CN101527997A - 两级全桥模式低频方波驱动的hid灯电子镇流器 - Google Patents

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吴光荣
章剑雄
唐耀宗
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Abstract

本发明公开了一种两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器，它通过将BUCK降压电路和开关逆变电路合并成一级并以相对应的调频和PWM调制相结合的控制方法实现了恒功率控制的目的，更重要的是该结构不会影响功率因数校正电路的工作效果。本发明还结合了全数字控制方式，将恒功率控制过程由微处理器负责，这样可以方便的实现通过调整高频驱动信号的频率和占空比，达到恒功率控制的目的。该恒功率控制电路除了实现恒功率控制的目的外还能通过实时采集灯管两端的电压和电流，对灯管短路、开路和老化等异常状态进行检测并做相应的处理。

Description

两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器
技术领域
本发明涉及一种两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器。
背景技术
高强度气体放电灯(HID)是一种新型的节能电光源，它具有发光效率高、色温好、寿命长等优点，在机场、道路、码头、体育场馆等室内外照明场合有着越来越广泛的应用。高强度气体放电灯包括汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯等。金卤灯是一种由金属蒸汽和金属卤化物分解物的混合物放电而发光的气体放电灯，由于其光效高，显色性好等优点越来越受到人们的青睐。由于金卤灯固有的负阻特性和特殊的启动要求，必须和与之相匹配的镇流器共同使用。电子镇流器与传统的电感式镇流器相比具有很多优点，诸如电子镇流器自身能耗通常情况下仅几瓦，因此HID灯工作效率高，可节约大量的电能；其次，具有很高的功率因数，电子镇流器功率因数很容易做到0.95以上，有效地提高了供电系统和电网的利用率；再则，重量轻、灯无闪烁和噪声，电子镇流器一般工作在20kHz以上的高频，它没有铁心电感所特有的嗡嗡声，由于工作频率高，只需用体积小，重量轻的铁氧磁芯做电感，占用较小的空间。但是HID灯的一个固有缺点是当它工作在高频时，会产生其特有的声谐振现象。为了使金卤灯不出现声谐振现象，电子镇流器一般工作在低频状态。如图5所示，传统的低频方波电子镇流器包括三级结构：BOOST升压功率因数校正电路、BUCK降压电路和DC-AC全桥/半桥逆变电路。这种电路结构较为复杂，生产成本较为昂贵。为了简化电路，降低成本，现有技术中公开了一种电子镇流器，它是把功率因数校正电路和降压电路合并成一级。这种电路结构可以减小镇流器的体积，降低了成本，但是影响了功率因数校正电路的工作效果，增加了功率开关器件的电压应力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种不会影响功率因数校正电路的工作效果的两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：该两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器包括整流滤波电路、APFC升压电路、开关逆变电路和点火电路，所述整流滤波电路与APFC升压电路连接，所述APFC升压电路与开关逆变电路连接，所述开关逆变电路的两个输出端与点火电路的两个输入端对应连接，所述开关逆变电路任意一个输出端与点火电路的输入端之间设有П型LC滤波电路，所述的HID灯电子镇流器还包括具有调频和PWM调制功能的恒功率控制电路，所述恒功率控制电路包括输入电压采样电路、微处理器、HID灯电流电压采样电路，所述输入电压采样电路与整流滤波电路连接，所述输入电压采样电路、HID灯电流电压采样电路、APFC升压电路和开关逆变电路都与微处理器连接。恒功率控制电路采用全数字控制方式，由微处理器输出开关逆变电路的高频驱动信号，并使开关逆变电路输出较低频率的驱动信号，经П型LC滤波电路解调，得到低频方波驱动信号。这样就能通过调整高频驱动信号的频率和占空比，达到恒功率控制的目的。该结构的恒功率控制电路具有结构简单、性能稳定、能达到较高的控制精度，它使得电子镇流器的电路结构更加简单，节约了成本，提高系统运行的可靠性。恒功率控制电路除了实现恒功率控制的目的外还能通过实时采集灯管两端的电压和电流，对灯管短路、开路和老化等异常状态进行检测并做相应的处理。
作为本发明的优选，所述的HID灯电子镇流器还包括辅助电源电路，所述微处理器和开关逆变电路都与辅助电源电路连接。辅助电源电路的功能与APFC升压电路一样都可以为开关逆变电路和恒功率控制电路提供电源，只是辅助电源电路体积更小、结构更简单，它供电响应速度快，能为HID灯电子镇流器在正常工作前起到预热的作用。
作为本发明的优选，所述的HID灯电子镇流器的APFC是基于微处理器，以软件方式实现的APFC。
本发明采用上述技术方案：两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器通过将BUCK降压电路和开关逆变电路合并成一级并以相对应的调频和PWM调制相结合的控制方法实现了恒功率控制的目的，更重要的是该结构不会影响功率因数校正电路的工作效果。本发明还结合了全数字控制方式，将恒功率控制过程由微处理器负责，这样可以方便的实现通过调整高频驱动信号的频率和占空比，达到恒功率控制的目的。该恒功率控制电路除了实现恒功率控制的目的外还能通过实时采集灯管两端的电压和电流，对灯管短路、开路和老化等异常状态进行检测并做相应的处理。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步具体说明。
图1为本发明两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器的结构框图；
图2为本发明两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器的结构示意图；
图3为本发明两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器的结构图；
图4为本发明两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器的有源功率因数校正电路结构示意图；
图5为现有技术的三级模式HID电子镇流器电路结构示意图；
图6为发明两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器的开关逆变电路的驱动信号波形图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器由整流滤波电路1、APFC升压电路2、开关逆变电路3、点火电路5、恒功率控制电路6、辅助电源电路7组成。整流滤波电路1包括EMI滤波电路和全桥整流电路，EMI滤波电路与全桥整流电路连接。APFC升压电路2即BOOST升压功率因数校正电路，它与全桥整流电路连接。开关逆变电路3包括全桥驱动电路和DC-AC全桥逆变电路，全桥驱动电路与DC-AC全桥逆变电路连接，全桥驱动电路还与APFC升压电路2连接。DC-AC全桥逆变电路的一个输出端上设有П型LC滤波电路4，该П型LC滤波电路4包括一个电感和两个电容，电感的一端和其中一个电容的一端都连接在DC-AC全桥逆变电路的一个输出端上，电感的另一端和另一个电容的一端与点火电路5的输入端连接，点火电路5的另一端与DC-AC全桥逆变电路的另一个输出端连接，两个电容的另外一端都接地。恒功率控制电路6包括输入电压采样电路、具有APFC控制功能的微处理器、HID灯电流电压采样电路，输入电压采样电路与全桥整流电路连接；输入电压采样电路、HID灯电流电压采样电路、APFC升压电路2和全桥驱动电路都与微处理器连接。微处理器和全桥驱动电路还都与辅助电源电路连接，辅助电源电路通过截取APFC升压电路2上较高的输出电压，转化处理后输送给微处理器和全桥驱动电路，起到预热的作用。
如图4所示，为本发明所述的一种两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器的有源功率因数校正电路结构示意图，该电路没有采用专用的APFC集成电路芯片，而是完全基于微处理器来实现。总体而言，是一种升压输出的，临界导电模式(CRM)的有源功率因数校正实现方式。如图4所示，当功率开关管VT导通时，二极管VD截止，电流流过主电感L1，同时主电感L1储存能量，此时负载电流靠输出电容C来维持；当功率开关管VT断开时，二极管VD导通，主电感L1储存的能量为负载供电。微处理器通过模数转换ADC通道实时采集输入电压Vin和输出电压Vout，同时通过模拟比较ACMP通道检测当功率开关管VT导通时，流过VT管，也即流过主电感L1的电流iL1，当iL1＝kVinVout(k为常数)时，微处理器输出控制信号，关断功率开关管VT。如图中所示，辅助电感L2和主电感L1耦合，并把感应信号输入给微处理器，当微处理器检测到流过主电感的电流iL1为零时，输出驱动信号，使功率开关管VT导通。如此，流过PFC升压电感L1的电流是一种三角波，其峰值的包络线(也即输入电流的平均值)是和输入电压的正弦波同相的正弦波，也就实现了输入电流的正弦化，并和输入电压保持同相，大大提高了系统的功率因数。本发明所述的HID用电子镇流器的有源功率因数校正完全依靠微处理器的模数转换器ADC、模拟比较器ACMP和脉宽调制器PWM模块等丰富的微处理器外设资源，以及强大的运算处理能力来实现，使得电子镇流器的电路结构更加简洁，节约了成本，提高了系统运行的可靠性。
工作时，EMI滤波电路接入市电，经过电磁干扰滤波后输送给全桥整流电路，同过全桥整流电路输出直流电。该直流电再经APFC升压电路2调整升压输出较高的直流母线电压，该电压一方面输送给DC-AC全桥逆变电路，另一方面提供给辅助电源电路7。辅助电源电路7输出电流使开关逆变电路3正常工作前先预热；同时也为全桥驱动电路、恒功率控制电路6供电。由于全桥驱动电路受控与微处理器，因此DC-AC全桥逆变电路的工作频率就可以通过微处理器来控制。如图4、6所示，依靠强大的数据处理能力，微处理器可以对DC-AC全桥逆变电路的开关管脉冲驱动信号的频率和占空比根据实际需要做出灵活方便的调整，从而达到调整全桥逆变电路的工作频率和PWM调制的目的，实现电子镇流器的全数字化控制。由微处理器输出65～75kHz的全桥功率开关管高频驱动信号，并以160Hz的低频在全桥的两个斜对边之间切换，经П型LC滤波电路4解调，得到160Hz的低频方波HID灯管驱动信号，使HID灯工作在160Hz的低频，这样可以有效地避免声谐振的发生。通过调整高频驱动信号的频率和占空比，达到恒功率控制的目的。由于两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器将BUCK降压电路和开关逆变电路3合并成一级并以相对应的调频和PWM调制相结合的控制方法实现了恒功率控制的目的，更重要的是该结构不会影响功率因数校正电路的工作效果。该电路结构将传统的BUCK降压电路和DC-AC全桥逆变电路合并成一级，相应的恒功率控制方法也由传统单纯的调频或者PWM调制方式，转变为调频和PWM调制相结合的恒功率控制方式。

Claims (3)

1、两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器，它包括整流滤波电路(1)、APFC升压电路(2)、开关逆变电路(3)和点火电路(5)，所述整流滤波电路(1)与APFC升压电路(2)连接，所述APFC升压电路(2)与开关逆变电路(3)连接，所述开关逆变电路(3)的两个输出端与点火电路(5)的两个输入端对应连接，其特征在于：所述开关逆变电路(3)任意一个输出端与点火电路(5)的输入端之间设有∏型LC滤波电路(4)，所述的HID灯电子镇流器还包括具有调频和PWM调制功能的恒功率控制电路(6)，所述恒功率控制电路(6)包括输入电压采样电路、微处理器、HID灯电流电压采样电路，所述输入电压采样电路与整流滤波电路(1)连接，所述输入电压采样电路、HID灯电流电压采样电路、APFC升压电路(2)和开关逆变电路(3)都与微处理器连接。
2、根据权利要求1所述两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器，其特征在于：所述的HID灯电子镇流器还包括辅助电源电路(7)，所述微处理器和开关逆变电路(3)都与辅助电源电路(7)连接。
3、根据权利要求1所述两级全桥模式低频方波驱动的HID灯电子镇流器，其特征在于：所述的HID灯电子镇流器的APFC是基于微处理器，以软件方式实现的APFC。
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