CN103120027B - 用于启动和驱动高压放电灯的电路装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于启动和驱动高压放电灯的电路装置和方法，所述电路装置具有：带有半桥中点的半桥装置，所述半桥装置连接到具有参考电势和馈电电压电势的中间电路电压上；灯扼流圈，所述灯扼流圈的一个端部连接到半桥中点上；点燃级，所述点燃级与灯扼流圈的另一个端部以及与中间电路电压连接；第一开关，所述第一开关连接到中间电路电压的参考电势和点燃级之间；第一和第二电容器的串联电路，所述串联电路连接到中间电路电压上；用于连接高压放电灯的端子，其中第一端子与点燃级连接并且第二端子与第一和第二电容器的连接点连接；双极网络，所述双极网络的第一极与点燃级连接以及所述双极网络的第二极与第一和第二电容器的连接点连接，其中第一开关用于产生点燃脉冲以用于点燃连接到所述电路装置上的高压放电灯和用于经由双极网络使第二电容器放电。

Description

用于启动和驱动高压放电灯的电路装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于启动和驱动高压放电灯的电路装置和方法，所述电路装置具有输出中间电路电压的整流电路，用于产生交流电压的半桥变换器以及用于产生点燃电压以启动高压放电灯的叠加点燃设备。
背景技术
本发明基于一种根据独立权利要求的类型的用于启动和驱动高压放电灯的电路装置和方法。
本发明尤其涉及用于高压放电灯的驱动设备，所述高压放电灯构建在具有耦合电容器的半桥电路上。具有半桥电路的已知的驱动设备例如借助于电网电压驱动，并且具有提供通常调节的直流电压的整流器电路。所述电压通常也被称作中间电路电压。
与原理相关地，在具有半桥的驱动设备中，能够施加到高压放电灯上的最大电压是中间电路电压的一半、也就是最大约为250V，因为一半的电压降在耦合电容器上。如果高压放电灯在点燃之后不久、也就是在灯电极间的电击穿建立之后不久“起动”，那么能够施加到高压放电灯上的所述最大电压在启动高压放电灯时是尤其重要的，以下也将所述高压放电灯称作灯。这在高压放电灯中始终是易出故障的工作点，因为气体放电灯燃烧器的电极在此仍是冷的。
在以交流电流驱动气体放电灯时，引弧基本上是麻烦的。在以交流电流驱动时，在对驱动电压进行整流期间，阴极成为阳极并且反之阳极成为阴极。与原理相关地，阴极-阳极的转换是不难实现的，因为电极的温度不对其以阳极的方式工作产生影响。在阳极-阴极转换的情况下，电极能够提供足够高电流的能力与其温度相关。如果所述温度过低，那么电弧在整流期间、通常在过零点之后从点状的引弧驱动方式转换成扩散的引弧驱动方式。所述转换伴随着光发射的通常可见的干扰，这能够被感觉成闪烁。在最不利的情况下，灯完全熄灭。
有意义地，也以点状的引弧驱动方式来驱动灯，因为引弧在此极其小进而极其热。这导致，在此由于在小的引弧点上的较高的温度而需要小的电压，以便能够充分地提供电流。
以下过程被视作整流，其中电压的极性转换，并且其中因此出现强的电流或电压变化。在灯的基本上对称的驱动方式中，在整流时间的中间期间存在电压过零点或电流过零点。在此要注意的是，电压整流通常总是比电流整流更快地进行。
从“TheboundarylayersofAc-arcsatHID-electrodes:phaseresolvedelectricalmeasurementsandopticalobservations”，O.Langenscheidt等，J.PhysD40(2007)，第415-431页中已知，在冷电极和扩散的引弧的情况下，电压在整流之后首先上升，因为过冷的电极仅能够通过较高的电压来提供必要的电流。如果用于驱动气体放电灯的装置不能够提供所述电压，那么出现上述闪烁。
在灯启动时，尤其强地出现所述问题，因为电极在此仅具有环境温度以及仍不具有其高于2000℃的驱动温度。在此，当施加到灯上的电压过小时，灯在点燃之后马上再熄灭的可能性很大。所述电压通常被称作转移电压因为所述电压引导高压放电灯从点燃不久之后的辉光放电转移到电弧放电。在高压放电灯的一些类型中，构造在半桥上的驱动设备能够提供的最大的250V的转移电压过小，以便无法确保高压放电灯的可靠启动。
半桥驱动设备的另一问题在于，由于与高压放电灯串联的电容器，所述半桥驱动设备不能够将直流电流阶段施加到高压放电灯上。所述直流电流阶段在具有全桥的驱动设备中已长期属于现有技术，因为所述直流电流阶段确保灯电极的快速的以及精确的加热。
为了解决第一个问题，从现有技术中已知，将开关并联于耦合电容器中的一个，以便使所述耦合电容器放电并且提高转移电压。从WO2002/32195中已知这种电路装置。在此，在启动高压放电灯之前，将具有串联电阻的开关并联于耦合电容器，并且所述耦合电容器在开关闭合时完全地放电。
对于其他问题，没有从现有技术中得到解决方案。
已知的驱动设备通常使用所谓的叠加点燃设备以点燃高压放电灯，所述叠加点燃设备与灯串联并且生成需要用于气体放电灯燃烧器中的击穿的点燃电压。所述叠加点燃设备通常由点燃变压器组成，在所述点燃变压器的次级侧上生成点燃电压，并且在所述点燃变压器的初级侧上连接由点燃电容器和开关组成的所谓的点燃回路。由点燃电容器和开关组成的串联电路与点燃变压器的初级线圈并联。点燃变压器的次级侧与高压放电灯串联。所述叠加点燃设备的开关常常为火花隙。但是，所述火花隙具有击穿电压的高容限的问题、进而具有高压放电灯的不总是最佳点燃的问题。因此，在先进的点燃设备中，开关构成为外部控制的开关，所述开关由具有相关控制装置的晶体管组成。然而，该变型形式具有耗费的构造、进而具有驱动设备的显著的高价格。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于启动和驱动高压放电灯的电路装置和方法，所述电路装置和方法不再具有上述缺点。
关于电路装置的所述目的的解决方案根据本发明借助一种用于启动和驱动高压放电灯的电路装置来实现，所述电路装置具有带有半桥中点的半桥装置，所述半桥装置连接到具有参考电势和馈电电压电势的中间电路电压上；灯扼流圈，所述灯扼流圈的一个端部连接到半桥中点上；点燃级，所述点燃级与灯扼流圈的另一个端部连接以及与中间电路电压连接；第一开关，所述第一开关连接到中间电路电压的参考电势和点燃级之间；第一和第二电容器的串联电路，所述串联电路连接到中间电路电压上；用于连接高压放电灯的端子，其中第一端子与点燃级连接并且第二端子与第一和第二电容器的连接点连接；双极网络，其第一极与点燃级连接并且其第二极与第一和第二电容器的连接点连接，其中第一开关用于产生点燃脉冲以点燃连接到电路装置上的高压放电灯以及用于经由双极网络使第二电容器放电。因此，通过提高转移电压以及在点燃之后开始对气体放电灯燃烧器的电极进行加热而确保高压放电灯的可靠的以及温和的启动。
为了提高转移电压，优选地将第二电容器放电至预设的电压。所述预设的电压在此优选地位于10V和200V之间，尤其位于20V和150V之间。为了第二电容器的放电，在此优选地，以预设的时间对第一开关以时钟脉冲的形式进行控制。尤其优选地，借助脉冲宽度调制来控制第一开关。
关于方法的所述目的的解决方案根据本发明借助于一种用于启动和驱动高压放电灯的方法来实现，所述方法具有上述电路装置和以下步骤：
-通过以第一时间段借借以第一频率和第一脉冲占空比对第一开关以时钟脉冲形式进行控制来产生点燃电压以及将第二电容器放电到预设的第一电压，
-通过以第二时间段借以第二频率和第二脉冲占空比对第一开关以时钟脉冲形式进行控制来产生点燃电压以及将第二电容器充电到预设的第二电压，
-持久断开第一开关以及产生矩形的交流电压以驱动高压放电灯。
优选地，第一时间段的长度与对高压放电灯中电击穿的检测相关。优选地，第一时间段从检测到电击穿开始仍持续一段预设的时间。因此，确保直流电压阶段，所述直流电压阶段使气体放电灯燃烧器的电极中的一个尽可能快地处于工作温度。在此，直流电压阶段的长度为0.1s至1s，优选地为0.2s至0.6s。直流电压阶段的最佳长度在此与灯类型、以及与高压放电灯的瓦数相关。
尤其优选地，在产生矩形交流电压时仍以预设的第三时间段借以第二频率和第二脉冲占空比对第一开关进行控制。
用于启动和驱动高压放电灯的根据本发明的电路装置和根据本发明的方法的其他的有利的改进形式和设计方案从其他的从属权利要求中以及从以下的描述中得出。
附图说明
根据对实施例的下面的描述以及根据附图得出本发明的其他优点、特征和细节，在附图中，相同的或功能相同的元件设有相同的附图标记，在此示出：
图1示出根据本发明的电路装置的原理电路图，
图2示出具有示出的点燃级的根据本发明的电路装置的电路图，
图3示出具有示出的点燃级和示出的双极网络的根据本发明的电路装置的电路图，
图4示出在执行根据本发明的方法时根据本发明的电路装置的灯电压、灯电流和在电容器C2上的电压的图形，
图5示出图4的信号变化的放大的部分图，
图6示出图4的信号变化的另一部分图，所述部分图示出气体放电灯燃烧器的启动直到电击穿，
图7示出图4的信号变化的另一部分图，所述部分图示出根据本发明的电路装置和高压放电灯的启动，
图8示出点燃过程的略微不同的部分图，
图9示出从直流电流驱动到交流电流驱动的过渡，
图10以50ms/Div的更大的时基示出图9的情况。
具体实施方式
图1示出根据本发明的电路装置的原理电路图。根据本发明的电路装置就基本原理而言是用于气体放电灯的具有半桥和经过两个耦合电容器C1和C2的对称的中心电压的驱动设备，所述半桥具有功率开关S2和S3。半桥连接到中间电路电压U_B上，所述中间电路电压在220V交流电压的驱动设备的情况下通常为大约400V。所述中间电路电压位于馈电电压电势和参考电势之间。中间电路电压B_B由于半导体的组件技术而限制于最大500V。在电压较高的情况下，必须使用具有明显较贵的且使驱动设备不经济的其他技术的半导体。在半桥的中点HBM和两个电容器的中点CBM之间串联高压放电灯5、点燃设备6和扼流圈L3。双极网络ZP连接在两个电容器的中点CBM和点燃设备6之间。第一开关S1连接在点燃设备6和参考电势之间。所述第一开关在根据本发明的电路装置中满足两个功能。所述开关在其第一功能中用作点燃设备6的初级回路的点燃开关。所述开关在其第二功能中用作用于使耦合电容器C2放电的开关。
图2示出具有点燃设备6的细节的根据本发明的电路装置。点燃设备6具有带有初级线圈L1和次级线圈L2的点燃变压器TR。次级线圈L2与高压放电灯5和扼流圈L3串联。初级线圈L1的一个端子与充电电阻R1连接并且与点燃电容器C3连接。充电电阻又与馈电电压电势连接，并且点燃电容器与参考电势连接。初级线圈的另一端子与两个二极管D1和D2的连接点ZBM连接，所述两个二极管串联并且连接到中间电路电压上。同样地，第一开关S1以及双极网络ZP连接到连接点ZBM上。如从电路图中推出，借助于开关S1能够使点燃电容器C3放电并且在初级回路中产生高电流。通过所述高的初级电流，在次级线圈L2上生成点燃电压并且输送给高压放电灯5。
经由双极网络ZP，第一开关S1也与耦合电容器C2并联。
图3现在示出具有双极网络ZP的示例性结构的根据本发明的电路装置，所述双极网络在此由二极管D_ZP和电阻R_ZP的串联电路组成。在此，二极管的阴极与第一开关S1连接。如果第一开关S1闭合，那么电流I3流过第一开关S1，所述电流由来自耦合电容器C2的电流I2和来自点燃电容器C3的电流I4组成。双极网络ZP在此限制来自耦合电容器C2的放电电流I2。在此，双极网络的电阻R_ZP在第一开关S1闭合时限制电流，以及双极网络的二极管D_ZP确定电流方向，使得电容器C2仅能够通过双极网络放电，并且在断开第一开关时，没有电流能够流入耦合电容器中。电阻R_ZP的大小确定为，使得经过双极网络的电流I2的峰值占总电流I3的峰值的比例小于40％。尤其优选地，经过双极网络的电流I2的峰值占总电流I3的峰值的比例小于20％。在此，电阻R_ZP的大小必须确定为，使得所述电阻能够吸收在电流流过所述电阻期间的功率。因此，吸收的功为I2*U_C2_DC*(t4-t2)。在本实施形式中，双极网络的大小如下地确定：
R_ZP：27R，2W
D_ZP：600V，1A
根据本发明，开关因此能够同时用作点燃开关以及用于使耦合电容器C2放电。因此，仅需要一个具有相关的控制装置的开关，这节省成本和结构空间。在能够借助所述电路装置实施的根据本发明的方法中，现在，在多个连续的时间段期间借助于不同的频率和脉冲占空比来控制第一开关S1。
图4示出一些相关的变量，所述变量说明完整的启动方法。在此，时间分辨率以100ms/Div(ms/分度)选则，使得能够示出全部的启动过程。在t1时刻，耦合电容器C2上的电压为中间电路电压的一半，为大约210V。从t2时刻起产生点燃脉冲，这一方面表现在灯电压信号、灯电流信号和耦合电容器C2上的电压U_C2中，所述电压从大约210V下降到50V至60V，以便将转移电压从210V增加到420-50V＝370V。在所述时间中，以大约为3kHz的第一频率和在50μs至100μs接通时间情况下的第一脉冲占空比控制第一开关。在t3时刻，高压放电灯5被点燃，并且开始持续到t5时刻的直流电压阶段，并且在所述直流电压阶段中气体放电灯燃烧器的一个电极被加热。在一个实施形式中，t5时刻与点燃高压放电灯5的时刻相关，以便实现直流电压阶段的限定的长度。在此，直流电压阶段为0.1s和1s之间，优选地为0.2s和0.6s之间。在t4时刻和t5时刻之间的阶段中，以50Hz至5kHz的第二频率以及在4μs接通时间情况下的第二脉冲占空比控制第一开关，以便使耦合电容器C2充电至大约280V的电压U_C2_KM以用于第一整流。根据实施形式，所述电压能够位于250V和500V之间。在t5时刻，切换到交流电流驱动，并且在起振阶段之后，灯处于稳定的工作中，在所述起振阶段中气体放电灯燃烧器的第二电极也被加热。切换到交流电流在两个阶段中进行：在t4时刻开始的第一阶段中，以第二脉冲占空比和50Hz至5kHz的第二频率控制第一开关，其中第一开关的接通时间相对于第一脉冲占空比明显较短，在所述实施形式中为4μs。这引起，耦合电容器C2缓慢地再次充电，并且因此电压U_C2上升。在t5时刻，耦合电容器C2上的电压U_C2达到最大值，使得在第一整流中的转移电压再次相对地高，并且如上所述转换到交流电流驱动。对于其他的时间段，在交流电流驱动期间，以第二脉冲占空比和4μs的接通时间、以及50Hz至5kHz的第二频率来控制第一开关S1，以便继续产生点燃脉冲。这确保，在高压放电灯在整流之后意外熄灭的情况下，立即再次点燃所述高压放电灯。因为第二电极在交流电流驱动开始时仍然是相当冷的，所以无法总是避免放电电弧在整流之后熄灭。
图5示出图4的信号变化的放大的部分图。时基在此调节成5ms/Div。直到t4时刻，耦合电容器C2上的电压UC2是低的，因为脉冲占空比调节成使得第一开关S1的接通时间极其大。在t4时刻，调整脉冲占空比，并且接通时间现在明显地小于之前。这引起，耦合电容器C2明显较少强度地放电，并且因此所述耦合电容器上的电压U_C2再次上升。作为逆转的结果，耦合电容器C2上的电压U_C2上升至大于中间电路电压U_B的电压U_C2_KM。在t5时刻，耦合电容器C2上的电压最大，并且半桥开始工作。因此，在电桥转接之后，将大于中间电路电压的转移电压提供给高压放电灯5。从所述时刻起，以交流电流驱动所述灯。
图6示出图4的信号变化的另一部分图。在此，可见启动直至高压放电灯燃烧器电击穿。时基在此为1ms/Div。在t2时刻之前，还没有产生点燃脉冲，在此半桥以预设的频率在开路中工作，这能够在矩形的灯电压UL上可见。在t2时刻，以第一频率和第一脉冲占空比来驱动第一开关S1。第一开关的接通时间非常大，因此可见的是，耦合电容器C2在每次接通时放电。通过第一开关的接通而产生点燃脉冲，将所述点燃脉冲施加到气体放电灯燃烧器上。在t2a时刻，气体放电灯燃烧器开始击穿，这能够在脉冲形式的电流分布上可见。在气体放电灯燃烧器中第一次电击穿的时刻，耦合电容器C2上的电压U_C2已经显著地降低，并且相应地提高高压放电灯5的或高压放电灯5的气体放电灯燃烧器的转移电压。
图7示出图4的信号变化的另一部分图。示出根据本发明的电路装置和高压放电灯5的启动。该时刻又相应于图4的时刻。时基在该图中为20ms/Div。在开始时，在t1时刻，半桥如上所述以能够在矩形的灯电压UL上可见的预设的频率驱动。在所述时刻，上游的功率因数校正电路也开始其工作并且提高中间电路电压，这同样也在耦合电容器C2上的电压U_C2中表现出来。从t2时刻起产生点燃脉冲。这能够在灯电流IL的极其不平稳的电流变化上很好地看到。从t3时刻起，在气体放电灯燃烧器中建立辉光放电，所述辉光放电从t3a时刻起缓慢地转换到电弧放电。这在缓慢降低的灯电压UL中示出。稍微提高灯电流IL并且基本更稳定地进行。
图8示出同样具有20ms/Div的时间分辨率的点燃过程的略微不同的部分图。在此，示出辉光放电到电弧放电的转换。在t3a时刻，辉光放电缓慢地转换到电弧放电，所述电弧放电逐渐地稳定。从一定的时间起，灯电压UL不再降低，并且因此电弧在一定程度上稳定，使得能够开始将气体放电灯燃烧器转换到以标称功率的稳定的燃烧状态。这通过以直流电流继续驱动来实现，其中气体放电灯燃烧器的一个电极被加热。
图9示出从直流电流驱动到交流电流驱动的过渡。在此，时基如上为20ms/Div。直到t4时刻，高压放电灯处于直流电流驱动，在所述时刻，转换对第一开关S1的控制，所述第一开关S1现在以明显降低的接通时间驱动。由此，耦合电容器C2被再次充电，并且其电压U_C2升高到中间电路电压的一半。如果发生上述情况，那么在t5时刻开始第一整流，其中转接半桥，并且灯电压和灯电流的方向因此反转。然后，在该驱动模式中，第二电极也被加热。
图10示出具有较大的为50ms/Div的时基的情况。清楚可见的是，在此，第二电极仍是过冷的，使得在此还发生另一辉光放电，这能够在沿该电流方向升高的灯电压上可见。灯不对称地运行一段时间，直到第二电极被加热到沿所述电流方向的辉光放电同样引起电弧放电，并且灯电压相应地降低。

Claims (16)

1.用于启动和驱动高压放电灯的电路装置，具有：
-带有半桥中点(HBM)的半桥装置，所述半桥装置连接到具有参考电势和馈电电压电势的中间电路电压(U_B)上，
-灯扼流圈(L3)，所述灯扼流圈的一个端部连接到所述半桥中点上，
-点燃级(6)，所述点燃级与所述灯扼流圈的另一个端部连接以及与所述中间电路电压连接，
-第一开关(S1)，所述第一开关连接到所述中间电路电压(U_B)的参考电势和所述点燃级之间，
-第一电容器(C1)和第二电容器(C2)的串联电路，所述串联电路连接到所述中间电路电压上，
-用于连接高压放电灯(5)的端子，其中第一端子与所述点燃级连接，并且第二端子与所述第一电容器(C1)和第二电容器(C2)的连接点(CBM)连接，
-双极网络(ZP)，所述双极网络的第一极与所述点燃级连接，并且所述双极网络的第二极与所述第一电容器(C1)和第二电容器(C2)的连接点(CBM)连接，其中
-能够控制所述第一开关(S1)，以便产生点燃脉冲以点燃连接到所述电路装置上的高压放电灯(5)，和以便经由所述双极网络(ZP)使所述第二电容器(C2)放电，
-在断开所述第一开关(S1)时，没有电流能够流入所述第二电容器(C2)中。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述双极网络(ZP)是由电阻(R_ZP)和二极管(D_ZP)组成的串联电路。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，所述电阻的大小确定为，使得经过所述双极网络(ZP)的电流(I2)的峰值最高为经过所述第一开关(S1)的电流(I3)的峰值的40％。
4.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置设计成将所述第二电容器放电至预设的电压(U_C2_DC)。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，所述预设的电压(U_C2_DC)位于10V和200V之间。
6.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，所述预设的电压(U_C2_DC)位于20V和150V之间。
7.根据权利要求1至6之一所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置设计成以预设的时间借以时钟脉冲的形式控制所述第一开关(S1)以用于使所述第二电容器放电。
8.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置设计成借助于脉冲宽度调制来控制所述第一开关(S1)。
9.用于启动和驱动具有根据权利要求1至8之一所述的电路装置的高压放电灯(5)的方法，其特征在于在时间上依次进行如下步骤：
-通过以第一时间段(t2-t4)借以第一频率和第一脉冲占空比对所述第一开关(S1)以时钟脉冲形式进行控制来产生点燃电压以及将所述第二电容器(C2)放电到预设的第一电压(U_C2_DC)，
-通过以第二时间段(t4-t5)借以第二频率和第二脉冲占空比对所述第一开关(S1)以时钟脉冲形式进行控制来产生点燃电压以及将所述第二电容器(C2)充电到预设的第二电压(U_C2_KM)，
-产生矩形的交流电压以用于驱动所述高压放电灯(5)，
-持久断开所述第一开关。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，检测灯中的电击穿，并且所述第一时间段的长度与所述电击穿的检测相关。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一时间段从检测所述电击穿起仍持续一段预设的时间。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述预设的持续时间从检测所述电击穿起为0.1s至1s。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述预设的持续时间从检测所述电击穿起为0.2s至0.6s。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在产生所述矩形的交流电压时仍以预设的第三时间段借以所述第二频率和所述第二脉冲占空比对所述第一开关进行控制。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第三时间段为0.1s至1s长。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第三时间段为0.2s至0.6s长。
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