CN110677951B - 一种用于超高压汞灯的全桥谐振电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超高压汞灯的全桥谐振电路及控制方法,所述超高压汞灯内设镇流器，镇流器内设降压电路，所述镇流器还包括全桥谐振电路，降压电路与全桥谐振电路连接，所述全桥谐振电路包括全桥电路及谐振电路；本发明实现了谐振电路的可靠运行，提高了高压汞灯的点亮成功率和使用寿命，降低了成本，协助整个超高压汞灯驱动系统稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及超高压汞灯驱动控制领域，具体涉及一种用于超高压汞灯的全桥谐振电路及控制方法。
背景技术
超高压汞灯在启动过程中，要求电子镇流器提供足够高的开路电压使电弧管击穿，使灯管内混合的稀有气体发生电离，并且能够提供足够的能量使辉光放电尽快转化为弧光放电。因此需要施加高压脉冲电压于灯端的两极，外加高压脉冲的宽度和幅值与灯内气体压力大小及电极间距离长短有关，往往需要几千伏的启动电压，超高压汞灯的电子镇流器通常要达到以下要求：
(1)正常启动时，要求电子镇流器提供宽度数微秒幅值几千伏的高压脉冲，来保证灯的正常启动。
(2)脉冲电压幅值的大小应根据气体放电灯本身特性来确定，脉冲电压过高会引起灯的阴极溅射，影响灯的寿命；过低难以正常启动。启动过程中状态很不稳定，灯内温度太低或者输入功率太小都不易达到稳定。
(3)当灯泡周边环境温度改变时，灯内阻将会改变，因此想要超高压汞灯工作稳定保证最佳冷却条件和输入功率十分重要。如果输入功率低于要求范围或冷却过度时，将会造成灯的性能不稳定，从而导致发光效率大幅度降低。
(4)超高压汞灯点亮之后，镇流器要能够自动即时检测，在降低输出电压的同时维持点亮状态。
(5)启动电路工作时不得对灯以及电子镇流器中的元器件造成损伤。主要是防止过压或过流造成功率器件的损坏或灯体的加速老化。
(6)超高压汞灯点亮之后，需要保持电压及电流的稳定，且灯内阻呈现负阻特性，灯体温度升高使内阻变大，恒流状态下输出功率响应升高。如果不能很好的处理这些情况，同样会造成灯体的加速老化，这会影响点火成功率，同时降低光亮。
由于生产工艺的原因，用于产生谐振高压的谐振电感与谐振电容的精确性有限，同时高压汞灯也存在出厂特性不一致的问题，常规的谐振电路往往会遇到适配问题。据了解，相关厂家往往采取一灯一试的方式，通过重复测试，在出厂时现场修改镇流器参数，或是高价购买一致性好的高压汞灯。雪上加霜的是，高压汞灯在多次工作后会出现老化现象，或是当灯体处于相对高温时，往往需要更高的击穿电压。厂家在面对这些情况时，只能拆机更改参数，或是更换新的高压汞灯，这大大增加了生产成本。
谐振频率过高同样是超高压汞灯驱动行业内面临的问题之一，为达到足够高的击穿电压，往往要求谐振电路有很高的增益和谐振频率，受开关速度和死区效应的影响，现有的低成本功率器件很难达在满足高电压高电流的情况下，同时达到足够高的工作频率。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种用于超高压汞灯的全桥谐振电路及控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种用于超高压汞灯的全桥谐振电路，所述超高压汞灯内设镇流器，镇流器内设降压电路，所述镇流器包括全桥谐振电路，降压电路与全桥谐振电路连接，所述全桥谐振电路包括全桥电路及谐振电路；
所述全桥电路由第一支路及第二支路并联构成，所述第一支路由开关管Q1及开关管Q3构成，所述开关管Q1的发射极与开关管Q3的集电极连接，所述第二支路由开关管Q2及开关管Q4构成，所述开关管Q2的发射极与开关管Q4的集电极连接,所述第一支路及第二支路的两端分别与直流输入电压及接地端连接；
所述谐振电路包括三个串联的谐振电容C9、谐振电容C8及谐振电容C7，所述谐振电容C7的一端分别与谐振电感L1一端及磁珠L5一端连接，所述谐振电容C9的一端分别与谐振电感L2一端及磁珠L6一端连接，所述谐振电感L1及谐振电感L2的另一端分别与第一支路及第二支路连接。
所述谐振电容为塑封聚酯膜电容，电容值为2.2nF。
所述谐振电感L1及谐振电感L2均为共模电感。
本发明的工作过程：
全桥谐振电路的输入信号由前端降压电路提供，其输出为超高压汞灯提供能量，点亮超高压汞灯并维持亮度；
接收点灯信号，降压电路保持输出电流恒定，并将电压限制在170V，此时全桥谐振电路同步开启，利用扫频技术，降压电路循环输出170KHZ至190KHZ全桥信号，使全桥谐振电路发生高频谐振，产生高于2500V的高压；
每隔T时间检测全桥谐振电路的输入电流，所述T为高频谐振的持续时间，检测时暂停高频输出，若检测电流高于设定的阈值，则超高压汞灯点亮成功，进入下一个阶段，否则回到接收点灯信号步骤；
超高压汞灯初步点亮后，灯体等效阻抗突降，全桥谐振电路的输入电压由170V降至20V左右，并缓慢上升，此时全桥谐振电路结束扫频，开始60KHz中频谐振，稳定汞灯亮度；
全桥谐振电路开始60Hz低频输出，降压电路的输出电压缓慢上升至60V，全桥谐振电路的输出幅值与输入电压相同，此阶段通过在全桥谐振电路中的给定信号增加换向负脉冲，减小输出电压纹波，提高亮度的稳定性。
所述高频谐振的持续过程为600ms。
高频谐振的频率在170KHZ-190KHZ间变化。
本发明利用全桥电路开关信号的三次谐波使LC谐振电路发生谐振。
所述稳定汞灯亮度持续时间为2S。
本发明通过在全桥谐振电路中的给定信号增加换向负脉冲，减小输出电压纹波，提高亮度的稳定性，具体为：
在全桥谐振电路在正常运行时的输出电流波形，由于全桥电路在点亮后长时间以60HZ低频输出，超高压汞灯两端的电压电流表现为60HZ正负方波；
在全桥谐振电路换向时，会存在一定的死区时间，以防止同臂直通，在死区时间内，前级降压电路相当于在极轻载的状态下工作，具体表现为周期性的电流尖峰，该尖峰通过全桥电路输出后会在每次换向时造成一个电流尖峰，若在换向时叠加一个对给定的负脉冲，则可减少换向时的输出电流尖峰。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过全桥逆变电路和LC谐振电路的高频谐振产生超高击穿电压，点亮汞灯，随后输出持续中频信号稳定亮度，最后低频持续输出滤波后的电压，保证灯光亮度；
(2)本发明使用扫频技术提高点灯成功率，利用三次谐波产生击穿电压以节约功率器件成本，通过增加换向负脉冲以稳定亮度，提升灯体寿命；
(3)由于超高压汞灯在点亮过程中会经历多个阶段，各个阶段所需求的功率不同，频率不同，电压电流实时变化。期间会面临诸如启动安全性、模式切换、故障判断等问题，本发明所述的全桥谐振控制方法，实现了谐振电路的可靠运行，提高了高压汞灯的点亮成功率和使用寿命，降低了成本，协助整个超高压汞灯驱动系统稳定运行；
(4)本发明输出端串接磁珠，可以减少输出端电路干扰。
附图说明
图1是本发明的总电路拓扑结构；
图2是本发明的控制方法流程图；
图3是本发明的控制信号与输出信号波形图；
图4是本发明的扫频谐振方法实现波形图；
图5是本发明的换向负脉冲效果波形图；
图6是本发明叠加负脉冲与未叠加负脉冲的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图6所示，一种用于超高压汞灯的全桥谐振电路，所述超高压汞灯内设镇流器，镇流器内设降压电路，所述镇流器包括全桥谐振电路，降压电路与全桥谐振电路连接，所述全桥谐振电路包括全桥电路及谐振电路。
所述全桥电路由第一支路及第二支路并联构成，所述第一支路由开关管Q1及开关管Q3构成，所述开关管Q1的发射极与开关管Q3的集电极连接，所述第二支路由开关管Q2及开关管Q4构成，所述开关管Q2的发射极与开关管Q4的集电极连接,所述第一支路及第二支路的两端分别与直流输入电压及接地端连接。
所述谐振电路包括三个串联的谐振电容C9、谐振电容C8及谐振电容C7，所述谐振电容C7的一端分别与谐振电感L1一端及磁珠L5一端连接，所述谐振电容C9的一端分别与谐振电感L2一端及磁珠L6一端连接，所述谐振电感L1的一端与第一支路的p2点连接，所述谐振电感L2的另一端分别与第二支路的p1点连接。
本实施例中谐振电容C9、谐振电容C8及谐振电容C7的电容值相等，塑封聚酯膜电容，电容值为2.2nF。
本实施例中谐振电感L1及谐振电感L2均为共模电感，具体为120uH。
全桥电路驱动信号由控制器产生，驱动信号如图3所示，在0-t1时间，Q1和Q4导通，电流从超高压汞灯下端流至上端，两端电压为负。在t1-t2时间，Q2和Q3导通，电流从汞灯上端流到下端，两端电压为正。周期性的控制信号在负载端形成相应频率的方波输出，与LC谐振电路共同作用，高频时形成谐振产生高压，击穿超高压汞灯内惰性气体后放电发光。
固有谐振频率由谐振电路的电感和电容值共同决定，当全桥电路输出频率接近固有谐振频率时，电容或电感两端会产生谐振高压，其传递函数可描述为：
附图3展示了谐振电路频率与增益的关系。
由于谐振电感与谐振电容的精确性有限，且存在高压汞灯出厂时特性不一致的问题，使得谐振电路的固有谐振频率及汞灯点火电压发生改变。固定的谐振频率将无法实现很好的适应性。为提高谐振电路的适应能力，降低厂商更换与测试成本。本发明采用扫频技术增加高频谐振阶段的谐振频率范围。
本发明的工作过程如下：
全桥谐振电路的输入信号由前端降压电路提供，其输出为超高压汞灯提供能量，点亮超高压汞灯并维持亮度。
接收点灯信号，降压电路保持输出电流恒定，并将电压限制在170V，此时全桥谐振电路同步开启，利用扫频技术，降压电路循环输出170KHZ至190KHZ全桥信号，使全桥谐振电路发生高频谐振，产生高于2500V的高压。
每隔600ms时间检测全桥谐振电路的输入电流，所述600ms为高频谐振的持续时间，其频率在170KHZ-190KHZ间变化，检测时暂停高频输出，若检测电流高于设定的阈值，则超高压汞灯点亮成功，进入下一个阶段，否则回到接收点灯信号步骤；连续失败6次后全桥谐振电路进入待机状态。
超高压汞灯初步点亮后，灯体等效阻抗突降，全桥谐振电路的输入电压由170V降至20V左右，并缓慢上升，此时全桥谐振电路结束扫频，开始60KHz中频谐振，稳定汞灯亮度；
中频谐振2s后，全桥谐振电路开始60Hz低频输出，降压电路的输出电压缓慢上升至60V，全桥谐振电路的输出幅值与输入电压相同，此阶段通过在全桥谐振电路中的给定信号增加换向负脉冲，减小输出电压纹波，提高亮度的稳定性。
本发明所述的动态扫频技术，扩宽了谐振的频率范围。扫频曲线如附图5所示，谐振模式时，控制全桥电路工作在170KHz-190KHz之间，循环改变谐振频率值，大大增强了谐振电路的鲁棒性。经过对不同谐振电路和不同工作时长高压汞灯的测试，证实了动态扫频谐振拥有很好的适应性。
为解决背景技术中所提到的谐振频率需求过高，而功率器件工作频率有限的难题，本发明在全桥谐振电路中采用三次谐波触发谐振的方式，避免了高工作频率带来的问题。由于全桥电路输出为方波，而方波中含有丰富的奇次谐波，基波和三次谐波在输出方波中含量较大，因此可以利用方波的三次谐波实现高频谐振，同时也拓宽了谐振频率范围。如附图4中所示，为使谐振电路达到32dB增益，需要的谐振角频率频率应在3400000rad/s附近，经过换算后大致为540KHz，若使用三次谐波，要达到540KHz的谐振频率，只需方波的基波频率达到180KHz。此时，180KHz的基波能提供幅值足够的540KHz谐波。而且，由于三次谐波频率为基波频率的三倍，所需的电阻电容值更小。因此，仅需使全桥电路工作在180KHz。
为稳定全桥谐振电路的输出电压，提高光照稳定性，本发明通过换向末端叠加电流给定负脉冲的方式，减小换向电流尖峰。换向负脉冲的给定方法如附图6所示，在全桥电路电流换向时，在原有给定电流的基础上叠加幅值不变的负脉冲。图6同样展示了全桥电路在正常运行时的输出电流波形，由于全桥电路在点亮后长时间以60HZ低频输出，超高压汞灯两端的电压电流表现为60HZ正负方波。而在全桥电路换向时，会存在一定的死区时间，以防止同臂直通。在死区时间内，前级降压电路相当于在极轻载的状态下工作，具体表现为周期性的电流尖峰，该尖峰通过全桥电路输出后会在每次换向时造成一个电流尖峰。若在换向的时叠加一个对给定的负脉冲，则可减少换向时的输出电流尖峰，从图6中可以看到此方法的前后对比效果。
本发明首先通过全桥逆变电路和LC谐振电路的高频谐振产生超高击穿电压，点亮汞灯，随后输出持续中频信号稳定亮度，最后低频持续输出滤波后电压。同时使用动态扫频技术提高点灯成功率，利用三次谐波触发击穿电压以节约功率器件成本，通过增加换向负脉冲以稳定亮度，提升灯体寿命。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于超高压汞灯的全桥谐振电路的控制方法，所述超高压汞灯内设镇流器，镇流器内设降压电路，其特征在于，所述镇流器包括全桥谐振电路，降压电路与全桥谐振电路连接，所述全桥谐振电路包括全桥电路及谐振电路；
所述全桥电路由第一支路及第二支路并联构成，所述第一支路由开关管Q1及开关管Q3构成，所述开关管Q1的发射极与开关管Q3的集电极连接，所述第二支路由开关管Q2及开关管Q4构成，所述开关管Q2的发射极与开关管Q4的集电极连接,所述第一支路及第二支路的两端分别与直流输入电压及接地端连接；
所述谐振电路包括三个串联的谐振电容C9、谐振电容C8及谐振电容C7，所述谐振电容C7的一端分别与谐振电感L1一端及磁珠L5一端连接，所述谐振电容C9的一端分别与谐振电感L2一端及磁珠L6一端连接，所述谐振电感L1及谐振电感L2的另一端分别与第一支路及第二支路连接；
所述方法包括：
全桥谐振电路的输入信号由前端降压电路提供，其输出为超高压汞灯提供能量，点亮超高压汞灯并维持亮度；
接收点灯信号，降压电路保持输出电流恒定，并将电压限制在170V，此时全桥谐振电路同步开启，利用扫频技术，降压电路循环输出170KHZ至190KHZ全桥信号，使全桥谐振电路发生高频谐振，产生高于2500V的高压；
每隔T时间检测全桥谐振电路的输入电流，所述T为高频谐振的持续时间，检测时暂停高频输出，若检测电流高于设定的阈值，则超高压汞灯点亮成功，进入下一个阶段，否则回到接收点灯信号步骤；
超高压汞灯初步点亮后，灯体等效阻抗突降，全桥谐振电路的输入电压由170V降至20V左右，并缓慢上升，此时全桥谐振电路结束扫频，开始60KHz中频谐振，稳定汞灯亮度；
全桥谐振电路开始60Hz低频输出，降压电路的输出电压缓慢上升至60V，全桥谐振电路的输出幅值与输入电压相同，此阶段通过在全桥谐振电路中的给定信号增加换向负脉冲，减小输出电压纹波，提高亮度的稳定性；
通过在全桥谐振电路中的给定信号增加换向负脉冲，减小输出电压纹波，提高亮度的稳定性，具体为：
在全桥谐振电路正常运行时，由于全桥电路在点亮后以60HZ低频输出，则超高压汞灯两端的电压电流表现为60HZ正负方波；
在全桥谐振电路换向时，会存在死区时间，以防止同臂直通；
在死区时间内，由于全桥谐振电路换向会使得前级降压电路工作在极轻载的状态下，具体表现为降压电路存在周期性的电流尖峰；
若在全桥谐振电路换向时叠加一个给定的负脉冲，则可减少换向时的输出电流尖峰。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述谐振电容为塑封聚酯膜电容，电容值为2.2nF。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述谐振电感L1及谐振电感L2均为共模电感。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述高频谐振的持续过程为600ms。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，高频谐振的频率在170KHZ-190KHZ间变化。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，利用全桥电路开关信号的三次谐波使LC谐振电路发生谐振。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述稳定汞灯亮度持续时间为2S。
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