CN105491768A - 基于双向buck功率因数校正和lc高频谐振软开关技术的单相单级hid高频电子镇流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，包括功率主电路和控制电路，所述功率主电路是一个双向BUCK电路拓扑，由LC滤波电路、双向开关电路与LC谐振电路组成，所述LC滤波电路设置在输入端，与输入电源连接，所述LC谐振电路设置在输出端，连接外部的HID灯具。所述控制电路包括辅助电源、同步电路、取样电路、调理电路、单片机、PFM产生电路、逻辑电路与驱动电路。本发明采取恒频准谐振启动和调频准谐振照明的控制方法，实现了只用一级功率变换电路就可以直接把输入的工频交流电变换成高频交流电，为HID灯等照明提供适用的高频交流电源。

Description

基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器

【技术领域】

本发明涉及HID灯等照明领域，特别涉及一种基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器。

【背景技术】

HID灯由于显色性好、亮度高、节能效果好、透光性好等优点在照明领域得到广泛推广应用，但是为确保HID灯可靠工作，需要专用电子镇流器。但是，直到目前为止，市场上技术成熟的电子镇流器主要是两级结构和三级结构电路形式，先把输入的交流电变成直流电，再把直流电变换成交流电输出。前级电路是功率因数校正电路，把输入的交流电变成直流电，主要功能是实现输入电源侧高功率因数。后级电路是逆变电路，把直流电逆变成低频或高频交流电，输出满足HID灯照明所需要的交流电源。三级结构电路形式，是在上述前后级电路之间再加一级直流电压变换电路，实现输入和输出电压之间的匹配。由于多级电路结构形式，造成电子镇流器的电路结构复杂、成本高、效率较低，并且为了实现输入电源侧高功率因数，增加的功率因数校正电路还会带来FCC等电磁兼容问题。

路秋生等在文献《高频交流电子镇流技术发展与应用》、徐晔在文献《新型HID灯电子镇流器的研究》分别介绍了几种单级电子镇流器，各有优缺点和用途，但是性能还不够完善。徐晔在文献《新型HID灯电子镇流器的研究》还提出了一种基于交流斩波技术的新型单级电子镇流器。该镇流器的功率开关管工作在硬开关，开关损耗大，功率因数低，谐波大，输出是低频断续方波或高频断续正弦波，存在输入电源电流过零时HID灯再点火，也会带来电磁兼容问题，且其斩波输出电压有效值低，可以用于小功率低电压的HPS，不能应用到大功率高电压的HPS，并且还需增加点火装置。

为了解决现有电子镇流器存在的上述问题，本发明人已提出《基于双向BUCK功率因数校正和LCC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器》发明专利申请，由于以调频谐振方式工作，输出电压有效值较低，限制了其在高电压HID及其它HPS的应用。

【发明内容】

有鉴于此，为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，结构简单，性能优越，能直接进行交交变频，只用一级功率变换电路就可以直接把输入的工频交流电变换成高频交流电，为HID灯等照明提供适用的高频交流电源，同时满足HID灯自启动、输入电源侧高功率因数、整机高效率和满足FCC等电磁兼容的要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，包括功率主电路和控制电路，所述功率主电路是一个双向BUCK电路拓扑，由LC滤波电路、双向开关电路与LC谐振电路组成，所述LC滤波电路设置在输入端，与输入电源连接，所述双向开关电路的输入端连接所述LC滤波电路，其输出端连接所述LC谐振电路，所述LC谐振电路设置在输出端，连接外部的HID等灯具。

所述功率主电路完成电能从输入电源的工频市电到HID灯等照明用的高频交流电。

所述双向开关电路由四个高频功率开关管构成，采用调频控制和合适的控制逻辑，控制所述四个高频功率开关管适时开通和关断，给LC谐振电路供电，LC谐振电路以高频准谐振方式工作。

所述控制电路包括辅助电源、同步电路、取样电路、调理电路、单片机、PFM产生电路、逻辑电路与驱动电路。

所述取样电路的输入端连接上述LC谐振电路的输出端，所述取样电路的输出端连接调理电路，所述调理电路再连接单片机，所述单片机的输出端连接PFM产生电路的输入端，PFM产生电路的输出端连接逻辑电路，逻辑电路再连接驱动电路，驱动电路再与上述双向开关电路相连接。所述同步电路的输入端连接上述LC滤波电路，其输出端分别连接所述逻辑电路、PFM产生电路与单片机。

所述辅助电源在输入LC滤波电路输出端的滤波电容上取电，输出电压供控制电路其他各部分使用，进一步减小辅助电源对输入电源的影响。

所述同步电路完成对输入电源正半周和负半周的判别，给出同步信号。所述同步电路输出信号分别送到逻辑电路、PFM产生电路与单片机。

所述取样电路的输入端连接所述LC谐振电路，其输出端连接所述调理电路。灯电流用电阻取样，灯电压用电阻分压器取样。

所述调理电路对灯电流、灯电压取样信号进行分压、整流、滤波等，得到正比于灯电流、灯电压的反馈信号。

所述单片机完成系统管理和控制功能，对灯电流、灯电压的反馈信号采样、数字PI调节、比较等，输出PFM控制电压和灯状态信号。

所述PFM产生电路接收来自单片机的PFM控制电压，受控产生、输出PFM信号。

所述逻辑电路接受同步信号、PFM信号、灯状态信号等，输出四路驱动控制信号。逻辑电路可以由组合逻辑电路构成，或者是小规模逻辑电路构成。

所述驱动电路把逻辑电路输出的四路驱动控制信号进行隔离、功率放大，去控制四个高频功率开关管适时开通或关断。

本发明采用恒频准谐振启动方式，谐振电压高，不用附加点火装置，并可以热启动。

本发明的工作流程包括准备、启动、预热和照明四个阶段。在准备阶段，镇流器上电后稍等片刻，功率开关管都截止，等待辅助电源输出稳定。在启动阶段，镇流器以恒频准谐振方式启动HID灯等，谐振电压高，可以热启动，不用附加点火装置；在预热阶段，镇流器以调频方式恒流控制灯电流，灯电流等于额定电流；在照明阶段，镇流器以调频方式恒功率或恒流控制灯功率，灯功率等于额定功率，灯电压等于额定电压，灯电流小于额定电流。在HID灯寿命终了时，通过适当增大镇流器输出功率或灯电流来延长HID灯使用寿命。

本发明所采取的技术方案中，镇流器上电后先是准备阶段，四个功率开关管都处于截止状态，辅助电源先工作，直到辅助电源输出电压稳定时输出“准备好”信号，控制电路和开关电路才开始工作。

在HID启动期间，负载(HID灯等)没有被击穿，相当于开路，LC电路工作在准串联谐振状态，工作频率接近LC高频谐振频率，Q值较大，随着输入电源的半波正弦瞬时值增大，电容C或HID灯两端电压逐步升高，直到HID灯两电极击穿。

HID启动后进入预热阶段，HID灯等效电阻与谐振电容并联，谐振电路Q值变小，镇流器先以工作电流等于额定电流的恒流控制方式调频工作，此时灯电压和温度逐步升高，灯功率也逐步提高，直到灯功率达到额定功率值时，镇流器开始以恒功率控制方式或恒流控制方式调频工作照明，此时灯功率等于额定功率值，灯电压等于额定电压值，灯电流小于额定电流。

在HID寿命终了时，灯两电极烧蚀，灯电压会明显高于额定电压值，恒功率控制时灯亮度会明显降低，为保证灯照明亮度不变，可以适当增大镇流器输出功率，延长灯寿命。当灯电压高于极大值(大于额定电压值)时，灯两电极烧蚀严重，继续增大镇流器输出功率，镇流器可靠性降低，镇流器停止工作。

本发明所采取的技术方案中，用一级功率电路直接把单相工频交流电变换成高频交流电，实现了单相单级直接交交变频，结构简单，器件少，并且电路工作在高频，极大减小了电子镇流器的体积、重量和成本。

本发明所采取的技术方案中，在功率主电路中没有直流环节，没有电解电容，因此，可以极大延长镇流器的寿命。

本发明所采取的技术方案中，在灯额定使用寿命终了时，可以适当增加镇流器输出功率，保持灯照明亮度不变，延长灯使用寿命。

本发明所采取的技术方案中，照明时LC谐振电路工作在准谐振状态，一方面镇流器输出是高频交流电，频率成分单一，另一方面高频功率开关管实现了软开关，极大减小了开关损耗和电磁辐射，这样大大提高了镇流器的整机效率，易于满足电磁兼容的要求。

本发明所采取的技术方案中，相当于采用了双向BUCK功率因数校正技术，功率主电路中双向BUCK开关电路和LC滤波电路分别对输入交流电源进行高频斩波后再滤波，输入电源侧滤波电感中的电流连续，且跟随输入电压变化，功率因数接近于1，实现了镇流器输入电源侧高功率因数，极大减小或消除了对电网的谐波污染。

本发明所采取的技术方案中，在HID点火启动期间，开关频率固定，在预热和照明期间，开关频率微调，用来实现恒流或恒功率控制，开关频率变化范围小，在LC谐振频率附近。同一套参数要满足启动和照明的要求，这也增加了电路参数设计难度。

作为本发明的改进，在HID点火启动期间，镇流器工作在扫频状态，开关频率从高逐步趋近LC谐振频率，也可以实现高频准谐振启动，而在预热和照明期间，以高准谐振方式工作，一套电路两套参数，可以简化电路参数设计。

作为本发明的进一步改进，在HID点火启动期间，HID相当于开路，电路Q值较大，镇流器工作在固定的LC谐振电路准谐振频率上，随着输入电源正弦波幅值增大，HID灯电压足够高，可以使HID灯两电极击穿启动，不用附加点火装置，可以热启动。在预热和照明阶段，HID等效电阻R与谐振电容C并联，电路Q值变小，镇流器以调频方式工作在RLC准谐振频率上(R是HID灯等效电阻)，同时满足灯功率和灯电压的要求，也降低了控制电路的设计。

作为本发明的进一步再改进，在镇流器的输入端增加一个单相整流桥，对输入的工频市电进行整流，可以把原开关电路中的四个开关管减少到两个开关管，在不降低镇流器性能的前提下，可以降低控制电路的复杂程度，特别是降低了驱动电路的复杂程度。

本发明的显著优点是，结构简单，性能优越，只用一级功率变换电路就可以直接把输入的工频交流电变换成高频交流电，为HID灯照明提供适用的高频交流电源，同时满足HID灯自启动、输入电源侧高功率因数、整机高效率和满足FCC等电磁兼容的要求。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的高频电子镇流器结构组成示意图。

图2为本发明高频电子镇流器的功率主电路的电路拓扑图。

图3为本发明高频电子镇流器的取样电路的电路示意图。

图4为本发明高频电子镇流器的工作流程框图。

图5为本发明高频电子镇流器工作时序波形示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1、图2与图3，本实施例以新型单相单级HID高频电子镇流器来说明本发明是如何实现高性能的新型直接交交变频的单相单级高频电子镇流器。

基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，包括功率主电路1和控制电路2，所述功率主电路1是一个双向BUCK电路拓扑，由LC滤波电路11、双向开关电路12与LC谐振电路13组成，LC滤波电路11设置在输入端，与输入电源连接，双向开关电路12由四个高频功率开关管S1、S2、S3、S4构成，所述LC谐振电路13设置在输出端，连接外部的HID等灯具。四个高频功率开关管S1、S2、S3、S4选用适当功率的MOS管。

控制电路2包括辅助电源21、同步电路22、灯电流和电压取样电路25、调理电路26、单片机27、PFM产生电路24、逻辑电路28与驱动电路23。灯电流和电压取样电路25的输入端连接上述LC谐振电路13的输出端，灯电流和电压取样电路25的输出端连接调理电路26，所述调理电路26再连接单片机27，单片机27的输出端连接PFM产生电路24的输入端，PFM产生电路24的输出端连接逻辑电路28，逻辑电路28再连接驱动电路23，驱动电路23再与上述双向开关电路12相连接。同步电路22的输入端连接上述LC滤波电路11取样，其输出端连接逻辑电路28、PFM产生电路24和单片机27。辅助电源21从LC滤波电路11输出端取电。

上述功率主电路1完成把电能从输入电源的工频市电变换成HID灯等照明用的高频交流电。采用调频控制方法和合适的控制逻辑，控制所述四个高频功率开关管S1、S2、S3、S4适时开通和关断，给输出端LC谐振电路13充电、放电或续流。所述LC谐振电路13工作在准谐振状态，使得输出交流电是高频正弦波，频率成分单一，同时使得四个功率开关管实现了软开关，降低了电磁干扰，减小了开关损耗，提高了整机效率。

所述LC滤波电路11提供后级电路需要的电压/电流脉冲，阻止后级电流脉冲或纹波进入电网造成电网污染。LC滤波电路还对后级电路的电流脉冲进行滤波，滤波电感中的电流连续，且跟随输入电压变化，实现输入电源侧功率因数接近于1。

上述控制电路2中的辅助电源21在输入LC滤波电路11输出端(滤波电容C上)取电，输出电压为控制电路2其他各部分供电。这样取电，经过LC滤波后可以减小辅助电源对输入电源的影响。但辅助电源21在上电期间输出电压不稳，需要等待片刻，才能输出电压稳定。为此设置准备阶段，输出一个用于等待的“准备好”信号，当辅助电源21输出电压稳定，输出“准备好”信号去协调控制电路其他各部分正常工作。

同步电路22完成对输入电源正半周和负半周的判别，给出同步信号。同步电路22也是在输入LC滤波电路11的滤波电容C上取样。这样取样输入电源电压，可以避免LC滤波电路11带来的相位滞后问题。同步电路22采用电阻分压器取样，经过零比较器后输出反映输入电源正半周和负半周的同步信号。

灯电流和电压取样电路25的输入端连接所述LC谐振电路13的输出端，其输出端连接所述调理电路26。灯电流用电阻取样，灯电压用电阻分压器取样。如图3所示，灯电流和电压取样电路25的电流取样电阻是低温漂的精密取样电阻，检测灯电流I。电压取样电路是多电阻构成的电阻分压器，有两路，一路用于检测照明时灯电压VA，一路用于检测启动时灯电压VB。

调理电路26对取样电流I进行滤波、精密整流、放大，对取样电压进行分压、整流、滤波，得到反馈电流信号I0和电压信号LV、HV。

单片机27完成系统管理和控制功能，对灯电流、灯电压的反馈信号采样、数字PI调节、比较等，输出PFM控制电压和灯状态信号。使用单片机27使镇流器更加智能化、人性化、简单化等。单片机27工作受同步信号和准备好信号控制，分别对灯电压取样信号HV(对应启动时灯电压)、LV(对应照明时灯电压)、灯电流取样信号I0进行采样，判别、处理，输出信号控制PFM产生电路工作等。

PFM产生电路24接收来自单片机27的PFM控制电压，受控产生、输出PFM信号。使用PFM产生电路可以减小单片机的工作量。PFM产生电路可以采用UC3525等常见PWM控制芯片，充分利用其VCO和逻辑、输出等部分，调整RT(振荡电阻)端等效电阻，就可以改变输出脉冲频率，控制SD(关断控制)端电平，就可以控制PFM信号的输出。

逻辑电路28接受同步信号、PFM信号、灯状态信号等，输出四路驱动控制信号。逻辑电路28可以由组合逻辑电路构成，或者是小规模逻辑电路构成。

驱动电路23采用RF隔离驱动电路把逻辑电路28输出的四路驱动控制信号进行隔离、功率放大、死区等匹配，去控制四个高频功率开关管适时开通或关断。

如图4所示，本发明的镇流器工作流程分为准备、启动、预热和照明四个阶段。在启动阶段，镇流器以恒频准谐振方式启动HID灯等；在预热阶段，镇流器以调频方式恒流控制灯电流；在照明阶段，镇流器以调频方式恒功率或恒流控制灯功率。在HID灯寿命终了时，通过适当增大镇流器输出功率来延长HID灯使用寿命。

镇流器上电后先是准备阶段，辅助电源21上电工作，等待片刻，直到辅助电源21输出电压稳定后，输出“准备好”信号，去协调控制电路2各部分可靠工作。在准备阶段，控制电路2工作在初始状态，功率主电路1中四个功率开关管都截止。

在启动阶段，单片机27检测到同步信号，输出信号控制PFM产生电路24，使其输出频率接近LC谐振电路13高频谐振点，LC谐振电路13工作在准谐振状态，且Q值较高，随着输入电源电压逐步到达半波正弦峰值附近，灯两端的谐振电压越来越高，直至灯两电极击穿而成功启动，此时可以检测到灯电流大于启动电流。

可以通过适当参数设计，使得灯的谐振电压足够高，可以实现灯热启动。

如果灯两端的谐振电压达到预定最大值还没有成功启动，单片机计数达三次，说明灯故障，不能启动，单片机发出告警信号，镇流器停止工作。

灯启动后进入预热阶段。镇流器以恒流控制方式调频工作，控制灯电流等于额定电流。灯温度越来越高，灯电压越来越高，灯功率也越来越大，直到灯功率达到额定功率，进入照明阶段。

在照明阶段，镇流器以恒功率控制方式调频工作，HID等效电阻R与谐振电容C并联，谐振电路Q值变小，RLC谐振电路工作在串联准谐振状态，灯功率等于额定功率，灯电压等于额定电压，灯电流比额定电流小。

此时，RLC谐振电路13工作于准串联谐振状态，一方面镇流器输出电流波形是近似高频正弦波，频率成分单一，谐波成分极大减小，易于满足镇流器输出端电磁兼容要求，另一方面使得功率开关管实现软开关，极大减小了开关损耗，提高了镇流器整机效率。

虽然镇流器输出高频交流电电流幅值受工频调制，瞬时功率是变化的，但平均功率恒定，不足以影响照明视觉效果，在输入电源过零点也不需要再启动。

本发明所采取的技术方案中，工作时序如图5所示，在输入电源的正半周，高频开关管S2、S4工作在导通状态，S1、S3工作在PFM开关状态，且S1、S3工作(导通或截止)状态互补。在输入电源的负半周，高频开关管S1、S3工作在导通状态，S2、S4工作在PFM开关状态，且S2、S4工作(导通或截止)状态互补。

本发明所采取的技术方案中，用一级功率电路直接把单相交流电变换成高频交流电，实现了单相单级直接交交变频，结构简单，器件少，并且电路工作在高频，极大减小了电子镇流器的体积、重量和成本。

本发明所采取的技术方案中，在功率主电路1中没有直流环节，没有电解电容，因此，可以极大延长镇流器的寿命。

本发明所采取的技术方案中，在灯额定使用寿命终了时，可以适当增加镇流器输出功率，保持灯照明亮度不变，延长灯使用寿命。

本发明所采取的技术方案中，照明时LC谐振电路13工作在准谐振状态，高频开关管实现了软开关，极大减小了开关损耗和电磁辐射，大大提高了镇流器的整机效率。

本发明所采取的技术方案中，功率主电路中的双向BUCK开关电路和LC滤波电路分别对输入交流电源进行高频斩波后再滤波，使得输入电源侧滤波电感中的电流连续，且跟随输入电压变化，功率因数接近于1，实现了镇流器输入电源侧高功率因数，极大减小或消除了对电网的谐波污染。

本发明的优点体现在：采用恒频准谐振启动方式，谐振电压高，不用附加点火装置，并可以热启动。结构简单，性能优越，只用一级功率变换电路就可以直接把输入的工频交流电变换成高频交流电，为HID灯照明提供适用的高频交流电源，能够满足在高电压HID及其它HPS的应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，其特征在于，包括功率主电路和控制电路，所述功率主电路是一个双向BUCK电路拓扑，由LC滤波电路、双向开关电路与LC谐振电路组成，所述LC滤波电路设置在输入端，与输入电源连接，所述双向开关电路的输入端连接所述LC滤波电路，其输出端连接所述LC谐振电路，所述LC谐振电路设置在输出端，连接外部的HID灯具；

所述控制电路包括辅助电源、同步电路、取样电路、调理电路、单片机、PFM产生电路、逻辑电路与驱动电路，所述取样电路的输入端连接上述LC谐振电路的输出端，所述取样电路的输出端连接调理电路，所述调理电路再连接单片机，所述单片机的输出端连接PFM产生电路的输入端，所述PFM产生电路的输出端连接逻辑电路，所述逻辑电路再连接驱动电路，驱动电路再与上述双向开关电路相连接，所述同步电路的输入端连接上述LC滤波电路，其输出端分别连接所述逻辑电路、PFM产生电路与单片机。

2.根据权利要求1所述的基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，其特征在于，所述双向开关电路由四个高频功率开关管构成，采用调频控制和合适的控制逻辑，控制所述四个高频功率开关管适时开通和关断，对输入电源斩波，给LC谐振电路供电。

3.根据权利要求1或2所述的基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，其特征在于，本发明采取合适的控制方法，使得所述LC谐振电路以高频准谐振方式工作。

4.根据权利要求1或2所述的基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，其特征在于，本发明采取合适的控制方法，使得所述双向开关电路的四个高频功率开关管以负载准谐振软开关方式工作。

5.根据权利要求1所述的基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，其特征在于，所述功率主电路中双向BUCK开关电路和LC滤波电路分别对输入电源进行高频斩波和滤波，使得输入电流连续，且跟随输入电压变化，输入电源侧功率因数接近于1。

6.根据权利要求1所述的基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，其特征在于，本发明工作流程分为准备、启动、预热和照明四个阶段：在启动阶段，镇流器以恒频准谐振方式启动HID灯等，谐振电压高，可以热启动，不用附加点火装置；在预热阶段，镇流器以调频方式恒流控制灯电流；在照明阶段，镇流器以调频方式恒功率或恒流控制灯功率。

7.根据权利要求1所述的基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，其特征在于，在HID点火启动期间，镇流器工作在扫频状态，开关频率从高逐步趋近LC谐振频率，也可以实现高频准谐振启动，而在预热和照明期间，以高准谐振方式工作，一套电路两套参数，可以简化电路参数设计。

8.根据权利要求1所述的基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，其特征在于，在本发明镇流器输入电源侧增加一个单相整流桥，对输入的工频市电进行整流，可以把原开关电路中的四个开关管减少到两个开关管，在不降低镇流器性能的前提下，可以降低控制电路的复杂程度，特别是降低了驱动电路和电流取样调理电路的复杂程度。