CN101518158B - 用于向高强度放电灯供电的电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于向高强度放电灯(10)供电的电路(200)，包括：第一和第二输入端子(202，204)、第一和第二输出端子(206，208)、第一和第二逆变器开关(SW1，SW2)、变压器(240)、第一和第二降压电容器(CBUCK1，CBUCK2)、第一和第二低边电容器(CLOWSIDE1，CLOWSIDE2)、点火器(216)以及二极管支电路(250，260)。变压器(240)包括初级绕组(242)和次级绕组(244)。在该电路(200)工作期间，初级绕组(242)起降压电感器的作用，而次级绕组(244)与二极管支电路(250，260)协同工作以便在灯启动阶段及灯(10)的稳态供电期间提供增强的低频开路电压(OCV)。该电路(200)还使得灯电流具有非零平均值。可利用具有相对低电容值的第一和第二低边电容器(CLOWSIDE1，CLOWSIDE2)来实现该电路(200)。

Description

用于向高强度放电灯供电的电路
技术领域
本发明涉及向放电灯供电的电路的总主题。更具体而言，本发明涉及一种用于向高强度放电灯供电的电路。
背景技术
在用于向高强度放电(HID)灯供电的电路的设计中，近来多注重通过最小化零件数来降低成本。图1中描述了沿用这些思路的一种现有方案。在电路100中，用半桥逆变器(SW1，SW2)代替了常规的全桥逆变器。电路100包括一对低边电容器(low-side capacitors)(CLOWSIDE1，CLOWSIDE2)，它们在功能上代替了两个去除的逆变器晶体管。此外，常规降压调节器通过以脉宽调制(PWM)序列驱动逆变器开关(SW1，SW2)而有效地集成到电路100中(而不是作为单独的电路)，这允许电路100控制供给灯的激励的极性和功率水平，其中常规降压调节器通常用于调节输入电压(VRAIL)的功率水平并由此调节提供给灯的功率。
虽然电路100看似在技术上取得了相当大的进步，但它已知具有多种局限性。
电路100的第一局限性在于：由于对于给定值的输入电压VRAIL来说，常规半桥所提供的最大电压(即，所谓的“开路电压”或OCV)仅为常规全桥所提供的电压的一半，因此电路100需要创新的启动方法比如谐振或准谐振启动，以便产生足够高以确保灯成功启动的电压。这些创新的启动方法必然要求高频操作。
电路100的第二局限性源于以下事实：低边电容器CLOWSIDE1、CLOWSIDE2只能在很短时间内支持给定极性的灯电流。
由于上述第一和第二局限性，电路100不能在启动阶段和/或灯的稳态供电期间提供对灯的低频激励(例如1赫兹)。一些现有设计显示出在启动阶段使用低频(例如，大约1赫兹)矩形波激励能够加速灯电极的加热、同时最小化可能的溅射和/或灯传导损失的示例性性能。人们认为，在启动阶段，使用低频或直流(DC)激励比使用高频激励更可取。其原因在于，在两个灯电极均变为足够热以成为有效的热离子发射器之前，灯极性的换向(即颠倒)为故障事件。因此，在启动阶段换向越少(即低频激励)越好。
电路100的第三局限性在于，其被限定为进行操作，以使得灯电流平均值为零(即，无直流分量)。对于一些应用比如恒定功率下工作的不对称(例如，竖直取向的)灯来说，理想的是提供具有非零平均(即DC)值的灯电流。电路100不能提供此类操作。
电路100的第四局限性在于，低边电容器CLOWSIDE1、CLOWSIDE2需要相对大(例如，68微法拉)的电解电容器；这样的电容器成本高，体积大，并且容易出现可靠性问题(尤其是在通常在HID镇流器内遇到的高温操作环境下)。大值低边电容器的另外一个不利后果是，当最初将交流(AC)电源施加到所述电路时出现的很大的突入电流(inrush current)。CLOWSIDE1、CLOWSIDE2的串联组合通常提供第二种作用，用作提供VRAIL的前端电路(例如，全波整流电路与比如升压转换器或降压转换器等的功率因数校正DC-DC转换器的组合)的所谓的降压电容器。当向电路施加AC功率时，标准前端电路使降压电容器迅速充电至AC电源所供应的电压的峰值。这种快速充电导致可能很大的突入电流(当最初施加AC功率而AC电源电压的瞬时值处于或接近其峰值时，突入电流尤其大)。大的突入电流通常被认为是非常不期望的，并且会造成许多问题(例如，接线问题、部件故障、不符合规范、需要额外电路以限制突入电流等)。
因此，需要一种既保留电路100的优点、又在启动阶段和灯的稳态供电期间提供灯的低频激励的电路。还需要一种具有以非零平均电流向灯供电的能力的电路。另外还需要一种低边电容器能够以更经济和节省空间的方式实现、同时增强电路的长期可靠性并基本上减小电路的峰值突入电流的电路。具有这些属性的电路将相对于现有技术取得相当大的进步。
附图说明
图1为现有技术的用于向HID灯供电的电路的电路图。
图2为根据本发明优选实施例的用于向HID灯供电的电路的电路图。
具体实施方式
图2描述了用于向高强度放电(HID)灯10供电的电路200。电路200包括：第一和第二输入端子202、204，第一和第二输出端子206、208，第一和第二逆变器开关SW1、SW2，第一和第二降压电容器CBUCK1、CBUCK2，第一和第二低边电容器CLOWSIDE1、CLOWSIDE2，具有初级绕组242的降压电感器(也称为变压器240的初级绕组242)，以及点火器216。此外，与图1中的现有技术电路100不同，电路200还包括二极管支电路(即，第一和第二二极管250、260)和变压器240的次级绕组244。这里还将更详细说明，二极管250、260和次级绕组244的增加使得电路200与现有技术电路100相比，具有多种显著操作优点和成本效益。
现在参考图2来描述关于电路200的优选结构和操作的更多细节。
第一和第二输入端子202、204用于接入具有基本上直流(DC)轨电压(rail voltage)VRAIL的电源，比如通常通过适当的整流和/或DC-DC转换器电路提供的电源。通常，VRAIL被选择为具有约数百伏特量级(例如，360伏特是一个通常选定的值)。第一和第二输出端子206、208用于耦合到HID灯10。
如图2所示，第一和第二逆变器开关SW1、SW2以半桥结构耦合。更具体而言，第一逆变器开关SW1耦合在第一输入端子202和第一节点210之间，而第二逆变器开关SW2耦合在第一节点210和电路地20之间。电路地20耦合到第二输入端子204。逆变器开关SW1，SW2通常通过适当的功率晶体管(即，双极结晶体管或场效应晶体管)实现，并由适当的驱动电路(此处未示出或描述)驱动(即，以控制方式接通或关断)。
第一降压电容器CBUCK1耦合在第一输入端子202和第二节点212之间。第二降压电容器CBUCK2耦合在第二节点212和电路地20之间。第一低边电容器CLOWSIDE1耦合在第一输入端子202和第三节点214之间(第三节点214耦合到第二输出端子208)。第二低边电容器CLOWSIDE2耦合在第三节点214和电路地20之间。
在优选实施例中，CLOWSIDE1和CLOWSIDE2均具有第一电容，CBUCK1和CBUCK2均具有第二电容，且第一电容和第二电容处于相同的量级。在一个实施例中，第一电容和第二电容大致相等。例如，图1表明(顺便说明，位于各电容器的标号的下方)CBUCK1、CBUCK2、CLOWSIDE1以及CLOWSIDE2中每个的优选值为47纳法拉。
值得注意的是，电路200中的CLOWSIDE1和CLOWSIDE2通过比实现电路100中的CLOWSIDE1和CLOWSIDE2通常所需的电容(例如68微法拉)小至少几个量级的电容(例如47纳法拉)来实现。这里将更详细解释将此变为可能的电路200的特性。无论如何，本领域技术人员将理解与现有技术电路100相比，CLOWSIDE1和CLOWSIDE2所需电容小得多，(在材料成本、物理尺寸、长期可靠性和温度容限方面)给电路200带来实质性的好处。更具体而言，在电路100中，CLOWSIDE1和CLOWSIDE2需要以下电解电容器(例如68微法拉)，所述电解电容器成本高、体积大、容易出现可靠性问题(其在HID灯用镇流器经常出现的相对高温条件下工作时会进一步恶化)，并且所述电解电容器会导致高的突入电流。相比之下，在电路200中，CLOWSIDE1和CLOWSIDE2可通过膜型电容器(例如47纳法拉)实现，所述膜型电容器成本更低、体积更小、并且与现有技术电路100所需的电解电容器相比更不易出现可靠性问题。而且，通过相对低值(例如47纳法拉)的电容器实现CLOWSIDE1和CLOWSIDE2，还提供了额外的优点，即显著减小了在初始施加AC功率时遇到的峰值突入电流。
点火器216耦合在第二节点212和第一输出端子206之间，所述点火器216可以通过本领域技术人员熟知的多种适当的点火器配置中的任何一种来实现。在电路200工作过程中，点火器216在第一和第二输出端子206、208之间产生适当的高压(例如，大约几千伏)，以点亮HID灯10。
二极管支电路耦合在第一和第二输入端子202、204之间，并且优选地通过第一二极管250和第二二极管260的串联组合来实现。第一二极管250具有耦合到第四节点218的阳极252和耦合到第一输入端子202的阴极254。第二二极管260具有耦合到电路地20的阳极262和耦合到第四节点218的阴极。
在变压器240内，次级绕组244磁耦合到降压电感器(即，初级绕组)242。次级绕组244电耦合在二极管支电路(即，通过第四节点218耦合到二极管250、260)和第三节点214之间。
在电路200工作过程中，增加二极管250、260和次级绕组244的作用是：控制第二输入端子208处的电压，使得在初级绕组242和次级绕组244的线匝数相同时该电压为VRAIL-VBUCK(其中VBUCK定义为第二节点212处的电压)。因此，电路200实质上像全桥配置(其需要四个逆变器开关)一样工作，但不需要两个另外的逆变器开关、驱动全桥所需的更大/更复杂的电路等。
与电路100相比，电路200具有两大操作优势：(1)利用低频波形启动和/或操作灯的能力，以及(2)用非零平均电流操作灯的能力。
应当理解，与现有技术电路100不同，电路200产生可与全桥配置(其提供常规半桥配置所提供的OCV的两倍电压)所提供的相比拟的“开路电压”(OCV)。因此，与电路100不同，电路200无需依靠高频谐振或准谐振操作(即，在降压电感器和降压电容器的固有谐振频率下或附近或其一部分时逆变器开关的高频切换)来产生足够的“开路电压”(OCV)以确保灯的成功开启。
还应当理解，在现有技术电路100中，低边电容器只能在很短的时间内(该时间很大程度上取决于低边电容器的电容值)支持给定极性的灯电流，而在可维持正常灯操作的点之外的灯低端子(lamp low terminal)或LL端子(节点114)的电势不会有显著变化。因此，现有技术电路100不能支持灯的低频激励，并且还局限于以零平均电流来操作灯。相比之下，在电路200中，灯低端子或LL端子(节点214)的电势由电路主动控制。因此，不同于现有技术电路100，电路200能够利用低频激励在启动阶段适当地驱动灯(这被认为是有利于灯开启过程，从而有利于灯的有效工作寿命)。而且，电路200允许利用低频激励对灯进行稳态供电，并且还适于(在比如以恒定功率工作的非对称(例如竖直取向的)灯需要时)以非零平均电流对灯进行稳态供电。
在现有技术电路100中，可以看到，“灯低(lamp low)”端子108处的电压与CLOWSIDE1和CLOWSIDE2的电容相反地变化。相比之下，在电路200中，“灯低”端子208处的电压主要通过逆变器的操作来控制(即，如以上所述，使得其等于VRAIL-VBUCK)，因此基本上不受CLOWSIDE1和CLOWSIDE2的电容影响。所以(如前面所述)，电路200中的CLOWSIDE1和CLOWSIDE2可以用比电路100所需的电容小得多的电容实现，这在材料成本、大小、可靠性以及峰值突入电流方面具有相当大的优势。
在一个实施例中，初级绕组242和次级绕组244松散地耦合。松散耦合，也称为不完全磁耦合，具有增加所谓的泄漏电感的作用(其实质上起到与初级绕组242串联的附加电感的作用)，泄漏电感对滤除(减少)“灯低”端子208处的电压中出现的波纹有用。
在另一实施例中，初级绕组242和次级绕组244的线匝数不相等。可以预期，可能优选的是初级和次级绕组的匝数不相等，以便增大或减小“灯低”端子208处的电压偏移相对于节点212(该处电压等于VBUCK))处的电压偏移的量值。
尽管参考特定的优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可在不偏离本发明的新颖的精神和范围的情况下进行多种修改和变更。

Claims (17)

1.一种用于向高强度放电灯供电的电路，所述电路包括：
第一和第二输入端子，用于接入具有基本上直流电压的电源；
第一和第二输出端子，用于耦合到高强度放电灯；
第一逆变器开关，耦合在第一节点和所述第一输入端子之间；
第二逆变器开关，耦合在电路地和所述第一节点之间，其中所述电路地耦合到所述第二输入端子；
降压电感器，耦合在第二节点和所述第一节点之间；
第一降压电容器，耦合在所述第一输入端子和所述第二节点之间；
第二降压电容器，耦合在所述第二节点和电路地之间；
第一低边电容器，耦合在第三节点和所述第一输入端子之间，其中所述第三节点耦合到所述第二输出端子；
第二低边电容器，耦合在所述第三节点和电路地之间；
点火器，耦合在所述第二节点和所述第一输出端子之间；并且
其中，所述电路的特征在于还包括：
二极管支电路，耦合在所述第一和第二输入端子之间；以及
次级绕组，其磁耦合到所述降压电感器，其中所述次级绕组耦合在所述二极管支电路和所述第三节点之间。
2.权利要求1中的电路，其中所述二极管支电路包括两个二极管的串联组合。
3.权利要求1中的电路，其中所述二极管支电路包括：
第一二极管，具有耦合到第四节点的阳极和耦合到所述第一输入端子的阴极；以及
第二二极管，具有耦合到电路地的阳极和耦合到所述第四节点的阴极。
4.权利要求3中的电路，其中所述次级绕组在所述第四节点处耦合到所述二极管支电路。
5.权利要求1中的电路，其中所述第一和第二低边电容器均具有比68微法拉小至少几个量级的电容。
6.权利要求1中的电路，其中：
所述第一和第二低边电容器均具有第一电容；
所述第一和第二降压电容器均具有第二电容；并且
所述第一电容和所述第二电容处于同一量级。
7.权利要求6中的电路，其中所述第一电容和所述第二电容大约相等。
8.权利要求1中的电路，其中所述第一和第二低边电容器均具有约47纳法拉量级的电容。
9.权利要求1中的电路，其中所述降压电感器和所述次级绕组松散地耦合。
10.权利要求1中的电路，其中所述降压电感器和所述次级绕组具有不相等的线匝数。
11.一种用于向高强度放电灯供电的电路，所述电路包括：
第一和第二输入端子(202，204)，用于接入具有基本上直流电压(VRAIL)的电源；
第一和第二输出端子(206，208)，用于耦合到高强度放电灯(10)；
第一逆变器开关(SW1)，耦合在第一节点(210)和所述第一输入端子(202)之间；
第二逆变器开关(SW2)，耦合在电路地(20)和所述第一节点(210)之间，其中电路地(20)耦合到所述第二输入端子(204)；
第一降压电容器(CBUCK1)，耦合在第二节点(212)和所述第一输入端子(202)之间；
第二降压电容器(CBUCK2)，耦合在所述第二节点(212)和电路地(20)之间；
第一低边电容器(CLOWSIDE1)，耦合在第三节点(214)和所述第一输入端子(202)之间，其中所述第三节点(214)耦合到所述第二输出端子(208)；
第二低边电容器(CLOWSIDE2)，耦合在所述第三节点(214)和电路地(20)之间；
点火器(216)，耦合在所述第二节点(212)和所述第一输出端子(206)之间；
第一二极管(250)，具有耦合到第四节点(218)的阳极(252)和耦合到所述第一输入端子(202)的阴极(254)；
第二二极管(260)，具有耦合到电路地(20)的阳极(262)和耦合到所述第四节点(218)的阴极(264)；
变压器(240)，包括：
初级绕组(242)，耦合在所述第一节点(210)和所述第二节点(212)之间；以及
次级绕组(244)，耦合在所述第四节点(218)和所述第三节点(214)之间。
12.权利要求11中的电路，其中所述第一和第二低边电容器(CLOWSIDE1，CLOWSIDE2)均具有比68微法拉小至少几个量级的电容。
13.权利要求12中的电路，其中所述第一和第二低边电容器(CLOWSIDE1，CLOWSIDE2)的电容为约47纳法拉量级。
14.权利要求11中的电路，其中：
所述第一和第二低边电容器(CLOWSIDE1，CLOWSIDE2)均具有第一电容；
所述第一和第二降压电容器(CBUCK1，CBUCK2)均具有第二电容；并且
所述第一电容和所述第二电容处于同一量级。
15.权利要求14中的电路，其中所述第一电容和所述第二电容约相等。
16.权利要求15中的电路，其中所述变压器(240)的初级和次级绕组(242，244)松散地耦合。
17.权利要求15中的电路，其中所述变压器(240)的初级和次级绕组(242，244)具有不相等的线匝数。
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