CN1101618C - 用于产生电介质阻隔放电的脉冲电压序列的电路 - Google Patents

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Abstract

一种电路，用于产生电介质阻隔放电的脉冲电压序列，包括一充电回路、一放电电路、一脉冲回路、一反馈电路和一其输入端用作反馈点(R)的反馈能量接收电路(C1)。当晶体管IGBT导通期间，在充电电容(C2)内存入的电能通过脉冲变压器(TR1)传送给负载(L)。由脉冲变压器(TR1)和负载(L)反馈的能量经过二极管(D3-D5)存入反馈点，并且被缓冲电容器(C1)吸收。

Description

用于产生电介质阻隔放电的 脉冲电压序列的电路
本发明涉及一种电路，它用于产生电介质阻隔放电的脉冲电压序列，包括一个充电回路，它由一个与其输入端相连接的由充电电流流控阀(D1)、充电阻抗(L1)和充电电容(C2)构成的串联电路组成，当在充电回路的输入端上施加电压Ue时，充电电容(C2)充电达到电压Uc，和一个放电电路，带有一个位于充电电容(C2)之外的由一个放电电流流控阀(D2)、脉冲变压器(TR1)的初级绕组和快动开关(T1)及一个控制电路(A)构成的串联电路，它控制开关(T1)经过预选的时间交替地闭合和断开，从而与带有充电电容(C2)的串联电路并联连接，当开关(T1)闭合时，充电电容(C2)通过放电电流流控阀(D2)和所述初级绕组放电，还包括一个脉冲回路，它由脉冲变压器(TR1)的次级绕组和一个与这个次级绕组相连接的具有电介质阻隔电极的负载--例如一个放电灯(L)构成。
这样的电路用于产生脉冲电压序列，可用于放电灯的点火和运行，例如在低脉冲重复频率的情况下，启动闪光灯工作。
WO94/23442公开了一种放电灯或辐射体用电路，带有至少一个电介质阻隔电极，通过单极性的或至少基本上是单极性的电压脉冲工作。本发明的电路也是基于这个原理。这种工作方式原则上应用无限度的电压脉冲序列，它由不工作时间相互分割开。脉冲形式和脉冲及不工作时间的时间持续是决定有效射线产生的有效力的主要因素。传统的这种灯的工作方式则是采用正弦交变电压。
电介质阻隔放电与一般放电灯中所用的传统的放电的区别是在至少一个电极之间具有电介质。因此从一个电介质阻隔电极到放电区的电离气体的载流子的输送不是由传导电流实现的，而是由位移电流实现的，于是在这样一个放电的电子等效电路图中出现一个容性分量。
闪光灯用的脉冲电路是早已公知的技术。在最简单的情况下，一个电容器通过一个电阻充电，并且由一个火花间隙的或闸流管的快动开关通过一个脉冲变压器的初级绕组放电，从而在脉冲变压器的次级绕组中感应出一个电压脉冲，启动闪光灯。
这种电路存在不足，即可能产生不利的电流和电压振荡。于是闪光灯的闪光时间可能变长，或者闪光灯由于耦合的振荡导致多次启动失控。这种情况在科学应用上尤其是不能允许的，例如频闪观测调查或物质的光学泵作用等，必须限定前提条件。另外，由此所产生的电压或电流换向可能使电容器等电部件严重超载，结果缩短了该电路的使用寿命。
人们为解决这些问题特意制定了灯和电路的有关规定。目的在于，主要通过由带有等离子体电阻的振荡回路构成的装置的电容和电感阻抑已启动的闪光灯的气体放电。在理想的情况(无阻尼的临界状态)下，如果需要，可以实现没有振荡干扰的重复的电流或电压脉冲。
在带有电介质阻隔电极的放电电路中不能使用上述原理，这是由于电路的阻抗基本上是容性的或容性比重较大，电压在灯电极上会产生高频振荡，并且根据WO94/23442的教导，灯的效率会大大下降。
本发明的目的是提供一种克服了上述缺陷的电路，它产生只有很小的电路损耗的连续的单极脉冲电压序列。此外，这个脉冲电压序列具有尽可能平滑的脉冲波形，特别是负载偏容性。
本发明的目的是这样实现的，本发明的电路在上述电路基础上还增加一个反馈电路，它包括：一个反馈能量接收电路(C1)，其输入端用作反馈点(R)；一个反馈电流流控阀(D3-D5)，它的一个极与脉冲变压器(TR1)的次级绕组相连接，另一个极与反馈点(R)相连接；使由负载(L)和脉冲变压器(TR1)回馈的能量经过反馈电流流控阀(D3-D5)存入反馈点(R)，由反馈能量接收电路(C1)所吸收，在反馈振荡周期中，将次级绕组两端的电位箝位在该反馈点的电位上。反馈能量接收电路由一个电容器(C1)构成，它的高点除了与反馈电流流控阀(D3-D5)连接外，还通过一个充电电流流控阀(D1)与充电阻抗(L1)相连接，从而使反馈的能量用于充电电容器(C2)的充电过程，充电电流流控阀(D1)用于阻隔充电电容器的能量的回馈。所述电流流控阀是由半导体二极管(D1-D6)实现的
本发明的其它特征和优选实施例体现在从属权利要求的内容中。
本发明的基本电路由一个充电回路，一个放电回路和一个脉冲及反馈回路组成。
这个充电回路与公知的充电回路一样，由一个与其输入端相连接的由充电电流流控阀、充电阻抗和充电电容构成的串联电路组成，充电阻抗最好是一个线圈。这样的阻抗比欧姆式阻抗更适宜作充电阻抗，其优点是具有很小的损耗功率。另外通过选择合适大小的充电线圈和充电电容器，可以在充电电容器上达到与输入端电压有关的电压谐振锐度。这样有利于满足具有较高电压需求的负载的要求。
放电电路包括充电电容器，第一电流流控阀，例如一个半导体二极管，一个脉冲变压器的初级绕组和一个快动开关，优选为一晶体管，尤其一个IGBT(绝缘栅极双向晶体管)。初级绕组和所述开关相互串联连接。这个串联电路并联于充电电容器的两端。当充电电容器达到其最大电压时，所述开关闭合。使充电电容器通过电流流控阀和所述初级绕组放电，这个电流流控阀阻碍从脉冲变压器或其上的负载的能量回振到充电电容器上。当充电电容器完全放电后，所述开关无功率损耗地断开，之后充电电容器将通过充电线圈再次充电。
脉冲及反馈回路包括脉冲变压器的次级绕组，其与例如带有电介质阻隔电极的放电灯式的负载相连接，该回路的一端与次级绕组的一个极相连接，另一端与带有反馈流控阀—例如半导体二极管的反馈点相连接。
这个反馈点是这样选择的，它应使由负载回馈的能量存入该点内。它用作一个与基准电位连接的反馈能量吸收电路的输入端。外壳电位宜于作为基准电位使用。如果采用一个可控的半导体开关，例如一个晶体管作为快动开关，最好将其与外壳电位相连接。这样可以简化有关的控制连接(例如基极-或栅极连接)的电路布线，因为控制电路布线和半导体开关都与总的外壳电位有关。由此这种电路布线具有很低的故障率。在脉冲变压器的输出端上的脉冲序列的基准电位确定为外壳电位，变压器的初级和次级的一个极总是与外壳电位相连接。
在开关闭合期间，充电电容器的能量通过脉冲变压器传递到相连接着的负载上，从脉冲变压器和从负载反馈的能量经过反馈流控阀，存入反馈点，并且被反馈能量接收电路所接收。在回馈期间，次级绕组的所谓“热”极被箝位在反馈点的电位上。
反馈能量接收电路包括一个存储器件，例如一个存储回馈能量的电容器，或一个变换器件，它可将回馈的电能转变成其它能量，例如热能。在简单的情况下，可采用一个承受基准电位的欧姆电阻作为耗能的变换器件。这样作的缺点是：由于电阻存在电压降，会影响回馈电位下降。与电路装置的基本电位相连接的两极反馈能量接收电路中的一极在下面也可以作为基点来表示。而反馈能量接收电路的另外一极作为高点来表示。
根据本发明的一个特别优选的实施例，在该电路的输入端上并联缓冲电容器。其目的是使反馈点的电位能保持在有利的恒定的输入电位上。这种方案的好处还能使回馈的能量充分用于充电电容器的充电过程。在这种情况下，缓冲电容器作为无电阻的变换器件并联连接，可多次用作回馈能量的中间存储器。连接在缓冲电容器和充电线圈之间的电流流控阀--例如一个半导体二极管用于阻隔充电电容器能量的回馈。
下面将根据一个实施例进一步说明本发明。附图为：
图1是用于驱动灯工作的本发明的电路的电路图；
图2a是图1的灯的两电极上所测的电压作为时间的函数的曲线图；
图2b是与图2A的电压相应的在同样的时间间隔内的反馈电流的曲线图。
在图1中，表示一个带有电介质阻隔电极的放电灯L用电路装置的电路图，电网电压为230V，功率为20W。该电路装置由下列功能块构成：一个输入块E，一个串接在输入块之后的闭塞变流器SW，一个串接在闭塞变流器之后的脉冲发生器IG和一个控制电路A。脉冲发生器IG(图1中用虚线围成边框)是一个完全新的电路，因此下面主要介绍这个电路。其余的输入块E，闭塞变流器SW和控制电路A均按现有技术方式实现，因此在图1中仅仅用功能块代表。
输入块E包括一个去火花干扰电路和一个整流电路，接收来自电网的230V电压。
串接在输入块之后的闭塞变流器SW用作带有功率调节器的有源谐波滤波器。其优点是既能保持功率因数和电网电流谐波在预定的临界值之内，又能在网络电压波动时维持灯的功率常数。当电网电压在195V到253V之间波动时，灯的功率的变化仅为0.2W。如果与标称的灯的功率消耗20W相比，功率变化只有1％。前连闭塞变流器SW的另一个重要观点是脉冲发生器IG的最大允许输入电压(相对于反馈点的电位)为200V。这一要求的依据是灯的高效的运行方式，它允许在电压脉冲之间存在最高为200V的反向电压。
控制电路A主要具有一个方波发生器，用于控制脉冲发生器IG中作为快动开关IGBT的T1(IGBT：绝缘栅极双向晶体管)。这个控制脉冲借助于一个低欧姆振荡器(例如1990年由西门子公司出版的作者为W.HIRSCHMANN及A.HAUENSTEIN的书“开关电源设备”第177页图4.98D)被提供给IGBT的栅极。以此方式实现陡峭的开关前沿，使IGBT中的开关损耗降至最小。
缓冲电容器C1构成脉冲发生器IG的充电回路，它与该电路的输入端并联，并且与由一个二极管D1，充电线圈L1和充电电容器C2构成的串联电路相并联。如果灯的功率为20W，这个充电电容器的理想值为15nF。如果要求再充电时间为20μS，充电线圈的电感应为大约3mH。
脉冲发生器IG的放电回路是一个与充电电容器C2并联的串联电路，它由一个二极管D2，脉冲变压器TR1的初级绕组和一个IGBT晶体管T1构成。
脉冲发生器IG的脉冲和反馈电路包括脉冲变压器TR1的次级绕组，一个起负载作用并且与该次级绕组连接的带有电介质阻隔电极的灯L，及三个串联连接的起反馈流控阀作用的反馈二极管D3-D5，还有起反馈能量吸收作用的缓冲电容器C1。
脉冲变压器TR1的线圈体包括六个空腔，初级绕组绕在第一空腔上。次级绕组分别绕在其余的五个空腔上。如果次级侧的峰值电压为4KV，则每个空腔的最大电压限定为800V。通过将初级绕组和次级绕组分开在不同的空腔内，使其解耦，可以获得有利的平滑的脉冲波形。初级绕组和次级绕组的一个极相互连接，并且与处于基本电位的电路外壳相连接，脉冲变压器的绕线方向是这样实施的，使得在灯的电极上产生相对于外壳负的电压脉冲。脉冲变压器TR1的规格列于下表中。
                表1：脉冲变压器TR1的技术规格
    铁芯材料：          N87(Fa.西门子)
    线圈     初级     次级
    空腔数     1     5
    线圈匝数     20     230
    多股线     20·0.1     30·0.04
    电感     110mH     14mH
由三个串联的反馈二极管D3-D5构成的反馈流控阀带有各为2KV的截止电压，它是灯L用电压峰值的分压，所述峰值大约为4KV。这个串联电路D3-D5一方面与脉冲变压器TR1的次级绕组的“热”极相连接，另一方面与起反馈点R作用的在缓冲电容器C1和第一二极管D1之间的连接点相连接。因此在反向振荡期间，次级绕组的“热”极上的电位被箝位在反馈点的电位上，即其前面连接的闭塞变流器SW的输出电压Ue上(大约200V)。另一二极管D6用于阻止反馈电流流入接在前面的反向变换器SW的输出端。
在晶体管IGBT T1导通期间，充电电容器C2通过脉冲变压器将能量传送到所连接的灯L上。由灯L反馈的和在脉冲变压器TR1中存储的能量通过反馈二极管D3-D5传送到缓冲电容器C1中，并且在充电周期中向充电电容器C2充电。
图1中的脉冲发生器IG的组件列于下表中。
            表2：图1中的脉冲发生器IG的组件清单
    C1     47μF
    C2     15nF
    D1     UF4007
    D2     1N4936
    D3     BYT01 400
    D4-D6     RGP02-20E
    L1     3mH
    T1     GB    30U
    TR1     参见表1
图2a和图2b表示在图1的灯的两电极上测出的电压和流过二极管D3-D5的反馈电流(沿Y轴)随时间(时间沿X轴的正向增加)变化的曲线图。在时间点1上从电极(图2A)之间测得的电压从0V突然变化，大约0.5μS后到达时间点2，达到其最大值约-3.5KV，接着，又产生突变，在时间点3上，电压已通过其零值，并且该电压一直保持到时间点4，箝位在脉冲发生器IG的输入端电位上(大约200V)。之后，在时间点5处，电极电压变为大约0V。在时间点1和3之间的相位与各脉冲相位有关，持续大约2μS。不工作相位则持续在时间点3和5之间，其长度大约为38μS。于是产生一个连续的各电压脉冲的交替的约为40μS的时间间隔，有关的脉冲重复频率为25KHZ。
反馈振荡相从时间点3开始，这从陡峭上升的反馈电流(图2b)可以看出。反馈电流从0A开始，达到其最大值后反向线性地返回其起始值—在时间点4处，结束这个反馈振荡相。
时间点5与时间点1的情况相符合，一个新的电压脉冲又从时间点5开始。前面已过去的电极电压和反馈电流周期又重复出现。
本发明显然不仅局限于上述的实施例。

Claims (11)

1.一种尤其用于产生电介质阻隔放电的脉冲电压序列的电路，包括
-一个充电回路，它由一个与其输入端相连接的由充电电流流控阀(D1)、充电阻抗(L1)和充电电容(C2)构成的串联电路组成，当在充电回路的输入端上施加电压Ue时，充电电容(C2)然后充电达到电压Uc，
-一个放电电路，带有一个位于充电电容(C2)之外的由一个放电电流流控阀(D2)、脉冲变压器(TR1)的初级绕组和快动开关(T1)及一个控制电路(A)构成的串联电路，它控制开关(T1)经过预选的时间交替地闭合和断开，从而与带有充电电容(C2)的串联电路并联连接，当开关(T1)闭合时，充电电容(C2)通过放电电流流控阀(D2)和所述初级绕组放电，
-一个脉冲回路，它由脉冲变压器(TR1)的次级绕组和一个与这个次级绕组相连接的具有电介质阻隔电极的负载—例如一个放电灯(L)构成，
其特征在于：还增加一个反馈电路，它包括：
-一个反馈能量接收电路(C1)，其输入端用作反馈点(R)；以及
-一个反馈电流流控阀(D3-D5)，它的一个极与脉冲变压器(TR1)的次级绕组相连接，另一个极与反馈点(R)相连接；
使由负载(L)和脉冲变压器(TR1)回馈的能量经过反馈电流流控阀(D3-D5)存入反馈点(R)，由反馈能量接收电路(C1)所吸收，之后在反馈振荡周期中，将次级绕组两端的电位箝位在该反馈点的电位上。
2.根据权利要求1的电路，其特征在于，反馈能量接收电路包括一个电存储器件，它的高点与反馈电流流控阀相连接，它的基点与基本电位相连接，从而存入反馈的能量。
3.根据权利要求2的电路，其特征在于，所述电存储器件是电容器。
4.根据权利要求1的电路，其特征在于，反馈能量接收电路包括一个电变换器件，它的高点与反馈电流流控阀相连接，它的基点与基本电位相连接，从而将反馈的电能在这个电变换器件中转换成另一种形式的能量。
5.根据权利要求4的电路，其特征在于，所述电变换器件是电阻器，它将反馈的电能变成热能。
6.根据权利要求2和4的电路，其特征在于，反馈能量接收电路由一个电容器和一个电阻器构成的并联电路形成。
7.根据权利要求2的电路，其特征在于，反馈能量接收电路由一个电容器(C1)构成，它的高点除了与反馈电流流控阀(D3-D5)连接外，还通过一个充电电流流控阀(D1)与充电阻抗(L1)相连接，从而使反馈的能量用于充电电容器(C2)的充电过程，充电电流流控阀(D1)用于阻隔充电电容器的能量的回馈。
8.根据权利要求1的电路，其特征在于，所述充电阻抗是一个线圈(L1)。
9.根据权利要求1的电路，其特征在于，所述电流流控阀是由半导体二极管(D1-D6)实现的。
10.根据权利要求1的电路，其特征在于，所述快动开关是由一个晶体管，特别是一个IGBT(T1)实现的。
11.根据权利要求1的电路，其特征在于，所述脉冲变压器(TR1)的初级和次级绕组的一个极相互连接，并且与该电路的基本电位相连接。
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