CN101600286B

CN101600286B - 一种hid灯电子镇流器

Info

Publication number: CN101600286B
Application number: CN 200910032513
Authority: CN
Inventors: 严登俊
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: CN101600286A

Abstract

本发明公开了一种HID灯电子镇流器，属于电子镇流器技术领域。为了提高HID灯的电子镇流器的工作可靠性和使用寿命，针对当前现有技术缺陷，本发明在现有电路基础上增加温度测量反馈模块、变占空比模块和高低压电气隔离模块。其中，温度测量反馈模块用于测量镇流器内部温度，变占空比模块用于控制电子镇流器的温升；高低压电气隔离模块，将弱电部分与强电部分进行电气隔离；本发明有效地保证了高压HID灯电子镇流器在夏天的高温和雷雨天气也能正常工作而不被损坏，能有效避免镇流器工作期间的内部温度持续上升现象的发生，保证电子镇流器工作在某个安全的温度范围内，实现了完全的电气隔离，确保镇流器不会高温而损坏。

Description

一种HID灯电子镇流器

技术领域

本发明涉及一种HID灯电子镇流器，属于电子镇流器技术领域。

背景技术

HID(High intensity Discharge)，即高压气体放电灯。HID灯的电子镇流器是利用电力电子器件驱动HID灯发光的一项技术。一般包括五个模块，即电源模块，控制模块，功率放大驱动模块，点灯模块，和测量反馈模块。电源模块，主要将市电交流，如220V/50Hz，变换成高压直流电，如DC+300V，和低压直流电，如DC+15V，为控制模块提供低压直流电源，和为功率放大驱动模块提供高压直流电源；控制模块，根据HID灯灯管发光情况产生各类控制信号，输入到功率放大驱动模块中；功率放大驱动模块，根据控制信号，将高压直流变换为高频交流，驱动HID灯灯管发光；点灯模块，产生3～5KV的高电压，将HID灯灯管中气体击穿，使HID灯开始工作；测量反馈模块，测量HID灯灯管的工作工况，并将电压电流等相关信息反馈到控制模块中。

与传统电感式HID灯镇流器相比，电子镇流器具有明显的节能效果，文献报导，每盏路灯平均能节电40％～50％，经济效益非常可观。但是，HID灯电子镇流器普遍存在使用寿命不高的问题。理论分析认为，导致HID灯电子镇流器损坏的主要原因有三个：声共振现象、高温、以及雷电浪涌。

为解决HID灯电子镇流器的使用寿命问题，已有的方法分为三类：第一类是抑制声共振，第二类是控制装置温升，第三类是防雷电防浪涌。本专利涉及到第二类技术和第三类技术，即控制装置温升和防雷电防浪涌。

所谓控制装置温升，即在HID灯工作期间维持装置内部的温度不高于某个阈值，避免因长期的高温运行而损伤镇流器寿命。目前的技术有两种，即电流采样和温度采样。一、电流采样，即采集流过HID灯灯管的电流，将信号反馈到控制模块，控制模块根据流过HID灯灯管的电流值调节驱动开关管工作的控制信号频率，从而调节流过HID灯灯管的电流，实现控制温升的目的。二、温度采样，即运用各种测温元件，主要是热敏电阻、热电偶，和其它类型的温度传感器，将温度信号转化为电信号，输入到控制模块中。当温度升高时，控制模块调节驱动开关管工作的控制信号频率，使工作频率随温度的变化而变化，从而调节流过HID灯灯管的电流，实现控制温升的目的。

上述两种技术的共同特点是：通过调节工作频率，进而调节HID灯电流，实现温控的目的，它们的不足之处是忽视了开关损耗。事实上，在高频电路中，开关损耗也是导致发热得一个重要因素，在通过提高频率降低工作电流的电路中，存在如下的因果关系：升高频率，电流下降，线路和灯管的焦耳损耗下降，但同时开关损耗却随频率的升高而同步增加。开关损耗的增加量削弱了焦耳损耗的下降量，在某些极端状态下，开关损耗的增加量甚至大于焦耳损耗的下降量。所以通过改变驱动信号频率控制镇流器温升的技术在理论上存在缺陷，实际工程应用中的效果也不理想。

现有的防雷电防浪涌技术，是在输电线路上加装防雷电防浪涌的装置，避免高电压和大电流进入电子镇流器内部，造成对电子器件的损伤，其缺点是强弱电不分，导致控制模块经常被雷电浪涌损坏。工程经验表明：防雷电防浪涌装置不可能完全隔离输电线路中的雷电浪涌，只能是削弱雷电浪涌的幅度。由于控制模块的耐压指标一般不高，远远低于功率放大驱动模块的耐压指标，将控制模块中弱电器件直接与功率放大驱动模块中的强电电路直接相连后，被削弱后的剩余雷电浪涌电流虽不能对功率放大驱动模块中的强电电路造成伤害，但却能通过控制模块与功率放大驱动模块的电气连接电路，对控制模块造成伤害。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，设计一种HID灯电子镇流器，既能降低电路焦耳损耗，又能降低开关损耗的电路，调节装置的温升。

技术方案

本发明为实现上述发明目的，采用以下技术方案：

本发明的HID灯电子镇流器，包括防雷电防浪涌装置、电源模块、控制模块、功率放大驱动模块、点灯模块和测量反馈模块，其中，防雷电防浪涌装置的输入端与外部220V市电交流相连接，防雷电防浪涌装置的输出端与电源模块的输入端连接，电源模块的低压输出端与控制模块的输入端相连接，电源模块的高压输出端依次串接功率放大驱动模块、HID灯灯管、测量反馈模块、控制模块，点灯模块的输出端直接与HID灯灯管相连，其特征在于：还包括变占空比模块、高低压电气隔离模块和温度测量反馈模块，控制模块的输出端依次串接变占空比模块、高低压电气隔离模块、功率放大驱动模块和温度测量反馈模块，温度测量反馈模块的输出端与变占空比模块的输入端连接。

进一步的，本发明的HID灯电子镇流器，所述温度测量反馈模块包括测温元件R8、运算放大器U2B、光耦U3、以及第七电阻R7、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12；其中测温元件R8的一端与电源的正极连接，另一端分别与第七电阻R7、运算放大器U2B的正极连接，第七电阻R7的另一端分别与第十二电阻一端、第十电阻的一端连接后与电源的负极连接接地；第十二电阻R12的另一端分别与运算放大器U2B的负极、第十一电阻R11的一端连接，第十一电阻R11的另一端分别与运算放大器U2B的输出端、光耦U3的第1引脚连接，第十电阻R10的另一端与光耦U3的第2引脚连接，光耦U3的第3引脚、第4引脚分别与变占空比模块的信号输入端连接。

进一步的，本发明的HID灯电子镇流器，所述变占空比模块包括第一反相器U1A、第二反相器U1B、第三反相器U1C，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，第一二极管D1、第二二极管D2以及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；其中来自控制模块的方波信号输入到第一反相器U1A的输入端，第一反相器U1A的输出端分别与第二反相器U1B的输入端以及第二电容C2的一端相连；第二电容C2的另一端分别与第二电阻R2的一端、第二二极管D2的阴极相连，第二反相器U1B的输出端与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端分别与第三电阻R3的一端、第一二极管D1的阴极相连；第一二极管D1的阳极分别与第二二极管D2的阳极、第三反相器U1C的输入端、第三电容C3的一端、第一电阻R1的一端、温度测量反馈模块中光耦U3的第4引脚连接；第二电阻R2的另一端分别与第一电阻R1的另一端、第三电阻R3的另一端、以及温度测量反馈模块中光耦U3的第3引脚连接后与直流电源连接；第三电容C3的另一端与高低压电气隔离模块的负输入端连接后接地，第三反相器U1C的输出端与高低压电子隔离模块的正输入端连接。

进一步的，本发明的HID灯电子镇流器，所述高低压电气隔离模块包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、变压器T1、第一稳压管D3、第二稳压管D4、第三稳压管D5、第四稳压管D6；其中第四电阻R4的一端与变占空比模块的正输出端连接，第四电阻R4的另一端与变压器T1的原边一端连接，变压器T1的原边另一端与变占空比模块的负输出端连接后接地；变压器T1的副边的上绕组的一端与第五电阻R5串联后分别与第一稳压管D3的阴极、功率放大驱动模块的输入端连接；第一稳压管D3的阳极与第二稳压管D4的阳极连接，第二稳压管D4的阴极分别与变压器T1副边上绕组的另一端、功率放大驱动模块的输入端连接；变压器T1副边的下绕组的一端与第六电阻R6串联后分别与第四稳压管D6的阴极、功率放大驱动模块的输入端连接；第四稳压管D6的阳极与第三稳压管D5的阳极连接，第三稳压管D5的阴极分别与变压器T1副边下绕组的另一端以及功率放大驱动模块的输入端连接。

进一步的，本发明的HID灯电子镇流器，所述HID灯为高压钠灯、高压汞灯或高压氙气灯。

进一步的，本发明的HID灯电子镇流器，所述测温元件R8为热敏电阻、热电偶或其它类型的温度传感器。

本发明的改进由三部分内容组成，即增加了温度测量反馈模块、变占空比模块和高低压电气隔离模块。温度测量反馈模块的作用是测量功率放大驱动模块中的温度，并将温度信号转化成电信号；变占空比模块的作用是根据温度测量反馈模块的输出改变控制信号的占空比，调节流过钠灯灯管的电流，达到控制装置温升的目的；高低压电气隔离模块的作用是在装置内部增加了防雷电防浪涌的功能，将控制模块与功率放大驱动模块进行电气隔离，保护控制模块免遭剩余雷电浪涌的袭击。

本专利采用新颖的思路，设计了一种技术路线是：(1)在温度测量反馈模块中，使用热电偶、线性热敏电阻等各类测温元件测量装置温度，将温度信号转化为电信号，但不再输入到控制模块中，而是输入到变占空比模块中。(2)当温度升高时，线性地调节的控制信号的占空比，从而调节钠灯灯管两端的电压和流过开关管的电流。由于开关管的开关频率保持不变，所以开关损耗不会增加，开关管的焦耳损耗却将随电流的下降而下降。最为主要的是，电流下降后，钠灯灯管的焦耳损耗将大幅度下降。(3)在高低压电气隔离模块中，通过变压器实现电气隔离，防止功率驱动放大模块中的高压损害变占空比模块与控制模块。

有益效果

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有下面的优点：

通过增加温度测量反馈模块，对电子镇流器装置、尤其是功率放大模块中的MOS管或IGBT管的温度进行监测。

通过增加变占空比模块，改变占空比，能使开关损耗和焦耳损耗同步地下降。工程实践表明，本专利的控制效果优于现有的技术，能有效避免镇流器工作期间的内部温度持续上升现象的发生，保证电子镇流器工作在某个安全的温度范围内，确保镇流器不会高温而损坏。

通过增加高低压电气隔离模块，实现了电压等级较低的驱动开关管工作的控制信号与电压等级较高的直接驱动HID灯灯管工作的功率放大驱动电路之间的信号耦合，同时还将耐压指标较低的模块和高压电源在电路连接上实现了完全的电气隔离。镇流器的工作电压有两个：15伏的低电压，和300伏的高电压。低电压主要用于含有IC集成块的控制电路，其中的集成块等元件耐压一般只有30伏；高电压只用于与灯管直接相连的功率放大电路，其中的元件如开关管，其耐压值高于500伏，甚至达1200伏。引入变压器隔离后，高压电源与低压电源不再有任何的电气连接，输出端的高电压不会对IC控制部分的器件造成损坏，同时，输出端与HID灯直接相连的器件耐压性能都很好，常规的雷电不会对对他们造成任何损坏。所以，采用高低压电气隔离模块后，一方面，能使高压HID灯电子镇流器在雷雨天气也能正常工作；另一方面，输电线路中的雷电浪涌、以及点燃HID灯工作的3～5KV高压，都不会串入到低压侧，损害弱电器件。

附图说明

图1是现有电子镇流器的功能模块图。

图2是本发明的电子镇流器功能模块图。

图3是测量反馈模块电路图。

图4是本发明中变占空比模块电路图。

图5是本发明中高低压电气隔离模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是现有电子镇流器的功能模块图，包括五个模块，即电源模块，控制模块，功率放大驱动模块，点灯模块，和测量反馈模块。其中，防雷电防浪涌装置的输入端与外部220V市电交流相连接，防雷电防浪涌装置的输出端与电源模块的输入端连接，电源模块的低压输出端与控制模块的输入端相连接，电源模块的高压输出端依次串接功率放大驱动模块、HID灯灯管、测量反馈模块、控制模块，点灯模块的输出端直接与HID灯灯管相连。电源模块，主要将220V市电交流变换成300V高压直流电和15V低压直流电，为控制模块提供15V低压直流电源，和为功率放大驱动模块提供300V高压直流电源；控制模块，根据HID灯灯管发光情况产生各类控制信号，输入到功率放大驱动模块中；功率放大驱动模块，根据控制信号，将高压直流变换为高频交流，驱动HID灯灯管发光；点灯模块，产生3～5KV的高电压，将HID灯灯管中气体击穿，使HID灯开始工作；测量反馈模块，测量HID灯灯管的工作工况，并将相关信息反馈到控制模块中。

如图2所示，为本发明的电子镇流器功能模块图，在原有的防雷电防浪涌装置、电源模块、控制模块、功率放大驱动模块、点灯模块和测量反馈模块基础上，增加了温度测量反馈模块、变占空比模块、以及高低压电气隔离模块。控制模块的输出端依次串接变占空比模块、高低压电气隔离模块、功率放大驱动模块和温度测量反馈模块，温度测量反馈模块的输出端与变占空比模块的输入端连接。

如图3所示，为温度测量反馈模块的一种电路实现方式。包括测温元件R8、运算放大器U2B、光耦U3、以及第七电阻R7、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12；电阻R8代表一种测温元件，可以是热电偶，或线性度较好的线性热敏电阻。当温度升高时，R8与R7公共点A的电位U_a也随温度的升高而升高。IC集成块U2B、电阻R11、电阻R12构成一线性放大器，使得在U2B输出端的电压U_2o与U_a成正比。U2B输出端与光耦器件U3相连，光耦为一线性光耦，其3、4脚之间的输出阻抗随流过1、2脚的电流而成线性变化。测温元件R8的功能是将温度信号转化成对应的电压信号，电压信号输入到运算放大器U2B，运算放大器U2B将电压信号放大后输入到光耦U3的输入端，光耦U3的输出端输出反应温度信号的电阻值，并作为变占空比模块的输入信号。

如图4所示，为变占空比模块的一种电路实现方式。包括第一反相器U1A、第二反相器U1B、第三反相器U1C，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，第一二极管D1、第二二极管D2以及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3。

当光耦器件U3的3、4脚之间的输出阻抗发生变化时，IC集成块U1C的输入端的三角波斜率也随之发生变化，但频率不变。即，在U1C输出端的脉冲频率取决于U1A输入端的方波频率，在U1C输出端的脉冲占空比取决于光偶U3的输出阻抗。U1A输入端的方波信号来源于控制模块的输出。

当装置内温度发生变化，即升高或降低时，控制模块的输出信号，即U1A输入端的方波频率不变，但是光偶U3的输出阻抗降随温度的变化而线性地变化。所以在U1C输出端的脉冲频率与装置温度无关，但在U1C输出端的脉冲占空比将随温度的变化而线性地变化。即：温度上升，占空比下降；反之亦然。

图5是高低压电气隔离模块的一种电路实现方式。包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、变压器T1、第一稳压管D3、第二稳压管D4、第三稳压管D5、第四稳压管D6。

IC集成块U1C输出的驱动信号通过变压器T1耦合分别输出到MOS管Q1、Q2的门极G与源极S之间。变压器T1的作用有两个：(1)高低压电气隔离，(2)信号耦合。变压器T1的原边通过电阻R4与IC集成块U1C的输出端相连。变压器T1的副边同名端相反，当加在MOS管Q1的门极电压为+15V时，加在MOS管Q2的门极电压为-2.5V；反之亦然。这样确保在某一个时刻MOS管Q1、Q2中只能有一个管子导通。稳压管D3，D4，D5，D6的作用是保证加在变压器T1的两个副边绕组电压绝对值不会高于15V或低于-2.5V，雷电浪涌等造成的电压波动不会串入到控制模块中，损伤控制模块中的弱电器件。

Claims

1.一种高压气体放电灯电子镇流器，包括防雷电防浪涌装置、电源模块、控制模块、功率放大驱动模块、点灯模块和测量反馈模块，其中，防雷电防浪涌装置的输入端与外部220V市电交流相连接，防雷电防浪涌装置的输出端与电源模块的输入端连接，电源模块的低压输出端与控制模块的输入端相连接，电源模块的高压输出端依次串接功率放大驱动模块、高压气体放电灯灯管、测量反馈模块、控制模块，点灯模块的输出端直接与高压气体放电灯灯管相连，其特征在于：还包括变占空比模块、高低压电气隔离模块和温度测量反馈模块，控制模块的输出端依次串接变占空比模块、高低压电气隔离模块、功率放大驱动模块和温度测量反馈模块，温度测量反馈模块的输出端与变占空比模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的高压气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述温度测量反馈模块包括测温元件R8、运算放大器U2B、光耦U3、以及第七电阻R7、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12；其中测温元件R8的一端与电源的正极连接，另一端分别与第七电阻R7、运算放大器U2B的正极连接，第七电阻R7的另一端分别与第十二电阻一端、第十电阻的一端连接后与电源的负极连接接地；第十二电阻R12的另一端分别与运算放大器U2B的负极、第十一电阻R11的一端连接，第十一电阻R11的另一端分别与运算放大器U2B的输出端、光耦U3的第1引脚连接，第十电阻R10的另一端与光耦U3的第2引脚连接，光耦U3的第3引脚、第4引脚分别与变占空比模块的信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的高压气体放电灯电子镇流器，其特征在于，所述变占空比模块包括第一反相器U1A、第二反相器U1B、第三反相器U1C，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，第一二极管D1、第二二极管D2以及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；其中来自控制模块的方波信号输入到第一反相器U1A的输入端，第一反相器U1A的输出端分别与第二反相器U1B的输入端以及第二电容C2的一端相连；第二电容C2的另一端分别与第二电阻R2的一端、第二二极管D2的阴极相连，第二反相器U1B的输出端与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端分别与第三电阻R3的一端、第一二极管D1的阴极相连；第一二极管D1的阳极分别与第二二极管D2的阳极、第三反相器U1C的输入端、第三电容C3的一端、第一电阻R1的一端、温度测量反馈模块中光耦U3的第4引脚连接；第二电阻R2的另一端分别与第一电阻R1的另一端、第三电阻R3的另一端、以及温度测量反馈模块中光耦U3的第3引脚连接后与直流电源连接；第三电容C3的另一端与高低压电气隔离模块的负输入端连接后接地，第三反相器U1C的输出端与高低压电气隔离模块的正输入端连接。

4.根据权利要求1所述的高压气体放电灯电子镇流器，其特征在于，所述高低压电气隔离模块包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、变压器T1、第一稳压管D3、第二稳压管D4、第三稳压管D5、第四稳压管D6；其中第四电阻R4的一端与变占空比模块的正输出端连接，第四电阻R4的另一端与变压器T1的原边一端连接，变压器T1的原边另一端与变占空比模块的负输出端连接后接地；变压器T1的副边的上绕组的一端与第五电阻R5串联后分别与第一稳压管D3的阴极、功率放大驱动模块的输入端连接；第一稳压管D3的阳极与第二稳压管D4的阳极连接，第二稳压管D4的阴极分别与变压器T1副边上绕组的另一端、功率放大驱动模块的输入端连接；变压器T1副边的下绕组的一端与第六电阻R6串联后分别与第四稳压管D6的阴极、功率放大驱动模块的输入端连接；第四稳压管D6的阳极与第三稳压管D5的阳极连接，第三稳压管D5的阴极分别与变压器T1副边下绕组的另一端以及功率放大驱动模块的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的高压气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述高压气体放电灯为高压钠灯、高压汞灯或高压氙气灯。

6.根据权利要求2所述的高压气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述测温元件R8为热敏电阻、热电偶或其它类型的温度传感器。