CN101151941B - 脉冲启动电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于气体放电灯的电灯镇流器启动电路和方法。该镇流器启动电路包括连接至逆变器电路的启动电路输入，该启动电路在逆变器电路输出的每个交替半周期的上升沿处生成了脉冲，并且脉冲的极性与逆变器电路输出的每个交替半周期的极性相同。该启动电路的输出用来启动气体放电灯。

Description

脉冲启动电路
本申请要求于2005年3月31日提交的美国临时申请No.60/666,967的优先权及其权益，该申请通过引用其全部内容而包含在此。
技术领域
本发明涉及一种脉冲启动方法和电路，用来为用于启动气体放电(例如高强度放电(HID))灯的高压变压器的初级绕组输送脉冲。
背景技术
气体放电灯通常使用镇流器电路来将AC线电压转换为低频双向电压。镇流器电路包括用来将AC线电压转换为DC电压的变频器，和将DC电压转换成低频双向电压的逆变器。逆变器可以采取串联半桥或者全桥的形式连接至DC电压母线。此外，可以提供脉冲启动电路以冷启动气体放电灯。
点亮HID灯的一种方法和电路是如图3所示的电路。如图4所示，在从双向矩形波形1/2周期的上升沿52开始的一个延迟之后，该电路提供了高压脉冲50。高压脉冲50启动之前的时间延迟由图3的RC电路来确定。通过在每个双向矩形波形的1/2周期期间提供高压脉冲50，使电灯点亮。
上述方法和电路的缺点是，图3的电路不能在提供灯正常操作期间的有效脉冲启动电路的同时，在每个双向矩形波形的1/2周期开始处提供高压脉冲50。在双向矩形波形的1/2周期的开始处提供高压脉冲，以在双向矩形波形的1/2周期改变极性之前为电极加热提供了相对更长的时间。电极的温度增加将提供溅射的减少。
图3的电路效率低与R140有关。具体来讲，R140必须降低至使得该电路能够在双向矩形波形的1/2周期开始附近产生高电压脉冲的较小值。通过将R140降低为较小值，该脉冲启动电路在气体放电灯的正常操作期间将汲取较高电流和功率，因此效率更低。
因而，需要一种效率改善的脉冲启动方法和电路来启动气体放电灯。
发明内容
根据本公开的一个实施例，提供了一种用于气体放电灯的镇流器。该镇流器：包括DC电压母线；全桥逆变器电路，包括DC电压母线输入以及双向电压输出电路，该双向电压输出电路生成交替半周期的双向电压，并且全桥逆变器电路的DC电压母线输入连接至DC电压母线输出。此外，还提供了启动电路，该启动电路在每个交替半周期的上升沿处生成脉冲，并且该脉冲的极性与每个交替半周期的极性相同。
附图说明
图1示出了根据本公开的一个实施例的镇流器电路。
图2示出了图1所示镇流器电路所产生的交替半周期的双向电压。
图3示出了现有技术的镇流器电路。
图4示出了图3的电路所产生的现有技术的电压波形。
具体实施方式
正如在背景部分简单讨论的那样，可以利用脉冲启动电路来提供气体放电灯的冷启动。
在点亮之前，与低频电压方波相关的脉冲位置是很重要的。该位置确定了在极性反转之前电极导电多长时间。极性反转使每个电极所起的作用(即该电极是阴极还是阳极)相反。当该电极是阴极时，它向等离子体发射电子，随后失去热离子发射所需的温度。没有足够高的温度，那么作为阴极操作的电极可能将钨溅射到弧形管壁上，从而使灯的亮度输出降低。当该电极作为阳极工作时，它可以从加速电子中吸收热。因此，在气体击穿之后，重要的是在电极极性改变之前等待尽可能长的时间。这在该阳极承担阴极的作用之前为该阳极加热提供了最大的时间。因此，可使得钨溅射最小。
图1示出的脉冲启动电路在从冷启动来启动气体放电灯时提供了减少的溅射，并且在电灯达到击穿和对电流进行调整之后在导电模式中提供了接近为零的功率耗散。通过图1的镇流器电路实现了溅射的减少，这是因为该示例电路产生了图2示出的电压波形30。参考图2，在镇流器的双向交流电压输出Vc的每1/2周期上升沿34处出现的脉冲32在每个1/2周期的开始处为电灯电极提供了能量。出现在方波上升沿处的脉冲32，使得一个完整的导电半周期可以在双向交流电压输出改变极性之前产生最大的阳极温度，从而减少溅射。在双向交流电压1/2周期的上升沿34处产生脉冲32，以在双向电压1/2周期内为电极温度增加提供了更多的时间，从而相对于随后出现在双向电压1/2周期内的类似脉冲，该脉冲32提供了溅射的减少。
图1示出的是生成了上述图2的电压波形的电路。参考图1，说明根据该公开的一个实施例的镇流器电路1。DC电压母线2生成DC电压，并连接至镇流器的全桥逆变器电路。DC电压母线2根据本领域技术人员公知的实施例和方法进行操作。Nerone的美国专利No.5,406,177以及Nerone等人的美国专利5,952,790提供了在根据该公开实施例的镇流器电路内使用的DC电压母线电路的实例。Nerone的美国专利No.5,406,177以及Nerone等人的美国专利5,952,790以引用方式全部包含在此。
全桥逆变器电路包括晶体管Ql6、Q28、Q310和Q412。对于期望的双向交流电压输出的该1/2周期，控制电路13进行操作以同时为Ql6和Q412提供栅电压。该栅电压使Ql6和Q412切换至导电状态，该导电状态提供了DC母线电压Vc来驱动电灯14。在期望的双向交流电压输出的随后1/2周期期间，控制电路进行操作，以对于该1/2周期为Q28和Q310提供栅电压。该栅电压使Q28和Q310切换至导电状态，该导电状态提供了负DC母线电压Vc来驱动电灯14。反复切换Ql6和Q412然后是Q28和Q310的结果就生成了其幅值近似等于DC电压母线的双向交流电压输出。
电灯启动电路包括具有初级绕组26和次级绕组28的变压器T116、硅对称二端开关元件(sidac)S118、二极管D120、电阻器R121、限流电阻器R222以及充电电容器C124。在图1中示出了这些部件的互连。
在全桥逆变器电路循环了数次之后，大约1-10次，在冷灯14开始电灯操作的阶段，在Ql6和Q412导电状态期间，通过二极管D120、电阻器R121和电阻器R222对C124进行充电。硅对称二端开关元件S118并不导电，直到超过其击穿电压。将该击穿电压选择为最小DC母线电压的大约2倍。例如，选择720伏的击穿电压，即选择三个240伏的串联连接的硅对称二端开关元件来根据450伏的母线操作。尽管并非刚好为DC母线电压的两倍，但三个硅对称二端开关元件的组合击穿电压大约为720伏。
将在下面进行说明电阻器R222比电阻器R121小很多的原因。电阻器R121通常具有近似等于2M欧姆的值。电阻器R121限制了初始的Ql6和Q412导电状态期间电容器C124所聚集的电荷量，但不会达到整个DC母线电压。在随后的初始的Q28和Q310导电状态期间，电流将不通过C124进行传导，这是因为二极管D120阻挡了流经电阻器R121的电流，跨过硅对称二端开关元件S118的电压就不足以击穿硅对称二端开关元件S118。因此，跨过电容器C124的电压并未从前面初始的Ql6和Q412导电状态期间提供的电压发生很大改变。在随后的Ql6和Q412导电状态期间，电容器C124继续充电，最终充电至能够使硅对称二端开关元件S118击穿的电压。在电容器C124在Ql6和Q412导电状态期间充电到接近DC母线电压之后的Q28和Q310导电状态期间，发生硅对称二端开关元件S118的击穿。跨过硅对称二端开关元件S118的电压等于除跨过电容器C124的电压之外的DC母线电压。跨过硅对称二端开关元件S118的总电压可以大约为DC母线电压的两倍。因此，例如如果母线电压是450伏而硅对称二端开关元件S118击穿电压为720伏，则那么致使在极性反转期间产生高压脉冲的方波转变期间的某时，硅对称二端开关元件将会激发。这使得在转变时跨过电灯产生高压负脉冲并获得电极的最大预热时间，使电灯应该在即将到来的1/2周期期间点亮。硅对称二端开关元件S118的击穿生成了跨过变压器的初级绕组T1a26的电压，该电压经过变压器的次级绕组28在灯输入处产生了高的负电压Vp。
在Q28和Q310的导电状态期间，在硅对称二端开关元件S118已经初始击穿了之后，电容器C124经过硅对称二端开关元件S118放电，在Q28和Q310导电状态的一个周期内充电为负DC总线电压。在随后的Q16和Q412的导电状态期间，跨过硅对称二端开关元件S118的电压将接近DC总线电压的两倍，从而使得硅对称二端开关元件S118击穿，并在电灯输入处产生高压Vp。在该Q16和Q412的导电状态期间，电容器C124将经过硅对称二端开关元件S118放电，并充电至负DC总线电压。该周期继续重复，从而在没有延迟的情况下，在每个交替半周期的上升沿处生成包括叠加脉冲的交替半周期的双向电压，所述脉冲的极性与每个交流周期的极性相同。与该充电模式相关的能量转换的幅度数量级比经过二极管D120发生的能量转换更快。这就是为什么与电阻器R121相比，选择了相对较小的电阻器R222的原因。由于电阻器R222主要用做阻尼元件，因此选择了其特别值来调节跨过次级绕组28的点火脉冲的形状。
在灯14击穿并对电流进行调节之前，启动电路连续操作，从而使得DC母线电压大大降低(例如25伏)。经过二极管D120、电阻器R121和电阻器R222将启动电路充电电容器C124充电至降低后的母线电压。因为跨过硅对称二端开关元件S118的电压根本未达到击穿电压，因此启动电路没有触发脉冲并且保持停用，直至关闭电灯14然后再开启，从而增加DC母线电压并如描述的那样重新启动脉冲启动电路。
当启动电路没有触发时，本公开的脉冲启动电路在灯14的正常操作期间提供了大约为零的功率耗散。因为二极管D120防止电容器C124经过电阻器R222和电阻器R121放电，因此实现了大约为零的功率耗散。
已经参考示例实施例对本公开进行了描述。明显的是，在阅读了前面详细的描述之后，本领域技术人员将会想到很多修改和变型。应当把该公开理解为包括所有这些修改和变型。

Claims (16)

1.一种用于气体放电灯的镇流器，包括：
包括正连接点和负连接点的DC电压母线；
全桥逆变器电路，包括DC电压母线输入以及具有第一和第二输出连接点的双向电压输出电路，所述双向电压输出电路生成交替半周期的双向电压，并且所述全桥逆变器电路的DC电压母线输入连接至DC电压母线输出；和
包括输入和输出的启动电路，启动电路的输入连接至全桥逆变器电路，所述启动电路在每个交替半周期的上升沿处生成电压脉冲，并且所述电压脉冲的极性与每个交替半周期的极性相同，
其中所述启动电路进一步包括：
包括初级绕组(T1a)和次级绕组(T1b)的变压器，所述初级绕组(T1a)包括第一连接点和第二连接点，且所述次级绕组(T1b)包括第一连接点和第二连接点，所述初级绕组(T1a)的第一连接点连接至所述次级绕组(T1b)的第一连接点和所述双向电压输出的第一输出连接点；
包括第一连接点和第二连接点的硅对称二端开关元件(S1)，硅对称二端开关元件的第一连接点连接至变压器初级绕组(T1a)的第二连接点；
二极管(D1)，阳极连接至变压器初级绕组(T1a)的第一连接点；
包括第一连接点和第二连接点的第一电阻器(R1)，第一电阻器的第一连接点连接至二极管(D1)的阴极；
包括第一连接点和第二连接点的第二电阻器(R2)，第二电阻器的第一连接点连接至硅对称二端开关元件(S1)的第二连接点和第一电阻器(R1)的第二连接点；
包括第一连接点和第二连接点的电容器(C1)，电容器的第一连接点连接至第二电阻器(R2)的第二连接点，电容器(C1)的第二连接点连接至双向电压输出的第二输出连接点。
2.根据权利要求1所述的镇流器，其中一个或更多正半周期的双向电压最初将所述电容器(C1)充电至大约等于正半周期的双向电压的电 压；与跨过所述电容器(C1)的电压结合的随后负半周期的双向电压生成了足够的电压使所述硅对称二端开关元件(S1)击穿，并在负半周期的上升沿处产生了脉冲，所述负半周期将电容器(C1)充电至大约等于负半周期的双向电压的电压；并且与跨过所述电容器(C1)的电压结合的随后正半周期的双向电压产生了足够的电压使所述硅对称二端开关元件(S1)击穿，并在正半周期的上升沿处生成了脉冲。
3.根据权利要求1所述的镇流器，其中所述硅对称二端开关元件的击穿电压为DC电压母线的最小电压的大约两倍。
4.根据权利要求1所述的镇流器，其中所述变压器包括大约20∶1的转折比，DC电压母线大约等于450伏，硅对称二端开关元件(S1)击穿电压等于大约720伏，第一电阻器值大约为2M欧姆，第二电阻器值大约为10欧姆，电容器(C1)的值大约为100nF。
5.根据权利要求4所述的镇流器，所述全桥逆变器电路进一步包括：
第一、第二、第三和第四晶体管，每个晶体管包括栅极、源极和漏极，
所述第一晶体管的漏极连接至所述第二晶体管的漏极和所述DC电压母线的正连接点，
所述第一晶体管的源极连接至所述启动电路的第一连接点和所述第三晶体管的漏极，
所述第二晶体管的源极连接至所述第四晶体管的漏极和所述启动电路的第二连接点，并且
所述第三晶体管的源极连接至所述第四晶体管的源极和所述DC电压母线的负连接点。
6.根据权利要求5所述的镇流器，所述全桥逆变器电路进一步包括：
控制电路，所述控制电路连接至第一晶体管的栅极、第二晶体管的栅极、第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极，其中对于第一半周期，所述控制电路将电压同时施加至第一晶体管的栅极和第四晶体管的栅极，而对于第二半周期，所述控制电路将电压同时施加至第二晶体管的栅极和第三晶体管的栅极。
7.根据权利要求1所述的镇流器电路，所述全桥逆变器电路进一步包括： 
第一、第二、第三和第四晶体管，每个晶体管包括栅极、源极和漏极，
所述第一晶体管的漏极连接至所述第二晶体管的漏极和所述DC电压母线的正连接点，
所述第一晶体管的源极连接至所述启动电路的第一连接点和所述第三晶体管的漏极，
所述第二晶体管的源极连接至所述第四晶体管的漏极和所述启动电路的第二连接点，并且
所述第三晶体管的源极连接至所述第四晶体管的源极和所述DC电压母线的负连接点。
8.根据权利要求7所述的镇流器，所述全桥逆变器电路进一步包括：
控制电路，所述控制电路连接至第一晶体管的栅极、第二晶体管的栅极、第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极，其中对于第一半周期，所述控制电路将电压同时施加至第一晶体管的栅极和第四晶体管的栅极，而对于第二半周期，所述控制电路将电压同时施加至第二晶体管的栅极和第三晶体管的栅极。
9.根据权利要求8所述的镇流器，所述启动电路进一步包括：
用于通过在每个半周期的上升沿处产生脉冲来启动气体放电灯的装置。
10.一种用于气体放电灯的镇流器，包括：
用于生成包括正连接点和负连接点的DC电压母线的装置；
用于生成交替半周期的双向电压的装置；和
用于在每个交替半周期的上升沿处生成了电压脉冲的装置，并且所述电压脉冲的极性与每个交替半周期的极性相同，
其中用于生成电压脉冲的装置进一步包括：
包括初级绕组(T1a)和次级绕组(T1b)的变压器，所述初级绕组(T1a)包括第一连接点和第二连接点，且所述次级绕组(T1b)包括第一连接点和第二连接点，所述初级绕组(T1a)的第一连接点连接至所述次级绕组(T1b)的第一连接点和所述双向电压输出的第一输出连接点；
包括第一连接点和第二连接点的硅对称二端开关元件(S1)， 硅对称二端开关元件的第一连接点连接至所述变压器初级绕组(T1a)的第二连接点；
二极管(D1)，阳极连接至变压器初级绕组(T1a)的第一连接点；
包括第一连接点和第二连接点的第一电阻器(R1)，第一电阻器的第一连接点连接至二极管(D1)的阴极；
包括第一连接点和第二连接点的第二电阻器(R2)，第二电阻器的第一连接点连接至硅对称二端开关元件(S1)的第二连接点和第一电阻器(R1)的第二连接点；
包括第一连接点和第二连接点的电容器(C1)，电容器的第一连接点连接至第二电阻器(R2)的第二连接点，电容器(C1)的第二连接点连接至双向电压输出的第二输出连接点。
11.根据权利要求10所述的镇流器，其中用于生成电压脉冲的装置进一步包括：
一个或更多正半周期的双向电压最初将所述电容器(C1)充电至大约等于正半周期的双向电压的电压；随后负半周期的双向电压与跨过所述电容器(C1)的电压结合以产生足够的电压使所述硅对称二端开关元件(S1)击穿，并在负半周期的上升沿处产生了脉冲，所述负半周期将所述电容器(C1)充电至大约等于负半周期的双向电压的电压；并且随后正半周期的双向电压与跨过所述电容器(C1)的电压结合产生了足够的电压使所述硅对称二端开关元件(S1)击穿，并在正半周期的上升沿处生成了脉冲。
12.根据权利要求10所述的镇流器，其中所述变压器包括大约20：1的转折比，DC电压母线大约等于450伏，硅对称二端开关元件(S1)击穿电压等于大约720伏，第一电阻器值大约为2M欧姆，第二电阻器值大约为10欧姆，电容器(C1)的值大约为100nF。
13.根据权利要求12所述的镇流器，所述用于生成交替半周期的双向电压的装置进一步包括：
第一、第二、第三和第四晶体管，每个晶体管包括栅极、源极和漏极，
所述第一晶体管的漏极连接至所述第二晶体管的漏极和所述DC电 压母线的正连接点，
所述第一晶体管的源极连接至所述启动电路的第一连接点和所述第三晶体管的漏极，
所述第二晶体管的源极连接至所述第四晶体管的漏极和所述启动电路的第二连接点，并且
所述第三晶体管的源极连接至所述第四晶体管的源极和所述DC电压母线的负连接点。
14.根据权利要求13所述的镇流器，所述用于生成交替半周期的双向电压的装置进一步包括：
控制电路，所述控制电路连接至第一晶体管的栅极、第二晶体管的栅极、第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极，其中对于第一半周期，所述控制电路将电压同时施加至第一晶体管的栅极和第四晶体管的栅极，而对于第二半周期，所述控制电路将电压同时施加至第二晶体管的栅极和第三晶体管的栅极。
15.根据权利要求10所述的镇流器电路，所述用于生成交替半周期的双向电压的装置进一步包括：
第一、第二、第三和第四晶体管，每个晶体管包括栅极、源极和漏极，
所述第一晶体管的漏极连接至所述第二晶体管的漏极和所述DC电压母线的正连接点，
所述第一晶体管的源极连接至所述启动电路的第一连接点和所述第三晶体管的漏极，
所述第二晶体管的源极连接至所述第四晶体管的漏极和所述启动电路的第二连接点，并且
所述第三晶体管的源极连接至所述第四晶体管的源极和所述DC电压母线的负连接点。
16.根据权利要求15所述的镇流器，所述用于生成交替半周期的双向电压的装置进一步包括：
控制电路，所述控制电路连接至第一晶体管的栅极、第二晶体管的栅极、第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极，其中对于第一半周期，所述控制电路将电压同时施加至第一晶体管的栅极和第四晶体管的栅 极，而对于第二半周期，所述控制电路将电压同时施加至第二晶体管的栅极和第三晶体管的栅极。 
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