的电压差负向地超过预定的数值时，即，当测量的电压差达到下限(例如，+100V)时，第二开关元件Q3成为导通。这使得SET信号提供到触发器。
在半波电桥的正常的、对称运行期间，SET和RESET信号是不工作的。当电容器中点电压分布成为非对称时，第一开关元件Q4或第二开关元件Q3成为工作的。当第一开关元件Q4成为导通和RESET信号被提供到触发器时，触发器的输出将被迫为逻辑0(低的)电平，而当第二开关元件Q3成为导通和SET信号被提供到触发器时，触发器的输出将被迫为逻辑1(高的)电平。这导致占空比的调整，正如此后说明的。
图3显示在造成中点电压向上漂移的非对称负荷的情形下电容器串联电路的中点电压(信号Sa)、用于触发器的SET/RESET输入端的控制信号(信号Sb)和触发器(FF)的逻辑整流输出信号(信号Sc)的图。在镇流器被接通后，电解电桥电容器的中点电压由于灯的非对称负荷而快速上升。在每个整流周期后，中点电压上升相当大的量。在几个整流周期后，中点电压达到+300V的上限。当达到上限时，电压差确定电路的第一开关元件Q4成为导通的。当来自第一开关元件Q4的控制信号(信号Sb)超过某个最小值时，这使得触发器的RESET输入端动作，由此，来自触发器的整流输出信号被迫为逻辑0(低)电平。整流输出值将保持在这个低的数值，直至中点电压减小为低于上限的数值为止。当中点电压电平成为低于上限值时，第一开关元件Q4被关断，以及整流输出信号再次遵循来自振荡器(除以二)的信号。
如上所述，LF整流电路被迫成为非对称运行。最后得到的高度非对称占空比阻止中点电压超过危险的(较高的)电平(信号Sc)，从而超过第二电桥电容器C2的最大电压额定值。
图4显示在中点电压向下漂移的相反的情形下电容器串联电路的中点电压(信号Sd)、用于触发器的SET/RESET输入端的控制信号(信号Se)和逻辑整流输出信号(信号Sf)的图。当中点电压达到下限时，电压差确定电路的第二开关元件Q3成为导通的。这使得触发器的SET输入端动作，由此，来自触发器的整流输出信号被迫为逻辑1(高)电平。这意味着，LF整流电路被迫成为相反的非对称运行。最后得到的高度非对称占空比阻止中点电压超过危险的(较低的)电平，从而超过第一电桥电容器C1的最大电压额定值。
如图3和4所示，在其中灯在导通的方向上时(在非对称运行期间)提供的功率是有限的。在这样的时间间隔中，仅仅是在与原先的整流周期(典型地1/100秒)相比较的相对较短的时间间隔期间，才向灯提供功率。这在灯的寿命结束时特别合适的，可以导致较低的总的功率耗散和较少的发热。
本发明并不限于本发明的上述的优选实施例；寻求的权利由以下的权利要求规定，在权利要求的范围内可以设想许多修正方案。

Claims (10)

1.用于运行高压放电灯的电子镇流器，包括开关模式供电电路，用于把干线电压Vrail提供到高压放电灯，开关模式供电电路包括半波电桥整流前向电路，它含有电感(Lhbcf)，第一电容器(Cs1)与第二电容器(Cs2)串联的电容器电路，所述灯连接在电感(Lhbcf)与第一和第二电容器(Cs1，Cs2)间的中点(M)之间；占空比控制电路，连接到该开关模式供电电路，用于控制半波电桥整流前向电路的占空比；其特征在于，该开关模式供电电路还包括用于防止所述电容器的过电压的过压保护装置，它包括：
-中点电压检测电路，用于检测在第一与第二电容器之间的中点处的电压，中点电压检测电路提供代表检测到的中点电压的第一信号；
-电压差确定电路，用于确定在第一信号与第二信号之间的差值，该第二信号代表干线电压的一半，其中电压差确定电路被连接到占空比控制电路，以及如果所确定的差值超过最大电压差，则占空比控制电路用来改变半波电桥整流前向电路的占空比。
2.按照权利要求1的电子镇流器，其中当中点电压达到等于干线电压的一半加上最大电压差的上限时，占空比减小，而当中点电压达到等于干线电压的一半减去最大电压差的下限时，占空比增加。
3.按照权利要求1或2的电子镇流器，其中代表干线电压的一半的第二信号是预先确定的信号。
4.按照权利要求1的电子镇流器，其中代表干线电压的一半的第二信号是由连接到干线电压的检测电路提供的。
5.按照权利要求1的电子镇流器，其中中点电压检测电路是与干线电压和中点电压相连接的电阻分压器。
6.按照权利要求4的电子镇流器，其中干线电压检测电路是与干线电压连接的电阻分压器。
7.按照权利要求5或6的电子镇流器，其中中点电压检测电路基本上是对称的，以保持电阻负载对称。
8.按照权利要求1或2的电子镇流器，其中最大电压差是100V量级的预先设置的值。
9.按照权利要求1或2的电子镇流器，其中占空比控制电路包括与触发器串联连接的频率振荡器，其中触发器的输出是逻辑整流信号。
10.按照权利要求1或2的电子镇流器，其中电压差确定电路包括第一开关元件(Q4)，当中点电压是在上限时它是导通的，以及包括第二开关元件(Q3)，当中点电压是在下限时它是导通的。
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