CN101331807A - 用于驱动高压气体放电灯的电路装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于以具有工作频率的交流电流的形式将灯功率提供给高压气体放电灯(Lp)的电路装置。在此,所述工作频率在宽的界限中被频率调制,使得在灯中不形成声学谐振。通过耦合网络的频率响应的幅度调制通过馈电电压的幅度调制来补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于驱动高压气体放电灯的电路装置。高压气体放电灯在下面也简称为灯。此外,本发明还涉及一种用于驱动这种灯的方法。特别地,本发明探讨避免会在这种灯工作时出现的声学谐振。
背景技术
在高压气体放电灯工作时,声学谐振是已知的问题。根据灯的几何结构和压力,该谐振出现在5kHz到1000kHz之间的频率范围,并且会导致电弧的不规则性(Bogenunruhe),并且在显著的谐振情况下甚至会导致灯的损毁。因此,用具有在所述频率范围中的频率的交流电流来驱动灯并非绝对可靠。
因此,在市面上将灯以所谓的矩形波驱动(Rechteckbetrieb)来驱动的驱动装置得到广泛应用。然而,矩形波驱动需要高的电路开销,因此尽管有声学谐振的危险,仍然努力在所谓的高频驱动中驱动灯。在这种驱动中,灯被以所说明的频率范围中的交流电流馈电,因为恰好在该频率范围中,驱动装置能够特别成本低廉地实现。
在文献US 2003/0111968A1(Trestman)中描述了一种驱动装置,其以被频率调制后的驱动频率来驱动灯。在此,选择其中灯没有显著的声学谐振的频率范围。为了不激发该弱的谐振,驱动频率始终在50kHz的范围内围绕中间频率变化。调制被供给电压的剩余波纹控制。所说明的文献谈及恒定的供给电压,该电压具有本身由馈电的电网电压引起的、例如6Veff的不希望的剩余波纹。在60Hz的电网频率情况下,剩余波纹由于整流而具有120Hz。由此,灯电流具有借助120Hz的调制频率被调制+/-50kHz的工作频率。
在所描述的现有技术中不利的是,必须寻找其中灯仅具有弱的谐振的频率范围。由此,通过调制而覆盖的工作频率范围避开了如下频率范围,在该频率范围中出现要驱动的灯的强烈的主谐振。由此,在现有技术中的情况是,其中工作频率变动的频率范围必须与要驱动的灯匹配。现有技术不能保证两个具有类似的功率数据的灯可以在相同的驱动装置上被驱动。
发明内容
本发明的任务是,提供一种电路装置,借助该电路装置可以实现成本低廉的驱动装置,该驱动装置能够驱动不同的灯,而不会激发声学谐振。
该任务通过具有以下特征的电路装置来实现:
●逆变器,从电网电压获取能量的馈电电压对该逆变器馈电,
●逆变器将灯电流提供给高压气体放电灯,该灯电流基本上是具有调制后的工作频率的交流电流,该工作频率持续地在最小频率和最大频率之间的范围内振荡,
●耦合网络,其连接在逆变器和灯之间,并且具有传递函数,该传递函数描述了灯电流的幅度与工作频率的相关性,
●最大频率和最小频率之间的差为最小10kHz,以及
●在灯工作时,馈电电压具有最小值和最大值,其中最大值和最小值之间的差为最小50V。
灯的谐振点的显著性通常随着增大的频率而减小。也就是说,在低频率的情况下,重要的是将许多能量提供给灯,因为会形成强烈的谐振。而在较高的频率情况下,可以将更多的能量馈送给灯,因为谐振在那里较为不明显。
耦合网络通常具有低通特性。也就是说,在低频率的情况下比在高频率的情况下将更多能量馈送给灯。现在,本发明所基于的认识是,耦合网络的频率相关性会引起灯的不稳定性,因为恰是其中出现强烈谐振的频率被较少地衰减。由该认识得出必须补偿耦合网络的频率相关性。根据本发明,这通过馈电电压的强烈的调制来进行。在时域中,耦合网络的频率相关性导致在频率升高时,灯电流的幅度减小。在频域中,耦合网络的频率相关性在灯线路的功率谱中显示为,频谱功率密度朝着高频率而减小。通过根据本发明的、馈电电压的强烈调制,实现了灯电流的幅度近似与工作频率无关,或者甚至朝着较高的频率而增大。在频域中,通过本发明实现了,灯功率的功率谱均匀分布,或者甚至朝着较高的频率而增大。
除了灯的不稳定性,由于工作频率所覆盖的、宽的频率范围而产生了另外的问题。在没有根据本发明的馈电电压的调制情况下,耦合网络的频率相关性引起灯电流的幅度调制。在没有对策的情况下,这导致灯电流的不希望的、具有调制频率的跳动。
根据本发明,馈电电压分布在最大值和最小值之间,该最大值和最小值相差至少50V。由此,补偿了耦合网络的传递函数。在所提及的现有技术中,试图将馈电电压的时间分布保持尽可能恒定。在此,仅仅馈电电压的调制(即没有工作频率的调制)并不导致灯电流的明显调制,并由此并不导致所驱动的灯的光通量的明显调制。
馈电电压通常由整流后的电网电压生成,该整流后的电网电压具有两倍的电网频率。在现有技术中,试图将该两倍的电网频率尽可能完全地过滤。因为这借助可支持的开销并不可能实现,所以馈电电压具有用两倍的电网频率对其幅度进行的剩余调制。剩余调制虽然小,但是足以用于控制调制器,其中该调制器引起工作频率的频率调制。
与此相反,根据本发明的电路装置引起馈电电压的一种时间分布,该分布独自地(即没有工作频率的调制地)完全引起灯电流的调制,并由此引起光通量的调制。然而,通过馈电电压的调制所进行的灯电流的调制反作用于通过工作频率的频率调制所进行的灯电流的调制。两种调制彼此补偿。
还有利的是,馈电电压的调制强于为补偿工作频率的频率调制所需的调制。于是存在过补偿。这种情况可以划分为两种情形,其中的每种都具有自己的优点。
如果选出一种调制器特性曲线,其中所有在最大频率和最小频率之间的可能的工作频率都基本上由逆变器在同样长的时间上生成,则过补偿导致了随着升高的工作频率,更多的能量被耦合输入到灯中。这对灯运行的稳定性产生有利的影响,因为灯的谐振点随着增大的频率而符合发展趋势地被更强地衰减。于是,灯在灯的谐振点被更强地衰减的工作频率时转换更多的能量。
如果选出一种调制器特性曲线,其能够抵消过补偿,以使得灯功率的功率谱在所有工作频率下都基本上同样大,则随着升高的频率,其中逆变器生成确定的工作频率的持续时间缩短。也就是说,与没有过补偿的情况相比,逆变器的开关晶体管在更短的时间上以高频来计时。这导致在开关晶体管中的开关损耗的减小。在此,高频被理解为比最小频率更接近最高频率的频率。于是,过补偿可以被用于稳定灯运行或者用于改进电路装置的效率。混合形式也是可能的,其中利用了两个优点,其方式是过补偿仅仅部分地通过调制器特性曲线来抵消。
通常,并非必须使用电网频率来控制调制器。也可以使用其他频率,该频率小于大约1000Hz,并且由此处于谐振出现于其中的频率范围之下。工作频率的调制也不必周期性地进行。调制例如可以由噪声发生器来控制或者通过混沌来控制。
因为馈电电压通常已经具有带两倍电网频率的幅度调制,所以有利的是利用该调制。为此,将馈电电压的时间分布输送给调制器输入端。调制器输出端控制由振荡器提供的作为工作频率的频率。调制器可以将馈电电压的时间分布不同地转换为工作频率的时间分布。因为耦合网络大多数情况下都具有低通特性,并且因此在高的工作频率时强烈地衰减,所以有利的是,在馈电电压最大值时,调制器设置最大频率。
在工作频率和馈电电压之间的关联限定了调制器特性曲线。在最简单的情况中,调制器特性曲线建立了与工作频率和馈电电压之间的调制因子的线性关联。为了工作频率的所希望的频率偏移,在所给定的耦合网络的情况下得到馈电电压的所需的幅度调制,以满足上述补偿条件。调制因子必须相应地被设置,使得满足补偿条件。馈电电压调制的时间分布通常是近似正弦形的。在线性的调制特性曲线情况下,于是工作频率的时间分布也是正弦形的。
根据调制特性曲线,得到灯功率的功率谱或功率密度谱的不同的频率分布。因为通常希望均匀分布的功率谱,所以调制器特性曲线被设计为实现这一点。在忽略耦合网络的传递函数的频率相关性的情况下,为此需要工作频率的三角形或锯齿形的时间分布,由此每个频率值被等长地设置。在考虑耦合网络的传递函数的频率相关性的情况下,必须选择工作频率的偏离三角形或锯齿形的时间分布。
通过调制器对工作频率的控制可以扩展为调节工作频率。为此,调制器需要测量输入端,其被馈送以灯电流的幅度或灯的功率的测量量。根据测量量,调制器设置其调制器特性曲线或其调制因子,使得测量量保持恒定。对于根据本发明的频率偏移,要注意的是,给出馈电电压的足够大的幅度调制。
馈电电压的幅度调制大多数情况下可以通过选择存储电容器的值来设置。存储电容器与提供馈电电压的装置的输出端并联。在最简单的情况中,该装置由与电网电压耦合的整流器构成。然而,通常用于功率因子校正的电路提供馈电电压。于是,馈电电压的幅度调制也可以通过用于功率因子校正的电路的调节特征来设置。
在市面上有具有20W、35W、70W、150W和更高功率的金属卤素高压灯。对于20W的灯,400kHz的最小频率和500kHz的最大频率证明是有利的。对于35W的灯,300kHz的最小频率和400kHz的最大频率证明是有利的。对于70W的灯,220kHz的最小频率和320kHz的最大频率证明是有利的。对于150W的灯,160kHz的最小频率和260kHz的最大频率证明是有利的。所说明的频率值仅仅可以理解为设计例子。如果驱动装置要适合于具有不同额定功率的多个灯,则必须偏离各最优的频率范围选择一个折衷。
为了扩展功率谱(功率在该功率谱中被输送给灯),而不改变最小频率或最大频率,逆变器将直流分量叠加到灯电流上,该直流分量的符号随着交流频率而变化,其中该交流频率小于最小频率的十分之一。有利的是,直流分量通过桥式电路来生成,该桥式电路的开关具有偏离50%的占空因数。扩展的半桥逆变器包括第一和第二开关。如果第一开关的第一接通时间等于第二开关的第二接通时间,则半桥逆变器产生没有直流分量的矩形电压。如果第一接通时间被减少非对称时间,而第二接通时间被延长该非对称时间,则半桥逆变器生成的交流电压包含直流分量。为了避免灯的单侧负荷,以交流频率将非对称时间交替地从第一和第二接通时间减去或者增加到第一和第二接通时间。非对称性的切换不需要突然地进行。当从减去非对称时间切换到增加非对称时间连续地进行时,对于所使用的器件得到较小的负荷。例如,非对称时间的值的时间分布可以是三角形的。在任何时刻,第一和第二开关的非对称时间之和都是零。
没有直流分量,灯功率的功率谱包括在两倍的最小频率和两倍的最大频率之间的频率范围中的部分。通过增加直流分量,附加地出现了在最小频率和最大频率之间的频率范围中的部分。还出现了在两倍的最大频率之上的部分,然而这些部分通常在稳定的灯运行方面无关紧要。如果两倍的最小频率大于最大频率,则在最大频率和两倍的最小频率之间形成频谱间隙,其中没有功率被发送给灯。有利的是,最小频率和最大频率被选择为使得灯的特别突出的谐振落入该频率间隙中。
附图说明
以下,本发明要借助实施例参照附图被进一步阐述。其中
图1示出了电路装置的原理电路图,本发明借助该电路装置来实现,
图2示出了馈电电压和被整流的电网电压的时间分布,
图3示出了逆变器输出电压和灯电流的时间分布,
图4示出了具有强的和弱的直流电流分量的灯功率的频谱功率密度。
具体实施方式
图1示出了借助其可以实现本发明的电路装置的原理电路图。该电路装置具有两个输入端子J1和J2,被整流后的电网电压可以连接到这些输入端子上。输入端子J1和J2与PFC级耦合,该PFC级进行功率因子校正并且提供馈电电压Us。与馈电电压Us并联地连接有存储电容器C1,其应当缓存馈电电压Us。为了驱动70W的灯,对于存储电容器C1,4.7微法的值证明是有利的。借助该值,对于馈电电压出现交流分量,借助该交流分量可以实现本发明。馈电电压的电势用作电路装置的参考电势GND。
馈电电压为实施为半桥逆变器的逆变器提供能量供给。该逆变器包括上部和下部开关T1和T2的串联电路,这些开关与馈电电压并联。这些开关实施为MOSFET,但是也可以实施为其他半导体开关。上部开关T1的源极与下部开关的漏极在连接点M相连。开关的控制端(在此为T1和T2的栅极)与控制设备Cont相连。控制设备Cont也与连接点M、馈电电压Us以及参考电势GND相连。控制设备Cont包括振荡器,其生成工作频率,开关T1和T2的栅极被交替地以该工作频率驱动。由此,在连接点M上关于参考电势GND形成矩形的交流电压Uw,其幅度跟随馈电电压,并且频率对应于工作频率。交流电压Uw是半桥逆变器的逆变器输出电压。
由灯电感线圈L1和两个电容器C2和C3构成的串联电路形成了耦合网络,该网络连接在连接点M和参考电势GND之间。灯Lp可以通过端子J3和J4耦合到电容器C3上。点燃设备未示出,其短时地提供高压用于灯的启动。
耦合网络完成从交流电压Uw至灯的阻抗变换。该网络也可以包含变压器。耦合网络的阻抗变换具有传递函数,该函数描述了灯电流I1关于交流电压Uw的频率相关性。在当前情况中,传递函数具有带通特征。通常,工作频率始终在传递函数的谐振频率之上,由此可以利用开关S1和S2的开关负荷降低。传递函数在谐振频率之上具有低通特征。
控制设备Cont包括带有调制器输出端的调制器。调制器输出端与振荡器耦合,使得工作频率可以被调制器影响。调制器可以通过调制器输入端来控制,该调制器输入端与馈电电压耦合。由此,得到与馈电电压相关的工作频率。在最简单的情况中,调制器由电阻构成,该电阻连接在馈电电压和振荡器中的一个点之间,在该点上存在影响工作频率的量。调制器也可以通过微控制器来实现,其中通过软件来存储调制器特性曲线。调制器特性曲线也可以在优化过程中与要驱动的灯协调。在调制器特性曲线中,也可以考虑其他频率相关的、并非基于耦合网络的效应。例如,馈电线或者灯本身可以具有频率相关性。
图2在曲线2中示出了被整流后的电网电压的时间分布,如其在图1中的端子J1和J2上可以测量到的那样。在该例子中,涉及具有电网频率为50Hz的230Veff的电网电压。在曲线2中示例性地示出了图1中的馈电电压Us的时间分布。在所描述的现有技术中,馈电电压的交流电压分量具有接近12Vpp的幅度。通常,专业人员也会尝试将馈电电压保持为尽可能恒定。在本发明中,存储电容器C1和/或功率因子电路PFC的调节被选择为使得出现比现有技术中明显更强烈的波动。在根据图2的例子中,馈电电压Us具有在大约380V和大约500V之间的正弦形的幅度调制。由此,得到大约120Vpp的馈电电压的交流电压分量的幅度。也就是说,馈电电压的最大值和最小值构成的差为120V。研究得出,从50V的差以及最大频率和最小频率之间的10kHz的差开始,不同灯的稳定的和无跳动的工作是可能的。
图3在上部示出了图1中的逆变器输出电压Uw的包络线的时间分布。包络线的下边界是零,并且对应于当开关T2闭合时处于连接点M的电压。包络线的上边界对应于当开关T1闭合时处于连接点M的电压。明显可以看出,包络线的上边界如何跟随图2中的馈电电压的值。
图3在下部示出了图1中的灯电流I1的包络线的时间分布。灯电流I1的包络线的下边界以及上边界都几乎没有波动,虽然逆变器输出电压Uw的幅度如在图3的上部中所示的那样具有强烈的调制。这有利地通过如下方式来实现:逆变器输出电压Uw的幅度调制恰好强到使得结合工作频率的频率调制来补偿耦合网络的传递函数。
图4a以对数图示出了被馈送到灯Lp中的功率的频谱功率密度log PL。在功率谱中,与灯电流I1的频谱相比,所出现的频率被加倍。明显可以看到在360kHz至620kHz之间的频带,该频带通过180kHz的最小频率到310kHz的最大频率之间的工作频率的调制而得到。在该频带中,功率密度基本上恒定。这是耦合网络的传递函数的补偿的有利结果。
图4a示出了另一在180kHz到310kHz之间的频带,功率在该频带中被耦合到灯中。该频带通过上面描述的叠加到灯电流I1上的直流分量而形成。该频带的幅度取决于所叠加的直流分量的值。在图4a中,该直流分量较小。图4b示出了灯功率的功率密度谱的另一例子,其中选择更强的直流分量。
在图4a中开始可以看到另一频带,其在720kHz附近开始。该频带通过基频如最小频率和最大频率的四倍而形成。
Claims (16)
1.一种用于将灯功率提供给高压气体放电灯(Lp)的电路装置,其中所述电路装置具有以下特征:
●逆变器(T1,T2),馈电电压(Us)被馈送给该逆变器,其中馈电电压(Us)从电网电压获取其能量来驱动高压气体放电灯(Lp),
●逆变器(T1,T2)将灯电流(IL)提供给高压气体放电灯(Lp),该灯电流基本上是具有调制后的工作频率的交流电流,该工作频率持续地在最小频率和最大频率之间的范围内振荡,
●耦合网络(L1,C2,C3),其连接在逆变器(T1,T2)和灯(Lp)之间,并且具有传递函数,该传递函数描述了灯电流(IL)的幅度与工作频率的相关性,
其中所述电路装置的特征在于,
最大频率和最小频率之间的差为最小10kHz,以及
在灯工作时,馈电电压(Us)具有最小值和最大值,其中最大值和最小值之间的差为最小50V。
2.根据权利要求1所述的电路装置,其特征在于调制器,该调制器带有调制器输入端,其与馈电电压(Us)或者电网电压耦合,并且该调制器带有调制器输出端,其与振荡器耦合,该振荡器生成工作频率,其中馈电电压(Us)或者电网电压的时间分布通过调制器控制工作频率的时间分布。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的电路装置,其特征在于,
馈电电压(Us)的时间分布和工作频率的时间分布被同步,使得当工作频率为其最大值时,馈电电压也为其最大值。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的电路装置,其特征在于,
被驱动的灯(Lp)的功率的功率谱(PL)均匀分布。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的电路装置,其特征在于,
被驱动的灯(Lp)的功率的功率谱(PL)单调地随着频率上升。
6.根据权利要求2所述的电路装置,其特征在于,
调制器在馈电电压(Us)和工作频率之间建立线性关联。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的电路装置,其特征在于调制器,该调制器具有测量输入端,其与灯电流(IL)的幅度的测量量耦合,并且该调制器具有调制器输出端,其与振荡器耦合,该振荡器生成工作频率,其中调制器设置工作频率,该工作频率引起灯电流(IL)的近似恒定的幅度。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的电路装置,其特征在于,
工作频率的时间分布是周期性的。
9.根据权利要求8所述的电路装置,其特征在于,
工作频率的时间分布是正弦形、三角形或者锯齿形的。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的电路装置,其特征在于,
用于功率因子校正(PFC)的电路提供馈电电压(Us)。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的电路装置,其特征在于,
针对70W灯的最小频率处于130kHz到250kHz之间,并且最大频率处于170kHz到400kHz之间。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的电路装置,其特征在于,
逆变器(T1,T2)引起灯电流(IL),该灯电流包含直流分量,该直流分量随着小于最小频率的十分之一的切换频率而改变符号。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的电路装置,其特征在于,
逆变器(T1,T2)包含第一电子开关(T1)和第二电子开关(T2),其中第一开关(T1)在第一接通时间期间被接通,而第二开关(T2)在随后的第二接通时间期间被接通,并且
此外第一和第二接通时间分别由基本时间和非对称时间组成,其中基本时间对于两种接通时间是相同的,而非对称时间在数值上相同,但是具有不同的符号,并且
此外非对称时间呈现具有切换频率的时间分布,该切换频率小于最小频率的十分之一。
14.一种借助逆变器(T1,T2)来驱动高压放电灯的方法,所述逆变器被馈电电压(Us)馈电,并且提供灯电流(IL),该灯电流基本上是具有幅度和工作频率的交流电流,其中所述工作频率在最小频率和最大频率之间被频率调制,
其特征在于,
最大频率和最小频率构成的差为最小10Hz,并且
此外馈电电压(Us)变化,使得灯电流(IL)的幅度近似保持恒定。
15.一种借助逆变器(T1,T2)来驱动高压放电灯的方法,所述逆变器被馈电电压(Us)馈电,并且提供灯电流(IL),该灯电流基本上是具有幅度和工作频率的交流电流,其中所述工作频率在最小频率和最大频率之间被频率调制,
其特征在于,
最大频率和最小频率构成的差为最小10kHz,并且
此外馈电电压(Us)变化,使得灯功率的功率谱(PL)均匀分布。
16.根据权利要求14或15所述的方法,其特征在于,
通过逆变器(T1,T2)将直流分量附加到灯电流(IL)上,该直流分量的符号以小于最小频率的十分之一的切换频率而转变极性。
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