CN1964589B

CN1964589B - 高强度气体放电灯电子镇流器功率变换电路拓扑电路

Info

Publication number: CN1964589B
Application number: CN200610104903XA
Authority: CN
Inventors: 曹建安; 杨明杰; 冯波
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: CN1964589A

Abstract

本发明公开了一种高强度气体放电灯电子镇流器的功率变换电路拓扑及控制电路。其功率变换采用交流降压拓扑，包括相串连的V1、V2、V3、V4四个开关管，其中开关管V1通过电子式镇流器电感L1连接滤波器的输出端，开关管V1、V2和V3、V4分别构成了两组双向可控开关，并有公共的驱动地；开关管V2和开关管V3之间连接高频镇流电感L2作为负载输出端，高频镇流电感L2和负载构成一阶滤波器，负载输出端连接有电容C1和变压器T1，电容C1和变压器T1构成负载触发电路。采用准恒功率控制，实现了在电网输入电压波动的情况下，电子镇流器输出的恒功率，保证了气体放电灯的恒照度。具有功率因数高、效率高、无声谐振、准恒功率输出等特点。

Description

高强度气体放电灯电子镇流器功率变换电路拓扑电路

技术领域

本发明属于照明节能工程的电力电子及其控制技术，涉及一种镇流器的功率变换电路，特别涉及一种高强度气体放电灯电子镇流器的功率变换电路拓扑及控制电路。

背景技术

电子镇流器是在电源与高强度气体放电灯(HID)气体放电灯之间的、整体替代电感镇流器、触发器和补偿电容器的装置。和传统的电感式镇流器相比，电子镇流器具有输入功率因数高、功率转换效率高、延长放电灯寿命等优点；同时也带来了声谐振、电子产品在恶劣环境下工作可靠性等问题^[1]，为了避免镇流器产生声谐振，很多研究学者做了大量的研究工作。文献[2]提出了采用超高频工作方式，让灯工作在360kHz以上的频率，这样可防止声共振的发生。但过高的开关频率，易造成桥臂的上下直通，且效率降低。文献[3，4]介绍了低频方波调制的方法，如图1所示。当方波的纹波小于一定范围，可完全避免声共振的发生。低频方波调制的问题在于由于使用全桥电路，使得成本大大增加，过多的功率器件和复杂的控制可能造成可靠性降低；并导致变换器效率降低。文献[5]提出了利用白噪声调制的方法，从实验结果看，该方法有良好的效果，但在对成本有严格要求的镇流器而言，这种方法难以实现。文献[6]研究的是400Hz调制输出的正弦波，也能避免声谐振，但是要求在直流母线方式供电的情况下。

文献[3、4]、[7、8]提出的电子镇流器恒流或者是恒功率控制技术，如图3所示，是通过采样高频开关管的直流或者高频交流，然后经过一阶滤波器，得到稳定的输出直流电流信号；输出直流电压信号也是将放电灯端电压进行衰减和滤波而获得，这样再通过两路信号的叠加，并和功率指令信号比较，得到控制电压信号，最后实现输出PWM波的控制。本发明的恒功率控制是和上述控制技术有根本区别的，其两路电压和电流信号来自输入的工频交流电压和电流，然后通过滤波、叠加等环节，实现输出PWM波的控制。

文献[3、4、7、9、10]都提出了高压触发电路，如图2所示，都采用电感耦合方式，而不是本发明提出的变压器耦合，并通过高通滤波电容实现的。

现有的专利技术[11]也是一种低频方波输出的、两级电路拓扑的电子镇流器，而本发明是一级电路拓扑的正弦波输出的电子镇流器。专利[12～14]是两级的高频控制的电子镇流器，和本发明的区别也是显而易见的，专利[15]采用调频方式避免声谐振。

以下是申请人给出的参考文献：

[1]单庆晓，高强度气体放电灯电子镇流器的新进展，照明工程学报[J]，2005，Vol.16(No.1)：46-50。

[2]曹箫洪，A tiny 15L控制的金卤灯高频电子镇流器.电力电子技术[J]，2004，Vol.2638(No.1)：87-89。

[3]Miaosen Shen，Zhaoming Qian Fang Zheng Peng.Design of aTwo-Stage Low-Frequency Square-Wave Electronic Ballast for HID Lamps.Ieee Transactions On Industry Applications[J]，2003，VOL.39，(NO.2)：424-430。

[4]许建炳，低频方波HID灯电子镇流器关键技术研究[D]，浙江大学，2006。

[5]Laskai L，Enjeti P，Pitel I.J.White-ncise modulation ofhigh-frequency high-intensity discharge lamp ballasts.IeeeTransactions On Industry Applications[J]，1998，Volume 34(Issue3)：597-605。

[6]吕晓东，集中式HID电子镇流器及其供电***的研究[D].浙江大学，2005。

[7]沈淼森.高强度气体放电灯电子镇流器关键技术研究[D].浙江大学，2003。

[8]梁伟霞，射频高强度气体放电灯电子镇流器及其磁元件的研究[D].浙江大学，2006.

[9]Francisco，Javier and Ferrero Martín etl.Analysis and Designof a High Power Factor，Single-Stage Electronic Ballast forHigh-Intensity Discharge Lamps.Ieee Transactions On PowerElectronics[J]，2003，VOL.18(NO.2)：558-569。

[10]刘晨阳，气体放电灯电子镇流器关键技术的研究[D].浙江大学，2005。

[11]Vila-Masot J.Melis and O.Low frequency square waveelectronic ballast[P]。

[12]Soar S.R.Greenwood and S.High intensity discharge lampballast[P]。

[13]Hui，Shu Yuen Ron，Chung，Novel circuit designs and controltechniques for high frequency electronic ballast for high intensitydsicharge lamps[P]。

[14]Takao Takehara，Iwata-gun Masashi Norizuki，POWER SUPPLYCIRCUIT DEVICE FOR A HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP THAT REPETITIVELYLIGHTS THE LAMP USING A PULSE-BY-PULSE MODE CURRENT LIMITINGFUNCTION[P]。

[15]龚明甫，尹达衡，防止高频电子镇流器产生声振荡的方法及装置[P]。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高强度气体放电灯电子镇流器的功率变换电路拓扑及功率控制电路。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种高强度气体放电灯电子镇流器变换电路拓扑，其特征在于，包括相串连的V1、V2、V3、V4四个开关管，其中开关管V1通过电子式镇流器电感L1连接滤波器的输出端，开关管V1、V2和V3、V4分别构成了两组双向可控开关，并有公共的驱动地；开关管V2和开关管V3之间连接高频镇流电感L2作为负载输出端，高频镇流电感L2和负载构成一阶滤波器，负载输出端连接有电容C1和变压器T1，电容C1和变压器T1构成负载触发电路。

上述高强度气体放电灯电子镇流器的功率变换电路拓扑的准恒功率控制电路，其特征在于，该控制电路由IC1、IC2、IC3、IC4、IC5、IC6、IC7共7个运算放大器和电阻R1～电阻R19以及电容C1～电容C5组成；其中电阻R1和电阻R3构成输入电压的衰减分压，通过模块IC1、模块IC2和电阻R5、电阻R6构成的整流电路，实现输入交流波形的精密整流；电阻R7～电阻R10、电容C1、电容C2和模块IC3构成一个二阶低通滤波器，将整流的脉动直流滤波成平稳的输入电压有效值信号；电阻R4对输入电流进行反馈采样，并通过模块IC4、模块IC5和电阻R12、电阻R13构成的精密整流电路，用于将交流电流波形整流成脉动直流信号，再通过电阻R14～电阻R17、电容C3、电容C4和模块IC6进行低通滤波，得到平稳的输入电流有效值信号；最后通过电阻R11、电阻R18、电阻R19、电容C5和模块IC7构成小惯性环节，将输入电压有效值和输入电流有效值信号进行叠加，并和输入功率指令参考信号比较，从而得到输入功率的控制信号。

本发明的高强度气体放电灯电子镇流器的功率变换电路拓扑及功率控制电路具有如下特点：

1)功率变换采用交流降压拓扑，采用一级能量变换，提高电子镇流器的变换效率；低频的输出电压能够避免高频电子镇流器带来的声谐振问题；实现了输入电流和电压同波形，达到了单位功率因数。

2)采用准恒功率控制，实现了在电网输入电压波动的情况下，电子镇流器输出的恒功率，保证了气体放电灯的恒照度。

本发明和现有的电感式镇流器相比，具有功率因数高、效率高、准恒功率输出等特点；和现有的电子镇流器相比，具有效率高、无声谐振、准恒功率输出等特点。

附图说明

图2是具有功率因数校正的两级低频电子镇流器功率变换电路；

图3是高压脉冲触发电路；

图4是恒流或者恒功率控制实现的电路；

图5是本发明提出的具有单位功率因数的一级低频电子镇流器功率变换电路，及其高压脉冲触发电路图；

图6是本发明的实现准恒功率控制电路图。

图7是本发明输出电压和电流的仿真波形图；

图8是本发明输入电压和电流的仿真波形图；

图9是本发明高压脉冲触发电路的仿真波形图。

以下结合附图和本发明的原理作进一步的详细说明。

具体实施方式

1.功率变换电路拓扑

传统的电感式镇流器采用一个工频电感作为气体放电灯的限流装置，其输入的功率因数低下；输出到放电灯的端电压不稳定，严重缩短了放电灯的寿命。目前研究的电子式镇流器为了得到高功率因数，前端都附加一个功率因数校正电路，并通过半桥变换器输出一个稳定的电压或电流，因此，显著的克服了电感式镇流器的不足。但带来的缺点是功率变换采用了两级结构，导致变化效率低，控制复杂，可靠性低等缺点。为此，为了克服这些缺点，本发明的高强度气体放电灯电子镇流器的功率变换电路拓扑如附图5所示。

图中的滤波器是目前所有电子式镇流器所必备的EMC接口电路，开关管V1、V2和V3、V4如图连接，分别构成了两组双向可控开关，并有公共的驱动地；L2是高强度气体放电灯Lamp的高频镇流电感。开关管V1和V2工作在高频(25KHz)开关方式。当输入电网电压为正半周时，V4总是处于导通状态。当V1和V2同时导通时，V3截止，电感电流方向是流向Lamp；当V1和V2关断时，V3内部的反并联二极管导通，提供电感L2的续流电流。当输入电网电压为负半周时，V3总是处于导通状态。当V1和V2同时导通时，V4截止，电感电流方向是从Lamp流回；当V1和V2关断时，V4内部的反并联二极管导通，提供电感L2的续流电流。为了能够提高变换器的效率，当V3或V4内部的反并联二极管工作时，V3或V4工作在同步整流状态。

该电路和标准的Buck电路是有区别的，首先Buck电路是直流输入，其次Buck电路必须有输出电容。

但是在任何时刻，输出电压u_o和输入电压u_in呈如下关系：

u_o＝q·u_in (1)

其中q为占空比。当输入电压发生变化时，调节q值就可以实现输出电压的稳压。

2.触发电路

电子式镇流器一般所采用的高压触发电路都是通过输出滤波电感耦合，副边产生4kV的触发脉冲。本发明采用图5中变压器T1作为Lamp的高压脉冲触发电路，电容C1是高通，对工频50Hz呈现较大的衰减。该变压器使用铁氧体软磁材料作为磁芯，采用EE25的骨架，体积较小。如果没有该电容，输出电压会造成触发变压器的副边饱和，且产生较大的励磁电流。

3.准恒功率控制

在忽略变换器的变换效率的情况下，输入功率就等于输出功率。要实现放电灯的恒照度，就得使放电灯为恒功率状态，电子镇流器的输出为恒功率，那么其输入为恒功率，即为：

P_in＝u_in·i_in＝k (2)

输入功率P_in为常数k。以u_in为横坐标，i_in为纵坐标，作图1中理论功率曲线所示。如果要实现该曲线的控制，则需要乘法器，这要受到镇流器成本和可靠性的限制。为此，本发明提出采用准恒功率控制。

准恒功率就是使输入电压、输入电流之和为常数C，即：

u_in+i_in＝C (3)

如图1中的实际控制曲线。在这两条曲线相切点，设置该点为输入电压在额定值ur，输入电流为额定值ir；当ur为0.8ur时，根据式(3)输入电流就相应增大；同样当ur为1.2ur时，输入电流就相应减小。显然和理论控制波形相比有偏差，但是，只要合理的设计输入电压和输入电流的比例，可以将这种偏差降到最低，从而实现近似的恒功率控制，即准恒功率控制。

图6是实现该电子镇流器准恒功率控制的电路，其中R1和R3构成了输入电压的衰减分压，然后通过运算放大器IC1、IC2和电阻R5、R6实现输入交流波形的精密整流，R7～R10、C1、C2和运放IC3构成一个二阶低通滤波器，将整流的脉动直流滤波成平稳的输入电压有效值信号；R4对输入电流进行反馈采样，并通过运放IC4、IC5和R12、R13构成的精密整流电路，将交流电流波形整流成脉动直流信号，再通过R14～R17、C3、C4和运放IC6进行低通滤波，得到平稳的输入电流有效值信号；最后通过R11、R18、R19、C5和运放IC7构成的小惯性环节，将输入电压有效值和输入电流有效值信号进行叠加，并和输入功率指令参考信号Vref比较，从而得到输入功率的控制信号Vc。

对图5所示的电路采用Pspice软件进行仿真，得到如图7和8的波形图。图中上图对应的是电子镇流器输出的电流波形图，峰值电流为2.8A左右，有效值约为2A；下图对应的是电子镇流器输出的电压波形图，电压有效值为130V。从中可以看出，输出的电压波形为正弦波形，那么放电灯的端电压波峰比约为1.4，满足放电灯要求的电压波峰比约为1.7。图8为电子镇流器输入的电流电压波形图，上图对应输入的电流波形图，峰值电流为1.4A左右，有效值约为1A；下图对应的是输入的电压波形图，电压有效值为220V。从中可以看出，本发明能够使电子镇流器的输入电流为正弦波形，且和电压波形同相，达到单位功率因数。

同样对高压脉冲触发电路进行仿真，得到图9的波形。可以看出，该电路实现的触发脉冲是多束的，每束的间隔为2ms左右，能够实现一个周期的多次触发；且脉冲的触发电压强度较高，约为4kV左右，满足气体放电灯击穿电压的要求。

Claims

1.一种高强度气体放电灯电子镇流器变换电路拓扑电路，其特征在于，包括相串连的V1、V2、V3、V4四个开关管，其中开关管V1通过电子式镇流器电感L1连接滤波器的输出端，开关管V1、V2和V3、V4分别构成了两组双向可控开关，并有公共的驱动地；开关管V2和开关管V3之间连接高频镇流电感L2作为负载输出端，高频镇流电感L2和负载构成一阶滤波器，负载输出端连接有电容C1和变压器T1，电容C1和变压器T1构成负载触发电路。

2.如权利要求1所述的高强度气体放电灯电子镇流器变换电路拓扑电路，其特征在于，所述的变压器T1的磁芯为铁氧体软磁材料。