CN105813361B - 大功率hid的启动方法、启动电路和电子镇流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率HID的启动方法、启动电路和电子镇流器，该启动方法包括：在HID击穿后对HID电流恒流控制的恒流阶段；以及在恒流阶段后对HID恒功率控制的恒功率阶段，恒流阶段包括第一恒流阶段和第二恒流阶段，其中，第一恒流阶段的电流值低于HID稳态工作电流，第二恒流阶段的电流值高于HID稳态工作电流，HID稳态工作电流为HID在恒功率阶段时的工作电流。根据本发明HID灯启动方法，有效减少电流环中检测与控制电路的固有延时及检测电压被噪声信号淹没的可能，从而有效防止HID启动时短路电流控制失败致使无限增大而导致HID电子镇流器炸机的故障，有效提高HID电子镇流器的可靠性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及照明领域，尤其涉及一种适用于功率大于250W的HID的启动方法、 HID启动电路和HID电子镇流器。
背景技术
HID(High Intensity Discharge，气体放电灯)属于第三代光源，其具有显色性好，光效强，寿命较长等优点，己广泛应用于现代照明体系中。其主要包含有金属卤化物灯、高压钠灯等。但其稳定工作需要借助于镇流电路来实现。HID从启动到稳态包含开路、短路和灯电阻逐渐升高至稳态的三个阶段。启动时HID相当于开路，镇流器提供3-5KV的高压将其内部的气体击穿电离，灯电阻立即降低至接近短路的状态(随着灯功率的增加其等效电阻越低)，此时需要恒流控制，否则电流会无限增大，直到系统崩溃、炸机。过几分钟后，灯电阻逐渐增大，灯的功率逐渐升高至稳态值，此时一般采用恒功率控制以提高灯的使用寿命和性能。
目前市场上的HID电子镇流器的功率一般不超过150W，通常采用三级或两级式电路结构，其中，如图1所示，三级式电路通常由“功率因数校正(PFC)+恒流/功率降压(Buck)+全桥逆变(Inverter)”等三级电路组成；如图2所示，两级式电路省去恒功率降压(Buck)部分，直接通过调制全桥逆变(Inverter)电路实现HID灯的启动和稳态运行。
PFC电路将市电输入转换为400V左右的直流电，然后通过两级或三级变换，最终输出低频方波电压信号驱动HID。在稳定工作时一般采用恒功率控制以提高灯的使用寿命及其显色性等功能，启动状态一般采用恒流控制，使输出(灯电阻很低，接近短路状态)电流恒定。启动时，以三级电路为例，Buck电路输入电压较高，一般在 400V左右，而输出接近短路，工作电压只有15V左右，占空比很低，由于控制系统 (恒流控制，为电流环)存在固有的延时，若延时过长，将会使输出短路电流失控，造成炸机。灯的功率越大，其被高压击穿后的等效电阻就越低，短路电流就越难控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率HID的启动方法及启动电路，以防止HID启动时短路电流控制失败而导致HID电子镇流器炸机的故障，提高镇流器的可靠性。
为此，根据本发明的一方面，提供了一种大功率HID的启动方法，包括：在HID 击穿后对HID电流恒流控制的恒流阶段；在恒流阶段后对HID恒功率控制的恒功率阶段，恒流阶段包括第一恒流阶段和第二恒流阶段，其中，第一恒流阶段的电流值低于 HID稳态工作电流，第二恒流阶段的电流值高于HID稳态工作电流，HID稳态工作电流为HID在恒功率阶段时的工作电流。
在上述大功率HID的启动方法中，上述第一恒流阶段的电流值为HID稳态工作电流的0.6倍～0.75倍之间，第二恒流阶段的电流值为HID稳态工作电流的1.1倍～1.3 倍之间。
在上述大功率HID的启动方法中，在HID电子启动电路中利用变反馈系数取样电路的取样阻值的改变将所述恒流阶段区分为第一恒流阶段和第二恒流阶段。
在上述大功率HID的启动方法中，向所述变反馈系数取样电路提供基准电压，根据在启动时HID的工作电压与基准电压之间的小于关系控制所述变反馈系数取样电路的取样阻值的改变。
根据本发明的另一方面，提供了一种大功率HID的启动电路，包括变反馈系数取样电路，用于HID的分阶段恒流启动。
进一步地，上述变反馈系数取样电路包括：电流取样单元，用于对HID的电流进行采样，具有可选择的第一取样阻值和第二取样阻值；逻辑处理单元，用于根据HID 的工作电压和基准电压对电流取样单元时发出阻值选择信号；驱动单元，用于根据选择信号选择电流取样单元的取样阻值。
进一步地，上述电流取样单元包括取样电阻和MOS管，其中，MOS管的漏极和源极并联在取样电阻的两端，MOS管在导通时电流取样单元的取样阻值发生改变。
进一步地，上述逻辑处理单元包括迟滞比较器、向迟滞比较器提供基准电压的基准电压单元和向比较器提供HID工作电压的分压器，迟滞比较器向驱动单元输出信号，经过驱动单元的放大以驱动MOS管的栅极。
进一步地，上述启动电路为由功率因数校正电路、恒流/功率降压电路、以及全桥逆变电路构成的三级电路，电流取样单元串联在恒流/功率降压电路内，用于HID电流的取样；恒流/功率降压电路的输出电压接入分压器。
进一步地，上述启动电路为由功率因数校正电路和全桥逆变电路构成的二级电路，电流取样单元串联在全桥逆变电路与接地点之间，用于HID电流的取样，HID两端的电压提供给分压器。
本发明还提供了一种HID电子镇流器，包括根据上面所描述的大功率HID的启动电路。
与已有技术相比，本发明根据HID灯的工作阶段设置不同的恒流值，并通过变反馈系数电路实现，有效减少电流环中检测与控制电路的固有延时及检测电压被噪声信号淹没的可能，从而有效防止HID启动时短路电流控制失败致使无限增大而导致HID 电子镇流器炸机的故障，有效提高HID电子镇流器的可靠性和使用寿命。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术的三级HID电子镇流器结构；
图2是现有技术的两级HID电子镇流器结构；
图3示出了现有技术的HID电子镇流器通用启动方法的特征波形；
图4示出了根据本发明提出的大功率HID电子镇流器分阶段启动方法的特征波形；
图5是根据本发明的变反馈系数取样电路的结构框图；
图6是根据本发明的变反馈系数取样电路的逻辑处理单元的处理流程；
图7是根据本发明一实施例的变反馈系数取样电路的电路图；
图8示出了根据本发明一实施例的HID启动电路的电路图，其中，变反馈系数取样电路应用于三级HID电子镇流器；
图9是图8所示的启动电路的峰值电流、平均输入电流波形图；
图10示出了根据本发明一实施例的HID启动电路的电路图，其中，变反馈系数取样电路应用于两级HID电子镇流器；
图11是根据本发明的另一实施例的变反馈系数取样电路的电路图；以及
图12是根据本发明的又一实施例的变反馈系数取样电路的电路图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
气体放电灯(HID)电子镇流器的启动过程可分为三个阶段，即开路、恒流、恒功率阶段。HID灯启动前，由于电弧管中填充的惰性气体未电离.灯处于高阻抗状态，可近似认为是开路，为开路阶段；此时，电子镇流器需提供3～5kV的高压，将灯管击穿；通常由全桥电路谐振或隔离变压器产生。
HID灯管击穿后，目前，国际上较理想的启动方法见附图3，即先恒流，再恒功率。
(1)恒流阶段：HID灯点亮后，由原来的高阻特性转变为低阻性，灯电流迅速增加，此时，需通过恒流控制，以限制灯电流。
(2)恒功率阶段：恒流控制持续一段时间后，HID灯电压逐渐升高至稳态电压，此时通过恒功率控制以提高灯使用寿命。
因电流环中检测与控制电路的固有延时，大功率HID启动时短路电流易失控，从而导致炸机，本发明提出一种分阶段的启动方法，根据HID灯的工作阶段设置两个不同的恒流启动阶段，结合参见图4，即把恒流阶段分为两个区间，启动初期设定的恒流值I0较低(略小于HID稳态工作电流)，当HID电压升到U1时，将设定的恒流值提高到I1(约为HID稳态工作电流的1.3倍)。
本发明根据HID灯的工作阶段设置不同的恒流值，并通过变反馈系数电路实现。
与已有技术相比，本发明根据HID灯的工作阶段设置不同的恒流值，并通过变反馈系数电路实现，有效减少电流环中检测与控制电路的固有延时及检测电压被噪声信号淹没的可能，从而有效防止HID启动时短路电流控制失败致使无限增大而导致HID 电子镇流器炸机的故障，有效提高HID电子镇流器的可靠性和使用寿命。
本发明方法中，在HID启动时增大电流取样系数，使检测到的与电流成正比的取样电压V信号幅度增强、斜率增高，V＝R等效×I，从而一方面降低延时、加快电流环的响应速度，另一方面减少取样信号被噪声信号淹没的可能性；能较好地实现了恒流控制，防止启动短路电流无需增大而损坏镇流器；稳定工作时，随着灯电阻逐渐升高，控制电路降低电流取样系数，降低取样电压，增大占空比，从而增加镇流器的输出功率，并逐渐达到恒功率控制状态。
本发明还提出一种用于实现分阶段恒流启动的实用的变反馈系数取样电路。如图5所示，其包括：电流取样单元，用于对HID的电流进行采样，具有可选择的第一取样阻值和第二取样阻值；逻辑处理单元，用于根据HID的工作电压和基准电压对电流取样单元时发出阻值选择信号；驱动单元，用于根据选择信号选择电流取样单元的取样阻值。
其中，结合参照图6，逻辑处理单元的处理流程包括以下步骤：设定基准电压的步骤S10；采集HID工作电压的步骤S12；将HID工作电压与基准电压比较的步骤 S14,若HID工作电压小于基准电压则继续采集HID工作电压，若HID工作电压大于基准电压则输出取样阻值选择信号，用于选择电流取样单元的阻值。
本发明给出了一种响应快速的变反馈系数取样电路的方案：
参见图7 ，该变反馈系数取样电路由取样电阻Rs、MOS管Qs及其驱动、控制电路构成，Qs与Rs并联，逻辑处理单元根据HID灯电压控制Qs的开通、关断，以实现变反馈(取样)系数。其中，
由电阻Rs和MOS管Qs组成电流取样单元；
由驱动模块U2构成Qs驱动电路(即驱动单元)；
由迟滞比较器U1、基准电压U3、分压器U4等构成逻辑处理单元。其中迟滞比较器U1可由硬件电路或微处理器构成。
其中，Qs的漏极和源极并联在Rs两端，共同构成取样单元，迟滞比较器U1(可由普通比较器、或微处理器软件构成)的输出信号经驱动电路放大后接入Qs的栅极，控制Qs的开通和关断。当Qs关断时，取样单元等效电阻为Rs，当Qs开通时，取样单元的等效电阻降低，为Rs//RQs(Qs导通电阻)；启动时，HID接近短路，输出电压低于设置的基准电压，U1输出低电平，Qs关断，取样单元等效电阻为Rs；正常工作时，HID电压大于基准电压，U1输出高电平，Qs开通，取样单元等效电阻为Rs//RQs；即通过Qs的开通与关断控制取样单元的等效电阻，从而改变电流反馈系数。该电路简单实用、成本低廉，控制简单，可显著提高大功率电子镇流器的可靠性。
电流取样单元采集的信号作为峰值电流内环的反馈信号，实现启动恒流控制；其经过低通滤波后作为输入平均电流外环的反馈信号，实现恒功率控制。
实施例1
上述变反馈系数取样电路，其用于三级HID电子镇流器电路结构见附图8 。电阻Rs和MOS管Qs组成的电流取样单元串联在BucK电路内，用于检测HID灯电流。 BucK电路输出电压接入变反馈系数取样电路的逻辑判断单元分压器U4上，用于检测 HID工作电压。
参见图8 ，为基于变反馈系数的平均电流外环、峰值电流内环的Buck电路原理框图，该电路实现了HID启动状态的恒流控制和稳定状态的恒功率控制，设置可变的电流反馈系数，控制启动状态短路电流低于正常工作电流，具有非常高的可靠性。开关管Q2、二极管D2、电感L2，电容C2构成了Buck电路。其中Rs、Qs为开关管的电流取样电阻，取样Buck电路的输入电流，即将Q2的电流信号转变为电压信号。该信号如图9 所示，为脉冲信号，其脉冲幅值与镇流器的输出电流成正比，作为峰值电流内环的反馈信号；当其经KT组成的低通滤波环节后，其与Buck电路的平均输入电流成正比，作为平均输入电流外环的反馈信号。因输入电压恒定为400V，且输出功率等于输入功率，恒输入电流控制等价于输出恒功率控制。
当HID启动时，Buck电路输出接近短路，其输出电压、功率均很低，此时平均输入电流外环饱和，只有峰值电流内环起作用。Buck电路输出电压小于基准电压U3，迟滞比较器U1控制Qs关断，此时只有Rs起电流采样作用，取样系数大、幅值高、电路延时小、不易受噪声干扰，此时控制输出的短路电流较小，且不会因控制与采样延时造成系统崩溃。
当HID灯进入稳态工作后，Buck电路的输出电压增大，大于基准电压U3，迟滞比较器U1状态反转，控制Qs导通，其通态电阻Rds与Rs并联，降低取样系数。此时，平均电流外环起作用，控制输出功率恒定在一个较大值。
实施例2
上述的变反馈系数取样电路，其用于两级HID电子镇流器电路结构见附图10 。电阻Rs和MOS管Qs组成的电流取样单元串联在全桥电路与Gnd之间，用于检测HID 灯电流。C2两端电压接入变反馈系数取样电路的逻辑判断单元分压器U4上，用于检测HID工作电压。
参见图10 ，为基于变反馈系数的两级控制电路原理框图，同理该电路实现了HID启动状态的恒流控制和稳定状态的恒功率控制，设置可变的电流反馈系数，控制启动状态短路电流略低于正常工作电流，具有非常高的可靠性。开关管Qa、Qb、Qc、Qd、电感L2、电容C2，构成了逆变电路。其中Rs、Qs为开关管的电流取样电阻，取样逆变电路即HID灯电流，将其转变为电压信号。
当HID灯启动时，HID接近短路，其输出电压、功率均很低，此时HID输出电压小于基准电压U3，迟滞比较器U1控制Qs关断，此时只有Rs起电流采样作用，取样系数大、幅值高、电路延时小、不易受噪声干扰，此时控制输出的短路电流较小，且不会因控制与采样延时造成系统崩溃。
当HID灯进入稳态工作后，HID灯大于基准电压U3，迟滞比较器U1状态反转，控制Qs导通，其通态电阻Rds与Rs并联，降低取样系数。此时，平均电流外环起作用，控制输出功率恒定在一个较大值。
本发明还给出了变反馈系数取样电路的一种实施方案，如图11所示，该变反馈系数取样电路的电流取样单元包括电子开关Q1、电阻R1和电阻R2，其中，电子开关Q1与电阻R2串联后、与电阻R1并联，电子开关Q1导通时，取样电阻为R1与 (RQ1+R2)，当电子开关Q1关断时，取样电阻为R1，从而实现变反馈系数，该电子开关Q1可选自MOS管、IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、继电器等电子开关。
本发明还给出了变反馈系数取样电路的一种实施方案，如图12所示，该变反馈系数取样电路包括并联的电阻R3和负温度系数的热敏电阻R4，启动时，电阻R3和热敏电阻R4并联，阻值高，随着HID灯工作，R4电阻降低，电阻R3和热敏电阻R4 并联，其阻值下降，从而实现变反馈系数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)
1.一种大功率HID的启动方法，包括：
在HID击穿后对HID电流恒流控制的恒流阶段；
在恒流阶段后对HID恒功率控制的恒功率阶段，其特征在于，
所述恒流阶段包括第一恒流阶段和第二恒流阶段，其中，所述第一恒流阶段的电流值低于HID稳态工作电流，所述第二恒流阶段的电流值高于所述HID稳态工作电流，所述HID稳态工作电流为所述HID在恒功率阶段时的工作电流，
在HID电子启动电路中利用变反馈系数取样电路的取样阻值的改变将所述恒流阶段区分为第一恒流阶段和第二恒流阶段。
2.根据权利要求1所述的大功率HID的启动方法，其特征在于，向所述变反馈系数取样电路提供基准电压，根据在启动时HID的工作电压与基准电压之间的大小关系控制所述变反馈系数取样电路的取样阻值的改变。
3.一种大功率HID的启动电路，其特征在于，包括变反馈系数取样电路，用于HID的分阶段恒流启动，所述变反馈系数取样电路包括：
电流取样单元，用于对HID的电流进行采样，具有可选择的第一取样阻值和第二取样阻值；
逻辑处理单元，用于根据HID的工作电压和基准电压对所述电流取样单元发出阻值选择信号；
驱动单元，用于根据选择信号选择所述电流取样单元的取样阻值。
4.根据权利要求3所述的大功率HID的启动电路，其特征在于，所述电流取样单元包括取样电阻和MOS管，其中，MOS管的漏极和源极并联在所述取样电阻的两端，所述MOS管在导通时所述电流取样单元的取样阻值发生改变。
5.根据权利要求4所述的大功率HID的启动电路，其特征在于，所述逻辑处理单元包括迟滞比较器、向所述迟滞比较器提供基准电压的基准电压单元和向所述比较器提供HID工作电压的分压器，所述迟滞比较器向所述驱动单元输出信号，经过所述驱动单元的放大以驱动所述MOS管的栅极。
6.根据权利要求5所述的大功率HID的启动电路，其特征在于，所述启动电路为由功率因数校正电路、恒流/功率降压电路、以及全桥逆变电路构成的三级电路，所述电流取样单元串联在恒流/功率降压电路内，用于HID电流的取样；所述恒流/功率降压电路的输出电压接入所述分压器。
7.根据权利要求5所述的大功率HID的启动电路，其特征在于，所述启动电路为由功率因数校正电路和全桥逆变电路构成的二级电路，所述电流取样单元串联在全桥逆变电路与接地点之间，用于HID电流的取样，所述HID两端的电压提供给所述分压器。
8.一种HID电子镇流器，其特征在于，包括根据权利要求3-7中任一项所述大功率HID的启动电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Pu Daojie Inventor after: Liao Jun Inventor after: Zhang Chenchen Inventor after: Li Teng Inventor after: Xie Jia Inventor after: Huang Jie Inventor after: Zhang Dan Inventor after: He Yuchen Inventor after: Wu Haiyan Inventor after: Jiang Jingjing Inventor after: Chumanman Inventor after: Huang Shilei Inventor after: Yu Fang Inventor after: Zhang Lingfeng Inventor after: Xi Chun Inventor after: Hu Yurong Inventor after: Wang Xiongqi Inventor after: Xiong Zequn Inventor after: Su Yanju Inventor after: Hu Wuyan Inventor after: Dong Xiangyu Inventor after: Wu Sheng Inventor after: Luo Sha Inventor after: Jing Yao Inventor before: Pu Daojie Inventor before: Huang Shilei Inventor before: Xiong Zequn Inventor before: Su Yanju Inventor before: Zhang Chenchen |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 397, Tongcheng South Road, Baohe District, Hefei City, Anhui Province 230061 Patentee after: STATE GRID ANHUI POWER SUPPLY COMPANY OVERHAUL BRANCH Patentee after: STATE GRID CORPORATION OF CHINA Address before: No.415 Wuhu Road, Baohe District, Hefei City, Anhui Province 230061 Patentee before: Maintenance Company Of State Grid Anhui Electric Power Company Patentee before: State Grid Corporation of China |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: No. 397, Tongcheng South Road, Baohe District, Hefei City, Anhui Province 230061 Patentee after: Super high voltage branch of State Grid Anhui Electric Power Co.,Ltd. Patentee after: STATE GRID CORPORATION OF CHINA Address before: No. 397, Tongcheng South Road, Baohe District, Hefei City, Anhui Province 230061 Patentee before: STATE GRID ANHUI POWER SUPPLY COMPANY OVERHAUL BRANCH Patentee before: STATE GRID CORPORATION OF CHINA |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |