CN101658067B - 用于点燃和驱动放电灯的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于点燃和驱动气体放电灯的电路装置，该电路装置具有：在近似谐振的运行中作为降压转换的逆变器工作的半桥装置或者交替降压转换器；形成振荡回路的灯电感线圈和谐振电容器；以及平滑电感线圈，其中谐振电容器在其值上设计为使得在灯的正常工作期间在谐振电容器上存在超过100V的正负峰间值的电压纹波，其中平滑电感线圈设计为使得其能够滤波电压纹波的大部分，并且开关频率同时在200kHz到500kHz之间。此外，本发明还提出了一种用于点燃和驱动气体放电灯的方法。

Description

用于点燃和驱动放电灯的电路装置

技术领域

本发明涉及一种用于点燃和驱动放电灯的电路装置和电子驱动装置。用于气体放电灯的电子驱动装置由于其相对于传统镇流器的优点如较高的光质量、更好的光产出以及将气体放电灯在寿命终结时自动关断而越来越多地被使用。目前，尤其是将带有全桥的电路用于高压气体放电灯，所述电路以交变直流电的方式来驱动灯。这是必需的，因为大部分高压气体放电灯由于燃烧容器中的谐振而不能以较高频率的交流电驱动。在此区分两种基本配置。一种是具有带连接在其后的全桥的降压转换器的配置，另一种是带有集成的降压转换器功能的全桥。出于成本原因，后者近来被越来越多地使用。为了点燃，通常使用脉冲点燃装置，对于脉冲点燃装置而需要另一开关用以触发点燃脉冲。在具有比较低的点燃电压的灯类型中，也使用谐振点燃方法。 

背景技术

在此，为了谐振点燃使用了全桥的半桥支路，其带有点燃电感线圈和小电容的点燃电容器。对于在灯点燃之后提供低频矩形电流的降压转换器级，使用了带有降压转换器电感线圈和降压转换器滤波电容器(较大的电容)的第二半桥支路。降压转换器级在此在能够实现零电压切换的有利的间歇工作方式中运行。 

在US2004/183463A1中公开了如下电路，该电路以全桥驱动气体放电灯，其中该全桥划分成两个不同地工作的半桥支路，其中一个半桥支路以低频驱动，而另一半桥支路也可以以高频驱动。为了点燃气体放电灯，设置有LCR振荡回路，该振荡回路通过以高频率工作的半桥支路来激励。 

所有这些装置成本都非常高昂，由此近来越来越多地尝试将成本高昂的全桥替换为更有利的半桥。为了工作，该半桥使用了小的电容器。半桥在降压调节运行中在此以非间歇的工作方式运行。在非间歇的工作方式的情况下，电容器电容的大小对于灯电流的滤波是无关紧要的。因此，在此使用小的电容，该电容用作用于谐振点燃的点燃电容器。然而，非间歇的 工作方式具有如下缺点：出现明显更高的开关损耗并且该工作方式导致对降压转换器电感线圈的不利的设计(对于降压转换器电感线圈需要大电感，这导致大的结构或者更多的损耗)。大的电感线圈也需要更多位置并且导致更高的成本。 

任务 

因此，本发明的任务是提出一种用于起动和驱动气体放电灯的电路装置和方法，其不再具有上述缺点。 

发明内容

该任务通过权利要求1和方法权利要求7的特征来解决。本发明的特别有利的实施形式在从属权利要求中予以描述。 

本发明基于如下知识：为了以间歇工作方式驱动降压转换的半桥，并非一定需要大的电容以滤波形成的纹波电压。已表明的是，在降压转换器的较高的工作频率的情况下，纹波电压大部分可以通过电感来补偿。施加到气体放电灯上的电压的其余纹波可以不再有负面影响，因为气体放电灯的衰减在较高工作频率下高到使得其平滑了所施加的其余纹波本身。由此，可以将明显更高的纹波电压施加到气体放电灯上，而不会对气体放电灯的使用寿命有不利影响。 

高的降压转换器频率具有另一有利的效果。平滑电感线圈L2由于高频率而可以具有较小的结构，这节约了其他成本。然而，平滑电感线圈L2通过高开关频率能够平滑在谐振电容器C1上形成的电压纹波的大部分，使得在气体放电灯上尽管并未通过电容器C1充分地滤波而存在电压纹波，但该电压纹波由于其高频率而可以被气体放电灯良好地处理。 

电容器C1在此设计为使得其与灯电感线圈L1一同形成串联振荡回路，通过该串联振荡回路的激励产生用于气体放电灯的点燃电压。 

通过电容器C1的有利的小电容，可以将电感以及由此将灯电感线圈L1的结构同样保持较小，这节约了其他成本。 

为了起动灯，半桥以接近谐振频率的频率驱动，以便激励由L1和C1构成的串联振荡回路，并且产生高点燃电压，该点燃电压随后经L2施加到灯5。如果灯已点燃，半桥以通常交替的直流电驱动，其中叠加晶 体管的高激励频率，以便实现降压转换器特征。 

附图说明

图1示出了根据本发明的电路装置的电路图。 

图2示出了根据现有技术的处于非间歇工作方式的降压半桥的信号变化过程。 

图3示出了根据本发明的处于间歇工作方式中的降压半桥的信号变化过程。 

图4示出了根据本发明的第二实施形式的电路装置的电路图。 

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一实施形式的电路装置的电路图。在接地点1与电源3之间存在中间回路电压U_Z。该中间回路电压通常在380V到400V之间。该电路装置包括对称的半桥，该半桥包含带有关联的耦合电容器C3和C4的两个串联设置的开关S1和S2，它们连接到中间回路电压上。在两个开关S1和S2的连接点24以及两个电容器C3和C4的连接点26之间连接有由灯电感线圈L1、平滑电感线圈L2和气体放电灯5构成的串联电路。谐振电容器C1连接到灯电感线圈L1和平滑电感线圈L2的连接点22上，该谐振电容器的另一端在电路地1上。谐振电容器C1与灯电感线圈L1一同形成串联振荡回路17。 

为了点燃气体放电灯5，半桥以接近串联振荡回路17的谐振频率的频率来驱动。在此，在电容器C1上形成高电压，该电容器由此用作点燃电容器。如果灯已被点燃并且处于正常工作中，则半桥以100Hz到1000Hz范围中的低频率驱动。该低频率叠加有200kHz到500kHz范围中的高间断频率。这样的频率是必需的，以便将较高的中间回路电压U_Z向下变换成气体放电灯的较低的燃烧电压。通过该叠加的频率，由于电容器C1的小的电容值在该电容器上形成高的电压纹波。电容器C1的电容值可以根据如下式子来确定： 

$C1=C_N*\frac{P_L}{70W}$

P_L在此表示灯额定功率。电容C_N可以在4nF到大约20nF的范围中变动。特别地，C_N在3nF到12nF之间的范围中。优选地，电容C_N在4nF到10nF的范围中变动。

为了示出根据本发明的电路装置的工作方式与现有技术的不同，观察图2和图3。在图2中，示出了根据现有技术的电路装置的几个重要信号的信号变化过程。如开头已表示的那样，该电路装置包括半桥，该半桥以非间歇的方式驱动。由此在此出现了非常高的开关损耗。电路本身在原理上与本发明的电路非常类似。对于非间歇的工作方式，小的滤波电容器(如其也使用在本发明中那样)已足够。在滤波电容器上的带有比较低的电压纹波的电压通过信号31来表示。相同水平上的信号34为灯上的电压。本身已非常小的电压纹波通过滤波电感线圈和灯自身被完全补偿。信号32是在点24中的脉宽调制的半桥电压。这引起通过降压转换器电感线圈的电流(信号33)，该降压转换器电感线圈可以近似等同于本发明的电感线圈L1。总之可以说，本身已较小的滤波电容器对于非间歇的工作方式足够为气体放电灯提供高质量的信号。 

图3示出了根据本发明的电路装置的情况下的相同的信号。半桥以近似谐振的方式来驱动，这能够实现开关晶体管的近似无电压的接通。在本上下文中，近似谐振表示：电感线圈电流在间歇与非间歇的工作方式之间的边界上。信号44清楚地示出了电容器C1上的大的电压纹波。电容器C1由此实现了双功能。在点燃阶段期间，该电容器是谐振电容器并且由此是点燃电容器。如果灯已点燃，则该桥切换到正常工作，并且电容器C1现在用作滤波电容器。电感线圈L1在点燃期间也用作谐振电感线圈而在正常工作期间用作灯电感线圈。信号41为灯上的电压。还可以看到轻微的纹波，然而该纹波由于其高的频率而对于气体放电灯无关紧要。在此示出了与已知的现有技术的不同。电压纹波并未是通过滤波电容来补偿，而是通过滤波电感L2来补偿。信号42又示出了半桥中点电压，以及信号43是通过电感线圈L1的电流。 

为了将该装置在高频率情况下的损耗保持为低，需要使在近似谐振的反转过程期间所涉及的电容最小化。这些电容由开关电容(在金属氧化物半导体场效应晶体管的情况下其为漏极-源极电容)、附加地设置在开关上的梯形电容以及谐振电感线圈的寄生电容组成。反转过程涉及的电容也称作有效半桥中点电容。该中点电容应尽可能小。对此需要将所涉及的各电容保持较小。这可以通过相应的开关晶体管以及通过谐振电感线圈L1的电容小的绕制结构来实现。梯形电容器也应设计得尽可能小。 

为了保证最佳的工作方式，有效的半桥中点电容应该满足如下不等式： 

$C<L_1*\frac{I_1^2}{U_Z^2}$

参数I₁应该在0.4＊I_N到0.6＊I_N之间的范围中，其中I_N为气体放电灯的标称电流。 

第二实施形式 

根据图4的第二实施形式类似于第一实施形式。因此，仅仅说明了与第一实施形式的不同之处。 

在第二实施形式中，代替传统的半桥装置而使用了其中两个降压转换器并联连接的装置。该装置也称作交替降压转换器(Wechseltiefsetzer)。第一降压转换器在正的灯电流的情况下活动，而第二降压转换器在负的灯电流的情况下活动。降压转换器包括开关元件(S3，S4)和二极管(D1，D2)的串联电路。降压转换器电感线圈(L1，L11)用其第一端部连接到开关和二极管之间的连接点上。降压转换器电感线圈的第二端部连接到谐振电容器19上，该谐振电容器由电容C1和/或C11和/或C5中的至少一个组成。 

Claims (6)

1.一种用于点燃和驱动气体放电灯的电路装置，该电路装置具有：在近似谐振的运行中作为降压转换的逆变器工作的半桥装置或者交流降压转换器；形成振荡回路(17)的灯电感线圈和谐振电容器；以及平滑电感线圈，其特征在于，谐振电容器在其值上设计为使得在灯的正常工作期间在谐振电容器上存在超过100V的正负峰间值的电压纹波，其中谐振电容器的电容根据

来计算，其中P_L为气体放电灯的标称功率，而C_N在3nF到12nF之间的范围中，并且平滑电感线圈设计为使得其能够滤波电压纹波的大部分，并且开关频率同时在200kHz到500kHz之间。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，开关频率在300kHz到450kHz之间。

3.根据权利要求1或2所述的用于点燃和驱动气体放电灯的电路装置，其特征在于，半桥装置通过场效应晶体管实现。

4.根据权利要求3所述的用于点燃和驱动气体放电灯的电路装置，其特征在于，有效的半桥中点电容具有

的值，其中I₁＝0.6＊I_N，I_N为气体放电灯的标称电流，其中U_z是在所述电路装置的接地点与电源之间存在的中间回路电压，L₁是所述灯电感线圈的电感。

5.根据权利要求3所述的用于点燃和驱动气体放电灯的电路装置，其特征在于，有效的半桥中点电容具有

的值，其中I₁＝0.4＊I_N，I_N为气体放电灯的标称电流，其中U_z是在所述电路装置的接地点与电源之间存在的中间回路电压，L₁是所述灯电感线圈的电感。

6.一种用于点燃和驱动气体放电灯的方法，该气体放电灯具有：作为降压转换的逆变器工作的半桥装置；形成振荡回路(17)的灯电感线圈和谐振电容器；以及平滑电感线圈，其特征在于，为了点燃气体放电灯，半桥装置以接近振荡回路(17)的谐振频率的频率来驱动，并且在点燃气体放电灯(5)之后该桥过渡到低频工作方式中，其中半桥叠加有高频激励，该高频激励在其频率方面被选择为使得在谐振电容器上的具有超过100V的正负峰间值的高电压纹波大部分通过平滑电感线圈来补偿，其中谐振电容器的电容根据

来计算，其中P_L为气体放电灯的标称功率，而C_N在3nF到12nF之间的范围中。

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