CN1922936A - 用于气体放电灯的驱动器装置和点火器 - Google Patents

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Abstract

描述了一个用于驱动气体放电灯(6)的电子灯驱动器(100)的点火器电路(140)，该点火器电路包括：第一和第二电源输入端子(102，103)；一个开关支路(110)，包括串联在所述第一和第二电源输入端子(102，103)之间的第一可控点火开关(111)和第二可控点火开关(112)；一个具有初级线圈(41)和次级线圈(32)的变压器(33)；以及一个点火器线圈(42)，该点火器线圈与所述变压器初级线圈(41)串联，这个串联电路具有与在所述两个可控点火开关(111，112)之间的节点(D)连接的一个末端(42b)；和一个连接在所述串联电路的另一末端(41b)和电源输入端子(102，103)中的一个之间的储能电容(44)。

Description

用于气体放电灯的驱动器装置和点火器
发明领域
本发明涉及用于气体放电灯，特别是HID(高强度放电)灯的驱动器装置。具体而言，本发明涉及HBCF类型的驱动器装置。更具体而言，本发明涉及用于这种驱动器装置的点火电路。
发明背景
高压放电灯典型通过所供的换向(commutating)直流(DC)电流(该电流被表示为方波电流)来操作。另一方面，放电灯需要高压脉冲来点火。这些脉冲必须在气体放电容器中产生一个击穿。开路电压必须足够的高以产生交接，即，在点着的灯中保持一定的电流。从这时起，灯的功率上升到它的标称值(上爬)。所述的点火脉冲具有3-5kV量级的幅值。
传统(电磁)设备包括一个用来稳定灯的镇流扼流圈和一个点燃灯的点火器，其中点火器提供点火脉冲。现在，传统设备越来越多地被电子设备所取代。这样的电子设备在一个电子电路或镇流器中同时具有灯功率控制和点火功能，常常还具有电源功率因子校正。
为人所熟知的传统驱动器具有三级设计。第一级包括向上变换器，该向上变换器接收整流交流(AC)电源输入电压并将该输入电压变换为更高的DC输出电压。第二级包括向下变换器，该向下变换器从向上变换器接收DC输出电压，并在向下变换器的输出提供更低的DC电压(灯电压)和所需的灯电流。该向下变换器具有电流源特性，即，它将灯电流控制在基本恒定值。第三级包括换向器(commutator)，该换向器典型以大约100Hz量级的频率规则地改变灯电流的方向。换句话说，在稳定状态操作期间，虽然灯以基本恒定的电流大小操作，但是在非常短暂的时间(换向周期)内灯电流规则地改变其方向。
另一种具有更少的元件从而具有降低的成本的优点的替代性设计具有两级设计，其中灯电流控制功能和换向功能结合在一级中。这样，这种两级电子镇流器包括用于接收整流AC电源输入电压并提供更高DC输出电压的第一级向上变换器，也被表示为预调节器。作为第二级，该两级电子镇流器包括半桥前向换向(HBCF)级。
通常，这样的HBCF包括三条支路。第一支路包括两个开关，通常为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，串联在从预调节器接收DC电压的输入端子之间；在下文中此第一支路也被表示为开关支路。第二支路包括两个串联在所述两个输入端子之间的电容；在下文中也将第二支路表示为电容支路。包括灯的第三支路，也表示为灯支路，连接在一方面位于所述两个开关之间的节点和另一方面位于所述两个电容之间的节点之间。开关控制器生成控制信号用来控制定时开关。
一个完整灯周期包括：灯电流于其中具有一个方向的第一时间间隔，和灯电流于其中具有相反方向的第二时间间隔。在这两间隔的每一间隔期间，所述两个开关中的一个可被表示为有源开关，而另一个可被表示为无源开关。有源开关在一个相对较高频率被断开(非导通状态)和闭合(导通状态)。在该有源开关闭合状态期间，灯电流被有源开关导通同时幅值增大。在该有源开关断开状态期间，灯电流被与其他开关并联的一个二极管导通，即无源开关。这个二极管可以是MOSFET开关自身的内体二极管。
美国专利6,188,183描述了一种用于气体放电灯的电子镇流器，包括一个具有HBCF拓扑的换向器级。在点火阶段，开关控制器生成控制信号使得HBCF元件自己生成高频点火脉冲；点火后，开关控制器生成其控制信号使得HBCF生成用于稳态操作的换向DC电流。
在稳态操作中，为了避免声共振，希望所有高频褶皱最好都尽可能地低。为此，该HBCF换向器级也包括滤波器元件，滤除灯电流的高频成分。另一方面，HBCF元件在点火期间要能够产生高频点火脉冲。这就导致对驱动器元件的需求相互矛盾，因此通过稳态电流生成元件于其中提供点火脉冲的驱动器通常是这些需求的一个折衷。具体而言，很难分别对稳态灯驱动功能和点火功能进行最优化。
图1是一个示意性说明带有独立点火电路的现有技术电子镇流器的框图。镇流器1具有用来从预调节器(未示出)接收DC电压的输入端子2和3；在灯通常需要200V量级供电电压情况下，该DC电压通常在400V量级左右的范围内变化。假定在第一输入端子2的电压电平VH高于在第二输入端子3的电压电平VL。镇流器1包括一个开关支路10，该支路10包括被串联在所述输入端子2，3之间的2个开关(MOSFET)11和12；用A表示在所述两个开关11和12之间的节点。开关控制器13生成用来控制开关11和12定时的控制信号。电容支路20包括被串联在所述2个输入端子2，3之间的2个电容21和22；用B表示在所述2个电容21和22之间的节点。在节点B的电压电平通常约等于(VH+VL)/2。
灯支路30被连接在所述2个节点A和B之间。灯支路30包括输出端子4和5的串联连接，该串联连接用来连接灯6、灯线圈31，和变压器33的次级线圈32。第一和第二过滤电容34和35一方面与灯线圈31和变压器次级线圈32之间的节点C连接，另一方面分别与第一和第二输入端子2和3连接。点火器电容36与变压器次级线圈32并联。
变压器33和点火器电容36是点火电路40的一部分。变压器33的初级线圈41的一个端子41a与点火器线圈42的第一端子42a相连。可控开关43把点火器线圈42的第二端子42b与第二输入端子3连到一起。点火电路40还包括连接在变压器初级线圈41的第二端子41b和第二输入端子3之间的储能电容44，和连接在变压器初级线圈41的第二端子41b和第一输入端子2之间的充电电阻45。
可以注意到，对本设计的变体是可能的；例如，点火器电容36可以与变压器初级线圈41并联。
该现有技术点火电路40的操作如下。首先，可控开关43被断开(非导通状态)，储能电容44通过由充电电阻45传导的充电电流被充电到第一输入端子2的电压值。然后，可控开关被闭合(导通状态)，储能电容44通过变压器初级线圈41和点火器线圈42放电。变压器初级线圈41中的电流被耦合到变压器次级线圈32，由此流入灯6。
该现有技术电路的缺陷在于，原则上它只能提供一个点火脉冲。如果灯在这一脉冲时没有启动，下一脉冲只能在储能电容44已经被再充电后才产生。
现有技术电路的另一缺陷在于全放电电流流过开关43，所以开关43必须是较贵的功率MOSFET。
现有技术电路的另一缺陷在于通过充电电阻45向储能电容44阻抗充电。
现有技术电路的另一缺陷在于，为了生成足够的点火脉冲，储能电容44必须被充电到一个相对较高的电压；因此，输入端子2和3之间的电压差必须相对较高，实际灯驱动器电路元件10，20，30必须有一个适合这个高电压的额定值。
现有技术电路还有缺陷涉及放电后瞬间的接收阶段。为了在接收阶段维持灯电流，有时就需要把母线电压(即，VH-VL)增加大约100V。
本发明的主要目的在于提供一种用于气体放电灯驱动器的点火器电路，该电路消除或至少减少上述问题中的全部或至少一个。
发明内容
根据本发明的一个重要方面，用于放电灯驱动器的一个点火器电路包括一个与稳态驱动器电路分开的半桥谐振电路。在操作中，储能电容可通过点火器线圈被再充电，从而再次利用点火器线圈在放电期间积累的能量。该电路可谐振操作，并可以以主要由该电路谐振频率确定的一个重复率持续地提供点火脉冲。这样，灯6将被更快点火。点火后，一旦灯电极处于热离子放射状态，点火器电路可被切断，但是在困难的操作条件下，如果需要的话，该点火器电路可继续用来支持灯放电。
谐振电路的另一优点在于有可能提供充足的灯电压，以及提供足够能量输入灯中用来在接收阶段维持灯，而不需要增加总线电压。
另一优点在于，在谐振操作期间，点火器电路的半桥开关中的电流相对较小，所以这些开关也能相对小而便宜。
另一优点在于，点火器功能完全独立于稳态功能，所以可在为稳态操作优化灯驱动器的同时优化点火功能。特别是，这容易使得在一个优选的稳态操作模式中操作灯驱动器，即，临界间断模式。此外，用于谐振点火的元件值和用于在稳态操作中过滤的元件值能被相互独立的优选，不需要折衷考虑。
另一优点在于，输入灯驱动器的电压可被设置为一个更低的值，所以可使用具有更低电压额定值和/或更优特性和性能的元件。同样，电路效率也被提高了。
附图说明
下面将结合附图并通过对本发明灯驱动器优选实施方案的描述进一步说明本发明的这些和其他方面、特性和优点，其中同样的参考数字表示同样或类似的组件，其中：
图1是一个示意性说明带有独立点火电路的现有技术电子镇流器的框图。
图2是一个示意性说明根据本发明的带有独立点火电路的电子镇流器的框图。
图3是一个说明品质因数作为操作频率函数的曲线图。
发明描述
图2示意性说明一个根据本发明的电子镇流器100的框图，包括根据本发明设计的点火电路140。镇流器100的许多元件可以和现有技术镇流器1的对应元件相同。因此，这些元件在图2中具有和图1中同样的参考数字，或者出于简单的目的甚至被省略，在此不再重复他们的说明。
和现有技术中的电路一样，点火电路140包括一个变压器33，其具有的次级线圈32在节点C和灯输出端子4之间与灯6串联。事实上，根据本发明的点火电路140可用一个替换现有点火电路的独立替换电路实现；在这种情况下，变压器次级线圈32的端子32a和32b可被看作构成点火电路140的输出端子。
点火电路140具有用来接收DC电压的输入端子102和103。假定在第一输入端子102上的电压电平高于在第二输入端子103上的电压电平。原则上，这两输入端子102和103可被连接到一个独立电压源。然而，通常情况下，高压输入端子102将被连接到镇流器100的第一输入端子2，而低压输入端子103将被连接到镇流器100的第二输入端子3。
变压器33具有一个带有与点火器线圈42的第一端子42a相连的一个端子41a的初级线圈41。点火电路140还包括一个连接在变压器初级线圈41的第二端子41b和低压输入端子103之间的储能电容44。注意到，可替换地，储能电容44可被连接在变压器初级线圈41和高压输入端子102之间。
参照图1，注意到的是，变压器初级线圈41的第二端子41b也可与电容支路的节点B连接，在这种情况下储能电容44可被省略。
点火电路140包括一个开关支路110，该支路包括在上述高压输入端子102和上述低压输入端子103之间串联连接的2个开关(MOSFET)111和112；上述两个开关111和112之间的节点表示为D。开关控制器113生成用来控制开关111和112定时的控制信号。
点火器线圈42的第二端子42b被连接到上述两个开关111和112之间的上述节点D。
本发明点火电路140的操作如下。
点火开关控制器113在两种控制状态之间交替：在第一控制状态中，点火开关控制器113生成控制信号使得第一点火器开关111被闭合(导通)同时第二点火器开关112被断开(非导通)，然而在第二控制状态，点火开关控制器113生成控制信号使得第一点火器开关111被断开(非导通)同时第二点火器开关112被闭合(导通)。因此，在变压器初级线圈41上生成交变电流，引起变压器次级线圈32上产生交变电流。在一个优选实施方案中，变压器33的磁感应率比点火器线圈42的感应率小，所以变压器33的磁感应率与点火器电容36相结合就可以主导地确定电路的谐振频率。在那种情况下，点火器电容36中的电流和变压器33的磁感应率大概具有相同的量值和180°相位差，所以流过点火器线圈42的这些电流的总和较小，因此点火器开关111和112中的电流也较小。
在上述中，变压器33的磁感应率表示该变压器初级和次级线圈的联合感应率，这对于本领域的普通技术人员来说是清楚的。
在变压器初级线圈41上生成的电压取决于开关频率。图3是一个表示变压器电压VT(纵轴，任意单位)作为开关频率F(横轴，任意单位)的函数的曲线图。可以看到当开关频率F等于变压器初级线圈41和储能电容44的串联连接的谐振频率FR时，变压器电压VT有一个最大值。
尽管点火开关控制器113可能在一个固定频率操作，但优选操作如下。当操作开始时(即，驱动器100被接通)，点火开关控制器113在一个距离谐振频率FR有一段距离的初始频率F1处开始控制点火开关111和112。在此，变压器电压VT相对较低(VT1)，但是谐振电路将相对较快地开始谐振。初始频率F1可被选择低于谐振频率FR，但是优选地初始频率F1被选择高于谐振频率FR，如图所示。
然后，点火开关控制器113缩小其操作频率和谐振频率FR之间的差值，即，降低它的操作频率，使得变压器电压VT增高，用图3中的线121表示。
点火开关控制器113可被设计为一直操作直到它的操作频率与谐振频率相等为止。点火开关控制器113也可以监控变压器电压VT(通过使用一个传感器，在图3中未示出)，一旦变压器电压VT超出一个预定水平就校准自己的操作频率。
用“谐振点火器”表示一个具有上述操作的点火器。
点火开关控制器113的操作独立于灯驱动器开关控制器13的操作。具体而言，点火开关控制器113有可能在接收期间继续操作，如果需要的话，甚至可在灯的稳态操作期间继续操作。
此外，因为点火器电路140除了变压器次级线圈32以外，没有与灯电流生成电路公共的元件，所以点火器电路140和灯电流生成电路可相互独立地被优化。
对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，本发明不局限于上面所讨论的示例性实施方案，在所附权利要求中所定义的本发明的保护范围内，一些变形和修改是可能的。
例如，在所讨论的实施方案中，储能电容44连接在变压器初级线圈41和低压输入端子103之间；可替换地，储能电容44也可连接在变压器初级线圈41和高压输入端子102之间。
在上述中，本发明是参照框图来说明的，其中开关控制器被表示为功能框。要知道的是，一个或多个这种功能框可在硬件中实现，在硬件中用个别的硬件元件执行这样的功能框的功能，但是也可以在软件中实现一个或多个这种功能框，用一个计算机程序的一个或多个程序行或诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器等可编程设备执行这样的功能框的功能。

Claims (16)

1.用来驱动气体放电灯(6)的电子灯驱动器(100)的点火器电路(140)，该点火器电路包括：
第一和第二电源输入端子(102，103)；
一个开关支路(110)，包括串联连接在所述第一和第二电源输入端子(102，103)之间的第一可控点火开关(111)和第二可控点火开关(112)；
一个具有初级线圈(41)和次级线圈(32)的变压器(33)；
一个点火器线圈(42)，该点火器线圈与所述变压器初级线圈(41)串联，该串联电路具有连接到所述两个可控点火开关(111，112)之间的节点(D)的一个末端(42b)；
一个储能电容(44)，连接到所述串联电路的另一末端(41b)和电源输入端子(102，103)中的一个之间。
2.如权利要求1所述的点火器电路，还包括一个与所述变压器次级线圈(32)并联的点火器电容(36)。
3.如权利要求1所述的点火器电路，还包括一个用来控制两个可控点火开关(111，112)的点火开关控制器(113)。
4.如权利要求1所述的点火器电路，其中，点火器线圈(42)具有连接到变压器初级线圈(41)的第一末端端子(41a)的第一末端端子(42a)，和具有连接到所述两个可控点火开关(111，112)之间的所述节点(D)的第二末端端子(42b)。
5.如权利要求4所述的点火器电路，其中，储能电容(44)连接到变压器初级线圈(41)的第二末端端子(41b)和电源输入端子(102，103)中的一个之间。
6.如权利要求4所述的点火器电路，其中，储能电容(44)连接到变压器初级线圈(41)的第二末端端子(41b)和低压输入端子(103)之间。
7.如权利要求1所述的点火器电路，其中，变压器(33)的磁感应率小于点火器线圈(42)的感应率。
8.用于操作如权利要求1所述的点火器电路(140)的方法，包括步骤：
在第一状态，闭合第一点火开关(111)，断开第二点火开关(112)；
在第二状态，断开第一点火开关(111)，闭合第二点火开关(112)；
以开关频率(F)在所述第一和第二状态之间交替。
9.如权利要求8所述的方法，其中，开关频率(F)被选为至少约等于变压器初级线圈(41)和储能电容(44)的串联连接的谐振频率(FR)。
10.如权利要求9所述的方法，还包括步骤：
开始，选择开关频率(F)高于所述谐振频率(FR)；
接着，降低开关频率(F)直到在变压器初级线圈(41)上的电压幅值到达最大值。
11.如权利要求9所述的方法，还包括步骤：
开始，选择开关频率(F)高于所述谐振频率(FR)；
接着，降低开关频率(F)直到在变压器初级线圈(41)上的电压幅值到达一个预定电平。
12.如权利要求8所述的方法，其中，即使在与变压器次级线圈(32)串联的灯(6)点火后，继续操作所述点火器电路(140)。
13.如权利要求1所述的点火器电路，被设计为执行如权利要求8所述的操作方法。
14.用于驱动气体放电灯(6)的驱动器电路(100)，包括如权利要求1所述的点火器电路(140)。
15.如权利要求14所述的驱动器电路，具有HBCF拓扑，包括：
分别用于接收第一和第二电源电压(VH，VL)的第一和第二电源输入端子(2，3)；
一个开关支路(10)，包括串联在所述第一和第二电源输入端子(2，3)之间的第一可控驱动器开关(11)和第二可控驱动器开关(12)，所述开关支路具有在所述两个驱动器开关(11，12)之间的第一节点(A)；
一个电容支路(20)，包括串联在所述第一和第二电源输入端子(2，3)之间的第一电容(21)和第二电容(22)，所述电容支路(20)具有在所述两个电容(21，22)之间的第二节点(B)；
一个灯支路(30)，包括用于连接灯(6)的输出端子(4，5)，所述灯支路(30)连接在所述第一和第二节点(A，B)之间；
所述灯支路(30)包括与所述灯输出端子(4，5)串联的变压器次级线圈(32)。
16.如权利要求14所述的驱动器电路，其中，所述点火器电路(140)的第一和第二电源输入端子(102，103)分别与驱动器电路的第一和第二电源输入端子(2，3)连接。
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