CN101965754B - 用于产生灯的点燃电压的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于产生灯的点燃电压的装置，包括第一谐振回路，其通过开关与灯连接，其中在第一谐振回路之前连接有第二谐振回路。此外，提出了一种用于激励该装置的方法。

Description

用于产生灯的点燃电压的装置和方法

本发明涉及一种用于产生灯的点燃电压的装置以及方法。

公开了高压气体放电灯(所谓的高强度放电(HID)灯)例如HE-HCI灯或MF-HCI灯，它们通常以大于20kHz的工作频率来驱动。

例如，为了驱动高效(HE)灯，尤其是HE-HCI灯(HCI：汞-陶瓷-碘化物)或者无汞的金属卤化物灯，需要正弦形的驱动交流电压，其工作频率根据灯燃烧器的几何形状在45kHz到55kHz的范围中通常以100Hz的节拍锯齿状地改变(摆动或者扫描)。

在所谓的扫描工作中在灯中激发稳定的声学谐振并且因此附加地使等离子体弧稳定(所谓弧矫直，Arc-Straightening)。

除了扫描工作之外，所扫描的驱动交流电压附加地还被幅度调制，其中调制有利地可以根据灯燃烧器的几何形状不仅在频率上(通常在23kHz到30kHz之间)而且调制深度上(在5％到30％之间)进行调节。

幅度调制用于激发在等离子体弧中的特定的纵向声学谐振，其使在燃烧室中的气体成分增强地充分混合(色彩混合)。

扫描工作和幅度调制导致沿着等离子体弧的均匀发光密度并且导致光产出的显著升高，其中能够实现例如从80LPW到150LPW的效率升高。

HE-HCI灯或者MF-HCI灯的工作需要在优选20kHz到100kHz之间的频率范围中的交变的工作电压。

电子镇流器(EVG)的输出级通常通过特别调整的振荡电路(半桥逆变器或者全桥逆变器)实施为耦合到灯上。

这种设计用于灯的正常工作的振荡电路并不适于产生高点燃电压(尤其是大于10kV)。

由于用于点燃灯的电压(热点燃电压)在数值上在大于10kV的范围中，所以出于绝缘技术的考虑这种高电压不应直接在该电子镇流器中产生。

此外，在普通照明中，在变化的线路长度达到例如3m的长度时可变的线路引导的可能性以及用于引导在10kV以上的电压的线路的受约束的适宜性必须作为附加的边界条件来考虑。这同样与直接在电子镇流器的输出端中或在其上产生较高的点燃电压矛盾。

热点燃电压通常借助单独的点燃单元来实现，其中该点燃单元紧靠灯附近串联地环接到灯回路中。

然而，这种串联环接的热点燃电压模块具有在正常工作中明显的饱和电阻，其引起显著的电工作损耗。

本发明的任务在于避免上述缺点并且尤其是提出一种为灯提供点燃电压的可能性，其中该措施能够实现在灯正常工作期间(在其接通阶段之后)小的损耗直至没有损耗。

该任务根据独立权利要求的特征来解决。本发明的改进方案从从属权利要求中得到。

为了解决该任务，提出了一种用于产生灯的点燃电压的装置，

-包括第一谐振回路，其通过开关与灯连接，

-其中在第一谐振回路之前连接有第二谐振回路。

就此而言，可能的是，借助第一谐振回路直接激活开关并且在谐振回路中存在的电能可以用于点燃灯。

通过相继连接的第二谐振回路和第一谐振回路，可以以有效方式实现高点燃电压。优选地，在第二谐振回路和第一谐振回路之间设置馈入线，通过该馈入线可以有效地以低电压形式输送电能，其中在第一谐振回路中进行至高电压的实际变换。

一个改进方案是，开关可以借助第一谐振回路中的起振电压来激活。

一个改进方案是，该开关包括如下部件中的至少一个：

-火花隙；

-半导体开关；

-点燃电极。

一个改进方案是，第二谐振回路通过线路为第一谐振回路供给电能用于产生点燃电压。

一个改进方案是，第二谐振回路设置在电子镇流器中。

在此，电子镇流器尤其可以为了驱动第二谐振回路而包括半桥电路或者全桥电路。

此外，一个改进方案是，设置有微控制器和/或处理器单元，其激励第二谐振回路和/或第一谐振回路。

尤其是，通过微控制器或处理器单元进行电子镇流器的半桥或全桥的激励，以便由此以电脉冲或者信号在频率可调节的情况下激励第一谐振回路或第二谐振回路。

在另一附加的改进方案的范围中，可能的是，微控制器重复地尤其是以变化的频率激励第一谐振回路和/或第二谐振回路。

因此，可以设置尤其是具有变化的频率的多个循环来产生点燃电压。

接下来的改进方案在于，第一谐振回路和开关设置在灯附近。

优选地，因此点燃电压可以通过短的线路直接提供给灯。

一个扩展方案是，第一谐振回路设置在热点燃模块中。

一个可替选的实施形式在于，第一谐振回路与开关串联连接。

接下来的扩展方案是，旁路元件与第一谐振回路和开关构成的串联电路并联地设置。

旁路元件优选构建为使得第一谐振回路在灯的正常工作期间(在其点燃之后)消耗尽可能少的能量。

一个扩展方案是，旁路元件是串联阻抗。

一个改进方案在于，旁路元件包括在灯馈入线中的串联阻抗和/或在灯回线(Lampenrueckleitung)中的串联阻抗。

一个附加的扩展方案是灯馈入线中的串联阻抗以及在灯回线中的串联阻抗以不同的取向设置在芯上。

另一扩展方案是，灯是高压气体放电灯，尤其是HE-HCI灯。

上述任务也通过一种用于借助处理器装置或者借助固定连接的逻辑电路来激励上述装置的方法来解决。

尤其是，第二谐振回路和/或第一谐振回路借助处理器单元或者借助固定连接的逻辑电路(例如借助ASIC或者FPGA)来激励，使得能够激发一个或多个谐振频率。

在下面借助附图来示出和阐述本发明的实施例。

其中：

图1示出了用于通过电子镇流器驱动气体放电灯的电路装置以及通过灯线路与电子镇流器相连的热点燃模块，所述电子镇流器被实施为半桥，所述热点燃模块优选地被设置在气体放电灯附近；

图2示出了包括相继连接的两个谐振回路的模型电路图；

图3A示出了方程，该方程尤其是可以考虑用于确定谐振频率；

图3B示出了方程，该方程给出了与所耦合的根据图2的谐振回路的频率相关的电压变化；

图4示出了与通过EVG半桥驱动的热点燃模块的频率相关的谐振点的变化过程和位置；

图5示出了根据图1的电路装置，其带有在灯馈入线中的回路阻抗(Durchgangsimpedanz)或串联电感；

图6示出了根据图1的电路装置，其带有在灯回线中的回路阻抗或串联电感；

图7A、图7B示出了根据图1的电路装置，其带有在灯馈入线中的回路阻抗或串联电感以及在灯回线中具有回路阻抗或串联电感，其中相反绕组中的两个回路阻抗被布置在共同的芯上；

图8示出根据图1的没有回路阻抗的电路装置，其中设置在热点燃模块中的谐振回路产生点燃电压，该点燃电压借助点燃电极直接(优选容性地)耦合到灯上。

为了驱动气体放电灯(HID灯)而设置电子镇流器(EVG)。

电子镇流器的输出端优选地具有半桥逆变器或者全桥逆变器，借助所述半桥逆变器或者全桥逆变器能够实现灯在20kHz到100kHz之间的频率的情况下的标称运行。

尤其是在通用照明的应用领域中，在电子镇流器和灯之间可能有在例如3m以下的不同的灯线路长度。在此，尤其是出于耐压强度的原因不利的是，在整个灯线路长度上引导大于10kV的点燃电压。

尤其是，有利于点燃灯而会紧邻灯(优选地相距大约最大30cm的距离)放置热点燃模块。该热点燃模块产生所需的大于10kV的点燃电压脉冲，可是优选地，这些点燃电压脉冲仅朝向灯在剩余的短的灯线路段上被释放，而不是相反地在朝向电子镇流器方向的较长的线路段上被释放。

优选地，在灯正常运行时、也就是在点燃灯之后或者灯的接通阶段，热点燃模块具有小的回路电感(优选地小于数百μH)，以便最小化运行损耗。

尤其是建议将紧邻灯的热点燃模块环接到灯线路中并且针对HE-HCI灯或者MF-HCI灯的高频运行模式表现出足够低的回路阻抗。

优选地，用于产生点燃脉冲的热点燃模块具有用于产生电压脉冲的装置，这些电压脉冲优选地具有约20kV的大小。

热点燃模块本身可直接通过灯馈入线由电子镇流器来驱动，并且因此本身无需有源控制电子装置或者附加的外部电源来产生电压脉冲。

为了实现热点燃模块在灯正常运行期间的低回路阻抗，有利地借助小的(例如在200μH数量级的)串联电感将热点燃模块从电子镇流器以及从灯去耦。串联电感被连接在热点燃模块的输入端与输出端之间。

与串联电感并行地现在可以在热点燃模块中产生高压脉冲(HV脉冲)，该高压脉冲在所提及的串联电感之后被馈入到朝向灯的较短的线路段中。

优选地，串联电感具有足够的耐高压强度。

此处介绍的方法能够有利地实现在不采用热点燃模块中的其他有源电子装置的情况下产生用于点燃灯的电压脉冲。这优选地通过以下方式实现：在热点燃模块中设置高品质的适当设计的LC谐振回路，所述LC谐振回路由电子镇流器直接通过灯馈入线来驱动和激励。

优选地，LC谐振回路在热点燃模块中首先隔离地和自由振荡(freilaufend)地运行，使得谐振可以在良好品质的情况下尽可能无衰减地起振到达到20kV的电压值，而尽可能没有外部衰减影响。

在达到确定的电压电平或者电压范围例如15kV至20kV时，振荡的LC谐振回路通过开关耦合到朝向灯的线路段。开关在此可以以不同的方式实现。例如，该开关可以包括：具有预先给定的击穿电压的火花隙、半导体开关或者点燃电极。

一旦热点燃模块的LC谐振回路达到15kV到20kV之间的值，则所连接的火花隙在其限定的击穿电压的情况下接通并且将当前的电压电平直接耦合输入到朝向灯的较短的连接线路中。

该点燃电压到达高阻值的灯并且在其中产生点燃击穿。

连接在热点燃模块上的电子镇流器本身通过内部的低电感的串联电感始终功能性地与灯连接并且可以在检测到点燃击穿之后直接开始其正常的灯运行，在此情况下为灯起动运行。

所描述的装置在图1中示出。

图1包括EVG半桥101，其通过灯线路103与热点燃模块102连接。在热点燃模块102上通过灯线路104连接有灯105。

灯线路103优选短于3米并且灯线路104优选短于30厘米。

EVG半桥101包括：三个输入端106、107和108，两个输出端110和111，两个半导体开关、尤其是n沟道MOSFET Q1和Q2，线圈L1和两个电容器C1和C2。

输入端106为EVG半桥101供给电压，输入端107与MOSFET Q1的栅极端子连接，而输入端108与MOSFET Q2的栅极端子连接。MOSFET Q1的源极端子与MOSFET Q2的漏极端子连接并且通过线圈L1与节点109连接。电容器C1一方面与节点109连接而另一方面与MOSFET Q2的源极端子以及与输出端111连接。电容器CB1一方面与节点109连接而另一方面与输出端110连接。MOSFET Q1的漏极端子与输入端106连接。

热点燃模块102包括输入端112和113以及输出端114和115。此外，热点燃模块102包括LC谐振回路116、开关117和线圈LR2(串联电感)。

LC谐振回路116包括线圈L2和电容器C2。开关117优选实施为火花隙(例如17kV)。

线圈L2一方面与输入端112连接而另一方面与电容器C2的一个端子以及与开关117的一个端子连接。电容器C2的另一端子与输入端113连接，该输入端又与输出端115连接。开关117的另一端子与输出端114以及通过线圈LR2与输入端112连接。

灯105与热点燃模块102的输出端114和115连接。灯105优选实施为高压气体放电灯。

为了点燃灯105，通过EVG半桥101激励LC谐振回路116直至其通过开关117将大于15kV的电压通过输出端114传输给灯105，并且优选点燃灯105。

在通过热点燃模块102点燃之后，灯105可以借助EVG半桥101通过串联电感LR2来驱动(灯105的正常工作)。

在正常工作期间，灯105优选在如下频率范围(例如小于100kHz)中工作：在该频率范围中LC谐振回路116近似完全无源的(passiv)。因此，尤其是没有形成点燃电压过度升高。

EVG半桥的输入端107和108合适地尤其是通过微控制器或者处理器来激励，以便以确定的频率激励振荡回路。可能的是，频率变化本身被调制和/或产生确定的频率过程，以便覆盖振荡回路的谐振频率。也可能的是，多个点燃过程相继地进行，以便保证点燃灯。此外可能的是，借助控制装置(处理器，微控制器等)在预先给定数目的点燃过程之后检查灯是否燃烧。必要时，可以将未燃烧的灯检测为故障并且关断系统。

EVG半桥101的电容器CB1(“隔直电容器”)优选设计得大并且用于隔离来自半桥的直流部分。该电容器CB1几乎不影响谐振点的位置。可替选地，电容器CB1也可以设置在其他位置上，例如设置在灯回线中。

在小电容的隔直电容器的情况下，电路或者系统的特性在性质上并未改变。仅仅谐振点的位置略微推移。在确定谐振时在相应地考虑隔直电容器的电容的同时会遇到这种情况。

在正常的灯工作中，出现的工作电压对应于常用的灯燃烧电压远低于5kV，并且所连接的开关117的火花隙将LC谐振回路116的输出端与热点燃模块102的输出端114完全去耦合。

热点燃模块102的LC谐振回路116优选设计为使得其在正常的灯工作中(尤其是在小于100kHz的工作频率中)不具有谐振点。优选地，对此预先给定LC谐振回路116的固有谐振频率大于100kHz。因此，对于电感L2可以设置直到30mH的值。

在该例子中，在热点燃模块102中的LC谐振回路116的特征谐振频率由如下式子得到：

$f_{02}=\frac{1}{2\·\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{1}{L2\·C2}}$

对于L2＝20mH以及C2＝100pF，

得出LC谐振回路116的固有谐振频率为：

f₀₂＝112.5kHz

在该频率f₀₂的情况下，在热点燃模块102中的外部LC谐振回路116具有低阻抗。在该频率情况下的工作优选要避免，因为在此基于线圈L1和电容器C1的EVG半桥的谐振回路的输出电压保持为零并且承受短路式的负载。

为了确定对于激励热点燃模块102中的LC谐振回路116的有效频率，在EVG半桥101中的半桥谐振回路作为源谐振被一同考虑。

为了确定谐振点，尤其是适合的是根据图2的两个相继连接的振荡回路的等效电路。

图2的结构基本上对应于图1。仅仅去掉了电容器CB1，开关117以及串联电感LR2和灯105。由此，形成了两个振荡回路L1C1和L2C2，其中在L2和C2之间的中间抽头称为节点201并且在该节点上存在电压U2(在图1中开关117连接到该节点上)。

振荡回路L1C1表示在EVG半桥中的源谐振，而振荡回路L2C2表示热点燃模块中的热点燃谐振。

在图3A和图3B中示出方程(G.1)至(G.6)。

由图2得到的双谐振回路可以用微分方程(G.1)来描述。相关的特征多项式具有4阶并且在方程(G.2)中说明。四个相关的成对共轭的复数零点形成了根据方程(G.3)和(G.4)的两个谐振频率f_d01和f_d02。对于上述例子，得到谐振频率为：

f_d01＝102.7kHz以及

f_d02＝142.4kHz。

在谐振频率f_d01和f_d02的情况下，双谐振回路的输出、即热点燃模块中的LC谐振回路(根据图1的116)的输出起振。

在此有利的是，使用具有较低频率的谐振频率，以便实现在电感性和电容性部件中的低损耗并且由此实现相应的高品质。

如果上述谐振点的效率更高，则其也可以被考虑用于产生点燃电压。

借助求解的微分方程并且随后傅里叶变换到频域中，可以借助方程(G.5)和(G.6)确定两个耦合的振荡回路的电压的频率特性。

借助ω＝2πf的圆频率和源电压Us(其在两个MOSFET Q1和Q2之间的节点202上)，得到EVG半桥的输出端上(即在节点109上)的电压曲线U1(f)和在热点燃模块中的点燃谐振的输出端(即端子201)上的电压曲线U2(f)。这两个电压曲线在图4中示出，其中并未完全考虑可能的衰减因素譬如芯损耗或者涡流损耗的影响，其中这些衰减因素影响谐振过度升高(Resonanzueberhoehung)的大小。

电压曲线U1(f)对应于与直接在EVG半桥的输出端上的、内部振荡回路的输出的频率相关的电压曲线，而电压曲线U2(f)对应于与直接在15kV火花隙的输入端上的、外部振荡回路的输出的频率相关的电压曲线。

优选地，灯(参见上述的结合图1的说明)在20kHz到90kHz的频率范围中工作。在该频率范围中，热点燃模块的谐振点很大程度上表现为是无源的。

频率f_d01＝102.7kHz是双谐振回路的第一谐振频率，其中灯可以在点燃模块的输出端上被激励。频率f₀₂＝112.5kHz对应于根据图1的LC谐振回路116的固有谐振频率，其中内部谐振回路(图1中的L1C1)承受短路式的负载。在频率f_d02＝142.4kHz的情况下，双谐振回路具有其第二谐振频率，借助第二谐振频率在点燃模块的输出端同样可以激励灯。

改进方案和可替选的实施形式在以下电路例子中示出。

图5示出了根据图1的包括EVG半桥101以及热点燃模块102的电路装置。

设置在热点燃模块102中的串联电感LR2在此设置在灯馈入线中，在热点燃模块102中产生的高电压被耦合输入到灯馈入线中。

图6示出了包括EVG半桥101的电路装置，该半桥通过灯线路103与热点燃模块601(包括输入端602和603以及输出端604和605)、尤其是与热点燃模块601的输入端602和603连接。灯105通过灯线路104连接到热点燃模块601的输出端604和605。

在热点燃模块601中，输入端602与输出端604连接。此外，输入端602通过线圈L2B与节点606连接。在节点606和输入端603之间设置有电容器C2B并且在节点606和输出端605之间设置有开关，尤其是火花隙(15kV)。输入端603通过线圈LR2B(串联电感)与输出端605连接。

串联阻抗LR2B在图6中位于灯回线中，并且在热点燃模块601中产生的高电压耦合输入到灯回线中(在热点燃模块601的输出端605上)。

图7A示出了包括根据图1的EVG半桥101和热点燃模块701(带有输入端702、703和输出端704、705)的一种可替选的电路装置。

EVG半桥101通过灯线路103与热点燃模块701的输入端702和703连接。灯105通过灯线路104连接到热点燃模块701的输出端704和705上。

热点燃模块701的输入端702通过线圈L2C与节点707连接。电容器C2C在输入端703和节点707之间。火花隙(15kV)一方面与节点707连接而另一方面与输出端704连接。在输入端702和输出端704之间设置有电感LR2C1，而在输入端703和输出端705之间设置有电感LR2C2，其中电感LR2C1和LR2C2在微分的布置意义上设置在相同的芯上，由此根据如下式子将有效的总串联阻抗变为4倍：

L_ges＝2·(LR2C1+LR2C2)＝4·LR2C

就此而言，在图7中连续的串联阻抗对称地设置在灯馈入线中以及设置在灯回线中。

该电路装置的优点在于，通过火花隙注入或者耦合输入到灯馈入线中的点燃电压由于灯上的变换效应而以两倍的大小起作用。

图7B示出了根据图7A的一种可替选的电路装置，其中点燃电压通过火花隙耦合输入到灯回线中并且由于灯上的变换效应而以两倍的大小起作用。

图8示出了包括根据图1的EVG半桥101和热点燃模块801(带有输入端802、803和输出端804、805以及806)的一种可替选的电路装置。

EVG半桥101通过灯线路103与热点燃模块801的输入端802和803连接。灯807通过灯线路104连接到热点燃模块801的输出端805和805上。此外，灯807具有点燃电极，其通过热点燃模块801的输出端806来馈电。

在热点燃模块801中输入端802与输出端804连接而输入端803与输出端805连接。在输入端802和输出端806之间设置有线圈L2D，而在输入端803和输出端806之间设置有电容器C2D。

借助通过热点燃模块801的输出端806供电的点燃电极可能的是，将脉冲状的或者高频状的高电压电容性地耦合输入到灯中。

在此情况下，可以取消在灯馈入线或灯回线中的单独的灯阻抗。

上述实施例可以相应地转换到具有全桥的电子镇流器。

Claims (16)

1.一种用于产生灯(5)的点燃电压的装置，所述装置具有带有两个输入端(112，113)和两个输出端(114，115)的热点燃模块(102)，其中热点燃模块(102)具有第一谐振回路(116)，该第一谐振回路通过开关(117)与热点燃模块(102)的输出端(114)连接，其特征在于，在第一谐振回路之前连接有第二谐振回路，并且热点燃模块的每个输出端(114，115)直接地与灯的电极连接，并且开关(117)直接地与灯的电极连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其中开关能够借助在第一谐振回路中起振的电压来激活。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述开关包括如下部件的至少一个：

-火花隙；

-半导体开关；

-点燃电极。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中第二谐振回路通过线路为第一谐振回路供给电能，用于产生点燃电压。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中第二谐振回路设置在电子镇流器中。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中设置有微控制器和／或处理器单元，其激励第二谐振回路和／或第一谐振回路。

7.根据权利要求6所述的装置，其中微控制器重复地激励第一谐振回路和／或第二谐振回路。

8.根据权利要求7所述的装置，其中微控制器重复地、以变化的频率激励第一谐振回路和／或第二谐振回路。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其中第一谐振回路与开关串联连接。

10.根据权利要求9所述的装置，其中旁路元件与第一谐振回路和开关构成的串联电路并联地设置。

11.根据权利要求10所述的装置，其中旁路元件是串联阻抗。

12.根据权利要求11所述的装置，其中旁路元件包括在灯馈入线中的串联阻抗和／或在灯回线中的串联阻抗。

13.根据权利要求12所述的装置，其中在灯馈入线中的串联阻抗以及在灯回线中的串联阻抗以不同的取向设置在芯上。

14.根据权利要求1或2所述的装置，其中灯是高压气体放电灯。

15.根据权利要求14所述的装置，其中灯是HE-HCI灯。

16.一种激励方法，用于激励根据上述权利要求之一所述的装置，所述方法包括：

借助设置于所述装置中的微控制器和／或处理器单元激励所述第二谐振回路和／或所述第一谐振回路。

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