CN103037603B - 具有多种保护功能的hid灯电子镇流器及其预激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多种保护功能的HID灯电子镇流器，它包括微控制器、开关驱动电路、反馈电路和半桥驱动及启动电路，微控制器产生脉冲序列信号，并控制电路工作；开关驱动电路给半桥驱动及启动电路提供驱动信号；反馈电路用来将电流信号的宽度和幅度变化反馈给微控制器；半桥驱动及启动电路采用具有开路保护和短路保护功能的低频脉冲点火方式来启动并驱动HID灯。本发明具有开路保护和带电更换灯管功能，具有启动时的短路保护功能，具有防止HID灯产生声震荡功能，大幅度地提高了电子镇流器可靠性。另外，本发明提出了一种降低HID灯电子镇流器点火电压的通用预激励方法，以降低HID灯点火电压。

Description

具有多种保护功能的HID灯电子镇流器及其预激励方法

技术领域

本发明涉及一种电子镇流器，尤其涉及一种具有预激励作用、多种保护功能、低频点火的高压气体放电灯电子镇流器。

背景技术

HID灯（高强度气体放电灯）是目前广泛使用的新一代高效照明光源，它具有大功率、高光效和长寿命的特点。与荧光灯相比，它需要更高的启动电压。现在国内外对小功率HID灯电子镇流器一般采用LC谐振点火启动，大功率HID灯电子镇流器多采用驱动芯片的控制来实现谐振点火启动。谐振点火启动的电压与谐振电路Q值相关，对于具有极大非线性动态特性的HID灯而言，难以准确控制启动电压，而过高的启动电压会影响电子镇流器的长期可靠性。相对而言采用低频高压脉冲点火启动方式对启动电压有较好的控制。从灯管寿命的角度来考虑, 脉冲点火的频率以每秒一至二次为好。从安全性和电子镇流器可靠性考虑, 脉冲点火电压应在保证可靠点火的前提下尽可能降底电压。2003年12月3日公开的专利号为“02120476.4”的“防止高频电子镇流器产生声振荡的方法及装置”，提出了一种基于直流偏置电路的低频点火方法，可在高频电子镇流器中实现可控低频脉冲频率点火。此发明专利对具有直流偏置单MOSFET电子镇流器实施例有详细描述, 但对广泛使用的高频交流电子镇流器低频点火方法并无实施例。此外电子镇流器在与灯管配套使用中有可能出现灯管漏气、不激活、不启动及主电路电流过大等异常情况，为了使镇流器不受损坏，这就要求镇流器点火方法具有开路保护和短路保护功能。

发明内容

本发明的目的是，针对上述背景技术中电子镇流器的不足，在专利号为“02120476.4”的发明专利的基础上，提供具有多种保护功能的HID灯电子镇流器及其点火方法，在实现可控低频点火的同时，具有预激励作用、开路保护和短路保护功能。该装置及方法还具有电路结构简单可靠、使用寿命长的优点。

本发明所采用技术方案如下：具有多种保护功能的HID灯电子镇流器，包括微控制器、开关驱动电路、反馈电路和半桥驱动及启动电路，其中：

微控制器：用来产生经相位调制的脉冲序列信号，并控制电路工作方式；

开关驱动电路：用来接收脉冲序列信号，并给半桥驱动及启动电路提供驱动信号；

反馈电路：用来将电流信号的宽度和幅度变化反馈给微控制器，以控制输出的脉冲频率及工作方式；

半桥驱动及启动电路：采用具有开路保护和短路保护功能的低频脉冲点火方式来启动并驱动HID灯。

优选地，所述具有多种保护功能的HID灯电子镇流器的半桥驱动及启动电路包括电容C1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电容C2、硅二端元件SIDAC、自耦电感L21和L22、灯5、电阻R3、功率开关管Q1和功率开关管Q2，所述电容C1与电阻R1并联，并联后的一端接电感L1的一端和HID灯5的一端，另一端接VDC；所述电感L22和电容C2串联，串联后与硅二端元件SIDAC并联，并联后的一端接电阻R2，另一端接电感L21的一端、功率开关管Q1的一端和功率开关管Q2的一端；电阻R2的另一端与电感L1的另一端相连，电感L21的另一端与灯5的另一端相连；所述功率开关管Q1的另一端接VDC，功率开关管Q2的另一端接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接GND。

优选地，所述具有多种保护功能的HID灯电子镇流器的半桥驱动及启动电路包括电容C1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电容C2、硅二端元件SIDAC、自耦电感L21和L22、灯5、电阻R3、功率开关管       Q1和功率开关管Q2，所述电容C1和电阻R1并联，并联后的一端接电感L1的一端和HID灯5的一端，另一端接VDC；所述电感L21的一端与电感L22的一端、硅二端元件SIDAC的一端和灯5的一端相连，电感L21的另一端与功率开关管Q1的一端和功率开关管Q2的一端相连，电感L22的另一端与电容C2的一端相连，硅二端元件SIDAC的另一端与电阻R2的另一端和电容C2的另一端相连；所述功率开关管Q1的另一端接VDC，功率开关管Q2的另一端接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接GND。

进一步的，所述半桥驱动及启动电路中的电阻R1>100K，在灯管启动前给硅二端元件SIDAC和电容C2提供直流偏压，以产生低频点火脉冲，点火脉冲的频率为每秒一至二次。

优选地，所述具有多种保护功能的HID灯电子镇流器的半桥驱动及启动电路包括电容C1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电容C2、可控硅触发电路、自耦电感L21和L22、灯5、电阻R3、功率开关管Q1和功率开关管Q2，所述可控硅触发电路包括电容C21、电阻R4、电阻R5、低压硅二端元件D303、可控硅SCR。

进一步的，所述半桥驱动及启动电路中的电容C1接VDC一端改为接地。

本发明的另一目的是提出一种降低HID灯电子镇流器点火电压的通用预激励方法，其特征在于：在半桥驱动及启动电路开始工作前，用正常工作电压的交流推挽信号驱动HID灯0.5～1.5秒钟，预激励灯管以降低HID灯点火电压，然后再进入正常启动过程。

实验证明该方法能有效降低各种型号和各种功率HID灯点火电压，对HID灯热灯启动时的改善效果尤为明显。

本发明的效果是：

（1）实现HID灯高频电子镇流器的可控低频脉冲点火：所述半桥驱动及启动电路中R1>100K，在灯管启动前给SIDAC和C2提供直流偏压以产生低频点火脉冲。改变R2阻值可调整低频点火脉冲频率。改变C2可调整低频点火脉冲能量强度。改变L22抽头比和SIDAC击穿电压可以调整低频点火脉冲电压。点火脉冲的频率为每秒一至二次。所述开关驱动电路使半桥驱动及启动电路的功率开关管Q1处于常断状态，只有当在R3上捡测到电流后，Q1和Q2进入正常推挽工作来驱动HID灯。

（2）本发明具有开路保护和带电更换灯管功能：开路保护的实现是基于在低频点火下工作的SIDAC的温度不会升高，SIDAC击穿电压保持不变；点火脉冲的电压和能量强度调整为开路时持续工作的点火脉冲不会对电子镇流器电路造成损坏。

（3）本发明具有启动时的短路保护功能：短路保护功能的实现是由于HID灯短路使SIDAC和C2上电压为零，无法产生低频点火脉冲。

（4）本发明具有防止HID灯产生声震荡功能：所述开关驱动电路输入为具有相位调制的脉冲序列信号，在Q1和Q2进入正常推挽工作来驱动HID灯时防止声震荡。

（5）本发明具有启动预激励功能：在半桥驱动及启动电路开始工作前, 用正常工作电压的交流推挽信号驱动HID灯0.5～1.5秒钟，预激励灯管以降低HID灯点火电压, 然后再进入正常启动过程。实验证明该方法能有效降低各种型号和各种功率HID灯点火电压，对HID灯热灯启动时的改善效果尤为明显。此项启动预激励功能适用于各种采用脉冲点火或谐振点火启动的HID灯电子镇流器。通过降低HID灯点火电压来改善电子镇流器可靠性。

总而言之，较现有的HID灯电子镇流器谐振点火启动方法, 本发明具有启动电压低, 对元器件参数敏感度低，带短路和开路保护功能，且电路简洁、可靠，大幅度地提高了电子镇流器可靠性。

附图说明

图1为本发明的电路方框图。

图2为本发明实施例1的电路原理示意图。

图3为本发明实施例2的电路原理示意图。

图4为本发明实施例3的电路原理示意图。

图5为本发明实施例4的电路原理示意图。

图6为对应于图2的实施例1的实现电路图。

图7为对应于图3的实施例2的实现电路图。

图8为对应于图4的实施例3的实现电路图。

图9为对应于图5的实施例4的实现电路图。

具体实施方式

如图1所示，微控制器1产生具有相位调制的脉冲序列信号，送给开关驱动电路2。开关驱动电路2是一个电压变换电路，它与微控制器1一起组成相位调制脉冲信号源，用以驱动半桥驱动及启动电路4使高压气体放电灯5点燃。半桥驱动及启动电路4的电流信号的宽度和幅度变化反映整个电子镇流器工作状态，反馈电路3将电流信号的宽度和幅度变化反馈给微控制器1，以控制输出的脉冲频率，以保证电子镇流器稳定工作。

实施例1

如图2所示，微控制器1和开关驱动电路2分别受反馈电路3中的电流脉冲宽度和幅度检测电路控制。当灯未启动时，功率开关管Q2导通、Q1截止，电源VDC通过电阻R1、电感L1、电阻R2、电感L22及功率开关管Q2和电阻R3向电容C2充电；当电容C2上的电压超过硅二端元件SIDAC的触发电压时，硅二端元件SIDAC击穿，电容C2上的电能通过击穿的硅二端元件SIDAC在电感L22上产生反向电动势；由于电感L22与主电感L21的匝比较大，因而在主电感L21上产生感应高压最终加到HID灯5两端；当HID灯5击穿后电阻R3上会产生相应电压，此时开通功率开关管Q1、截止Q2，点火过程完成，功率开关管Q1、Q2进入交流推挽工作状态。

微控制器l输出脉冲信号的固定频率可以从几千赫兹到几十千赫兹，可采用两相或多相调制。输出脉冲在一个相位上可以重复有限次，即可以是几次、几十次或几百次，然后移到一个新的相位上。当输出脉冲的最大相位跳变间隔小于10个脉冲时，能可靠地防止灯管产生声震荡。相位跳变序列的周期大于5毫秒，以避免相位跳变序列包络引起的低频声震荡。当采用两相调制时，可用2n-1的二进制伪随机序列，最大相位跳变间隔小于N个脉冲；当多相调制时，可采用固定相位跳变，间隔为N个脉冲。

本发明中，对高压气体放电灯5是采用低频率启动，改变R2阻值可使触发频率的最佳值为每秒一次至二次。低启动频率有助于延长灯管寿命，也避免了由于灯管接触不良而损坏硅二端元件。

如图6所示，以250瓦电子镇流器为例对本发明进行说明。对微处理器U404内部进行编程保证其输出为某一频率经相位调制的脉冲序列信号，以满足电子镇流器稳定工作的需要。在本实施例中，微控制器U404输出脉冲频率可为20~45千赫兹，如选择为20千赫兹，宽度可为20～25微秒，如选择为20微秒，相位增量为可大于零且小于2微秒的三个相位调制信号，如选择为2微秒，整个相位跳变序列的周期可为10～20毫秒。驱动电路U301可将微处理器U404输出的5伏脉冲调相信号转换成l3伏脉冲调相信号，以驱动半桥驱动及启动电路中的功率开关管Q1、Q2。

半桥驱动及启动电路中的功率开关管Q1处于常断状态，只有当功率开关管Q2开通且R3上有一定幅值电压脉冲时，在延迟半个脉冲周期后功率开关管Q1才导通，持续时间与功率开关管Q2相同。电阻R1>100K，在灯管启动前给硅二端元件SIDAC和电容C2提供直流偏压以产生低频点火脉冲。电阻R2在点火状态下起限流作用，在交流推挽状态下起隔离作用。改变R2阻值可调整低频点火脉冲频率。改变C2可调整低频点火脉冲能量强度。改变L22抽头比和SIDAC击穿电压可以调整低频点火脉冲电压。在本实施例中触发频率为每秒一至二次左右。小电感L1可用来提升点火电压，减小放电回路漏电流。高压气体放电灯被点燃后，电容C2、电感L1、硅二端元件SIDAC和电阻R2处于旁路状态。

本发明具有开路保护和带电更换灯管功能：开路保护的实现是基于在低频点火下工作的SIDAC的温度不会升高，SIDAC击穿电压保持不变；点火脉冲的电压和能量强度调整为开路时持续工作的点火脉冲不会对电子镇流器电路造成损坏。

本发明具有短路保护功能：HID灯5短路使硅二端元件SIDAC和电容C2上电压为零，无法产生低频点火脉冲。由于R1>100K的限流作用，功率开关管Q2开通时，电阻R3上检测不到电流，电路无法进入推挽工作状态，自动实现短路保护。

本发明具有启动预激励功能：在半桥驱动及启动电路开始工作前, 用正常工作电压的交流推挽信号驱动HID灯0.5～1.5秒钟，预激励灯管以降低HID灯点火电压，然后再进入正常启动过程。实验证明该方法能有效降低各种型号和各种功率HID灯点火电压，对HID灯热灯启动时的改善效果尤为明显.。

实施例2

如图3和图7所示，与实施例1相比，改变了自耦电感L21和L22，本例中采用带中心抽头的电感作为自耦电感L21和L22。电路具体连接方式如下：电容C1和电阻R1并联，并联后的一端接电感L1的一端和HID灯5的一端，另一端接VDC；所述电感L21的一端与电感L22的一端、硅二端元件SIDAC的一端和灯5的一端相连，电感L21的另一端与功率开关管Q1的一端和功率开关管Q2的一端相连，电感L22的另一端与电容C2的一端相连，硅二端元件SIDAC的另一端与电阻R2的另一端和电容C2的另一端相连；所述功率开关管Q1的另一端接VDC，功率开关管Q2的另一端接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接GND。工作原理和实施例一相同，但自耦电感的主副绕组的连接方式不同，这样电路更加简洁。

实施例3

如图4和图8所示，与实施例2相比，改变了点火触发器件，用可控硅触发电路代替硅二端元件SIDAC触发。可控硅触发电路包括：电容C21、电阻R4、电阻R5、低压硅二端元件D303、可控硅SCR。电路点火触发工作原理如下：点火电路工作时，VDC通过电阻R1、R2、R3、R4、R5、电感L1、L21及功率开关管Q2构成回路，当电阻R5上的电压超过D303的触发电压时（28V~32V），D303导通，从而触发可控硅SCR，即替换实施例2中硅二端元件SIDAC的功能。其他部分工作原理和实施例2相同。

实施例4

上述实施例中的电容C1接VDC的一端可改接地。以实施例1为例，连接如图5和图9所示，其他部分工作原理不变。

Claims (5)

1.具有多种保护功能的HID灯电子镇流器，包括微控制器、开关驱动电路、反馈电路和半桥驱动及启动电路，其中：

    微控制器：用来产生具有相位调制的脉冲序列信号，并控制电路工作方式；

    开关驱动电路：用来接收脉冲序列信号，并给半桥驱动及启动电路提供驱动信号；

    反馈电路：用来将电流信号的宽度和幅度变化反馈给微控制器，以控制输出的脉冲频率及工作方式；

    半桥驱动及启动电路：采用具有开路保护和短路保护功能的低频脉冲点火方式来启动并驱动HID灯；

    其特征在于：所述半桥驱动及启动电路包括电容C1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电容C2、硅二端元件SIDAC、自耦电感L21和L22、灯5、电阻R3、功率开关管Q1和功率开关管Q2，所述电容C1与电阻R1并联，并联后的一端接电感L1的一端和HID灯5的一端，另一端接VDC；所述电感L22和电容C2串联，串联后与硅二端元件SIDAC并联，并联后的一端接电阻R2，另一端接电感L21的一端、功率开关管Q1的一端和功率开关管Q2的一端；电阻R2的另一端与电感L1的另一端相连，电感L21的另一端与灯5的另一端相连；所述功率开关管Q1的另一端接VDC，功率开关管Q2的另一端接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接GND。

2. 根据权利要求1所述的具有多种保护功能的HID灯电子镇流器，其特征在于：所述半桥驱动及启动电路中的电阻R1>100K，在灯管启动前给硅二端元件SIDAC和电容C2提供直流偏压，以产生低频点火脉冲，点火脉冲的频率为每秒一至二次。

3. 根据权利要求1所述的具有多种保护功能的HID灯电子镇流器，其特征在于：所述半桥驱动及启动电路包括电容C1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电容C2、硅二端元件SIDAC、自耦电感L21和L22、灯5、电阻R3、功率开关管Q1和功率开关管Q2，所述电容C1和电阻R1并联，并联后的一端接电感L1的一端和HID灯5的一端，另一端接VDC；所述电感L21的一端与电感L22的一端、硅二端元件SIDAC的一端和灯5的一端相连，电感L21的另一端与功率开关管Q1的一端和功率开关管Q2的一端相连，电感L22的另一端与电容C2的一端相连，硅二端元件SIDAC的另一端与电阻R2的另一端和电容C2的另一端相连；所述功率开关管Q1的另一端接VDC，功率开关管Q2的另一端接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接GND。

4. 根据权利要求1所述的具有多种保护功能的HID灯电子镇流器，其特征在于：所述半桥驱动及启动电路包括电容C1、电阻R1、电感L1、电阻R2、电容C2、可控硅触发电路、自耦电感L21和L22、灯5、电阻R3、功率开关管Q1和功率开关管Q2，所述可控硅触发电路包括电容C21、电阻R4、电阻R5、低压硅二端元件D303、可控硅SCR。

5. 根据权利要求1、3、4任一项所述的具有多种保护功能的HID灯电子镇流器的半桥驱动及启动电路，其特征在于：所述半桥驱动及启动电路中的电容C1接VDC一端改为接地。