CN103313494A - 低频半桥hid安定器、高压气体放电灯及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子电路领域，更具体地说，涉及一种低频半桥HID安定器、高压气体放电灯即驱动方法，低频半桥HID安定器包括主电路和控制电路，主电路还包括：DC-DC升压变压器、基于半桥逆变方式的DC-AC逆变电路和启动电路；控制电路包括MOSFET驱动电路、电流检测电路、用灯管电压检测电路和灯管电流检测电路以及用于控制DC-AC逆变电路工作的CPU主控电路。采用本发明的HID灯，减少了电路所使用的开关管，简化了电路结构，并且降低了电路的导通阻抗，降低了电路的发热量；同时降低了电路元件的承载电压，从而提高了低频半桥HID安定器及高压气体放电灯使用可靠性与稳定性。

Description

低频半桥HID安定器、高压气体放电灯及驱动方法
技术领域
本发明设计电子电路领域，更具体地说，涉及一种低频半桥HID安定器及高压气体放电灯。
背景技术
高压气体放电灯(HID)也称为重金属灯或氙气灯，由于其放光色温接近6000K，十分接近正午日光的色温，无论是照明效果还是人眼舒适度都远远优于传统的卤素灯，因此越来越多的汽车照明开始使用HID。HID灯由密闭、双层外科组成，在外壳中发生等离子放电，放电使气体电离，根据放电外壳中的气体成分，气体将以各种波长发光。为了有效的进行工作，需要在接通电源的瞬间，通过转换将低压电源升至2万伏特以上的高压脉冲电压，经过高压振荡激发，使氙气灯灯管内的多种化学气体电离，并在电极之间发出强光，然后HID安定器提供恒定频率的低频交流电使灯泡达到额定的功率。
现有的HID安定器普遍采用全桥逆变的方式，使用全桥逆变的方式存在自身的缺陷：1、电路结构复杂，成本较高；2、对元件的耐压要求较高，难以选择合适器件；3、因为全桥逆变的电路所使用的开关管较多，且存在一定的导通阻抗，故影响效率，存在较大的发热问题。
而传统的半桥逆变方式的HID安定器，由于实现低频交流方波比较困难，且对电路有一定的要求。由于此种逆变方式要实现低频交流方波是基于双BUCK电路的原理，要求前级(DC/AC逆变中的DC部分)必须为高压，驱动电路需是高频信号，且逆变电路中需要辅助电感来配合，故不适合于车用HID安定器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有HID安定器电路结构复杂、元件需要承受高压以及发热较高的缺陷，提供一种能克服上述缺陷的低频半桥HID安定器，以及一种使用低频半桥HID安定器的高压气体放电灯。
本发明一方面构造一种低频半桥HID安定器，包括主电路和控制电路，其中主电路用于将供电电源转换为HID灯点火时所需的瞬间高压以及在点火后的正常工作电流；控制电路用于检测主电路的转换性能以及控制主电路。
具体的，主电路包括：
DC-DC升压变压器，用于将供电电源的低压直流电升压为电压稳定的高压直流电；
DC-AC逆变电路，利用半桥逆变方式将高压直流电转换为高压交流电；
启动电路，用于在DC-AC逆变电路向负载的HID灯提供高压直流电之前，首先向负载提高瞬间的高压电流。
具体的，控制电路包括：
MOSFET驱动电路，用于控制DC-DC升压变压器的运行；
电流检测电路，用于检测DC-DC升压变压器工作过程中，内部电流的大小，并在电流超出工作范围时产生报警信号；
灯管电压检测电路和灯管电流检测电路，用于检测加载在HID灯上的电压电流大小，并在电压或电流超出工作范围时产生报警信号；
CPU主控电路，用于检测控制电路中MOSFET驱动电路、电流检测电路、灯管电压检测电路和灯管电流检测电路的运行状况，以及控制DC-AC逆变电路的逆变过程。
本发明的低频半桥HID安定器还包括与CPU主控电路电连接的保护电路，保护电路在监测到报警信号时中断主电路，保护各元件避免烧坏。
本发明的低频半桥HID安定器，DC-DC升压电路包括依次电连接的高频变压器和整流滤波电路，其中高频变压器用于将低压直流电转化为高压交流电；整流滤波电路用于将转变后的交流电进行整流滤波、转化为稳定直流电。
具体的，高频变压器为中心抽头变压器，包括一个初级绕组和两个次级绕组。整流滤波电路包括两个快速恢复二极管和两个电容。
本发明的低频半桥HID安定器，DC-AC逆变电路包括：两个连接成桥的开关管。
本发明的另一方面，提供一种使用低频半桥HID安定器的高压气体放电灯，包括依次电连接的直流供电电源、低频半桥HID安定器和HID灯。
本发明的使用低频半桥HID安定器的高压气体放电灯，还包括用于提供瞬间高压，以点亮启动HID灯的高压包。
本发明的低频半桥HID安定器，供电电源为车载12V直流电源。
本发明还提供一种高压气体放电灯的驱动方法，包括：
S1)供电电源向DC-DC升压变压器供电，MOSFET驱动电路驱动DC-DC升压变压器将低压直流电转换为高压直流电；
S2)电流检测电路检测DC-DC升压变压器内的电流，若电流超出安全阈值，则发出报警信号，保护电路中断主电路的工作，否则跳转至步骤S3；
S3)灯管电流检测电路和灯管电压检测电路检测DC-DC升压变压器的输出电压和输出电流，若超出安全阈值则发出报警信号，保护电路中断主电路的工作，否则跳转至步骤S4；
S4)启动电路将DC-DC升压变压器的输出转换为瞬间高压；DC-AC逆变电路由CPU主控电路驱动，将DC-DC升压变压器的输出电流转换为交流电流；
S5)启动电路点亮HID灯，点亮后启动电路停止工作，由DC-AC逆变电路向HID灯提供交流电流。
本发明的低频半桥HID安定器及高压气体放电灯，采用半桥逆变的方式将直流电转换为交流电，减少了电路所使用的开关管，简化了电路结构，并且降低了电路的导通阻抗，降低了电路的发热量；同时降低了电路元件的承载电压，从而提高了低频半桥HID安定器及高压气体放电灯使用可靠性与稳定性。
附图说明
以下结合附图对本发明进行详细说明。
图1为现有技术中全桥HID安定器的部分电路结构框图；
图2为本现有技术中低频半桥HID安定器的部分电路结构框图；
图3为本发明低频半桥HID安定器的电路结构框图；
图4为本发明低频半桥HID安定器主电路的部分电路结构框图；
图5为本发明HID灯的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解析本发明，并不用于限定本发明的范围。
图1为现有技术全桥HID安定器的部分电路结构框图，包括依次电连接的依次电连接的直流电源、DC-DC升压变压器、DC-AC逆变电路、高压包和HID灯，其中DC-DC升压变压器包括，由1级初级绕组和1级次级绕组组成的高压变压器，以及由一个快速恢复二极管和电容电连接组成的整流滤波器。DC-AC逆变电路为由4个MOSFET开关管以全桥逆变方式连接而成电路，4个开关管在控制电路的控制下，以一组对角线的两个开关管开启，另一组对角线的开关管关闭，并且两组开关管交替开关的方式，为HID灯提供交流电流。
图2为现有技术中低频半桥HID安定器的部分电路结构框图。图2中的低频半桥HID安定器，包括用作供电电源的有源功率因数校正电源(ActivePower Factor Correction，简称APFC)，APFC电源利用整流器与输出电容器之间串联有源功率控制器，使AC/DC变换器的输入电流和输入电压为同频同相的正弦波，从而功率因数接近1，且输出电压稳定。在电路中，还包括由电容电感连接而成的电路，电容电感电路连接在半桥逆变电路的输出端，电容电感电路还与串联着高压包的HID灯连接，向HID灯提供高频交流电。
有源功率因数校正电源向主电路提供电压稳定的正弦波交流电，经过整流滤波后转换为稳压直流电，并由半桥逆变电路作DC-AC的转换，向HID灯提供的工作用的交流电流。即在现有的半桥式HID安定器中，需要使用高频交流电来进行驱动。
图3为本发明低频半桥HID安定器的电路结构框图，低频半桥HID安定器用于将供电电源的直流电转换为可供HID灯3使用的交流电。低频半桥HID安定器包括主电路1和侧并联主电路的控制电路2。其中主电路1用于将供电电源转换为HID灯3点火时所需的瞬间高压以及在点火后的正常工作电流；控制电路2用于检测主电路的转换性能以及控制主电路。
主电路1包括用于将供电电源的低压直流电升压为电压稳定的高压直流电的DC-DC升压变压器11，DC-DC升压变压器11的输出端与DC-AC逆变电路12电连接，DC-AC逆变电路12将高压直流电转换为可供HID灯3使用的交流电。其中，DC-AC逆变电路12包括由两个MOSFET开关管组成的半桥逆变电路。
优选的，低频半桥HID安定器还包括与控制电路2电连接的保护电路4。
主电路1还包括启动电路13，启动电路13与DC-DC升压变压器11的输出端电连接，启动电路13将DC-DC升压变压器11的输出高压直流电转换为HID灯3启动时所需要的瞬时高压。
启动电路13与DC-AC逆变电路12的输出端电连接HID灯3，启动电路13首先向将高压直流电转换为两万伏特以上的瞬间高压，击穿导通HID灯3内的高压气体，HID灯3导通后，启动电路13停止工作，转由DC-AC逆变电路12将高压直流电转换为交流电，提供HID灯3的工作电流。
控制电路2包括用于控制DC-DC升压变压器11的MOSFET驱动电路21、用于检测DC-DC升压性能的电流检测电路22、用于检测加载在负载上电压电流特性的灯管电压检测电路23和灯管电流检测电路24以及用于控制DC-AC逆变电路12工作的CPU主控电路25，CPU主控电路25还用于控制MOSFET驱动电路21、电流检测电路22、灯管电压检测电路23和灯管电流检测电路24的运行。MOSFET驱动电路21、电流检测电路22与DC-DC升压变压器11电连接，以检测DC-DC电压升压的运作情况；灯管电压检测电路23、灯管电流检测电路24与DC-DC升压变压器11的输出端电连接，用以检测加载在HID灯3上的工作电压与电流的大小。
图4为本发明低频半桥HID安定器主电路的部分电路结构框图，包括依次电连接的直流电源、DC-DC升压变压器11、DC-AC逆变电路12、高压包31和HID灯3。
优选的，DC-DC升压电路还包括将低压直流电转化为高压交流电的高频变压器和将转变后的交流电进行整流滤波、转化为稳定直流电的整流滤波电路。
优选的，高频变压器为中心抽头变压器，包括一个初级绕组和两个次级绕组。整流滤波电路包括两个快速恢复二极管和两个电容。每个次级绕组分别与一个快速恢复二极管和电容组成次级滤波回路，两个次级滤波电路在交流电的正负周期交替工作，将交流电整流为直流电输出。
DC-DC升压变压器11输出的高压直流电由DC-AC逆变电路12转换为可供HID灯3工作使用的交流电。在本实施例中，DC-AC逆变电路12包括由两个MOSFET开关管组成的半桥逆变电路，半桥逆变电路的开关管由控制电路2控制其开关的时间，配合DC-DC升压变压器11输出的高压直流电，向HID灯3提供交流电流。
优选的，HID灯3与高压包31串联后，接入DC-AC逆变电路12的输出端，高压包31由启动电路13连接，在HID灯3启动时，为HID灯3提供两万伏特以上的瞬间高压，用以击穿启动HID灯3内的高压气体，使高压气体电离。
优选的，DC-DC升压变压器11使用的快速恢复二极管为SFR08S60的二极管。
优选的，DC-DC升压变压器11使用的电容器为0.1μF、耐压250V的电容器。
优选的，半桥逆变电路的开关管为4N60型号的开关管。
图3、图4的本发明低频半桥H ID安定器与图1、图2的现有技术相比，其优点在于，本发明的DC-AC逆变电路使用了两个MOSFET开关管，与现有技术相比，开关管的数量减少了一半，因此在控制电路控制MOSFET开关管的导通时，本发明控制电路的结构更为简洁，工作效率更高，同时由于减少了开关管的数量，降低了电路的成本。此外为了配合半桥逆变电路的工作，本发明的DC-DC升压变压器采用了具有两个次级绕组的高压变压器，使得在运行时，主电路各元件的电压负载远低于使用全桥逆变方式时各元件的负载，无需进行高频变换，直接使用低频交流电驱动安定器，从而提高低频半桥HID安定器及高压气体放电灯使用可靠性与稳定性。
以下结合图5，说明本发明的低频半桥HID安定器的工作原理。
S1)供电电源向DC-DC升压变压器11供电，MOSFET驱动电路21驱动DC-DC升压变压器11将低压直流电转换为高压直流电；
S2)电流检测电路22检测DC-DC升压变压器11内的电流，若电流超出安全阈值，则发出报警信号，保护电路4中断主电路1的工作，否则跳转至步骤S3；
S3)灯管电流检测电路24和灯管电压检测电路23检测DC-DC升压变压器11的输出电压和输出电流，若超出安全阈值则发出报警信号，保护电路4中断主电路1的工作，否则跳转至步骤S4；
S4)启动电路13将DC-DC升压变压器11的输出转换为瞬间高压；DC-AC逆变电路12由CPU主控电路25驱动，将DC-DC升压变压器11的输出电流转换为交流电流；
S5)启动电路13点亮HID灯3，点亮后启动电路13停止工作，由DC-AC逆变电路12向HID灯3提供交流电流。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改及变化。凡是在本发明的精神及原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种低频半桥HID安定器，包括：用于将供电电源转换为HID灯点火时所需的瞬间高压以及在点火后的正常工作电流的主电路(1)、用于检测所述主电路的转换性能以及控制主电路的控制电路(2)，其特征在于，所述主电路(1)包括：
DC-DC升压变压器(11)，用于将供电电源的低压直流电升压为电压稳定的高压直流电；
DC-AC逆变电路(12)，利用半桥逆变方式将高压直流电转换为高压交流电；
启动电路(13)，用于在DC-AC逆变电路(12)向负载的HID灯提供高压直流电之前，首先向负载提高瞬间的高压电流；
所述控制电路(2)包括：
MOSFET驱动电路(21)，用于控制DC-DC升压变压器(11)的运行；
电流检测电路(22)，用于检测DC-DC升压变压器(11)工作过程中，内部电流的大小，并在电流超出工作范围时产生报警信号；
灯管电压检测电路(23)和灯管电流检测电路(24)，用于检测加载在HID灯上的电压电流大小，并在电压或电流超出工作范围时产生报警信号；
CPU主控电路(25)，用于检测控制电路中MOSFET驱动电路(21)、电流检测电路(22)、灯管电压检测电路(23)和灯管电流检测电路(24)的运行状况，以及控制DC-AC逆变电路(12)的逆变过程。
2.根据权利要求1所述低频半桥HID安定器，其特征在于，所述低频半桥HID安定器包括与CPU主控电路(25)电连接的保护电路(4)，用于在监测到报警信号时中断主电路。
3.根据权利要求1或2所述的低频半桥HID安定器，其特征在于，所述DC-DC升压电路包括依次电连接的高频变压器和整流滤波电路，所述高频变压器用于将低压直流电转化为高压交流电；所述整流滤波电路用于将转变后的交流电进行整流滤波、转化为稳定直流电。
4.根据权利要求3所述的低频半桥HID安定器，其特征在于，所述高频变压器为中心抽头变压器，包括一个初级绕组和两个次级绕组；所述整流滤波电路包括两个快速恢复二极管和两个电容。
5.根据权利要求1或2所述的低频半桥HID安定器，其特征在于，所述DC-AC逆变电路(12)包括两个连接成桥的开关管。
6.一种高压气体放电灯，其特征在于，所述高压气体放电灯包括依次电连接的直流供电电源、低频半桥HID安定器和HID灯(3)，所述低频半桥H ID安定器为权利要求1所述的低频半桥HID安定器。
7.根据权利要求6所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述高压气体放电灯包括用于提供瞬间高压，以点亮启动HID灯(3)的高压包(31)。
8.一种高压气体放电灯的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法包括：
S1)供电电源向DC-DC升压变压器(11)供电，MOSFET驱动电路(21)驱动DC-DC升压变压器(11)将低压直流电转换为高压直流电；
S2)电流检测电路(22)检测DC-DC升压变压器(11)内的电流，若电流超出安全阈值，则发出报警信号，中断主电路的工作，否则跳转至步骤S3；
S3)灯管电流检测电路(24)和灯管电压检测电路(23)检测DC-DC升压变压器(11)的输出电压和输出电流，若超出安全阈值则发出报警信号，中断主电路的工作，否则跳转至步骤S4；
S4)启动电路(13)将DC-DC升压变压器(11)的输出转换为瞬间高压；DC-AC逆变电路(12)由CPU主控电路驱(25)动，将DC-DC升压变压器(11)的输出电流转换为交流电流；
S5)启动电路(13)点亮HID灯(3)，点亮后启动电路(13)停止工作，由DC-AC逆变电路(12)向HID灯(3)提供交流电流。
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Address after: Baoan District Shiyan Street Lang heart community Liyuan Industrial Zone Industrial Park plant in Shenzhen city in 518000 top four on the eastern side of Guangdong province 2

Applicant after: Shenzhen Tuobang Automobile Electronic Technology Co., Ltd.

Address before: 518000 Baoan District City, Shenzhen Province Shiyan street, the heart of the community of the new home of the stone house, the main road, Tong Tong Rong Industrial Park, the first floor of the workshop on the fifth floor

Applicant before: Shenzhen Tuobang Automobile Electronic Technology Co., Ltd.

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C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
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Effective date of registration: 20170427

Address after: 516000 Guangdong province Huizhou Zhongkai high tech Zone Dongjiang High-tech Industrial Park in Dongxing District, East New Road No. 113

Patentee after: Huizhou Tuobang Electric Technology Co., Ltd.

Address before: Baoan District Shiyan Street Lang heart community Liyuan Industrial Zone Industrial Park plant in Shenzhen city in 518000 top four on the eastern side of Guangdong province 2

Patentee before: Shenzhen Tuobang Automobile Electronic Technology Co., Ltd.

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