CN102577626A - 电子镇流器和用于驱动至少一个放电灯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于驱动至少一个放电灯(R_L)的电子镇流器，具有：输入端，所述输入端具有第一输入接口(E1)和第二输入接口(E2)，以用于与直流电源电压(U_Zw)耦合；输出端，所述输出端具有第一输出接口(A1)和第二输出接口(A2)，以用于与至少一个所述放电灯(R_L)耦合；反相器(10)，所述反相器具有带有至少一个第一电子开关(S2)和第二电子开关(S1)的桥式电路和控制装置(12)，所述控制装置用于至少操控所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)，使得所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)交替地以第一频率(f_R)导通，其中所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)串联地耦合在所述第一输入接口(E1)和所述第二输入接口(E2)之间，其中所述第一电子开关(S2)与所述第一输入接口(E1)耦合并且所述第二电子开关(S1)与所述第二输入接口(E2)耦合，其中在所述第一电子开关(E2)和所述第二电子开关(E1)之间构成有第一桥中点(HBM)；电流测量装置(R_S)，所述电流测量装置用于测量至少通过所述第二电子开关(S1)的电流(I_S)；灯扼流圈(L_R)，所述灯扼流圈串联耦合在所述第一桥中点(HBM)和所述第一输出接口(A1)之间；至少一个梯形电容器(C_t)，所述梯形电容器与两个所述电子开关(S1；S2)中的一个并联地耦合；以及用于耦合负载的至少一个耦合电容器(C_C)；其中所述控制装置(12)与所述电流测量装置(R_S)耦合并且设计成，a)如果在关断所述第一电子开关(S2)之后，超过通过所述第二电子开关(S1)的所述电流(I_S)的能预设的负阈值(I_Thres)；或者b)如果在关断所述第一电子开关(S2)之后，没有超过通过所述第二电子开关(S1)的所述电流(I_S)的所述能预设的负阈值(I_Thres)：在能预设的持续时间(t_timeout)之后，那么将所述第二电子开关(S1)导通；其中，所述控制装置(12)设计成，在情况b)中提高所述第一频率(f_R)。此外，本发明还涉及一种用于驱动放电灯(R_L)的相应的方法。

Description

电子镇流器和用于驱动至少一个放电灯的方法

技术领域

本发明涉及一种用于驱动至少一个放电灯的电子镇流器，其具有：输入端，所述输入端具有第一和第二输入接口，以用于与直流电源电压耦合；输出端，所述输出端具有第一和第二输出接口，以用于与至少一个所述放电灯耦合；反相器，所述反相器具有带有至少一个第一和第二电子开关的桥式电路和控制装置，所述控制装置用于至少操控第一和第二电子开关，使得第一和第二电子开关交替地以第一频率导通，其中第一和第二开关串联地耦合在第一和第二输入接口之间，其中第一电子开关与第一输入接口耦合并且第二电子开关与第二输入接口耦合，其中在第一和第二电子开关之间构成有第一桥中点；电流测量装置，所述电流测量装置用于测量至少通过第二电子开关的电流；灯扼流圈，所述灯扼流圈串联耦合在第一桥中点和第一输出接口之间；至少一个梯形电容器，所述梯形电容器与两个电子开关中的一个并联地耦合；以及用于耦合负载的至少一个耦合电容器；其中所述控制装置与所述电流测量装置耦合并且设计成，如果在关断第一电子开关之后超过通过第二电子开关的电流的可预设的负阈值，或者在可预设的持续时间之后，如果在关断第一电子开关之后没有超过通过第二电子开关的电流的可预设的负阈值，那么导通第二电子开关。此外，本发明涉及一种用于驱动放电灯的相应的方法。

背景技术

一段时间以来，在市场上存在称为多灯EVG的电子镇流器，其设计用于驱动不同的灯，尤其是不同功率的灯。与此相关联的问题在于，确保在不同的负载的情况下反相器桥式电路的以软开关方式运行。

在下面的实施形式中假设，反相器装备有半桥。如对于本领域技术人员而言显然可知的是，下面的实施形式能够应用于在全桥布置中具有开关的反相器。

在英飞凌(Infineon)公司的从现有技术中已知的用于放电灯的控制器中，如下确保在续流二极管的导电阶段期间通过第二电子开关进行的接通：在使用半桥分流电阻器的情况下测量在下部桥支路中的电流。低于该电流的负阈值等同于下述时间点，在所述时间点上，下部开关元件导通。该事件触发下部半桥开关的接通并且因此确定用于半桥的开关的操控信号的死区时间(Totzeit)。

在所述桥式电路以直接在相移之上的频率，即在高负载时从电感性运行到电容性运行的过渡段之上的频率运行时，这种控制是成问题的。在该运行方式中，用于梯形电容器再充电的可用电流非常小。由此，存在达不到通过半桥分流电阻器的电流的负阈值的危险。在该情况下，从现有技术中已知的死区时间控制调整最大的死区时间，即最大可预设的持续时间。由此，在通过续流二极管的电流流动已结束之后，实施下部的半桥开关的切换过程。因为在该时间点上在下部半桥开关上的电压不等于零，所以半桥的下部开关不再以软开关方式切换。这导致不期望的切换损耗以及导致所参与的晶体管的过载。此外，所参与的晶体管的过载导致这种电子镇流器的使用寿命的缩短。

尽管如此，为了确保半桥的可靠的软开关，通常存在的谐振电路可设计为具有大的谐振电容。然而，该措施导致在反相器中的提高的无功电流，进而导致在反相器中的不期望的大的损耗。

发明内容

因此，本发明的目的基于，改进此类电子镇流器或者此类方法，使得即使在电子镇流器接近相移地运行时，在连接不同的负载时也能够在损耗尽可能小的情况下提供以软开关方式运行。

该目的通过具有权利要求1的特征的电子镇流器以及通过具有权利要求11的特征的方法来实现。

本发明基于下述认识，如果在确定切换过程的情况下，在达到最大的死区时间之后，提高半桥开关所运行的频率，则上述问题能够得到解决。通过提高该频率，工作频率从在电容性和电感性运行之间的过渡频率开始朝着电感性运行的方向移动。这导致，在电流通过下部开关的续流二极管时，负电流幅度变大。如果将两个开关的工作频率提高到使得再次超过通过下部开关的电流的可预设的负阈值的程度，则已知的死区时间控制再次起作用；能够确保反相器开关以软开关方式运行。

该解决方案在不增大谐振电容器的电容的情况下产生效果，并且因此几乎不伴随有附加的损耗。

两个电子开关中的每一个包括控制电极、工作电极和参考电极。现在可提出，离散二极管能够作为续流二极管与工作电极-参考电极分段并联地连接，或者续流二极管是电子开关的体二极管。例如，当使用Mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为开关时，续流二极管是电子开关的体二极管。

优选地，根据本发明的电子镇流器的控制装置包括存储器，在所述存储器中存储可预设的持续时间。这尤其提供了必要时具体到灯地修改所述持续时间的可能性。

此外优选的是，控制装置包括时间测量装置，所述时间测量装置设计成，确定在关断第一电子开关之后直到导通第二电子开关之间的持续时间。

优选的是，控制装置设计成用于执行下述步骤：c1)如果所测量的持续时间等于可预设的持续时间：将第一频率提高可预设的步幅。在本文中优选的是，控制装置此外设计为用于执行下述步骤：c2)在任何情况下都重复步骤c1)，直到所测量的持续时间小于可预设的持续时间。总之，这导致半桥开关的工作频率以可预设的级提高，直到死区时间不再相应于最大的死区时间。因为半桥开关的工作频率的过度提高降低了可传输到灯上的功率，所以该操作方法是在半桥开关的以软开关方式运行和最大地传输到所连接的灯上的功率之间的最佳折衷方案。

此外优选的是，控制装置设计为用于执行下述步骤：d1)如果所测量的持续时间小于可预设的持续时间：将第一频率降低可预设的步幅。在本文中优选的是，控制装置此外设计为用于执行下述步骤：d2)重复步骤d1)，直到达到用于第一频率的可预设的值。这些措施尤其考虑到下述情况，当放电灯首先以更高的功率或者更高的点燃电压连接到镇流器的输出端上时，所述放电灯的灯电压在运行期间由于温度效应而再次降低。如果保持用于半桥开关的、在驱动具有更高功率的灯时出现的工作频率，则相比于实际可能的情况，将较少的功率传输到具有更低的点燃电压的灯上。通过逐级地降低半桥开关的工作频率能够确保，一方面以软开关方式使开关工作，并且另一方面将最大的功率传输到连接在电子镇流器的输出端上的放电灯。在本文中，能够执行用于选择增量大小的算法，所述算法仅非常罕有地引起半桥开关的非软开关方式的切换，例如每第100次或者第1000次切换过程。这种罕有的非软开关方式的切换仅导致无关紧要的损耗，然而，在功率传输方面实现电子镇流器的优化运行。

其他有利的实施形式由从属权利要求中得出。

只要能够应用，参考根据本发明的电子镇流器提出的优选实施形式和其优点就相应地适用于根据本发明的方法。

附图说明

现在在下面参考附图详细地描述根据本发明的电子镇流器的实施例。附图示出：

图1示出根据本发明的电子镇流器的实施例的示意图；

图2示出输出电压与用于两个不同的负载的反相器开关的工作频率的相互关系的示意图；

图3示出用于图1的实施例的不同的电量的随时间变化的曲线；并且

图4示出根据本发明的死区时间控制的实施例的信号流图的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的电子镇流器的实施例的示意图。尽管下面以具有半桥电路的反相器为例介绍本发明，但对于本领域技术人员而言显然的是，根据本发明的原理也能够使用在具有全桥电路的反相器中。

在图1中示出的电子镇流器具有带有第一输入接口E1和第二输入接口E2的输入端，以用于与直流电源耦合。当前，这是所谓的中间电路电压U_Zw，其通常从电网交流电压中获取。该中间电路电压U_Zw被施加到反相器10上，所述反相器包括以半桥布置方式的第一电子开关S1和第二电子开关S2。为了操控开关S1、S2设有控制装置12。控制装置12尤其控制开关S1、S2，使得第一和第二开关S1、S2交替地以第一频率导通。为了该目的，控制电路12与当前包括分流电阻器R_S的电流测量装置耦合，所述分流电阻器与第一开关S1串联地设置。流过分流电阻器R_S的电流以I_S来表示。开关S1、S2构成为Mosfet，其中为了简化下面的阐释，标出在此分别用作为续流二极管的相应的体二极管D1、D2。

在开关S1、S2之间构成第一半桥中点HBM，其中在半桥中点处下降的电压以U_HBM表示。梯形电容器C_t与下部的半桥支路并联地耦合。在第一半桥中点HBM和电子镇流器的第一输出接口A1之间耦合有灯扼流圈L_R。在第一输出接口A1和在此为第二半桥中点的第二输出接口A2之间，将输出电压U_R提供到当前包括至少一个放电灯的负载R_L上。在第二输出接口A2和通过接口E2示出的参考电势之间耦合有耦合电容器C_C。与负载R_L和耦合电容器C_C的串联电路并联地耦合有谐振电容器C_R。

图2示出在输出接口A1、A2之间提供的电压U_R与用于两个不同的负载R_L的工作频率f_R之间的相互关系的示意图，控制装置12借助所述工作频率操控开关S1、S2。曲线族1)代表具有谐振频率f_R1的低电阻负载1)(低点燃电压，低输出功率)，曲线族2)代表具有谐振频率f_R2的高电阻负载2)。如能明显看出的是，频率f_R2大于频率f_R1。在以频率f_o运行时，谐振电路以首先提到的负载(曲线族1))电感性地运行，并且以其次提到的负载(曲线族2))电容性地运行。

图3示出图1的实施例的不同参数的随时间变化的曲线。该图尤其示出开关S2的接通和断开状态的随时间变化的曲线(曲线族a))、电压U_HBM的随时间变化的曲线(曲线族b))以及开关S1的接通和断开状态的时间变化的曲线(曲线族c))。此外，示出电流I_S的变化曲线，更确切地说首先是用于在负载1)时电感性的运行(f_R＝f_R2)的电流变化曲线(曲线族d))，用于在负载2)时在相移中电容性的运行(f_R＝f_R2)的电流变化曲线(曲线族e))，以及用于与曲线族e)相同的负载相同但现在以大于f_R2的频率f_R运行时的电流变化曲线(曲线族f))。

相应的时间变化曲线被划分成四个不同的阶段。在阶段1中，开关S2接通，即导电。由此，在半桥中点处的电势位于中间电路电压U_Zw的电势上。开关S1在该时间期间断开。通过分流电阻器R_S的电流同样为零。因此，在阶段1中，电流通过开关S2、扼流圈L_R流到负载R_L。

到阶段2的过渡的特征在于，开关S2转换到断开状态，而开关S1还没有接通。因此，由扼流圈L_R继续驱动的电流从梯形电容器C_t通过扼流圈L_R流到负载R_L。在半桥中点处的电势线性地下降到零。阶段2的开始相应于死区时间t_dead的开始。

从阶段2到阶段3的过渡的特征在于，梯形电容器放电。续流二极管D1导通并且将在半桥中点处的电压保持在大约-0.7V。从现在开始，电流通过续流二极管D1、扼流圈L_R流到负载R_L。因此，参考曲线族d)，从续流二极管D1导通的时间点起，流动有负电流I_S。如果所述负电流达到阈值T_Thres，则这根据现有技术来使用，以便触发开关S1的切换过程。开关S1的切换过程是阶段4的开始。在阶段2的开始和阶段3的结束之间的时间段是死区时间t_dead。阶段3表示为下述时间间隔：在所述时间间隔之内开关S1能够以软开关方式切换。在开关S1上下降的电压U_HBM在该时间段内等于零。

在阶段4中，电流现在开始流过开关S1，由此参见曲线族d)，在阶段4中的电流流动近似正弦地分布，直至开关S1断开。

在负载R_L变大时得出借助相应的竖置虚线表示的曲线分布，即参考附图2在负载2)时的情况。因此，在开关S2的断开过程之后，在半桥中点处的电势明显更缓慢地下降，参见在曲线族b)中的U’_HBM。然而，参见曲线族e)，在电压U’_HBM达到接地电势的时间点上，电流I’_S的负电流峰值不足够负到使得达到阈值I_Thres。由此，参见在曲线族c)中的变化曲线S1’，在达到最大的可预设持续时间t_timeout之后才触发开关S1的切换过程。

在接通开关S1时，参见变化曲线S1’，现在出现源于梯形电容器C_t的放电的针形的电流I’_S。因为在该时间点U’_HBM不再为零，所以开关S1不以软开关方式切换。

然而如已经提及的，在第一工作频率f_R等于f_R2的情况下，对于半桥开关绘制出曲线族d)和e)，从现在开始，为曲线族f)选择大于f_R2的第二工作频率f_R。对比曲线族f)与曲线族e)，通过提高频率f_R，在半桥中点处的电势转为零的时间点上负电流脉冲升高。再次达到阈值I_Thres并且实现开关S1的软开关方式的接通。

图4示出用于控制死区时间t_dead的信号流图的示意图。方法以步骤100开始。在步骤120中检验借助于时间测量装置测量的死区时间t_dead是否等于可预设的持续时间t_timeout。

如果是上述情况，则在步骤140中提高借以运行半桥开关的频率f_R。接下来，重复步骤120。参见图2，通过步骤140的措施，将谐振频率再次进一步移入到电感性的区域中。这导致在由续流二极管接管时更大的负电流幅度，由此死区时间控制再次起作用。

然而如果在步骤120中确定，死区时间t_dead小于可预设的持续时间t_timeout，则在步骤160中检验当前的工作频率f_R是否大于标称工作频率f_nom。标称工作频率f_nom是电子镇流器的最小工作频率。如果确定当前的工作频率f_R在标称工作频率f_nom之上，则在步骤180中降低工作频率f_R并且接下来引回到开始。

然而如果在步骤160中确定，达到了标称工作频率f_nom，则在不改变当前的工作频率f_R的情况下引回到开始。

当首先以在电子镇流器上的更高的点燃电压来驱动灯，并且接下来灯的点燃电压例如由于热效应而下降时，步骤160、180的实施是尤其有意义的。在没有控制到标称工作频率f_nom的情况下，灯在该情况下持续地以提高的频率进而以降低的功率运行。这样，在图4中示出的控制关系一方面实现死区时间控制的正常工作，另一方面实现每个具有最佳工作频率的、连接到电子镇流器上的灯的运行。

尤其能够简单地、数字化地检测相应地达到可预设的持续时间t_timeout。半桥频率的提高能够根据实施数字化地实现，例如通过用于开关元件的接通时间的数字化的PWM寄存器(脉宽调制寄存器)来实现，或者类似地，通过在VCO(电压控制振荡器)的或者CCO(电流控制振荡器)的输入端上的补偿来实现。

当然，在图4中示出的顺序应该仅在放电灯的点燃运行中并且不在放电灯的预热或者点燃期间开始，以便避免与其他的保护和控制机构的不期望的相互作用。

如对于本领域技术人员而言明显的是，梯形电容器C_t和耦合电容器C_C同样可设置在其他位置上。此外，如对于本领域技术人员而言明显的是，同样可设有多个梯形电容器和耦合电容器。

Claims (11)

1.用于驱动至少一个放电灯(R_L)的电子镇流器，具有：

-输入端，所述输入端具有第一输入接口(E1)和第二输入接口(E2)，以用于与直流电源电压(U_Zw)耦合；

-输出端，所述输出端具有第一输出接口(A1)和第二输出接口(A2)，以用于与至少一个所述放电灯(R_L)耦合；

-反相器(10)，所述反相器具有带有至少一个第一电子开关(S2)和第二电子开关(S1)的桥式电路和控制装置(12)，所述控制装置用于至少操控所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)，使得所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)交替地以第一频率(f_R)导通，其中所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)串联地耦合在所述第一输入接口(E1)和所述第二输入接口(E2)之间，其中所述第一电子开关(S2)与所述第一输入接口(E1)耦合并且所述第二电子开关(S1)与所述第二输入接口(E2)耦合，其中在所述第一电子开关(E2)和所述第二电子开关(E1)之间构成有第一桥中点(HBM)；

-电流测量装置(R_S)，所述电流测量装置用于测量至少通过所述第二电子开关(S1)的电流(I_S)；

-灯扼流圈(L_R)，所述灯扼流圈串联耦合在所述第一桥中点(HBM)和所述第一输出接口(A1)之间；

-至少一个梯形电容器(C_t)，所述梯形电容器与两个所述电子开关(S1；S2)中的一个并联地耦合；以及

-用于耦合负载的至少一个耦合电容器(C_C)；

其中所述控制装置(12)与所述电流测量装置(R_S)耦合并且设计成，

a)如果在关断所述第一电子开关(S2)之后，超过通过所述第二电子开关(S1)的所述电流(I_S)的能预设的负阈值(I_Thres)；或者

b)如果在关断所述第一电子开关(S2)之后，没有超过通过所述第二电子开关(S1)的所述电流(I_S)的所述能预设的负阈值(I_Thres)：在能预设的持续时间(t_timeout)之后，

那么将所述第二电子开关(S1)导通；

其特征在于，

所述控制装置(12)设计成，在情况b)中提高所述第一频率(f_R)。

2.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于，

两个所述电子开关(S1；S2)中的每一个包括控制电极、工作电极和参考电极，其中续流二极管(D2、D1)与工作电极-参考电极分段并联地连接。

3.根据权利要求2所述的电子镇流器，其特征在于，

所述续流二极管(D2、D1)是所述电子开关(S2、S1)的体二极管。

4.根据权利要求2所述的电子镇流器，其特征在于，

所述续流二极管(D2、D1)是离散二极管。

5.根据上述权利要求之一所述的电子镇流器，其特征在于，

所述控制装置(12)包括存储器，在所述存储器中存储有所述能预设的持续时间(t_timeout)。

6.根据上述权利要求之一所述的电子镇流器，其特征在于，

所述控制装置(12)包括时间测量装置，所述时间测量装置设计成，确定在关断所述第一电子开关(S2)之后直到导通所述第二电子开关(S1)之间的持续时间。

7.根据权利要求6所述的电子镇流器，其特征在于，

所述控制装置(12)设计成用于执行下述步骤：

c1)如果所测量的持续时间(t_dead)等于所述能预设的持续时间(t_timeout)(步骤120)：将所述第一频率(f_R)提高能预设的步幅(步骤140)。

8.根据权利要求5所述的电子镇流器，其特征在于，

所述控制装置(12)设计成还用于执行下述步骤：

c2)在任何情况下重复步骤c1)，直到所述所测量的持续时间(t_dead)小于所述能预设的持续时间(t_timeout)。

9.根据权利要求7或8之一所述的电子镇流器，其特征在于，

所述控制装置(12)设计成还用于执行下述步骤：

d1)如果所述所测量的持续时间(t_dead)小于所述能预设的持续时间(t_timeout)(步骤160)：将所述第一频率(f_R)降低能预设的步幅(步骤180)。

10.根据权利要求9所述的电子镇流器，其特征在于，

所述控制装置(12)设计成还用于执行下述步骤：

d2)重复步骤d1)，直到达到用于所述第一频率(f_R)的能预设的值。

11.用于借助电子镇流器驱动放电灯(R_L)的方法，所述电子镇流器具有：输入端，所述输入端具有第一输入接口(E1)和第二输入接口(E2)，以用于与直流电源电压(U_Zw)耦合；输出端，所述输出端具有第一输出接口(A1)和第二输出接口(A2)，以用于与至少一个所述放电灯(R_L)耦合；反相器(10)，所述反相器具有带有至少一个第一电子开关(S2)和第二电子开关(S1)的桥式电路和控制装置(12)，所述控制装置用于至少操控所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)，使得所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)交替地以第一频率(f_R)导通，其中所述第一电子开关(S2)和所述第二电子开关(S1)串联地耦合在所述第一输入接口(E1)和所述第二输入接口(E2)之间，其中所述第一电子开关(S2)与所述第一输入接口(E1)耦合并且所述第二电子开关(S1)与所述第二输入接口(E2)耦合，其中在所述第一电子开关(E2)和所述第二电子开关(E1)之间构成有第一桥中点(HBM)；电流测量装置(R_S)，所述电流测量装置用于测量至少通过所述第二电子开关(S1)的电流(I_S)；灯扼流圈(L_R)，所述灯扼流圈串联耦合在所述第一桥中点(HBM)和所述第一输出接口(A1)之间；至少一个梯形电容器(C_t)，所述梯形电容器与两个所述电子开关(S1；S2)中的一个并联地耦合；以及用于耦合负载的至少一个耦合电容器(C_C)；其中所述控制装置(12)与所述电流测量装置(R_S)耦合并且设计成，

a)如果在关断所述第一电子开关(S2)之后，超过通过所述第二电子开关(S1)的所述电流(I_S)的能预设的负阈值(I_Thres)；或者

b)如果在关断所述第一电子开关(S2)之后，没有超过通过所述第二电子开关(S1)的所述电流(I_S)的所述能预设的负阈值(I_Thres)：在能预设的持续时间(t_timeout)之后，

那么将所述第二电子开关(S1)导通；

其特征在于下面的步骤：

在情况b)下提高所述第一频率(f_R)(步骤140)。

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