CN101897237A

CN101897237A - 高频高强度放电镇流器

Info

Publication number: CN101897237A
Application number: CN2008801210461A
Authority: CN
Inventors: L·R·内罗涅
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-11-24
Also published as: WO2009075940A1; US20090153067A1

Abstract

公开一种具有自振荡逆变器和高电压乘法器电路的镇流器，其用于提供启动HID灯的DC启动机制。高电压乘法器使用直流(DC)电压来点亮灯。这导致低分应力和比通过脉冲启动或谐振启动技术能实现的更低的输出电压。DC启动降低了启动HID灯所要求的输出电压，并能在不损坏逆变器的情况下持续地应用。而且，自振荡模式中的逆变器是紧凑的，同时能够在超过1MHz的频率很好地操作HID灯。还能采用自振荡逆变器来调整灯功率。

Description

高频高强度放电镇流器

背景技术

本申请针对电子镇流器。它发现结合高强度放电(HID)灯等的特别应用并且将通过对其的特别参考来描述。然而，要认识到，下文还适合于其他类型的灯。

镇流器是用于向负载(如电灯)提供功率并调整提供到负载的电流的电子装置。镇流器提供高电压以通过使足够的等离子体(蒸汽)电离以使电弧维持并增长来启动灯。一旦建立电弧，镇流器通过向灯提供适合的受控电流来允许灯持续操作。

通常，在将来自电源的交流(AC)电压整流并适当地调节之后，逆变器将DC电压转换到AC。逆变器通常包括一对串联的开关，如MOSFET，它们由驱动栅极控制电路来控制而处于“开”或“关”。为了纠正上面的问题，可以采用频率比基本频率高的谐振模式，其要求更少电流流经逆变器组件。然而，因为对在基本开关频率的三次谐波或更高次谐波谐振的电路应用方波，所以不能实现期望的零开关。逆变器电路还可能遇到可能导致对功率MOSFET的本征二极管的损坏的电容性操作模式。逆变器仍不能在逆变器中无过度功率耗散的情况下持续操作，并且必须以“开”和“关”来脉动来减少功率耗散。

下文设想克服上文引述的问题和其他问题的新方法和设备。

发明内容

根据一个方面，一种用于点亮和操作高强度放电(HID)灯的电子镇流器包括谐振电路、控制电路和自振荡逆变器电路，谐振电路具有耦合到HID灯的高频总线并且在点亮之后的操作期间向HID灯提供电压，控制电路耦合到高频总线，并且自振荡逆变器电路具有生成用于谐振电路的波形输入的第一和第二栅极驱动电路。该镇流器还包括乘法器电路，乘法器电路提供初始DC电压以点亮HID灯。

根据另一方面，一种用于操作HID灯的电子镇流器包括谐振电路和自振荡逆变器电路，谐振电路耦合到灯并包括谐振电感和谐振电容，并且自振荡逆变器电路耦合到谐振电路以用于在谐振电路中感应AC电流。自振荡逆变器电路包括第一和第二开关和栅极驱动电路，所述第一和第二开关连接在DC电压处的总线导体与参考导体之间并一起连接到AC负载电流流经的公共节点，而栅极驱动电路用于控制第一和第二开关。该镇流器还包括箝位电路和乘法器电路，箝位电路在操作上耦合到谐振电路并配置成将谐振电路生成的电压限制于不损坏镇流器的组件的值，而乘法器电路跨镇流电容器的端子来连接，所述镇流电容器串联地耦合到灯，乘法器电路提供DC电压以将逆变器的输出电压升压到足以点亮灯的值。该镇流器还包括控制电路，控制电路每个周期对于预定时间向逆变器供应功率。

根据又一个方面，一种点亮并操作HID灯的方法包括将来自控制电路的电压提供到自振荡逆变器电路，在逆变器电路中生成初始电压并将初始电压提供到耦合到逆变器电路的谐振电路，通过乘法器电路的端子来传递初始电压，这些端子跨串联到HID灯的镇流电容器来连接，并且通过这些端子返回DC升压电压以点亮HID灯。

附图说明

图1是一种镇流器电路的示意图示，其包括用于使用高频自振荡逆变器对高强度放电(HID)灯供电的多个组件；

图2是镇流器电路和与之耦合的对应控制电路以及用于点亮HID灯的耦合到逆变器电路的乘法器电路的图示；

图3是控制电路的更详细图的图示；

图4是乘法器电路的图示。

具体实施方式

参考图1，镇流器电路6包括多个组件，这些组件有利于使用高频自振荡逆变器来对高强度放电(HID)灯供电。该镇流器电路包括自振荡逆变器8，自振荡逆变器8以紧凑的配置对HID灯供电。与采用脉冲启动或高频谐振启动的系统相反，该镇流器包括高电压乘法器(图4)，高电压乘法器使用直流(DC)电压来点亮灯。这又导致低分应力和比通过脉冲启动或谐振启动技术能实现的更低的输出电压。即，DC启动降低了启动HID灯所要求的输出电压，并能在不损坏逆变器的情况下持续地应用。而且，自振荡模式中的逆变器是紧凑的，同时能够在超过1MHz的频率很好地操作HID灯。此操作频率大大地超过通过驱动的逆变器(例如，功率控制的逆变器电路)能实现的那些频率。还能采用自振荡逆变器来调整灯功率。此外，到高侧开关的电平移动不经受电压限制(例如在IC驱动的逆变器情况下发生的电压限制)。

镇流器耦合到一个或多个HID灯24、26、...、28。在一个实施例中，灯具有约400W的功率输出。能采用镇流器电路6结合高电压乘法器电路(图4)来点亮灯。将认识到，在其中将多个HID灯耦合到镇流器(如图所示)的实施例中，灯24、26、...28的每个耦合到相应乘法器电路的正和负高电压(hv)端子(例如，每个灯具有其自己的乘法器电路)。在图1中，仅示出用于灯24的+hv和-hv端子，但是应理解其他灯具有相似的端子连接。

镇流器电路6包括逆变器电路8、谐振电路或网络10和箝位电路12。经由从正电压端子16延伸的电压导体14和连接到地或公共端子20的公共导体18将DC电压供应到逆变器8。由谐振电路10生成高频总线22，如下文更详细描述的。第一、第二、...、第n个灯24、26、...、28经由第一、第二、...、第n个镇流电容器30、32、...、34耦合到高频总线。因此，如果去除一个灯，则其他灯继续操作。设想到，能将任何数量的灯连接到高频总线22。例如，每个灯24、26、...、28经由关联的镇流电容器30、32、...、34耦合到高频总线22。经由相应的灯连接器36、38对每个灯24、26、...、28供应功率。

逆变器8包括模拟上方和下方或第一和第二开关40和42，例如，两个n沟道MOSFET装置(如图所示)，其串联在导体14和18之间以激励谐振电路10。还可以配置两个P沟道MOSFET。高频总线22由逆变器8和谐振电路10生成，并且包括谐振电感器44和等效谐振电容，该等效谐振电容包括第一、第二和第三电容器46、48、50以及镇流电容器30、32、...、34的等效，镇流电容器30、32、...、34还阻止DC电流流经灯24、26、...、28。镇流电容器30、32、...、34主要用作镇流电容器。

开关40和42协作以在公共或第一节点52提供方波以激励谐振电路10。从开关40和42延伸的栅极或控制线路54和56连接在控制或第二节点58。每个控制线路54、56包括相应的电阻60、62。

继续参考图1，第一和第二栅极驱动电路(概要表示为64、66)连接在节点52、58之间，并且包括第一和第二驱动电感器68、70，第一和第二驱动电感器68、70是共同耦合到谐振电感器44以在驱动电感器68、70中感应与谐振电路10中电流改变的瞬时速率成比例的电压的二次绕组。第一和第二二次电感器72、74串联到相应的第一和第二驱动电感器68、70和栅极控制线路54和56。

栅极驱动电路64、66用于控制相应上方和下方开关40和42的操作。更具体来说，栅极驱动电路64、66对于周期的第一半将上方开关40维持在“开”以及对于周期的第二半将下方开关42维持在“开”。在节点52生成方波，并使用该方波来激励谐振电路10。第一和第二双向电压箝位76、78分别并联到二次电感器72、74，各包含一对背对背齐纳二极管。双向电压箝位76、78用于将栅极到源极电压的正和负偏移箝位于由背对背齐纳二极管的电压额定值所确定的相应极限。每个双向电压箝位76、78与相应的第一或第二二次电感器72、74协作，以使得在灯的点亮期间跨谐振电路10的电压的基本频率分量与谐振电感器44中的AC电流之间的相位角接近零。

串联的电阻器80、82与电阻器84(连接在公共节点52和公共导体18之间)协作，以用于启动栅极驱动电路64、66的再生操作(regenerative operation)。上方和下方电容器90、92与相应的第一和第二二次电感器72、74串联。在启动过程中，电容器90经由电阻器80、82、84从电压端子16来充电。电阻器94对电容器92分流以阻止电容器92充电。这阻止开关40和42最初同时接通。跨电容器90的电压最初为零，并且在启动过程期间，串联的电感器68和72实质上充当短路(因为用于电容器90的充电的相对长的时间常数)。当对电容器90充电到开关40的栅极到源极电压的阈值电压(例如2-3伏特)时，开关40接通，这导致小的偏置电流流经开关40。所导致的电流在共漏极中偏置开关40(A类放大器配置)。这产生足够增益的放大器，使得栅极控制电路64和谐振电路10的组合产生再生动作，该再生动作启动逆变器在网络的谐振频率附近进入振荡，所述网络包括电容器90和电感器72。生成的频率高于谐振电路10的谐振频率，这允许逆变器8在谐振网络10的谐振频率之上操作。这产生谐振电流，该谐振电流使在公共节点52产生的电压的基波滞后，从而允许逆变器8在点亮灯之前在软开关模式中操作。因此，逆变器8开始在线性模式中操作并过渡到开关D类模式中。然后，随着电流通过谐振电路10积累，高频总线22的电压增加以点亮灯，同时维持软开关模式(经过点亮并进入灯的传导电弧模式(conducting，arc mode of thelamps))。

在镇流器电路6的稳定状态操作期间，在公共节点52的电压是方波，其约为正端子16的电压的一半。一旦在电容器90上存在，偏置电压就会减小。操作的频率使得包括电容器90和电感器72的第一网络96以及包括电容器92和电感器74的第二网络98是等效电感的。即，操作的频率高于相同的第一和第二网络96、98的谐振频率。这导致栅极电路的适当相移，以允许流经电感器44的电流将在公共节点52产生的电压的基本频率滞后。因此，在稳定状态操作期间，维持逆变器8的软开关。

继续参考图1，箝位电路12的串联的箝位二极管100、102将逆变器8的输出电压箝位以限制为启动灯24、26、...、28而生成的高电压。箝位电路12还包括第二和第三电容器48、50，它们实质上彼此并联。每个箝位二极管100、102跨关联的第二或第三电容器48、50而连接。在灯启动之前，灯的电路是开路的，因为每个灯24、26、...、28的阻抗被视为极高阻抗。谐振电路10由电容器30、32、...、34、46、48、50和谐振电感器44组成，并且邻近谐振来驱动。随着在公共节点52的输出电压增加，箝位二极管100、102开始箝位，从而阻止跨第二和第三电容器48、50的电压改变符号，并将输出电压限制于不导致逆变器8的组件过热的值。当箝位二极管100、102正在箝位第二和第三电容器48、50时，谐振电路10变为由电容器30、32、...、34、46和谐振电感器44组成。例如，当箝位二极管100、102没有正在传导时实现谐振。当灯点亮时，阻抗快速减少。在公共节点52的电压相应地减少。箝位二极管100、102中止对第二和第三电容器48、50箝位，并且镇流器6进入稳定状态操作。谐振再次由电容器30、32、...、34、46、48、50和谐振电感器44来指定。

以上述方式，逆变器8在公共节点52提供高频总线，同时维持用于开关40、42的软开关条件。当其余灯亮起时，逆变器8能够启动单个灯，因为在高频总线存在足够的电压以允许点亮。附加或备选的是，乘法器电路确保足够的功率可用于灯点亮。

参考图2和图3，将三次电路108耦合到逆变器电路8。更确切地来说，将三次绕组或电感器110共同耦合到第一和第二二次电感器72、74和第一和第二齐纳二极管箝位76、78。谐振电路10还包括节点-B，其可视为地。包括第一和第二齐纳二极管114、116的辅助或第三电压箝位112并联到三次电感器110。因为三次电感器110共同耦合到第一和第二二次电感器72、74，所以辅助电压箝位112同时将第一和第二栅极电路64、66箝位。

更确切地来说，在点亮之前，电容器122放电，导致开关124(如MOSFET)处于“关”状态中。当逆变器8开始振荡时，电容器122经由线路126和128充电。三次绕组110由并联的第一和第二齐纳二极管114、116来箝位，第一和第二齐纳二极管114、116耦合到MOSFET 124的漏极和源极。当控制器120中采用高功率启动模式时，输入信号的高频使得电容器122充电，这导致齐纳二极管116接通，这又导致MOSFET 124接通并且控制电路开始调整。即，一旦电容器122充电到预定义电压，例如MOSFET 124的阈值电压，则MOSFET124接通，并且电流从连接到MOSFET 124的源极端子的第二齐纳二极管116分流开。电容器122连接到电阻器140，电阻器140耦合到二极管114的阴极，以及电阻器142连接到MOSFET 124的栅极和漏极。电阻器142还耦合到齐纳二极管116的阳极。电路108还包括齐纳二极管144，齐纳二极管144的阳极连接到MOSFET 124的栅极和电阻器142，齐纳二极管144的阴极耦合到电容器122和电阻器140。电阻器148并联地与电阻器140耦合并耦合到齐纳二极管114的阴极。

图4是将箝位电路16限制的电压升压的乘法器电路200的图示。乘法器200跨电容器30来连接以通过倍增逆变器12输出电压来实现启动电压。在操作开始时，逆变器12经由端子+hv、-hv向乘法器电路供应电压。电容器202、204、206、208、210与二极管212、214、216、218、220、222协作以积聚电荷一半周期，而在周期的另一半期间，负电荷通过端子+hv倒入电容器30中。通常，当逆变器12电压是500V峰到峰时，跨端子+hv、-hv的电压上升到大约-2kVDC。

在一个实施例中，乘法器200是低DC偏置电荷泵乘法器。在稳定状态操作期间，乘法器200仅对灯应用小的dc偏置(大约0.25伏特)，这不影响灯的操作或寿命。

要认识到，前面的示例是出于说明的目的而提供的，并且该主题创新不限于本文提出的具体值或值的范围。相反，正如本领域技术人员将认识到的，该主题创新可采用或以其他方式包括任何适合的值或值的范围。

已经参考优选实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解前文详细描述之后，其他人将想到修改和变更。本发明旨在被视为包含所有此类修改和变更。

Claims

1.一种用于点亮和操作高强度放电(HID)灯的电子镇流器，包括：

谐振电路，具有耦合到所述HID灯的高频总线，并且所述谐振电路在点亮之后的操作期间向所述HID灯提供电压；

控制电路，耦合到所述高频总线；

自振荡逆变器电路，具有第一和第二栅极驱动电路，所述第一和第二栅极驱动电路为所述谐振电路生成波形输入；

乘法器电路，所述乘法器电路提供初始DC电压以点亮所述HID灯。

2.如权利要求1所述的镇流器，还包括多个HID灯，每个HID灯耦合到对应的乘法器电路。

3.如权利要求1所述的镇流器，其中所述乘法器电路避免二极管的正向偏置以减少功率耗散。

4.如权利要求1所述的镇流器，其中所述乘法器电路避免二极管的正向偏置，从而实现约+/-0.25V或更小的DC偏置。

5.如权利要求1所述的镇流器，还包括镇流电容器，所述镇流电容器在操作上与所述HID灯串联并连接在所述乘法器电路的正端子(+hv)和负端子(-hv)之间。

6.如权利要求5所述的镇流器，其中所述乘法器电路在操作上连接到所述端子以通过所述端子倍增所述逆变器的输出电压并通过端子将负电荷存储到所述镇流电容器中。

7.如权利要求1所述的镇流器，其中所述自振荡逆变器在约900KHz或更大的频率来操作所述HID灯。

8.如权利要求1所述的镇流器，其中所述HID灯具有至少约300W的功率额定值。

9.一种用于操作HID灯的电子镇流器，包括：

谐振电路，耦合到所述HID灯并包括谐振电感和谐振电容；

自振荡逆变器电路，耦合到所述谐振电路以用于在所述谐振电路中感应AC电流，所述逆变器电路包括：

第一和第二开关，连接在DC电压处的总线导体与参考导体之间，并一起连接在所述AC负载电流流经的公共节点；以及

栅极驱动电路，用于控制所述第一和第二开关；

箝位电路，在操作上耦合到所述谐振电路并配置成将所述谐振电路生成的电压限制于不损坏所述镇流器的组件的值；

乘法器电路，跨镇流电容器的端子来连接，所述镇流电容器串联耦合到所述HID灯，所述乘法器电路提供DC电压以将所述逆变器的输出电压升压到足以点亮所述HID灯的值；以及

控制电路，所述控制电路每个周期对于预定时间向所述逆变器供应功率。

10.如权利要求9所述的镇流器，其中所述箝位电路包括一对串联的二极管，每个二极管跨关联的电容器来连接。

11.如权利要求9所述的镇流器，其中所述乘法器电路包括：协作以避免二极管的正向偏置从而减少所述镇流器中的功率耗散的二极管和电容器。

12.如权利要求11所述的镇流器，其中所述乘法器电路与所述逆变器协作以对于周期的第一半在所述电容器中积聚电荷，并且对于所述周期的第二半将所积聚的电荷倒入所述镇流电容器中。

13.如权利要求11所述的镇流器，其中所述乘法器电路避免二极管的正向偏置，从而实现约+/-0.25V或更小的DC偏置。

14.如权利要求9所述的镇流器，其中所述逆变器在约900KHz或更大的频率来操作所述HID灯。

15.如权利要求9所述的镇流器，其中所述HID灯具有至少约300W的功率额定值。

16.一种点亮并操作HID灯的方法，包括：

将来自控制电路的电压提供到自振荡逆变器电路；

在所述逆变器电路中生成初始电压，并将所述初始电压提供到耦合到所述逆变器电路的谐振电路；

通过乘法器电路的端子来传递所述初始电压，所述端子跨镇流电容器来连接，所述镇流电容器串联到所述HID灯；以及

通过所述端子返回DC升压电压以点亮所述HID灯。

17.如权利要求16所述的方法，还包括对于周期的第一半在所述乘法器电路中的电容器中积聚电荷，并且对于所述周期的第二半将所积聚的电荷倒入所述镇流电容器中。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述乘法器电路避免二极管的正向偏置，从而实现约+/-0.25V或更小的DC偏置。

19.如权利要求16所述的方法，其中所述逆变器电路在约900KHz或更大的频率来操作所述HID灯。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述HID灯具有至少约300W的功率额定值。