CN106535445B - 新型交交变频的单级高频电子镇流器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型交交变频的单级高频电子镇流器，该单级高频电子镇流器包括功率电路和控制电路，其中，所述功率电路包括：单相整流桥、LC滤波电路、半桥开关电路、高频串联谐振电路、和点灯电路；所述控制电路包括：单片机或模拟控制电路、输出电压和电流取样与调理电路和驱动电路。本发明提供的系列镇流器结构简单，体积小，模块化设计，控制简单，测试方便，且功率开关管实现了软开关，整机效率高达94％以上，电源输入侧功率因数高于0.95，对电网污染小，满足各种有关电子镇流器的电磁兼容标准要求。

Description

新型交交变频的单级高频电子镇流器及其工作方法

技术领域

本发明涉及用于HID灯及其它高压气体放电灯的镇流器，具体地指新型交交变频的单级高频电子镇流器及其工作方法。

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。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种新型交交变频的单级高频电子镇流器及其实现方法，本发明镇流器通过交交变频电路把输入工频交流电变换成高频交流电，另外利用点火电路产生高电压脉冲去击穿高压气体放电灯。

实现本发明目的采用的技术方案是一种新型交交变频的单级高频电子镇流器，该单级高频电子镇流器包括功率电路和控制电路，其中，所述功率电路包括：

单相整流桥，用于将输入的单相交流电变换成低频脉动直流；

LC滤波电路，用于对输入电流进行滤波；

半桥开关电路，用于对低频脉动直流进行高频斩波；

高频串联谐振电路，是LC串联谐振电路，用于选频和高频能量传输；

点灯电路，用于产生高压脉冲击穿HID等高压气体放电灯。

所述控制电路包括：

单片机或模拟控制电路，用于根据给定参考信号和反馈信号，进行信号处理，输出控制信号；

输出电压和电流取样与调理电路，用于对灯电压和灯电流进行取样、滤波、分压或放大，为单片机或模拟控制电路提供反馈信号；以及

驱动电路，用于对来自单片机或模拟控制电路的控制信号进行隔离、放大，去驱动半桥开关电路的开通和关断。

在上述技术方案中，所述点灯电路有两种：

一种点灯电路是点火电容，串联谐振电路的谐振电感与点火电容谐振，产生高电压脉冲去点灯。

另一种点火电路是点火器。通过对点火电容充电再放电，经升压变压器后输出高电压脉冲去点灯。

在上述技术方案中，进一步地，为了实现输出电压的匹配，在上述电路的输出端再增加一个高频脉冲变压器。

本发明还提供上述新型交交变频的单级高频电子镇流器的工作方法和流程，包括：

镇流器上电，辅助电源工作，给各部分控制电路供电；单片机上电，初始化。

单片机或模拟控制电路控制半桥开关电路的开通和关断，实现降频扫频或定频谐振点灯；或者利用外置点火器点灯；

灯启动工作，采取恒流调频控制，灯电流稳定，灯电压逐步升高，灯功率随之增大；

直到灯功率达到额定值，灯电压等于额定电压，进入恒功率调频工作，正常照明。

本发明镇流器有以下特点：

1.本发明提供的系列镇流器结构简单，体积小，模块化设计，控制简单，测试方便，且功率开关管实现了软开关，整机效率高达94％以上，电源输入侧功率因数高于0.95，对电网污染小，满足各种有关电子镇流器的电磁兼容标准要求。

2.LC滤波电路参数很小，滤波电容上的电压是工频交流电经全波整流后的低频脉动直流，其包络的最小值很小甚至接近于零，不同于其他整流滤波电路得到的是基本稳定的直流电压。

3.半桥开关电路对输入电源全波整流后的低频脉动直流进行高频斩波，得到低频调幅的高频脉冲。

4.高频谐振电路的自然谐振频率近似等于前述低频调幅的高频脉冲的频率，电路工作于准谐振状态，输出低频调幅的高频交流电。

5.本发明镇流器功率电路中没有维持基本稳定的直流电压，实现了直接交交变频，把输入的工频交流电变换成了幅度受调制的高频交流电。

6.虽然本发明镇流器中没有专门的功率因数校正电路，但其输入电源侧功率因数高。

附图说明

图1为本发明新型交交变频的单级高频电子镇流器的结构框图。

图2为实施例1电子镇流器所用功率电路的电路图。

图3为实施例2电子镇流器所用功率电路的电路图。

图4为实施例3电子镇流器所用功率电路的电路图。

图5为实施例4电子镇流器所用功率电路的电路图。

图6为本发明新型交交变频的单级高频电子镇流器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明新型交交变频的单级高频电子电感镇流器包括功率电路和控制电路，其中功率电路包括单相整流桥1、LC滤波电路2、半桥开关电路3、高频串联谐振电路4、点火电路5；控制电路包括辅助电源模块6、驱动电路7、给定或显示电路8、单片机或模拟控制电路9、输出电压和电流取样与调理电路10。

实施例1

本实施例中，功率电路的电路拓扑结构如图2所示，下面对功率电路中各部分分别进行说明：

单相整流桥1：用于把单相交流电变成脉动直流，简化了电路设计，特别是把双向功率开关改进成单向功率开关，减少了两只功率开关管及其驱动电路，简化了电路设计，降低了产品成本。

LC滤波电路2：用于对后级功率变换电路的脉冲电流进行滤波，减小输入侧入网谐波，提高输入侧功率因数。LC滤波电路2包括滤波电感L1和C1。

半桥开关电路3：适时控制电能的变换与传输。包括功率开关管Q1和Q2。作为开关电路，也可以采用全桥开关电路，但增加了开关管及其驱动电路。

高频串联谐振电路4：本实施例采用LC串联谐振电路，工作于失谐状态，实现选频和高频能量传输。所用LC串联谐振电路采用如图2所示电容CS与电感LS串联。

点火电路5采用点火电容CP14实现。

下面对控制电路中各部分分别进行说明：

辅助电源6：为驱动电路7、给定或显示电路8、单片机或模拟控制电路9、输出电压和电流取样与调理电路10供电。

驱动电路7：对来自单片机或模拟控制电路9的控制信号进行隔离、放大，去驱动半桥开关电路3中的功率MOS管的开通和关断。

给定或显示电路8：为单片机或模拟控制电路9提供输出参考信号，并显示单片机或模拟控制电路9输出的工作状态信号。

单片机或模拟控制电路9：根据给定参考信号和反馈信号，进行信号处理，输出控制信号，经驱动电路7隔离、放大后控制半桥开关电路3中的功率MOS管的开通和关断。

输出电压和电流取样与调理电路10：对灯电压和灯电流进行取样、滤波、分压或放大，为单片机或模拟控制电路9进行输出控制提供反馈信号。

本实施例镇流器适用于：输入电源电压大于2倍输出电压，镇流器与HID灯的距离较近的情况，此情况下，采取降频扫频方式谐振点灯，利用谐振电感LS和点火电容CP谐振出高电压脉冲击穿HID等灯，此时对点火电容CP14耐压和性能要求高。具体工作流程如图6所示，包括如下步骤：

(1)上电

镇流器上电，辅助电源工作，稍微延时后输出电压稳定，给控制电路各部分供电。单片机上电，初始化。

(2)点灯

利用降频扫频谐振点灯，启动灯时，先从较高的频率降频扫频，利用谐振电感LS和点火电容CP谐振出高电压脉冲击穿HID等灯。

(3)启动

灯开始工作，采取恒流调频控制，灯电流稳定，灯电压逐步升高，灯功率随之增大。

(4)照明

直到灯功率达到额定值，灯电压等于额定电压，进入恒功率调频工作。

实施例2

本实施例中，功率电路的电路拓扑结构如图3所示，本实施例点火电容CP14与输出端之间连接有升压变压器11，实现输出电压的匹配，其他电路结构与实施例1中相同，控制电路也与实施例1中相同，此处不再赘述。

本实施例镇流器适用于：全系列输入电源电压，镇流器与HID灯的距离较近的情况，此情况下，采取降频扫频方式谐振点灯，利用谐振电感LS和点火电容CP谐振出高电压脉冲升压后击穿HID等灯，降低了对点火电容CP的耐压要求。工作流程如图6所示，与实施例1镇流器工作过程相同，此处不再赘述。而相较于实施例1，本实施例在点火电容CP14与输出端之间连接有升压变压器11，通过升压变压器11实现输入与输出电压的匹配。

实施例3

本实施例中，功率电路的电路拓扑结构如图4所示，本实施例所用点火电路5采用外加点火器DH15实现，其他电路结构与实施例1中相同，控制电路也与实施例1中相同，此处不再赘述。

本实施例镇流器适用于：输入电源电压大于2倍输出电压，镇流器与HID灯的距离较远的情况，此情况下，采取外加点火器点火方式产生高电压脉冲击穿HID等灯，此时对器件的耐压要求低。具体工作流程如图6所示，包括如下步骤：

(1)上电

镇流器上电，辅助电源工作，稍微延时后输出电压稳定，给控制电路各部分供电。单片机上电，初始化。

(2)点灯

采用外加点火器点灯方式产生高电压脉冲击穿HID等灯。

(3)启动

灯开始工作，采取恒流调频控制，灯电流稳定，灯电压逐步升高，灯功率随之增大。

(4)照明

直到灯功率达到额定值，灯电压等于额定电压，进入恒功率调频工作。

实施例4

本实施例中，功率电路的电路拓扑结构如图5所示，本实施例在实施例3电路结构中增加一个升压变压器11，升压变压器11连接在点火器DH15之前，其他电路结构与实施例3中相同，控制电路也与实施例1中相同，此处不再赘述。

本实施例镇流器适用于：全系列输入电源电压，镇流器与HID灯的距离较远的情况，此情况下，采取外加点火器点火方式产生高电压脉冲击穿HID等灯，此时对器件的耐压要求低。具体工作流程如图6所示，与实施例3镇流器工作过程相同，此处不再赘述。而相较于实施例3，本实施例在点火器DH15之前增加升压变压器11，通过升压变压器11实现输入与输出电压的匹配。

Claims (6)

1.一种新型交交变频的单级高频电子镇流器，其特征在于：包括功率电路和控制电路；其中，

所述功率电路包括：

单相整流桥，用于将输入的单相交流电变成低频脉动直流；

LC滤波电路，包括电感L和电容C，电感L的一端与单相整流桥的正极输出端连接，电感L的另一端与电容连接，电容C另一端与单相整流桥的负极输出端连接，LC滤波电路用于对输入电流进行滤波，所述LC滤波电路中滤波电容上的电压是工频交流电经全波整流后的低频脉动直流，其包络的最小值接近于零；

半桥开关电路，包括上管Q1和下管Q2两个MOS管构成一个桥臂，上管Q1的漏极连接在电感L的另一端，下管Q2的源极与单相整流桥的负极输出端连接，上管Q1的源极和下管Q2的漏极相连成桥臂中点输出，半桥开关电路用于对所述低频脉动直流进行高频斩波，所述半桥开关电路对所述整流后的低频脉动直流进行高频斩波，得到低频调幅的高频脉冲；

高频串联谐振电路，包括电容CS和电感LS,电容CS一端与桥臂中点输出连接，另一端与电感的一端连接，用于选频和高频能量传输，所述高频串联谐振电路的自然谐振频率等于所述低频调幅的高频脉冲的频率，电路工作于谐振或准谐振状态，输出低频调幅的高频交流电；

点灯电路，其一端与电感LS的另一端连接，另一端与单相整流桥的负极输出端连接，用于产生高压脉冲击穿高压气体放电灯；

高频脉冲变压器：其初级连接在电灯电路的两端，用于实现输入输出电压的匹配；

所述控制电路包括：

单片机或模拟控制电路，用于根据给定参考信号和反馈信号，进行信号处理，输出控制信号；

输出电压和电流取样与调理电路，输入端与电感LS的另一端连接，输出端与单片机或模拟控制电路连接，用于对灯电压和灯电流进行取样、滤波、分压或放大，为单片机或模拟控制电路提供反馈信号；以及

驱动电路，输入端与单片机或模拟控制电路的连接，输出端与半桥开关电路连接，用于对来自单片机或模拟控制电路的控制信号进行隔离、放大，去驱动半桥开关电路的开通和关断。

2.根据权利要求1所述新型交交变频的单级高频电子镇流器，其特征在于：所述镇流器功率电路中没有维持基本稳定的直流电压，实现了直接交交变频，把输入的工频交流电变换成了幅度受调制的高频交流电。

3.根据权利要求1所述新型交交变频的单级高频电子镇流器，其特征在于：所述镇流器没有专门的功率因数校正电路，仍然实现了高功率因数。

4.根据权利要求1所述新型交交变频的单级高频电子镇流器，其特征在于所述控制电路还包括：

给定或显示电路，用于为单片机或模拟控制电路提供输出参考信号，并显示单片机或模拟控制电路输出的工作状态信号；以及

辅助电源模块，用于为驱动电路、给定或显示电路、单片机或模拟控制电路、输出电压和电流取样与调理电路供电。

5.一种权利要求1所述新型交交变频的单级高频电子镇流器的工作方法，其特征在于：

单片机或模拟控制电路控制半桥开关电路的开通，实现降频扫频点灯；

灯启动工作，采取恒流调频控制，灯电流稳定，灯电压逐步升高，灯功率随之增大；

直到灯功率达到额定值，灯电压等于额定电压，进入恒功率调频工作。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

输出电压和电流取样与调理电路对灯电压和灯电流进行取样、滤波、分压或放大，为单片机或模拟控制电路进行输出控制提供反馈信号；

单片机或模拟控制电路根据给定参考信号和反馈信号，进行信号处理，输出控制信号；

驱动电路对来自单片机或模拟控制电路输出的的控制信号进行隔离、放大，然后驱动半桥开关电路的开通和关断。