CN101553071B - 放电灯系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种放电灯系统，包含放电灯及安定器，安定器耦合于该放电灯，且其中包括转换器和控制器，转换器电路中有第一切换开关；控制器电路中包括：安定器控制器，其用于输出第一驱动信号，以此控制第一切换开关；以及电压感测装置，其用于接收第一驱动信号，以此产生感测电压，放电灯根据该感测电压进行各种工作模式的切换；还包括一电阻电容滤波器，其具第一端与一第二端，其中第一端接收第一驱动信号，第二端耦合于该控制器电路，用于输出该感测电压。

Description

放电灯系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种具电压感测装置的放电灯(discharge lamp)系统及其控制方法，可用于放电灯的功率调节与过压保护。

背景技术

高强度气体放电灯(high intensity discharge(HID)lamps)由于具有较高的效率、良好的显色性(color rendering)与较长的使用寿命，而被广泛应用于许多方面。然而，高强度气体放电灯是个复杂的负载，在其工作期间，放电灯的参数(电压、电流与功率)经常改变。图1所示为该类放电灯中一个典型控制策略的波形图。在放电灯被点燃后，当其处于上升阶段时，该放电灯通常运行在一个固定电流的工作模式下，且该放电灯的功率随着放电灯电压(V_lamp)的增加而逐渐增加。为了获得较佳的放电灯性能，当放电灯电压大于第一预定值V1时，则进入了稳态工作状态(固定功率阶段)，此时采用了将放电灯的功率调节在一固定值的工作模式。而当放电灯电压大于第二预定值V2时即判断该放电灯处于寿命结束时期，若放电灯的电压高于一特定值，则该放电灯将熄灭。因此，这类放电灯需要一种特定的被称为安定器(ballast)的电源供应装置。图2所示为一典型的含有第一级为功率因子校正电路(PFC)的高强度气体放电灯安定器的结构图。该安定器的第二级为一直流/交流逆变器(DC/AC inverter)，其将功率因子校正电路的输出电压转变为该高强度气体放电灯所需的电压。而控制器采用适当的控制方法以实现如图1所示的典型控制策略。此外，图2中还包括一交流电源、一电磁干扰滤波器(EMI filter)及一整流器。在现有技术中，用于高强度气体放电灯的安定器的电路图如图3所示。在图3中仅画出了第二级电路的直流/交流逆变器、控制器与放电灯。该直流/交流逆变器是一半桥电路，其作为一双重降压转换器。该双重降压转换器包括一第一金氧半场效晶体管(MOSFET)S1、一第二金氧半场效晶体管S2、一第一二极管D1与一第二二极管D2、一与放电灯串联的电感L2、一与放电灯并联的电容C2，以及两个串联的电解电容CH1与CH2。该双重降压转换器运行于临界不连续模式(critical discontinuousmode)，且具有不连续导通模式安定器的控制器(discontinuous conductionmode ballast(DCMB)controller)，例如L6562。在每半个转向周期(转向频率的大小为100Hz的数量级)内，一个金氧半场效晶体管(S1或S2)与其它金氧半场效晶体管的二极管(D2或D1)运行于一较高频率，例如100kHz，将作为一降压转换器。该电阻性的分压器包括电阻R1与R2，用于感测该放电灯电压。C3作为一噪音滤波器。公式(1)表示了放电灯电压的感测值VC与实际放电灯电压V_lamp之间的关系。

$\mathrm{VC}=\frac{(\mathrm{VDC}/2\±V_{\mathrm{lamp}})\×R2}{R1+R2}---\left(1\right)$

其中，VDC是是PFC级的输出电压。

根据放电灯电压的感测值VC，微控制器MCU输出一控制信号至DCMB控制器，该控制器依据典型电灯控制策略而调整切换开关S1与S2的驱动信号的占空比(duty ratio)，以完成功率调整与放电灯生命结束的侦测。

现有技术的一个主要缺点是电阻性分压器需承受较高电压，并且使用电阻性分压器会增加成本，且降低了安定器电路的功率密度。已知的是，在放电灯被点燃之前，通过电阻R1与R2的最大电压等于放电灯实际电压V_lamp加上PFC级的输出电压VDC的一半。假设VDC＝450V，于是V_lamp＝225V(通常在点燃前V_lamp＝VDC/2)，因此，电阻性分压器需承受至少450V的额定电压。

从以上的分析可知，需要有一个新的机制来克服现有技术中用于感测放电灯电压的缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种含有电压感测装置的放电灯系统及其控制方法，运用一电阻电容滤波器以获得放电灯安定器电路中开关驱动信号的占空比，以间接感测一放电灯的电压，可用于放电灯的功率调节与过压保护。

本发明的一个主要目的在于提供一种放电灯系统，包含放电灯及安定器，所述安定器耦合于所述放电灯，且其中包括转换器和控制器；

转换器电路中有第一切换开关和第二切换开关；控制器电路中包括：安定器控制器，其用于输出第一驱动信号，以此控制所述第一切换开关；以及电压感测装置，其用于接收所述第一驱动信号，以此产生感测电压，所述放电灯根据所述感测电压进行各种工作模式的切换，其中，所述控制器电路中还包括一驱动器，所述驱动器用于接收所述第一驱动信号与输出一第二驱动信号与一第三驱动信号，分别用来驱动所述第一切换开关与所述第二切换开关。

进一步地，所述放电灯为一高强度气体放电灯。

进一步地，所述感测电压反映了所述放电灯的电压，并且所述放电灯根据所述感测电压在固定电流模式、固定功率模式以及关断模式之间进行切换。

进一步地，所述电压感测装置中包括：

一电阻，其上有一第一端与一第二端，所述第一端用于接收所述第一驱动信号；以及一电容，其上有一第一端，所述第一端耦合于所述电阻的第二端及所述控制器，用于输出所述感测电压。

进一步地，所述转换器电路中还包括一逆变器，所述逆变器还包括所述第一切换开关与所述第二切换开关，所述控制器电路中还包括一微控制器，用于接收所述感测电压与产生一控制信号，所述安定器控制器接收所述控制信号并产生所述第一驱动信号。

进一步地，所述转换器电路中还包括一逆变器，所述逆变器还包括所述第一切换开关与所述第二切换开关，所述安定器控制器为一数字控制器，所述数字控制器用于接收所述感测电压与产生所述第一驱动信号。

进一步地，所述系统中还包括一交流电源、一电磁干扰滤波器与一整流器，其中所述转换器电路中还包括一功率因子校正电路与一逆变器，所述电磁干扰滤波器耦合于所述交流电源，所述整流器耦合于所述电磁干扰滤波器，所述功率因子校正电路耦合于所述整流器，而所述逆变器包括所述第一切换开关，并耦合于所述功率因子校正电路。

进一步地，还包括一交流电源、一电磁干扰滤波器与一整流器，其中所述转换器电路中还包括一功率因子校正电路、一转换器与一逆变器，所述转换器包括所述第一切换开关；所述电磁干扰滤波器耦合于所述交流电源，所述整流器耦合于所述电磁干扰滤波器，所述功率因子校正电路耦合于所述整流器，所述转换器耦合于所述功率因子校正电路，且所述逆变器耦合于所述转换器，其中所述转换器为一降压转换器，且所述逆变器为一全桥逆变器。

本发明的另一目的在于提供一种控制上述放电灯系统的方法，包括以下步骤：

使安定器控制器产生一第一驱动信号，以此控制第一切换开关；

使所述安定器控制器得到一信号，所述信号反映了所述第一驱动信号的占空比；以及

依据所述第一驱动信号来切换所述放电灯的工作模式。

进一步地，当所述第一驱动信号为一电压信号且其值大于第一预定值和小于第二预定值时，所述放电灯工作在固定功率模式；当所述第一驱动信号为一电压信号且其值大于第二预定值时，关断所述放电灯；或当所述第一驱动信号为一电压信号且其值小于第三预定值时，所述放电灯工作在固定电流模式，所述第三预定值等于所述第一预定值。

进一步地，所述信号反映了所述放电灯的电压。

进一步地，所述安定器控制器为一数字控制器。

进一步地，所述方法还包括下列步骤：使所述驱动器产生一第二驱动信号与一第三驱动信号以驱动所述第一切换开关与该第二切换开关。

与现有技术相比，由于本发明中电阻电容滤波器所接收的开关驱动信号的额定电压相对较低，所以本发明所提供的电压感测装置相对地具有成本较低、可靠度较高与尺寸较小等优点。

附图说明

图1为现有技术中高强度气体放电灯的一个典型控制策略的波形图；

图2为现有技术中含有高强度气体放电灯的安定器系统的结构图；

图3为现有技术中含有电压感测装置的安定器的电路图；

图4(a)和4(b)分别为本发明实施例一中直流/交流逆变器的电路图与控制器的电路图；

图5(a)和5(b)分别为本发明实施例二中直流/交流逆变器的电路图与控制器的电路图；

图6(a)和6(b)分别为本发明实施例三中直流/交流逆变器的电路图与控制器的电路图；

图7(a)和7(b)分别为本发明实施例四中安定器的转换器的电路图与控制器的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

实施例一

在图4(a)和4(b)中，分别给出了实施例一中的直流/交流逆变器的电路图与控制器的电路图。在图4(a)中仅画出了第二级直流/交流逆变器与放电灯。该直流/交流逆变器为一半桥电路，作为一双重降压转换器。该双重降压转换器包括一第一金氧半场效晶体管S1、一第二金氧半场效晶体管S2、一第一二极管D1与一第二二极管D2、一与放电灯串联的电感L2、一与放电灯并联的电容C2，以及两个串联的电解电容CH1与CH2。该双重降压转换器运行于临界不连续模式，且具有不连续导通模式安定器的控制器，例如L6562。在图(b)中所给出的控制器的电路图中包括一含有一电阻R3与一电容C3的电阻电容滤波器、含有一将模拟信号转换为数字信号的输入端A/D与一将数字信号转换为模拟信号的输入端D/A的微控制器、一DCMB控制器，其用于产生第一驱动信号(在本实施例中，该信号为一方波驱动信号)，以及一驱动器，其用于产生第二与第三驱动信号(在本实施例中，该信号分别为两个开关S1与S2的驱动信号)。而DCMB控制器所产生的方波驱动信号的占空比反映了放电灯电压V_lamp的值。在DCMB条件下，基于电感伏秒均衡原理(inductor voltage-second balance theory)，可以得到以下关系式(2)：

因此，放电灯电压V_lamp与占空比之间的关系可表述为下列公式(3)：

占空比＝0.5+V_lamp/VDC     (3)

而如上所述的电阻电容滤波器(R3/C3)接收该方波驱动信号并经过滤波后可获得该方波驱动信号的占空比的相关信息。因此，该放电灯电压可通过该方波驱动信号的占空比而被间接感测。因为驱动信号的电压大小通常为15V，因此适用于此电压值范畴内的电阻电容滤波器的构造都非常简单且价位低廉。采用本实施例所述的电压间接感测方法，该电压感测装置的成本得以降低、可靠度得以提高，且该电压感测装置的尺寸得以缩小。虽然在本实施例中，双重降压转换器电路运行于DCMB模式，但是只要切换开关的责任周期(duty cycle)与放电灯电压V_lamp之间的确定关系存在，则使用操作在任何模式下的转换器，均可运用本实施例提供的电压间接感测方法。例如，当该双重降压转换器电路运行在连续导通(continuous conduction mode，CCM)模式下，其切换开关的责任周期与放电灯电压之间的关系可以用公式(3)表示；因此，本实施例提供的电压间接感测方法仍可用。

实施例二

在图5(a)与5(b)中，分别给出了实施例二中的直流/交流逆变器的电路图与控制器的电路图。在图5(a)中，用第三和第四金氧半场效晶体管Q1与Q2以及第三和第四二极管D3与D4取代图4(a)中的两个电解电容CH1与CH2，图5(a)与5(b)中的其余部分与图4(a)与4(b)中的相同。其中Q1与Q2运行在较低的频率下，例如转向频率，而切换开关S1与S2则运行在较高的频率下。

实施例三

在上述实施例一和二中，安定器的转换器电路运行在模拟控制模式下。事实上，一些安定器的转换器电路采用数字控制模式，如图6(a)和6(b)所示，分别给出了实施例三中的直流/交流逆变器的电路图与控制器的电路图。在图6(a)所示的直流/交流逆变器的电路图与图4(a)中的相同，而图6(b)所示的控制器电路则用一包括一将模拟信号转换成数字信号的输入端A/D与一脉波宽度调制输出端PWM(脉宽调制)的数字控制器(digitalcontroller)取代图4(b)与图5(b)中的微控制器MCU与DCMB控制器，其余部分则与图4(b)及图5(b)相同。在图6(b)中的数字控制器计算与输出方波控制信号是依据图1所示的高强度气体放电灯的典型控制策略。当然，图6(b)中的数字控制器也可以通过计算两个开关(S1与S2)的驱动信号的占空比而直接得到反映放电灯电压的信号而不需要通过电压感测装置R3、C3感测得到。所以，本发明提供的电压间接感测方法，即使在运用数字控制时也可被使用。

实施例四

在图7(a)和7(b)中，分别给出了实施例四的安定器的转换器电路图与控制器的电路图。该安定器的转换器电路为一三级转换器电路，其中包括一功率因子校正电路、一降压转换器(buck converter)与一全桥逆变器(full-bridge inverter)。该功率因子校正电路包括一电感L1、一开关S1、一二极管D1与一电容C1。该降压转换器包括一电感L2、一开关S2、一二极管D2与一电容C2。该全桥逆变器包括开关S3～S6与一点火器(igniter)。图7(b)的基本架构与图4(b)及图5(b)相同，其唯一差别在于用DCMB控制器(例如L6562)来控制该降压转换器而不是全桥逆变器。在现有技术中，该放电灯电压是通过感测电容C2的电压而获得的。因为开关S2的驱动器的占空比与电容C2的电压有一定的关系，所以该放电灯电压也可以通过开关S2的占空比而被间接地感测。

在上述实施例一至三中，直流/交流逆变器接收功率因子校正电路的固定输出电压作为其输入电压。事实上，该功率因子校正电路的输出电压也可被改变，例如，在点火状态时，功率因子校正电路输出一较高的输出电压，使放电灯易于点燃；在正常运作时，功率因子校正电路输出一较低的输出电压，使放电灯具有较高的效率，或者功率因子校正电路的输出电压也可跟随功率因子校正电路的输入电压而等比的改变。即使在上述直流/交流逆变器的输入电压可改变的情形下，因为切换开关的责任周期与放电灯电压间的关系仍可被表达，所以，本发明所提供的电压间接感测方法，仍然可被采用。

综上所述，本发明提供了一种含有电压感测装置的放电灯系统及其控制方法，其利用一电阻电容滤波器以获得放电灯安定器电路中的开关驱动信号的占空比，以此间接感测放电灯的电压，可用于放电灯的功率调节与过压保护，且该电阻电容滤波器因为所接收的开关驱动信号的额定电压相对较低，所以本发明所提供的电压感测装置相对地具有成本较低、可靠度较高与尺寸较小等优点，因而确实有其进步性与新颖性。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种放电灯系统，包含放电灯及安定器，所述安定器耦合于所述放电灯，且其中包括转换器和控制器，其特征在于，

转换器电路中有第一切换开关和第二切换开关；控制器电路中包括：安定器控制器，其用于输出第一驱动信号，以此控制所述第一切换开关；以及电压感测装置，其用于接收所述第一驱动信号，以此产生感测电压，所述放电灯根据所述感测电压进行各种工作模式的切换，

其中，所述控制器电路中还包括一驱动器，所述驱动器用于接收所述第一驱动信号与输出一第二驱动信号与一第三驱动信号，分别用来驱动所述第一切换开关与所述第二切换开关。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述放电灯为一高强度气体放电灯；及/或

所述感测电压反映了所述放电灯的电压，并且所述放电灯根据所述感测电压在固定电流模式、固定功率模式以及关断模式之间进行切换。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述电压感测装置中包括：

一电阻，其上有一第一端与一第二端，所述第一端用于接收所述第一驱动信号；以及

一电容，其上有一第一端，所述第一端耦合于所述电阻的第二端及所述控制器，用于输出所述感测电压。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述转换器电路中还包括一逆变器，所述逆变器还包括所述第一切换开关与所述第二切换开关，所述控制器电路中还包括一微控制器，用于接收所述感测电压与产生一控制信号，所述安定器控制器接收所述控制信号并产生所述第一驱动信号。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述转换器电路中还包括一逆变器，所述逆变器还包括所述第一切换开关与所述第二切换开关，所述安定器控制器为一数字控制器，所述数字控制器用于接收所述感测电压与产生所述第一驱动信号。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述系统中还包括一交流电源、一电磁干扰滤波器与一整流器，其中所述转换器电路中还包括一功率因子校正电路与一逆变器，所述电磁干扰滤波器耦合于所述交流电源，所述整流器耦合于所述电磁干扰滤波器，所述功率因子校正电路耦合于所述整流器，而所述逆变器包括所述第一切换开关，并耦合于所述功率因子校正电路。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

还包括一交流电源、一电磁干扰滤波器与一整流器，其中所述转换器电路中还包括一功率因子校正电路、一转换器与一逆变器，所述转换器包括所述第一切换开关；所述电磁干扰滤波器耦合于所述交流电源，所述整流器耦合于所述电磁干扰滤波器，所述功率因子校正电路耦合于所述整流器，所述转换器耦合于所述功率因子校正电路，且所述逆变器耦合于所述转换器，其中所述转换器为一降压转换器，且所述逆变器为一全桥逆变器。

8.一种控制如权利要求1所述放电灯系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

使安定器控制器产生一第一驱动信号，以此控制第一切换开关；

使所述安定器控制器得到一信号，所述信号反映了所述第一驱动信号的占空比；以及

依据所述第一驱动信号来切换所述放电灯的工作模式。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

当所述第一驱动信号为一电压信号且其值大于第一预定值和小于第二预定值时，所述放电灯工作在固定功率模式；

当所述第一驱动信号为一电压信号且其值大于第二预定值时，关断所述放电灯；或

当所述第一驱动信号为一电压信号且其值小于第三预定值时，所述放电灯工作在固定电流模式，所述第三预定值等于所述第一预定值。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述信号反映了所述放电灯的电压；及/或

所述安定器控制器为一数字控制器。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述转换器电路中还包括一逆变器，所述逆变器还包括所述第一切换开关与所述第二切换开关，所述控制器电路中还包括一微控制器，用于接收所述感测电压与产生一控制信号，所述安定器控制器接收所述控制信号并产生所述第一驱动信号；及/或

所述方法还包括下列步骤：使所述驱动器产生一第二驱动信号与一第三驱动信号以驱动所述第一切换开关与该第二切换开关。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述转换器电路中还包括一逆变器，所述逆变器还包括所述第一切换开关与所述第二切换开关，所述安定器控制器为一数字控制器，所述数字控制器用于接收所述感测电压与产生所述第一驱动信号；及/或

所述方法还包括下列步骤：使所述驱动器产生一第二驱动信号与一第三驱动信号以驱动所述第一切换开关与所述第二切换开关。

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