CN101541128A - 一种气体放电灯的电子式镇流方法及其镇流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体放电灯的电子式镇流方法，控制单元产生启动高频脉冲，驱动功率变换单元的大功率斩波器；交流电经全波整流后，脉动直流被大功率斩波器高频斩波和变压处理，经高频电感，启动高压触发器，输出启动高频交流电，启动后，控制单元产生供电高频脉冲，功率变换单元按新频率继续提供高频交流电能量。本发明还提供了一种气体放电灯的电子式镇流器，包括控制单元和功率变换单元，控制单元由脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器、高频驱动变压器和调节保护单元组成，功率变换单元由整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器组成。本发明解决了电子式镇流器的可靠性和稳定性及节电的问题。

Description

一种气体放电灯的电子式镇流方法及其镇流器

技术领域

本发明涉及一种气体放电灯的电子式镇流方法及其镇流器，特别是涉及一种用于大功率气体放电灯的电子式镇流方法及其镇流器，具体地说是涉及一种用于大功率气体放电灯的通过提高频率并采用感抗方式的双工作频率电子式镇流方法及其镇流器。

背景技术

250W以上的大功率气体放电灯如金卤灯、钠灯等的电子式镇流器因使用场所和其本身的特性，对于其可靠性、稳定性和较高的性能价格比，要求苛刻。它的基本性能应满足：恒定的输出功率、功率因数高、温度适应范围宽、交流供电方式以防电极极化、不能产生声共振，启动瞬间能产生2.5～4kV的点灯触发电压、一定的功率余量、对各种故障有判断和保护功能。采用PWM脉冲调宽型工作原理是很难做到这一点的。

大功率电子式镇流器在研发上，存在一定的技术难度。从技术路线考虑，在设计成本上，在元器件选择上，在工艺上，真正能够兼顾各方面的牵扯和制约，才能拿出适应市场的产品。由于性能价格比的关系，在大功率电子镇流器技术上，选用性能比较高，价格比较昂贵的电力电子器件，虽然可靠性和稳定性能够过关，但是提高了成本，价格远大于电感式镇流器，缺乏市场竞争能力；选用性能比较低，价格比较便宜的电力电子器件，虽然降低了成本，但由于功率余量小，开关速度低，饱和压降大，耐压低，造成损耗大，温升快，热积累到一定程度，功率器件损坏了，可靠性和稳定性不能保证。

目前，对大功率金卤灯、钠灯电子式镇流器的研发，人们习惯沿用开关电源的技术思路，采用PWM脉冲调宽方式来控制能量输出。大功率金卤灯、钠灯在点然后，应该在较低的电压下工作。而PWM脉冲调宽方式，基本上按照交(流)直(流)交(流)的模式运作，220V50HZ电源供电，经整流、滤波变成高压直流，再通过控制大功率开关管，从高压直流取电，以脉冲形式提供给负载能量。通过调整脉冲的宽和窄，来控制能量的输出大小。点燃后的大功率金卤灯、钠灯内阻是逐渐降低的，高压直流是不会降低的，因而必须控制大功率开关管缩小脉冲宽度，才能保证输出能量的恒定。但是直流高压值没变，随着灯内阻降低，虽然脉冲宽度缩小了，跟随这个脉冲电压宽度的瞬时电流依然很大，长时间工作，会对大功率金卤灯、钠灯这种气体放电灯的电极产生危害，加速其老化；而脉冲越窄，其谐波分量也就越多，通过大功率开关管的瞬时电流也增大，会使大功率开关管功耗增大，逐渐的热积累会使其工作在极限状态，直至损毁。采用这种技术路线研发的大功率金卤灯、钠灯电子式镇流器可靠性、稳定性往往不够。

由于上述原因，大功率电子式镇流器作为产品，在可靠性和稳定性上并没有真正过关。在照明行业，国内凡以大功率(250W以上)钠灯或金卤灯为光源的灯具生产厂家，都习惯沿用电感式镇流器，一般不用电子式镇流器。就是小功率的钠灯或金卤灯，也很少用电子式镇流器。

但是电子镇流器节约电能，节电率可达30％。且成本低，功率因数高，重量轻，能够节省大量钢材和有色金属(铜)。研究此项目有重要的价值，会产生很好的经济效益和社会效益。

对金卤灯、钠灯的性能以及它们工作的物理过程，有比较深刻的理解，是研究金卤灯、钠灯电子式镇流器的先决条件。金卤灯、钠灯都是具有负阻特性的气体放电灯，所谓负阻特性，就是在未点燃时，内阻很大；点燃后，内阻又很小。经用专用精密仪器的测试，观察和对气体放电灯放电机理的研究发现，钠灯、金卤灯在启动过程中实际经历了5个阶段：：击穿(气体电离阶段)——击穿(气体电离阶段)向辉光放电过渡——辉光放电——辉光放电向弧光的过渡——弧光放电五个放电阶段。

金卤灯、钠灯的阻抗是不稳定的。从击穿，击穿(气体电离阶段)向辉光放电的过渡过程，辉光放电，辉光放电至弧光放电的过渡过程，弧光放电。在前四个阶段，其内阻是在不断变化，趋势是逐步降低。若供电电压不变，负载电流会不断的增大，直至烧毁。这样就要有一个稳功率电源提供电能。

必须明确，所述的稳功率源应该适应金卤灯、钠灯在启动过渡过程和稳态工作过程的需要。在击穿(气体电离阶段)时，是高压小电流，并没进入稳功率工作，这时功率源输出功率不能减少，电压不能降低，否则会熄火。随之从击穿阶段向辉光放电阶段转移，电流突然加大，这就是灯的启动电流，这时稳功率源必须跟随降低电压，限制电流增加，逐渐进入了辉光放电的阶段；在辉光放电的阶段，灯内阻趋于稳定，灯电流趋于稳定；在辉光放电向弧光的过渡阶段，灯内阻又逐步有所降低，逐步达到一个稳定状态，灯电流逐步有所增加，逐步达到额定电流。灯进入了弧光放电的比较稳定的工作阶段。在经历了这五个阶段，金卤灯、钠灯才进入了稳功率工作状态。

为了能够稳定输出功率，在负载阻抗逐步降低的情况下，供电电压是需要调整的，从瞬间发出几千伏的高压，使光源击穿，很快降到能够维持额定电流的电压。以250W为例，工频50HZ，维持额定电流的电压(有效值)，钠灯一般在100V左右，金卤灯一般在135V左右。

对于用220V50HZ作为供电电源，通常人们用电感式镇流器来降低电压、限制和稳定电流，用电子触发器来产生高压，由于电感式镇流器功率因数很低，一般还要安装无极性电容来补偿功率因数。这就是电抗器原理的实际应用。

众所周知，当交流电流通过一个电感时，会产生一个电压降。这个电压降与交流电流的频率、电感的电感量的大小有关。这就是通常在交流电路中提到的感抗。感抗的计算公式：

R_L＝ω·L

式中，R_L是感抗，ω是角频率(2πf)，L是电感量。

理想的电感是不耗能的，但实际应用的电感，由于铜损和铁损的存在和不可避免，损耗还是比较大的。电感的特性决定，不允许流经它的交流电流强度发生突变，可靠性比较高。为此，人们还是常用感抗来解决降低交流供电电压和稳定电流的问题。感抗RL的大小不变，将电源频率提高，意味着电感量L可以减小。以传统的250W金卤灯电感式镇流器为例，工频电压为220V、50HZ，灯点燃后维持电压在135V左右，在电感式镇流器上的交流电压降为85V，若额定电流是1.14A，感抗应该是75Ω。根据感抗的计算公式，电感式镇流器的电感量约238mH，当然这只是估算值，在交流电路中，用复数计算才比较准确的。一个电感量为238mH的电感式镇流器，需要耗费可观的硅钢片做铁芯，绕在铁心上的铜质线圈，匝数也很多，需要大量的钢材、铜材和人工成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种气体放电灯的电子式镇流方法，也就是提供一种用于大功率气体放电灯的电子式镇流方法，具体地说是提供一种用于大功率气体放电灯的通过提高供电频率采用感抗方式的双频率工作的电子式镇流方法。

本发明的另一个目的是提供一种气体放电灯的电子式镇流器，也就是提供一种用于大功率气体放电灯的电子式镇流器，具体地说是提供一种用于大功率气体放电灯的通过提高供电频率并采用感抗方式的双频率工作的电子式镇流器。

本发明解决了大功率气体放电灯电子式镇流器的可靠性和稳定性及节电的问题，弥补了现有技术的不足。

本发明的一种气体放电灯的电子式镇流方法，控制单元产生启动高频脉冲，驱动功率变换单元的大功率斩波器；交流电经全波整流后，脉动直流被大功率斩波器高频斩波和变压处理，经高频电感，启动高压触发器，输出启动高频交流电，点燃气体放电灯后，控制单元产生供电高频脉冲，功率变换单元按供电高频脉冲的频率继续提供高频交流电能量；控制单元的调节保护单元检测输出的启动高频交流电的电流，反馈到控制单元，再经功率变换单元处理，输出频率改变的工作交流电；调节保护单元检测输出到气体放电灯的高频电流的电流强度，反馈到控制单元，改变工作频率，再经功率变换单元处理，继续提供高频交流电能量；

所述的启动高频脉冲的频率区间为50～70KHz；

所述的供电高频脉冲的频率区间为90～110KHz；

所述的高频斩波是指，220V50Hz的交流电经桥式整流，变成频率为100Hz的脉动直流信号，信号从双边带变成了单边带，用90～110KHz的等幅方波脉冲信号去切割，形成了调制波，基波是控制单元产生的90～110KHz等幅波，调制信号是100Hz的直流脉动信号，两个大功率斩波管轮流换向工作，高频变压器原边得到90～110KHz高频调制交流功率信号，这个信号被50Hz的、相位相差180度的两个正弦波的合成波所包络；高频变压器副边信号也如此；

所述的变压是将输出电压提高为输入电压的两倍。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其中，所述的控制单元包括脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器、高频驱动变压器和调节保护单元；脉冲发生器是一个压控振荡器，根据高频电流互感器测量的输出的电流，调节压控振荡器的输出频率，压控振荡器只采用两个频率工作，启动时用一个频率，供电时用另一个频率。

如上所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其中，所述的调节保护单元是由三个电压比较器和一个D触发器构成，一个电压比较器做过流保护，另两个电压比较器和D触发器作频率调整。

如上所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其中，所述的功率变换单元包括整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器。

如上所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其中，所述的大功率斩波器是一个全桥式脉冲功率放大器构成的斩波器，一个半桥是两个大功率晶体管，工作在开关状态；另一个半桥是两个无极性电容，工作在充放电状态。

本发明还提供了一种气体放电灯的电子式镇流器，包括控制单元和功率变换单元，控制单元由脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器、高频驱动变压器和调节保护单元组成，控制单元由控制单元的脉冲发生器IC1作为信号源产生高频脉冲，送由D触发器IC3-1和或非门IC2-1或非门IC2-2或非门IC2-3组合而成的脉冲分配器，脉冲分配器将一路脉冲信号变成两路，由或非门IC2-1或非门IC2-2输出，分别送射极跟随器Q7、Q8，功率驱动器由四只中功率管Q3、Q4、Q5、Q6组成全桥，射极跟随器Q7驱动由Q3、Q4组成的半桥，射极跟随器Q8驱动由Q5、Q组成的另一个半桥，两个半桥的输出，分别连接高频驱动变压器T2的初级绕组，高频驱动变压器T2的两个次级绕组，分别以相位相反的方式，连接到大功率管Q1、Q2的栅极和源极；调节保护单元根据高频电流互感器测量的气体放电灯的高频交流电的电流，反馈到控制单元，控制单元的压控振荡器改变斩波频率，压控振荡器只采用两个频率工作，启动时用一个频率(60KHz)，正常工作时用另一个频率(100KHz)，再经功率变换单元处理，输出交流电到气体放电灯；功率变换单元由整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器组成，所述的功率变换单元由桥式整流器输出脉动直流送大功率斩波器，大功率斩波器是一个全桥式脉冲功率放大器构成的斩波器，一个半桥是两个大功率晶体管，其中一个大功率晶体管Q1的漏极联接桥式整流器正输出，源极连接另一个大功率晶体管Q2的漏极，大功率晶体管Q2的源极连接桥式整流器负输出，两个大功率晶体管轮流换向工作在开关状态；另一个半桥是串联的两个无极性电容，工作在充放电状态，其中一端连接桥式整流器正输出，另一端连接桥式整流器负输出；高频变压器的初级绕组，一端通过电容C3连接在大功率晶体管Q1源极和Q2漏极的连接点上，另一端连接在串联的两个无极性电容中点；高频变压器的次级绕组，一端穿过高频电流互感器连接在气体放电灯端子上，另一端通过高频电感连接气体放电灯另一端子上，高频电流互感器和高压触发器的两个端子并在气体放电灯的两个端子上；控制单元的脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器和高频驱动变压器依次相连，功率变换单元的整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器依次相连，高频驱动变压器的两个次级绕组，分别以相位相反的方式，连接到大功率斩波器的栅极和源极；所述的调节保护单元是由三个电压比较器和一个D触发器构成，调节保护单元根据高频电流互感器测量的气体放电灯的高频交流电的电流，反馈到控制单元，控制单元的压控振荡器改变斩波频率；所述的调节保护单元是由三个电压比较器和一个D触发器构成，电压比较器IC4-2担任小电流检测任务，电压比较器IC4-1担任大电流检测任务，电压比较器IC4-3担任过电流检测任务，D触发器IC3-2对气体放电灯有没有被点燃担任记忆任务，从高频电流互感器来的高频电流信号经电阻R3，经快速二极管D1-D4整流，经电容C5、C6滤波，变成了一个直流电压，这个直流电压被分别送到电压比较器IC4-1的正输入端，电压比较器IC4-2的负输入端，电压比较器IC4-3的正输入端，这三个电压比较器的另一个输入端，分别接着由稳压二极管构成的6V、3V、12V基准电压源，电压比较器IC4-2的输出端连接在D触发器IC3-2的S端，当气体放电灯未被点燃时，电流很小，将D触发器IC3-2置成“0”状态，输出端Q成为低电平，连接到脉冲发生器(压控振荡器)IC1控制电压输入端，脉冲发生器(压控振荡器)将发生较低频率(60KHz)的脉冲信号，电压比较器IC4-1的输出端连接在D触发器IC3-2的R端，当气体放电灯被点燃时，电流增大，将D触发器IC3-2置成“1”状态，输出端Q成为高电平，连接到脉冲发生器(压控振荡器)IC1控制电压输入端，脉冲发生器(压控振荡器)将发生较高频率(100KHz)的脉冲信号；所述的大功率斩波器是一个全桥式脉冲功率放大器构成的斩波器，一个半桥是两个大功率晶体管，其中一个大功率晶体管的漏极联接桥式整流器正输出，源极连接另一个大功率晶体管的漏极，该大功率晶体管的源极连接桥式整流器负输出，两个大功率晶体管轮流工作在开关状态，另一个半桥是两个无极性电容，其中一端连接桥式整流器正输出，另一端连接桥式整流器负输出。

如上所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其中，所述的功率变换单元还包括为控制单元提供能量的直流电源。

如上所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其中，所述的功率变换单元还包括由电容和电感组成的低通滤波器。

250W以上金卤灯、钠灯电子式镇流器因使用场所和其本身的特性，对于其可靠性、稳定性和较高的性能价格比，要求苛刻。它的基本性能应满足：恒定的输出功率、功率因数高、温度适应范围宽、交流供电方式以防电极极化、不能产生声共振，启动瞬间能产生2.5～4kV的点灯触发电压、一定的功率余量、对各种故障有判断和保护功能。本发明解决了以上问题。本发明所涉及的250W以上金卤灯、钠灯电子式镇流器，仍然用电抗器原理来降低供金卤灯、钠灯所用的交流电压和限制和稳定电流。采用提高电源频率的方式，使用电感量很小的高频电感，来提高感抗。这个高频电感的电感量，一般在微亨级。优点是，不仅降低了供电电源的有效值，峰值也降低了，对灯寿命的延长有好处。电源工作频率提高到60KHZ至100KHZ。频率是可以调整的，启动时(点灯的击穿过程)，用60KHZ；进入正常工作，用100KHZ。本发明用大功率斩波技术，对交流220V50Hz市电，直接整流。特点是不滤波，直接在交流上取电，因而功率因数很高，省去了一般电子式镇流器必须俱有的功率因数补偿装置。

一个电感制作出来以后，它的电感量是不能变的，而它的感抗是随着流经它的交流电流的频率变化，而改变的。流经它的交流电流的频率高，感抗就大；流经它的交流电流的频率低，感抗就小。以上述交流220V50Hz市电供电，250W金卤灯电感式镇流器而言，若把电源频率提高到100KHZ，感抗依然是75Ω，电感式镇流器的电感量约0.119mH，即119μH。镇流器的电感量从238mH降到0.119mH，后者是前者的两千分之一。这个电感在高频下工作，可称其为高频电感。它的作用和前者类似，也是为了降低供电电压，限制和稳定工作电流的。一个电感量为238mH的电感式镇流器，需要耗费可观的硅钢片做铁芯，绕在铁心上的铜质线圈，匝数也很多；一个电感量为119μH的电感式镇流器，只需要体积有限的铁氧体做铁芯，绕在铁心上的铜质线圈，匝数也很少。显然后者比前者节约了大量的钢材、铜材和人工成本。在较高的电源频率上工作，损耗减小，效率提高，使用中降低了能源的损耗。

本发明的有益效果是：

本发明的一种气体放电灯的电子式镇流方法及镇流器，节电率达30％以上，采用高频交流供电，延缓了气体放电灯电极的老化，躲开了声共振，不仅降低了供电电源的有效值，峰值也降低了，对灯寿命的延长有好处。电源工作频率提高到50KHZ至110KHZ。频率是可以调整的，启动时(点灯的击穿过程)，用50～70KHz；进入正常工作，用90～110KHz。本发明，对工频50HZ220V市电，整流后，直接用大功率斩波器对其斩波。特点是不用滤波器，直接在脉动直流上取电，因而功率因数很高，省去了一般电子式镇流器必须俱有的功率因数补偿装置。

附图说明

图1是本发明的框图

图2是本发明的电原理图

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的一种气体放电灯的电子式镇流方法，控制单元产生启动高频脉冲，驱动功率变换单元的大功率斩波器；交流电经全波整流后，脉动直流被大功率斩波器高频斩波和变压处理，经高频电感，启动高压触发器，输出启动高频交流电，点燃气体放电灯后，控制单元产生供电高频脉冲，功率变换单元按供电高频脉冲的频率继续提供高频交流电能量；控制单元的调节保护单元检测输出的启动高频交流电的电流，反馈到控制单元，再经功率变换单元处理，输出频率改变的工作交流电，如图1所示；

所述的启动高频脉冲的频率区间为50～70KHz；

所述的供电高频脉冲的频率区间为90～110KHz；

所述的高频斩波是指正弦波经桥式整流，变成频率为100Hz的脉动信号，信号从双边带变成了单边带信，用90～110KHz的等幅方波脉冲信号去切割，形成了调制波，基波是控制单元产生的90～110KHz等幅波，调制信号是100Hz的直流脉动信号，两个大功率斩波管轮流换向工作，高频变压器原边得到90～110KHz高频调制交流功率信号，这个信号被频率为50Hz、相位相差180度的两个正弦波的合成波所包络；高频变压器副边信号也如此；

所述的变压是将输出电压提高为输入电压的两倍。

其中，所述的控制单元包括脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器、高频驱动变压器和调节保护单元；脉冲发生器是一个压控振荡器，根据高频电流互感器测量的输出的电流，调节压控振荡器的输出频率，压控振荡器只采用两个频率工作，启动时用一个频率，供电时用另一个频率。

所述的调节保护单元是由三个电压比较器和一个D触发器构成，一个电压比较器做过流保护，另两个电压比较器和D触发器作频率调整。

所述的功率变换单元包括整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器。

所述的大功率斩波器是一个全桥式脉冲功率放大器构成的斩波器，一个半桥是两个大功率晶体管，工作在开关状态；另一个半桥是两个无极性电容，工作在充放电状态。

如图1和2所示，本发明还提供了一种气体放电灯的电子式镇流器，包括控制单元和功率变换单元，控制单元由脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器、高频驱动变压器和调节保护单元组成，控制单元由控制单元的脉冲发生器IC1作为信号源产生高频脉冲，送由D触发器IC3-1和或非门IC2-1或非门IC2-2或非门IC2-3组合而成的脉冲分配器，脉冲分配器将一路脉冲信号变成两路，由或非门IC2-1或非门IC2-2输出，分别送射极跟随器Q7、Q8，功率驱动器由四只中功率管Q3、Q4、Q5、Q6组成全桥，射极跟随器Q7驱动由Q3、Q4组成的半桥，射极跟随器Q8驱动由Q5、Q组成的另一个半桥，两个半桥的输出，分别连接高频驱动变压器T2的初级绕组，高频驱动变压器T2的两个次级绕组，分别以相位相反的方式，连接到大功率管Q1、Q2的栅极和源极；调节保护单元根据高频电流互感器测量的气体放电灯的高频交流电的电流，反馈到控制单元，控制单元的压控振荡器改变斩波频率，压控振荡器只采用两个频率工作，启动时用一个频率(60KHz)，正常工作时用另一个频率(100KHz)，再经功率变换单元处理，输出交流电到气体放电灯；功率变换单元由整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器组成，所述的功率变换单元由桥式整流器输出脉动直流送大功率斩波器，大功率斩波器是一个全桥式脉冲功率放大器构成的斩波器，一个半桥是两个大功率晶体管，其中一个大功率晶体管Q1的漏极联接桥式整流器正输出，源极连接另一个大功率晶体管Q2的漏极，大功率晶体管Q2的源极连接桥式整流器负输出，两个大功率晶体管轮流工作在开关状态；另一个半桥是串联的两个无极性电容，工作在充放电状态，其中一端连接桥式整流器正输出，另一端连接桥式整流器负输出；高频变压器的初级绕组，一端通过电容C3连接在大功率晶体管Q1源极和Q2漏极的连接点上，另一端连接在串联的两个无极性电容中点；高频变压器的次级绕组，一端穿过高频电流互感器连接在气体放电灯端子上，另一端通过高频电感连接气体放电灯另一端子上，高频电流互感器和高压触发器的两个端子并在气体放电灯的两个端子上；控制单元的脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器和高频驱动变压器依次相连，功率变换单元的整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器依次相连，高频驱动变压器的两个次级绕组，分别以相位相反的方式，连接到大功率斩波器的栅极和源极；所述的调节保护单元是由三个电压比较器和一个D触发器构成，调节保护单元根据高频电流互感器测量的气体放电灯的高频交流电的电流，反馈到控制单元，控制单元的压控振荡器改变斩波频率；所述的调节保护单元是由三个电压比较器和一个D触发器构成，电压比较器IC4-2担任小电流检测任务，电压比较器IC4-1担任大电流检测任务，电压比较器IC4-3担任过电流检测任务，D触发器IC3-2对气体放电灯有没有被点燃担任记忆任务，从高频电流互感器来的高频电流信号经电阻R3，经快速二极管D1-D4整流，经电容C5、C6滤波，变成了一个直流电压，这个直流电压被分别送到电压比较器IC4-1的正输入端，电压比较器IC4-2的负输入端，电压比较器IC4-3的正输入端，这三个电压比较器的另一个输入端，分别接着由稳压二极管构成的6V、3V、12V基准电压源，电压比较器IC4-2的输出端连接在D触发器IC3-2的S端，当气体放电灯未被点燃时，电流很小，将D触发器IC3-2置成“0”状态，输出端Q成为低电平，连接到脉冲发生器(压控振荡器)IC1控制电压输入端，脉冲发生器(压控振荡器)将发生较低频率(60KHz)的脉冲信号，电压比较器IC4-1的输出端连接在D触发器IC3-2的R端，当气体放电灯被点燃时，电流增大，将D触发器IC3-2置成“1”状态，输出端Q成为高电平，连接到脉冲发生器(压控振荡器)IC1控制电压输入端，脉冲发生器(压控振荡器)将发生较高频率(100KHz)的脉冲信号；所述的大功率斩波器是一个全桥式脉冲功率放大器构成的斩波器，一个半桥是两个大功率晶体管，其中一个大功率晶体管Q1的漏极联接桥式整流器正输出，源极连接另一个大功率晶体管Q2的漏极，大功率晶体管Q2的源极连接桥式整流器负输出，两个大功率晶体管轮流工作在开关状态，另一个半桥是两个无极性电容，其中一端连接桥式整流器正输出，另一端连接桥式整流器负输出。

其中，所述的功率变换单元还包括为控制单元提供能量的直流电源，所述的功率变换单元还包括由电容和电感组成的低通滤波器。

随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件的应用技术已经很成熟。选择常用的，价格比较适中的MOSFET功率管，用来制做一种几百瓦的高频功率源，实践证明是可行的。方案是，不采用PWM技术常用的，交(流)直(流)交(流)的变换形式；而采用交(流)交(流)直接变换形式，称为大功率斩波技术。在工频交流电上，用大功率半导体器件作为功率开关，对50HZ的正弦波进行100KHZ的高频率切割，得到的波形，是100KHZ的基波被50HZ的载波所调制。为解决220V、50HZ的正弦波峰峰值电压高，MOSFET功率管的耐压低，用MOSFET功率管有困难，采用整流技术，将负边带的半波全部翻到正边带来，进行单边带调制，就解决了正反相峰峰值电压过高的问题。

需要强调的是，在这里，只进行了全波整流，并不进行滤波。有电压即取电流，电流没有滞后于电压，功率因数很高。本发明里没有、也没必要设置功率因数补偿装置。

整机(电子式镇流器)全部采用硬件数字逻辑控制，避免了使用单片机时出现的抗干扰能力低，对直流供电要求高，程序跑飞时系统失控，造成灯毁机亡的后果。

整机(电子式镇流器)控制部分采用直流15V供电。因CMOS集成电路4000系列和运算放大器LM324对工作电源的要求范围较宽，又都工作在数字逻辑和电压比较器状态，没有线性放大器，故对直流电源性能要求不高。工作电流也很小，约50mA，主要用在功率驱动级上。直流电源采取阻容降压方式。220V交流工频市电，经电容C9(1μ/630V)、电阻R5(20Ω)降压，经桥式整流，电容C10(100μ/35V)、电容C11(104/63V)滤波，电阻R6(20Ω)降压，送L7815稳压，经电容C12(104/63V)、C13(100μ/25V)再次滤波，L7815输出供整机(控制部分)使用。

本机(电子式镇流器)包括控制单元和功率变换单元两部分，控制单元包括脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器、高频驱动变压器和调节保护单元；功率变换单元包括整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器。

第一部分，控制单元

脉冲发生器

脉冲发生器由两部分组成，一是脉冲源，二是脉冲分配器。

脉冲源由锁相环电路IC1完成。锁相环电路IC1里主要包含了相位比较器和压控振荡器，在这里只用了其中的压控振荡器。压控振荡器可以通过电压控制端的(第9脚，VCO1)输入电压变化，控制它的输出端(第4脚，VCO0)频率变化。它还有一个禁止输入端(第5脚，INH)，当该端为高电平1时，输入控制信号将被封锁，振荡器停止振荡，输出端为0电平。基础振荡频率与所选RC有关，它的振荡频率约为0.5-1.5MHZ。

脉冲分配器的作用有两个，一是对压控振荡器送来的的脉冲信号进行二分频，二是为两个功率管的交替工作建立死区。

压控振荡器IC1的输出VCO0(第4脚)送入由或非门IC2(CD4001)和双D触发器IC3-1组合而成的脉冲分配器。双D触发器IC3-1联接成二进制计数状态，将D端与Q非端相连，CP端联接脉冲源IC1的输出，Q、Q非端分别和CP或非，形成两路脉冲。通过或非门IC2-1(1/4-CD4001)、IC2-2(1/4-CD4001)，分别联接驱动级的推动三极管Q7、Q8的基极输入，通过驱动桥、驱动变压器，最终驱动两个MOSFET功率管Q1(IRFP460LC)和Q2(IRFP460LC)。脉冲源发出的两个脉冲之间的间隔，就是两个功率管的工作死区。

功率驱动器

功率驱动器是通过高频驱动变压器T2来驱动两个大功率斩波管Q1、Q2的。高频驱动变压器T2是由铁氧体罐型磁心和三个线圈绕组组成，三个线圈绕组中，一个初级线圈，二个次级线圈。由于两个功率管分别驱动正负半周，二个次级线圈的相位是相反的。

虽然MOSFET功率管的输入阻抗很高，但由于输入电容的存在，工作在高速状态，仍然是需要一定的驱动功率的。本电路，是以全桥来推动高频驱动变压器T2的初级线圈的，由六个三极管组成，驱动全桥由四个中功率管Q3(441，NPN)、Q4(442，PNP)、Q5(441)、Q6(442)组成，两个半桥是NPN和PNP管的复合形式。全桥由三极管Q7(9013)、Q8(9013)以射极输出的形式推动，。从或非门IC2-3和IC2-4来的脉冲信号，交替工作，分别送入射极跟随器三极管Q7、Q8的输入端，三极管Q7、Q8采用射极跟随器形式工作有两个好处，一是输出驱动电流大，二是将前后极隔离起来。

调节和保护单元

调节和保护级由锁相环电路IC1(CD4046)、或非门IC2(CD4001)和双D触发器IC3-1、IC3-2(CD4013)、四运算放大器(LM324)中的IC4-1、IC4-2、IC4-3组成。

四运算放大器IC4(LM324)中有四个独立的运算放大器，用了其中的三个。它们都分别构成电压比较器，担负着灯电流的检测任务。

在高频变压器T1的次级，接灯回路中，还串着高频电流互感器T3，T3是用来检测灯电流的。在检测回路中，由快速二极管D11、D12、D13、D14组成桥式整流电路，R11是负载电阻，C11是滤波电容。从高频电流互感器T3、经电阻R11、经整流滤波送出检测电压，这个电压分别送入三个电压比较器IC4-1、IC4-2和IC4-3。

电压比较器IC4-1和IC4-2，担负着改变频率的作用。

从高频电流互感器T3送出检测电压，送入IC4-2的反向输入端，IC4-1的正向输入端。IC4-1的反相输入端，接着比较电压，由稳压管D1(6V)提供。IC4-2的同相输入端，接着比较电压，由稳压管D2(3V)提供。

比较器IC4-2负责检测小电流，担负低电压比较。当输出电流较小，电压较低时，意味着灯被击穿，尚未转入从被击穿状态向辉光放电转移的阶段，灯并未真正点燃。电压比较器IC4-2的输出端联接到双D触发器IC3-2的R端(第10脚)，双D触发器IC3-2Q端(第13脚)输出，输出为低电平，控制压控振荡器使其输出相对较低频率120KHZ，经脉冲分配器的二分频，变成60KHZ。用这个频率信号控制功率极，高频电感T4的感抗较小，交流电压降较小，输出电压较高，稳定住负载所需要的启动电流，保证金卤灯或钠灯从击穿(气体电离阶段)向辉光放电过度。

比较器IC4-1负责检测大电流，担负高电压比较。当金卤灯或钠灯从击穿(气体电离阶段)向辉光放电过度以后，电流急剧增大，意味着灯已经点燃。当检测输出电压达到一定值，意味着输出电流已经达到额定电流值。信号送电压比较器IC4-1的反相输入端。C4-1的输出联接到双D触发器IC3-2的S端(第8脚)，依然从双D触发器IC3-2的Q端(第13脚)输出，输出为高电平，控制压控振荡器使其立即改变输出频率，。频率从120KHZ提高至200KHZ。经脉冲分配器的二分频，变成100KHZ。用这个高频信号控制功率极，高频电感T4的感抗迅速增大，交流电压降增大，输出电压下降，稳定住负载所需要的额定电流，金卤灯或钠灯逐步进入稳定工作状态。

综上所述，压控振荡器只受触发器IC2-2高低两个电平控制，高为15V，低为0V，没有中间的过渡电压。当控制电压为低电平时，压控振荡器输出频率为120KHZ，当控制电压为高电平时，压控振荡器输出频率为200KHZ。连接在其后的脉冲分配器，将其二分频，分别是60KHZ和100KHZ。

采用高低两个频率工作，有很多好处。串在输出回路中的高频电感，他的电感量是固定的。通过交流电流时，频率低，感抗小；频率高，感抗大。

在气体放电灯(金卤灯、钠灯)未点燃时，阻抗很大，电流极小。启动时，送一个低频率信号做控制，高频电感的感抗小，交流电压降小，有利于高压触发器的激发，产生高压，击穿气体放电灯。在点灯瞬间，送出的是60KHZ，串在输出回路中的高频电感T4的感抗：

RL＝ω·L＝2πf·L＝2π·60000·119μH·0.000001＝44.9Ω

灯点燃后，过渡到正常工作状态，电流有逐渐增大的趋势。送一个高频率信号做控制，高频电感的感抗增大，交流电压降增大，有利于对电流的抑制。送出的是100KHZ，串在输出回路中的高频电感的感抗：

RL＝ω·L＝2πf·L＝2π·100000·119μH·0.000001＝74.8Ω

感抗从44.9Ω上升到74.8Ω，增加了29.9Ω。对灯的稳定工作意义匪浅。

电压比较器IC4-3，承担着过流保护的任务。输入信号连接同相端(5脚)；反相端(6脚)接比较电压，由稳压管D3(12V)提供。当输出到灯的电流强度超过额定电流值时，IC4-3的输出端为高电平1，控制压控振荡器的禁止输入端INH(第5脚，)，输入控制信号将被封锁，振荡器停止振荡，整机(电子式镇流器)停止工作。

第二部分功率变换单元

用两个MOSFET功率管Q1(IRFP460LC)Q2(IRFP460LC)做功率开关。功率输出级只有这两个功率管轮换交替工作，但又不同于乙类推挽电路，它属于桥式(脉冲)放大器，但是另外的半桥在哪呢，原来分压电容C1、C2模拟着另外的半桥。另半桥用两个串接的无极性电容C1(0.47μ/630V)C2(0.47μ/630V)对电源电压进行分压，靠充放电来模拟有源开关，完成全桥的工作状态和过程。由于电容对电源电压的分压作用，使每个MOSFET功率管漏源极间所承受的最大电压，只是电源电压峰值的一半。按电源220V正向拉偏20％，到264V，计算其峰值再乘以1.414，峰值为：373V，峰值的一半为：187V，即每个MOSFET功率管漏源极间所承受的最大电压，只有187V。我们选的MOSFET功率管(IRFP460LC)的漏源极间所承受的最大电压为500V，电压冗余很大，有利于功率管安全可靠的工作。这样，由两个功率管和两个电容就完成了全桥的工作任务。

功率输出级的工作过程，当功率管Q1的栅极驱动脉冲变为高电平时，Q1饱和，电流从电源正极经Q1漏极、源极、C3、高频变压器T1初级、C2到地；形成C2的充电回路和C1的放电回路。两管交替工作的死区时，Q1、Q2都截止，两管中点电压又恢复到接近电源一半的值。由于电源只整流，没有滤波，所以电压是按半个工频周期(10mS)波动的，自然两管中点电压值在按着这个规律变化，两电容中点电压值也在按着这个规律变化，但这并不影响功率级的工作。当功率管Q2的栅极驱动脉冲变为高电平时，Q2饱和，电流从电源正极经C1，高频变压器T1初级、C3、Q2漏极、源极到地；形成C1的充电回路和C2的放电回路。这样就完成了一个周期的工作过程。

电容C3的作用是，当两个功率管交替开关时，由于管子工作的差异，高频变压器T1初级有可能出现不平衡伏秒值，引起偏磁现象，由它来消除；分电阻R1和R2、稳压管W1和W2、稳压管W3和W4、W5和W6对两个功率管分别起着保护作用。

有效的功率输出通过高频变压器T1来实现，次级接灯的回路中串着最重要的降压和稳流部件-电感T4，当然电感量很小。

在灯的两端，依然按着传统办法，并上高压触发器，给电瞬间，用来产生高压，击穿气体放电灯。高压触发器作为一个独立的部件，技术成熟，价格便宜，故此项技术不必重新研发，拿来用就是了。

分电阻R1和R2、稳压管W1和W2、稳压管W3和W4、W5和W6对两个功率管分别起着保护作用。

为解决电磁兼容的问题，防止本机(电子式镇流器)对外的骚扰，也防止外界对本机的骚扰，在电子式镇流器的电源输入端，接入了由电容C7、C8和电感T5组成的低通滤波器。

本机(电子式镇流器)的高频感性器件，以250W金卤灯为例，采用锰锌软磁铁氧体磁芯，初始导磁率μi应在2000以上。高频感性器件的性能，对整机影响较大，对制造工艺要求比较严格。高频变压器T1、高频驱动变压器T2、高频电流互感器T3、高频电感T4的数据和制造工艺如下：

高频变压器T1的制造工艺：

用EE55铁氧体磁芯。初级线圈：用线径0.46毫米高强度漆包线4根并绕，绕24匝；次级线圈：用线径0.46毫米高强度漆包线4根并绕，绕60匝。初级线圈的24匝要分两层绕，最里边一层12匝，最外边一层12匝，将次级线圈包在初级线圈的中间绕制，60匝连续绕完。层间要垫0.1厚聚酯薄膜两层，初次级之间要垫0.1厚聚酯薄膜三层。两块铁氧体磁芯之间不加气隙。初级线圈电感量为2.35mH，次级线圈电感量为10.6mH。

高频驱动变压器T2的制造工艺：

用P35/22铁氧体罐形磁芯，初级线圈：用线径0.46毫米高强度漆包线3根并绕，绕10匝；两个次级线圈：用线径0.46毫米高强度漆包线3根并绕，绕12匝。将初级线圈包在两个级线圈的中间绕制。层间要垫0.1厚聚酯薄膜两层，初次级之间要垫0.1厚聚酯薄膜三层。两块铁氧体罐体之间不加气隙。初级线圈电感量为0.57mH，次级线圈电感量分别为0.82mH。

高频电流互感器T3的制造工艺：

用Φ31/7铁氧体磁环，先用0.1厚聚酯薄膜带绕两层，初级线圈一匝，次级线圈2匝，用线径0.46毫米高强度漆包线4根并绕，。初级线圈可不绕，用高频变压器T1次级输出的两根线之一直接穿过即可。

高频电感T4的制造工艺：

用EE40铁氧体磁芯。一个绕组，用线径0.46毫米高强度漆包线4根并绕，绕26匝，层间要垫0.1厚聚酯薄膜两层，要调整两块铁氧体磁芯之间的气隙，使线圈电感量为120μH。

大功率气体放电灯电子式镇流若用在400W工作，只要将高频电感T4单绕组的线圈、高频变压器T1初级和次级两个绕组的线圈，原来用线径0.46毫米高强度漆包线4根并绕，改为8根并绕；将高频电流互感器T3次级绕组从2匝变成1匝，其他参数不变。

大功率气体放电灯点燃进入正常工作以后，金卤灯维持电压在135V左右，钠灯维持电压在100V左右。显然钠灯的维持电压要低一些，故用在钠灯电子式镇流器的高频电感T4的电感量应在162μH左右，绕组的匝数应增至36匝。

Claims (8)

1.一种气体放电灯的电子式镇流方法，其特征是：控制单元产生启动高频脉冲，驱动功率变换单元的大功率斩波器；交流电经全波整流后，脉动直流被大功率斩波器高频斩波和变压处理，经高频电感，启动高压触发器，输出启动高频交流电，点燃气体放电灯后，控制单元产生供电高频脉冲，功率变换单元按供电高频脉冲的频率继续提供高频交流电能量；控制单元的调节保护单元检测输出的启动高频交流电的电流，反馈到控制单元，再经功率变换单元处理，输出频率改变的工作交流电；

所述的启动高频脉冲的频率区间为50～70KHz；

所述的供电高频脉冲的频率区间为90～110KHz；

所述的高频斩波是指正弦波经桥式整流，变成频率为100Hz的脉动直流信号，信号从双边带变成了单边带信，用90～110KHz的等幅方波脉冲信号去切割，形成了调制波，基波是控制单元产生的90～110KHz等幅波，调制信号是100Hz的脉动直流信号，两个大功率斩波管轮流换向工作，高频变压器原边得到90～110KHz高频调制交流功率信号，这个信号被频率为50Hz、相位相差180度的两个正弦波的合成波所包络；高频变压器副边信号也如此；

所述的变压是将输出电压提高为输入电压的两倍。

2.如权利要求1所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其特征在于，所述的控制单元包括脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器、高频驱动变压器和调节保护单元；脉冲发生器是一个压控振荡器，根据高频电流互感器测量的输出的电流，调节压控振荡器的输出频率，压控振荡器只采用两个频率工作，启动时用一个频率，供电时用另一个频率。

3.如权利要求1或2所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其特征在于，所述的调节保护单元是由三个电压比较器和一个D触发器构成，一个电压比较器做过流保护，另两个电压比较器和D触发器作频率调整。

4.如权利要求1所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其特征在于，所述的功率变换单元包括整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器。

5.如权利要求1或4所述的一种气体放电灯的电子式镇流方法，其特征在于，所述的大功率斩波器是一个全桥式脉冲功率放大器构成的斩波器，一个半桥是两个大功率晶体管，工作在开关状态；另一个半桥是两个无极性电容，工作在充放电状态。

6.一种气体放电灯的电子式镇流器，其特征在于：包括控制单元和功率变换单元，控制单元由脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器、高频驱动变压器和调节保护单元组成，功率变换单元由整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器组成；控制单元的脉冲发生器、脉冲分配器、功率驱动器和高频驱动变压器依次相连，功率变换单元的整流器、大功率斩波器、高频变压器、高频电感、高频电流互感器和高压触发器依次相连，高频驱动变压器的两个次级绕组，分别以相位相反的方式，连接到大功率斩波器的两个大功率管的栅极和源极；所述的调节保护单元是由三个电压比较器和一个D触发器构成，调节保护单元根据高频电流互感器测量的气体放电灯的高频交流电的电流，反馈到控制单元，控制单元的压控振荡器改变斩波频率；所述的大功率斩波器是一个全桥式脉冲功率放大器构成的斩波器，一个半桥是两个大功率晶体管，其中一个大功率晶体管的漏极联接桥式整流器正输出，源极连接另一个大功率晶体管的漏极，该大功率晶体管的源极连接桥式整流器负输出，两个大功率晶体管轮流换向工作在开关状态，另一个半桥是两个无极性电容，其中一端连接桥式整流器正输出，另一端连接桥式整流器负输出。

7.如权利要求6所述的一种气体放电灯的电子式镇流器，其特征在于，所述的功率变换单元还包括为控制单元提供能量的直流电源。

8.如权利要求6所述的一种气体放电灯的电子式镇流器，其特征在于，所述的功率变换单元还包括由电容和电感组成的低通滤波器。

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