CN100534254C - 高压放电灯操作设备 - Google Patents

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Abstract

一种高压放电灯操作设备，能够减小DC-DC转换器电路的尺寸和重量，相应的，操作设备不会产生变压器核心部件的磁饱和，即使当用于操作车辆的HID前灯的操作设备点亮一个灯的时候。一个PWM控制电路(6)包括一个功率控制单元(31)，其接收一个电压检测信号并控制PWM控制信号的信号波形的占空，一个误差放大器(32)，其比较功率控制单元(31)的输出和参考电压并输出一个误差电平信号，一个振荡频率控制装置(36)，用于输出一个矩形波信号以在点亮HID灯(5)后一个预定时间段实现一个高频率并且在经过所述预定时间段后实现一个低频率，一个三角波振荡器(34)，其把所述矩形波转换为三角波，以及一个比较器(35)，其比较所述误差电平信号和所述三角波信号，并在三角波为高的时间段输出H电平的PWM控制信号到一个开关单元(12)。

Description

高压放电灯操作设备
技术领域
本发明涉及一种用于高压放电灯(例如HID灯)的操作设备，尤其涉及一种操作车辆前灯的高压放电灯操作设备。
背景技术
高亮度放电灯(HID灯)作为一种用于提高夜间司机能见度的车辆前灯光源是已知的。
此HID灯可以用较小的功率获得比常规卤素灯等更亮的光，但是它要求一种HID灯特定的操作设备，这与常规的灯是不同的。
此外，此操作设备作为车辆前灯设备还需要满足特定条件。即车辆的前灯必须在短时间内输出稳定、高亮度的光束。
在灯刚点亮以后，操作设备一般需要立即向灯提供两倍于额定功率的功率。图5显示了这样的情况，其中相对于35W的额定功率，在刚点亮后立即需要约70W的功率。
从而由于灯刚点亮后需要立即向其提供高功率这一特殊情况，以致为了作为车辆前灯的操作设备，操作设备的一个DC-DC转换器电路也需要被设计为能够在点亮时提供高功率。
另一方面，为了进一步提高更多司机的安全性，将来不仅中等尺寸车和标准尺寸车，而且流行车和轻型车也需要安装HID灯，并且为了符合近年来减小车辆尺寸和重量的要求，减小所述操作设备的尺寸和重量成为了一项紧急任务。
为了减小所述操作设备的尺寸和重量，通常进行的努力是通过减小一个DC-DC转换器变压器的绕组直径从而减小此变压器的尺寸，以减小操作设备的尺寸和重量。
虽然绕组直径的减小涉及生成热量的问题，但如果可以在点亮之后一个预定的时间段内专门提供较大的功率，则为了减小DC-DC转换器变压器的尺寸和重量而优先地采取上述措施。
另一方面，促进DC-DC转换器变压器的尺寸和重量的减小，要求减小构成变压器重量的大部分的一个核心部分的尺寸。
但是尝试减小具有常规DC-DC转换器电路结构的DC-DC转换器变压器的核心部分的尺寸增加了发生磁饱和的倾向，妨碍了获得操作灯所必需的大功率。换句话说，上述允许设备作为车辆前灯的操作设备操作的特殊情况对减小核心部分的尺寸构成了相当大的障碍，由于这个原因，操作设备的尺寸和重量的减小已限于上述绕组的尺寸和重量的较小的减小。
本发明是考虑到这些情况而实施的，本发明的一个目标是提供一种用于操作车辆前灯的高亮度放电灯操作设备，它能够减小一个DC-DC转换器电路的尺寸和重量，并且根据该操作设备，即使在点亮灯时变压器的核心部分也不会产生任何磁饱和。
发明内容
本发明的高压放电灯操作设备包括一个DC电源电路，它用一个开关元件增加一个DC电压源(DC电源)的电压，平滑并输出电压；一个全桥式电路，它将来自此DC电源电路的DC电压输出转换成一个AC电压并且连续操作所述高压放电灯；一个高压脉冲生成电路，它生成一个高压脉冲，加在从该全桥式电路输出的AC电压信号上，用于点亮高压放电灯；以及一个开关转换信号控制电路，它输出一个PWM控制信号，用于控制一个信号波形的占空比，以便在点亮高压放电灯时延长开关元件的“开”状态时间段，而在正常操作期间缩短开关元件的“开”状态时间段，其特征在于开关转换信号控制电路具有振荡频率控制装置，用于控制PWM控制信号的频率，以便在高压放电灯点亮之后的一段预定的时间段内实现一个高频率，而在经过此预定的时间段后实现一个低频率。
此外，振荡频率控制装置可被构造为包括一个开关频率信号生成部件，它生一个矩形波，其频率对应于高压放电灯点亮后的一段时间，以及一个振荡器，它将来自开关频率信号生成部件的矩形波转换为三角波或正弦波。
此外，DC电源电路还可包括例如一个回扫(flyback)电路，并且开关元件可被构造为控制流经回扫电路的升压变压器的一个初级绕组的电流。
附图说明
图1是显示根据本发明的一个实施例的一个操作设备的一个PWM控制单元的框图；
图2是显示根据本发明的实施例的操作设备的框图；
图3是显示根据本发明的实施例的操作设备的电路图；
图4(A)(I))显示了来自图1所示的振荡频率控制装置的一个振荡频率为200KHz的输出信号波形，图4(A)(II)显示了当来自振荡频率控制装置的输出信号为图4(A)(I)时图1所示的比较器中的一个输入信号波形，图4(A)(III)显示了当来自振荡频率控制装置的输出信号是图4(A)(I)时来自图1所示的比较器的一个PWM控制信号波形，图4(B)(I)显示了来自图1所示的振荡频率控制装置的一个振荡频率为100KHZ的输出信号波形，图4(B)(II)显示了当来自振荡频率控制装置的输出信号是图4(B)(I)时图1所示的比较器中的一个输入信号波形，而图4(B)(III)显示了当来自振荡频率控制装置的输出信号是图4(B)(I)时来自图1所示的比较器的一个PWM控制信号波形；
图5是显示根据本发明的实施例提供给HID灯的功率的变化的图；
图6是显示图1所示的振荡频率控制装置的一个CPU的处理步骤的流程图；以及
图7是显示一个常规操作设备的一个PWM控制单元的框图。
具体实施方式
现在将参考附图说明根据本发明的一个高压放电灯操作设备的一个实施例。这里此实施例的装置是用于车辆前灯的一个高压放电灯操作设备，在说明作为本实施例的装置的要点的一个PWM控制单元(开关转换信号控制电路)之前，将用图2和图3说明整个装置的电路结构。
图2是显示整个装置的电路结构的框图，它显示了本实施例的装置是由以下部分构成的：安装在车辆上的作为一个DC电压源1的一块电池；一个DC-DC转换器电路(DC电源电路)2，它用一个开关元件增加DC电压源1的电压，并且平滑和输出电压；一个全桥式电路3，它将来自DC-DC转换器电路2的DC电压输出转换为一个AC电压，并且连续操作高压放电灯；一个点亮器电路(高压脉冲生成电路)4，它生成将要加到从该全桥式电路3输出的AC电压信号的一个高压脉冲，用于点亮一个HID灯(高压放电灯)5；以及一个PWM控制单元(开关转换信号控制电路)6，它输出一个PWM控制信号，用于控制一个矩形波的占空，以便在点亮HID灯5时延长开关元件“开”状态时间段，而在正常操作期间缩短开关元件的“开”状态时间段。
此外，PWM控制电路6具有振荡频率控制装置，用于控制PWM控制信号的频率在HID灯5点亮之后的一段预定的时间段内为一个高频率，而在经过这个预定的时间段后为一个低频率。
在此实施例的装置中，用于一辆车辆的一个35W灯光被用作HID灯5。
接下来将用图3更具体地说明电路结构。
DC-DC转换器电路2具有一种一般称为“回扫电路”的结构，并且包括一个回扫变压器11，它具有一个安排在DC电压源1一侧的初级绕组11a，以及一个安排在HID灯5一侧的次级绕组11b，以及一个FET12，作为连接到初级绕组11a的开关元件。此外，DC-DC转换器电路2还包括一个连接到次级绕组11b的整流二极管13以及一个输出平滑电容14。这里当FET12打开时，一个初级电流i1流经回扫变压器11的初级绕组11a，能量储存在初级绕组11a中，而当FET12关闭时，这些储存的能量从次级绕组11b释放，作为一个电流i2。当这种操作进一步重复时，从二极管13和平滑电容14的一个连接点(上述电压检测信号的检测点)输出一个高压到全桥式电路3。
全桥式电路3形成一个反相器电路，通过一个矩形波信号AC操作HID灯12，并且是由排列得像桥的FET 21a至21d构成的。在四个FET 21a至21d中，FET 21a、21d和FET 21b、21c被一个桥驱动电路(未显示)交替驱动为开/关状态。因此，HID灯5的放电电源的方向交替切换，HID灯5的放电电压的极性被反相，并且HID灯5被AC操作。
点亮器电路4在点亮HID灯5以操作此HID灯5时将向HID灯5应用一个高压脉冲。即点亮器电路4具有一个储存脉冲能量的电容，一个脉冲变压器以及一个将电容的能量应用到脉冲变压器的初级侧的开关元件(半导体闸流管)，当一个门信号被加到开关元件(半导体闸流管)时，电容通过脉冲变压器的初级绕组放电，在脉冲变压器的次级绕组上生成一个高压脉冲，此高压脉冲被加到HID灯5上，在HID灯5的电极间产生介质击穿并点亮HID灯5。
各个元件，DC-DC转换器电路2，全桥式电路3和点亮器电路4是由一个控制电路(未显示)控制的(控制实际上是由PWM控制单元6附近的一个控制单元执行的)。
但是，如上所述，DC-DC转换器电路2通过在作为开关元件的FET12的开/关状态之间切换来改变从回扫变压器释放出的能量总量。如上所述在FET12的开/关状态之间的这种切换是由PWM控制单元6控制的。
图7是显示一个常规PWM控制单元6a的配置的框图。在图7中，对应于此实施例的PWM控制电路6中的元件的元件被分配了与实施例中相同的附图标记，并且加上“a”以表示这些元件属于常规技术，所述实施例的PWM控制电路6将在稍后说明。
也就是说，常规PWM控制单元6a具有一个功率控制单元31a，它接收一个电压检测信号并且根据检测到的电压输出一个信号，其中电压检测信号是通过检测来自一个二极管13和一个DC-DC转换器电路2的平滑电容44之间的一个连接点的电压来获得的；一个误差放大器32a，它将来自此功率控制单元31a的输出与一个参考电压相比较，并且输出一个关于误差电平的误差电平信号；一个振荡电路33a，它输出一个具有预定频率的矩形波；一个三角波振荡器34a，它将来自此振荡电路33a的矩形波转换成一个三角波；以及一个比较器35a，它将误差电平信号与来自三角波振荡器34a的三角波信号输出相比较，在三角波信号为高的时间段内将一个为H电平的PWM控制信号输出给一个开关元件12a，并且开关元件12a在输入PWM控制信号的H电平时间段内被控制为处于“开”状态。
在灯刚点亮之后一般需要立即从操作设备向灯提供两倍于额定功率的功率，在上述HID灯5的情况下，额定功率为35W，而刚点亮之后立即要求约70W的功率。这种功率转换是由功率控制单元31a控制，它根据上述检测到的电压输出一个信号。也就是说，来自此功率控制单元31a的输出被控制，误差电平信号的电平被控制并且HID灯5被控制，以便HID灯5刚点亮后的H电平时间段的占空高于正常操作期间。
但是在点亮HID灯5时尝试获得较大的功率将增大回扫变压器11的核心部分中发生磁饱和的倾向，使得难以减小此核心部分的尺寸。
因此，如图1所示，此实施例中的高压放电灯操作设备提供了振荡频率控制装置36，用于PWM控制单元6，以控制输出到FET12的PWM控制信号在HID灯5点亮之后的一段预定的时间段内为一个高频率，而在经过这个预定的时间段之后为一个低频率。也就是说，此实施例通过利用以下事实实现了核心部分尺寸的减小：当PWM控制信号的频率被设置为高并且开关元件的转换频率被设置高时，流经变压器绕组的电流波形的峰值降低，从而降低了发生磁饱和的倾向。
如图1所示，正如上述PWM控制单元6a那样，PWM控制单元6具有一个功率控制单元31，它接收一个电压检测信号并且根据检测到的电压输出一个信号，其中电压检测信号是通过检测来自一个二极管13和一个DC-DC转换器电路2的平滑电容14之间的一个连接点的电压来获得的；一个误差放大器32，它将来自此功率控制单元31的输出与一个参考电压相比较，并且输出一个关于误差电平的误差电平信号；一个振荡频率控制装置36，它在HID灯5点亮之后的一段预定的时间段内输出一个200KHz的矩形波，而在经过这段时间段后输出100KHz的矩形波；一个三角波振荡器34，它将来自此振荡频率控制装置36的矩形波转换成一个三角波；以及一个比较器35，它将误差电平信号与来自三角波振荡器34的三角波信号输出相比较，在三角波信号较高的时间段内将一个为H电平的PWM控制信号输出给开关元件12，从而开关元件12在输入PWM控制信号的H电平时间段内被控制为处于“开”状态。
以下将用图4说明PWM控制单元6的操作。
首先，在HID灯5点亮之后的一段预定的时间段内，从振荡频率控制装置36输出如图4(A)所示的一个200KHz的振荡频率信号(矩形波)(信号波形(I))。此200KHz振荡频率信号通过三角波振荡器34被转换为一个200KHz的三角波信号，并且通过比较器35与来自误差放大器32的一个误差电平信号相比较(信号波形(II))。通过用比较器35进行信号比较，在三角波信号较高(信号波形中的H电压占空较高)的时间段内处于H电平的200KHZ的PWM控制信号输出到开关元件12(信号波形(III))。
另一方面，在经过HID灯5点亮之后的一段预定的时间段后，从振荡频率控制装置36输出如图4(B)所示的一个100KHz的振荡频率信号(矩形波)(信号波形(I))。此100KHz振荡频率信号通过三角波振荡器34被转换为一个100KHz的三角波信号，并且通过比较器35与来自误差放大器32的一个误差电平信号相比较，正如以上情况(A)那样(信号波形(II))。通过用比较器35进行信号比较，在三角波信号较高(信号波形中的H电压占空较小)的时间段内处于H电平的100KHZ的PWM控制信号输出到开关元件12(信号波形(III))。
通过这种方式，此实施例中的高压放电灯操作设备为PWM控制单元6提供了振荡频率控制装置36，从而控制输出到FET 12的PWM控制信号在HID灯5点亮之后的一段预定的时间段内为一个高频率，而在经过此预定的时间段后为一个低频率。
通过在点亮HID灯5时增加PWM控制信号的H电平占空，大量能量储存在回扫变压器11的初级绕组11a内，并且当FET 12被关闭时从次级绕组11b中释放这些储存的大量能量。在上述实施例中，由于在点亮HID灯5时PWM控制信号的H电平占空被设为约为正常操作期间的两倍，因此在点亮HID灯5时提供给HID灯5的功率也变成约为正常操作期间的两倍。如上所述，由于正常操作期间提供给HID灯5的功率为35W，因此在HID灯5点亮之后的一段预定的时间段内提供的功率可被设为约70W。
图5是显示功率供应的图，它显示了在HID灯5点亮之后的一段预定的时间段内提供的功率被设为约70W，而在正常操作期间被设为约35W。
上述预定的时间段可以适当设置，例如如图5所示约为10秒。
图6是显示控制振荡频率控制装置36的一个CPU(未显示)的处理步骤的流程图，具体步骤被储存在附于CPU的一个ROM中。
也就是说，CPU始终在确定放电灯(HID灯)开关是否被设为“开”状态(S1)，当CPU确定为“开”状态时，CPU引起振荡频率控制装置36输出一个具有点亮时的振荡频率(200KHz)的振荡频率信号(S2)。然后CPU确定从点亮之后是否已经过了一段预定的时间段(S3)，当CPU确定从点亮之后已经经过了一段预定的时间段后，CPU引起振荡频率控制装置36输出一个具有正常操作期间的振荡频率(100KHz)的振荡频率信号(S4)。
从而此实施例对于HID灯5点亮之后的一段预定的时间段设置一个高的开关频率，降低了在回扫变压器11的核心部分中发生磁饱和的倾向，从而即使此核心部分的尺寸减小，也不会发生磁饱和，并且可以连续获取灯操作所必需的功率。此外，由于电流值降低，因此可以减小开关元件FET 12的尺寸，从而可以显著减小整个DC-DC转换器电路12的尺寸和重量。
提高振荡频率导致了FET 12的开关频率的提高，它可能引起以下问题：诸如铁损耗之类的磁芯损耗和回扫变压器11中的核心部分的涡流的增加、变压器11的转换效率的退化和导致热生成量增加的FET12开关损耗的增加，但是由于如上所述频率升高的时间段只是一段短时间，因此可以忽略这些核心损耗和开关损耗。
本发明的高压放电灯操作设备不限于上述实施例，而是可以以不同方式对其进行修改。
例如，上述实施例假定点亮之后的一段预定的时间内来自振荡频率控制装置36的振荡频率信号为200KHz，而在经过此预定的时间段后为100KHz，但是可以适当改变该频率，例如点亮之后的一段预定的时间段内振荡频率信号也可被设为300KHz。此外，不仅上述的三角波，正弦波也可用作与一个误差电平信号相比较的信号。
此外，根据上述实施例，点亮之后约10秒振荡频率被振荡频率控制装置改变，但是也可在来自功率控制单元的一个功率供应信号所指示的功率降到预定功率之下(例如60W或更低)时改变振荡频率。
此外通过振荡频率控制装置36进行的频率控制是根据储存在附于CPU的ROM中的一个程序来进行的，但是也可以用一个电子开关改变定时的时间常数C、R(电容和电阻)，用于确定此振荡频率控制装置36中提供的振荡频率。
此外，上述DC电源电路不限于上述实施例的DC-DC转换器电路2、全桥式电路3和点亮器电路4的电路结构，而是可以以其他不同的模式对其进行修改。
正如上文所详细说明的，本发明的高压放电灯操作设备为开关元件设置一个高开关频率，用于在高压放电灯点亮之后的一段预定的时间段内与接下来的正常操作相比增加DC电源电压的电压。从而设置高开关频率降低了流经绕组的电流波形的峰值，并且降低了发生磁饱和的倾向。由于此原因，即使在减小形成DC电源电路的转换器变压器的磁核心部分的尺寸时，也不会发生磁饱和，并且可以获得点亮灯所必需的功率。此外，由于降低了电流值，因此也可以减小开关元件的尺寸，并且可以急剧减小整个操作设备的尺寸和重量。

Claims (7)

1.一个高压放电灯操作设备包括：
一个DC电源电路，它用一个开关元件增加DC电压源的电压，平滑和输出所述电压；
一个全桥式电路，它将来自所述DC电源电路的DC电压输出转换为一个AC电压并且连续操作所述高压放电灯；
一个高压脉冲生成电路，它生成一个高压脉冲，加在从所述的全桥式电路输出的AC电压信号上，用于点亮所述的高压放电灯；以及
一个开关转换信号控制电路，它输出一个PWM控制信号，用于控制一个信号波形的占空比，以便在点亮所述的高压放电灯时延长所述开关元件的“开”状态时间段，而在正常操作期间缩短开关元件的“开”状态时间段，
其特征在于所述的开关转换信号控制电路具有振荡频率控制装置，用于控制所述的PWM控制信号的频率，以便在所述的高压放电灯点亮之后的一段预定的时间段内实现一个高频率，而在经过所述的预定的时间段后实现一个低频率。
2.根据权利要求1所述的高压放电灯操作设备，其特征在于所述的振荡频率控制装置包括一个开关频率信号生成部件，它生一个矩形波，其具有对应于所述的高压放电灯点亮后的一段时间的频率，以及一个振荡器，它将来自所述的开关频率信号生成部件的矩形波转换为三角波或正弦波。
3.根据权利要求1所述的高压放电灯操作设备，其特征在于所述的DC电源电路包括一个回扫电路，并且所述的开关元件被构造为控制流经所述回扫电路的升压变压器的一个初级绕组的电流。
4.根据权利要求1所述的高压放电灯操作设备，其特征在于所述开关元件是一个FET。
5.根据权利要求1所述的高压放电灯操作设备，其特征在于在高压放电灯点亮之后的一段预定时间段内提供的功率被设为70W，而在正常操作期间被设为35W，所述的高频率为200KHz，而所述的低频率为100KHz。
6.根据权利要求1所述的高压放电灯操作设备，其特征在于所述的预定的时间段为10秒。
7.根据权利要求1所述的高压放电灯操作设备，其特征在于所述的高压放电灯是车辆的前灯的光源。
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