CN1084583C - 分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器 - Google Patents

Abstract

本镇流器由整流滤波电路、逆变器、谐振电路、异常保护电路组成，异常保护电路包括过压保护电路和启动保护电路，谐振电路接在逆变器的输出回路中，异常保护电路检测异常信号，其输出控制逆变器的输入，谐振电路由启动谐振器、工作谐振器、切换开关组成，工作谐振器和切换开关串联后与启动谐振器并联，该切换开关由一个根据灯管电流而动作的启动切换电路控制。它减小了对开关管电流的要求，不用过分的增加开关管额定电流容量就可实现灯管的可靠启动。

Description

分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器

本发明涉及一种高强度气体放电灯电子镇流器，属于照明电力电子技术领域。

国内外现有的高强度气体放电灯电子镇流器，采用大功率开关管构成的半桥或全桥高频开关，把直流电源逆变成20～50KH的高频电压，通过串并联谐振回路与灯管耦合，在灯未启动前由并联谐振回路提供谐振升压，以启动灯管，灯管启动后由串联谐振回路提供较大的工作电流。

由于高压钠灯、金属卤化物灯这类高强度气体放电灯中没有辅助启动电极，只能靠在其两电极加入高电压的方法迫使气体游离击穿而启动。高压钠灯冷态启动需2～2.5KV，金属卤化物灯需3～4KV才能冷态启动，而热态启动电压将高达20KV以上，正常工作时高压钠灯管压为100～110V，金属卤化物灯为130～140V，即它们的启动电压是正常工作电压的20多倍。由于高压钠灯、金属卤化物灯一般都是大功率灯，工作电流较大，要提供较大的工作电流则希望谐振电感量很小，而谐振电感量取得很小时，就需要桥电路提供很大的启动电流才能产生谐振高压来启动灯管。通常启动电流要达到稳态工作电流的10多倍，若大功率开关管按稳态工作电流容量选取，则对每一次启动过程来说都是十分危险的，因为比稳态电流大10多倍的启动电流对电力电子器件将造成极大的应力，特别是灯管出现异常状态或遇到瞬时停电又来电时，或灯管处于热态时，谐振电压不可能将灯管启动，若保护电路延时大些，瞬间就可能烧毁大功率管。若按10多倍稳态电流容量来选择大功率开关管，虽然可缓和一些启动过流的矛盾，但进入正常工作状态时，电流将只有额定容量的十分之一，造成价位的成倍提高而失去推广的可能性。

本发明的目的旨在提供一种分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，它可在启动过程中减小对开关管电流过大的要求，即不用过分的增加开关管额定电流容量就可实现灯管的可靠启动。

本发明是基于以下思路而实现的：

将电子镇流器谐振电路中的电感和电容分成启动电感和电容、工作电感和电容两部分，将启动电感和电容常接入谐振回路；检测灯管电流，一旦灯管启动后，便把工作电感和电容并入谐振回路。工作电感和电容也可再细分成数级，然后逐级并入谐振回路。

根据该思路所设计的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，由整流滤波电路、逆变器、谐振电路、异常保护电路组成，异常保护电路包括过压保护电路和启动保护电路，谐振电路接在逆变器的输出回路中，异常保护电路检测异常信号，其输出控制逆变器的输入，其特征在于：所述谐振电路由启动谐振器、工作谐振器、切换开关组成，工作谐振器和切换开关串联后与启动谐振器并联，该切换开关由一个根据灯管电流而动作的启动切换电路控制。

由于启动电感量大、启动电容小，即谐振回路的特征阻抗和Q值大，这样可以获得更高的谐振电压来保证灯管的可靠启动，同时可把对开关管的电流容量要求减小4～6倍。当灯管启动后，根据灯管电流而动作的启动切换电路便通过切换开关将工作电感和电容并入谐振回路。由于此时谐振回路中的特征阻抗因总电感减小、总电容增大而减小，故能给灯管提供较大的工作电流。由于启动电流与稳态运行电流相近，故不需选用过大的开关管就可实现可靠启动和运行的效果。

高强度气体放电灯电子镇流器的推广应用决定于其可靠性及合理的价位，而可靠性主要决定于启动过程和异常状态保护特性，只有在合理的价位下彻底解决启动过程中电力电子器件应力过大的技术难题之后，高强度气体放电灯电子镇流器推广使用才有可能。本发明较好地解决了这个问题。

下面结合实施例对本发明作详细说明。

图1和图2分别为本发明最佳实施例的电路框图和原理图；

图3为本发明第二实施例的电路原理图。

高强度气体放电灯电子镇流器由图1所示的整流滤波电路、逆变器、谐振电路、异常保护电路组成，谐振电路接在逆变器的输出回路中，异常保护电路检测异常信号，其输出控制逆变器的输入。其中：逆变器由正交电流互感器及依次串联的无触点开关、主开关管、推挽高频变压器构成，正交电流互感器的次级接主开关管的输入。谐振电路由启动谐振器、工作谐振器、切换开关组成，工作谐振器和切换开关串联后与启动谐振器并联，该切换开关由一个根据灯管电流而动作的启动切换电路控制，该启动切换电路由电流互感器及接在该电流互感器次级的整流器、晶体管、继电器构成，该继电器的接点构成所述切换开关，电流互感器次级的输出由整流器整流后经晶体管驱动继电器。异常保护电路包括过压保护电路和启动保护电路，启动保护电路由累计启动次数的计数器和再启动电路组成，再启动电路的输入接自所述启动谐振器的输出，再启动电路的输出接计数器的计数端和所述逆变器中无触点开关的控制输入端，计数器的输出接再启动电路的控制输入。过压保护电路由监测灯管电压的电压监测电路组成，电压监测电路的输出接正交电流互感器的初级。

以下结合图2对本发明的电子镇流器的工作原理进行描述：

在整流滤波电路中：P为保险器、VR为压敏电阻，当输入电压严重过压时，VR通过大电流把保险P烧断，从而保护后续电路。L01、L02、C0组成抗干扰电路，滤除镇流器的高频电流进入电网。D1～D4为整流桥，C1、C2、D5～D7组成逐流式滤波电路，使输入电流的导通角大于120度，以尽量提高输入功率因数和减小高次谐波污染电网。C15为高频电流滤波电容，整流后的直流高压直接加到推挽高频变压器T2的中心点。

无触点开关、正交可控电流互感器T1、R14、R19、D11、D12、C11、C12、主开关管BG4和BG7、续流二极管D14和D15、无损缓冲器C13和C14、高频推挽变压器T2构成自激调频逆变器。T1检测输出电流，以驱动开关管BG4和BG7，构成正反馈自激振荡。其中D11、D12为慢速整流二极管，以给驱动电流提供一定的死区，避免主开关管BG4和BG7同时导通，使开关管工作于谐振软性开关状态以减小关断损耗。向正交可控电流互感器T1的正交线圈通入直流，可等效于减小电流互感系数迫使开关管提前关断，因而自激频率升高。无触点开关由R15～R18、BG2、BG3、BG5、BG6组成，当其向R16、R17提供直流电流时，BG2、BG5开通，把BG3、BG6的基极对地短路，自激振荡器可以工作；当撤出R16、R17的电流时，自激振荡器强迫停机。R21、C10、R20、DW4构成自激振荡器的起振电路，当自激振荡器起振后，C10被D13短路，起振电路不再干扰自激振荡器。为提高效率、减小高频变压器的体积重量，高频变压器输出为自耦降压。理论分析指出，为把灯管极大功率电压设定在115V，需200V方波激励谐振回路，半桥只能获得140V方波电压，当电网欠压时启动困难，而全桥电路输出为280V方波，谐振回略与续流二极管交换的无功功率太大，加大了开关管的负担，增加了能耗。而采用推挽自耦降压变压器则能获得最好的电压匹配效果，其最佳变比为2×280∶200＝2.8∶1。

IC为计数器，再启动电路由BG1、SCR1、SCR2构成。SCR1、SCR2构成双稳态可控硅开关，用以向无触点电子开关电路提供开、停信号，当启动过程中遇到不能正常启动灯管时，经启动电感L1次级整流的信号经R22、C19延时后通过DW3、R11加到SCR2控制极上，触发SCR2导通，通过无触点电子开关迫使自激振荡器停振。于是由BG1、C5、R5、R7、C6、R8、DW2构成的再启动电路进入延时状态，约1分钟后C6上的电压达到32V，SCR1被触发，通过C8强迫SCR2关断，无触点开关得电，自激振荡器起振。IC为二进制计数器CD4024，当试探再启动达到16次时，若灯仍不能启动，则IC的第6脚变为高电平，迫使BG1导通，截断再启动电路，使电路进入冬眠状态，使输出不会周期性产生高压，以增加安全性，除非重新来电。

C16、C17、L1构成启动谐振器，L2、C22构成工作谐振器，C16、C17除构成高频谐振网络外，还起到隔离电网高压的作用。当自激振荡器工作后，通过C16、C17、L1、C25、TR把输出电压通过并联谐振升压后加到灯管Na-Hg上，使灯管启动。灯管启动后有一较小电流通过电流互感器T4的初级，其次级经整流后加到BG8基极，BG8导通后继电器J吸合，把工作电感L2、工作电容C22并联接入谐振回路，由于此时谐振回路中并联了工作电感和工作电容，使得谐振回路的特征阻抗减小，故可向灯管提供较大的工作电流，使灯管增温、增气压。灯管电压上升约10分钟后，便进入稳态工作点工作。启动电感的电感量比工作电感大2～5倍，启动电容的电容量比工作电容小2～10倍。

若灯管由于长期工作处于钠耗空状态时，灯管电压将上升，此时通过灯管电压互感器T3次级经整流的电压将上升，使DW6导通、BG9进入导通状态，于是有电流流经正交电流互感器T1的正交激磁线圈，迫使开关管提前关断，自振频率上升，L1、L2的电抗增加，灯管电流将减小，灯管电压被强制在120V左右，从而形成闭环限压，这样便不会造成过功率现象。

由电网过压所造成的灯管过功率也被此闭环限压控制在不过功率点上。

TR为正温度系数热敏电阻PTC元件，主要是为适应在放电管上绕钨丝，将灯管加热到300℃时，利用潘宁效应预热启动灯管用的，当不是预热启动灯管时，经几秒延时后，PTC元件等效于开路，谐振电压上升到能启动一般灯管。

为简化供电，保护电路直接工作于直流高压，IC电路是CMOS，只需很小工作电流，它用直流高压经电阻降压稳压管后供电，继电器与闭环限压器共用一个从T2绕出的次级线圈供电。

本发明的第二实施例如图3所示。其最大特点是几乎不增加成本、不降低效率而实现把输入功率因数校正到0.98以上，而总谐波电流也可压缩在8％以下。

该实施例采用半桥结构，其逆变器由正交电流互感器、无触点开关、半桥结构主开关管构成，正交电流互感器的次级和无触点开关的输出接主开关管的输入。整流滤波电路的输出回路中串接由L3、C30构成的输入电流正弦校正器。输入电流正弦校正器和振荡器共用元件BG7、D14，属于最简电路拓扑结构。但因BG7流过振荡器和输入电流正弦校正器的共同电流，其发热要比BG4大一些，故需增加BG7的散热结构。

其工作原理是：当正半周时，C30为BG4提供能量，耦合到谐振回路供给灯管。负半周时BG7导通，它除为振荡器提供电流外，还为L3提供储能电流。当BG7关断时，D14为振荡回路和L3提供续流通道，振荡器的滞后无功通过D14把能量回馈给C30，同时存储在L3中的磁场能量也同时通过D30为C30充电。为降低对整流桥的要求，在整流桥后并有高频通道的1微法级电容C31，它不会造成大的工频电流冲击，因而只需普通整流桥而不需快速整流桥。D30实现电网与振荡器的耦合，因通过L3的电流为不连续高频三角波，D30需快速二极管以减小开关损耗。D14也需快恢复特性的二极管，即使采用有阻尼的功率晶体管，也需再并入快速二极管以减小二极管的开关损耗。

这样就把输入电流校正为正弦包络的高频三角波电流，再通过C1、L0、C0的无源校正，就可实现与输入电压同相，波形相似的电流波形提高了输入功率因数减低了谐波对电网的污染，特别是对三相供电系统能大大减小中线中的负序高次谐波电流。

因半桥电路功率管发射极不共电位，故BG2采用光耦合器，以实现信号耦合与电位隔离。

对继电器供电电源需用一功率高频变压器T2降压整流滤波实现。对继电器并联稳压二极管DW5的目的是为了加速其磁能的迅速耗散而又不过压击穿三极管，当电网瞬态停电时，继电器能迅速释放，以便电网重新来电时切除工作电感电容，防止由于灯管热态不能启动而造成瞬时过流现象。

C15、C16的对称放置除作为串并联谐振回路耦合外，还能做到当灯管引线对地短路故障时不会烧毁电路，因C15、C16有隔离电网电压的功能。

电路的其它部分与实施例一类似。

考虑到当遇到毫秒至百毫秒级的停电又来电时，因继电器的电磁惯性和机械惯性，不可能瞬间释放工作谐振电路，这时因工作谐振电路呈现低特征阻抗，假设外电又重新来电时，若自激振荡器起振，则会造成严重的过流冲击而烧毁功率开关管。因此在图2、3电路中还接有由继电器J的常闭接点构成的瞬态停电保护电路，该接点串接在计数器、再启动电路的供电回路中。在灯管启动后稳态工作时，计数器、再启动电路的电源因继电器的常闭接点断开而被切断。当遇到上述情况时，因计数器、再启动电路的电源被该常闭接点封锁，故可去除电路的动态冒险。同时灯管稳态工作时，切断计数器、再启动电路的电源还可减小损耗。

根据图1的原理，若选用大功率场控电力电子器件VDMODFET、IGBT、SIT、MCT等作功率开关，用第三代单片有源功率因数校正、PWMM/调频控制、保护一体化集成块ML4830，结合分级启动电路，可作出从1千瓦至100千瓦的大功率高强度气体放电灯电子镇流器。

Claims (10)

1.分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，由整流滤波电路、逆变器、谐振电路、异常保护电路组成，整流滤波电路的输入接电源，输出接逆变器电源端，异常保护电路包括过压保护电路和启动保护电路，谐振电路接在逆变器的输出回路中，异常保护电路检测异常信号，其输出控制逆变器的输入，其特征在于：

所述谐振电路由启动谐振器、工作谐振器、切换开关组成，工作谐振器和切换开关串联后与启动谐振器并联，该切换开关由一个根据灯管电流而动作的启动切换电路控制。

2.如权利要求1所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述启动切换电路由检测灯管电流的电流互感器及接在该电流互感器次级的整流器、晶体管、继电器构成，该继电器的接点构成所述切换开关，电流互感器次级的输出由整流器整流后经晶体管驱动继电器。

3.如权利要求1所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：在所述谐振电路中，启动电感的电感量比工作电感大2～5倍，启动电容的电容量比工作电容小2～10倍。

4.如权利要求1所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述启动保护电路由累计启动次数的计数器和再启动电路组成，再启动电路的输入接自所述启动谐振器的输出，再启动电路的输出接计数器的计数端和所述逆变器的控制输入端，计数器的输出接再启动电路的控制输入。

5.如权利要求1所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述逆变器由正交电流互感器及依次串联的无触点开关、主开关管、推挽高频变压器构成，正交电流互感器的次级接主开关管的输入。

6.如权利要求5所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述过压保护电路由监测灯管电压的电压监测电路组成，电压监测电路的输出接正交电流互感器的初级。

7.如权利要求5所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述推挽高频变压器的降压比为2.8∶1。

8.如权利要求1所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述整流滤波电路的输出回路中串接输入电流正弦校正器。

9.如权利要求1所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述逆变器由正交电流互感器、无触点开关、半桥结构主开关管构成，正交电流互感器的次级和无触点开关的输出接主开关管的输入；所述整流滤波电路的输出回路中串接输入电流正弦校正器，电流正弦校正器与逆变器共用下半桥主开关管。

10.如权利要求4所述的分级启动式高强度气体放电灯电子镇流器，其特征在于：所述切换开关包括常开和常闭接点，其常闭接点串接在再启动电路的供电回路中构成瞬态停电保护电路。

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