CN112954841A - 一种介质阻挡放电灯驱动器及其控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于驱动气体放电灯的驱动器，以及一种用于改善驱动器启动性能，提升放电效率和异常监控的方法，气体放电灯特别是电容性气体放电灯和其他介质阻挡放电（DBD）灯，该驱动器包括整流，调频，升压，控制算法处理部分；该方法包括根据测量的驱动器输入/输出值（电压、电流、频率、功率、温度）信号，通过控制算法判断启动状态和工作状态，根据策略调整驱动器工作模式，以优化工作效率，提高可靠性，及时检测并处理异常工作情况。

Description

一种介质阻挡放电灯驱动器及其控制方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于激发气体放电灯的一种方法以及由此的驱动器，该驱动器特别地用于电容性气体放电灯，更特别地用于介质阻挡放电（DBD）灯，以便高效可靠的驱动已连接的气体放电灯；具体而言，本发明还涉及各种类型的具有等离子体的气体放电灯。

背景技术

现在大量使用的光源除了日常所见的热辐射光源外，还有另一类光源——气体放电灯，是指电流通过气体媒质时所发生的物理过程。虽然气体放电有很多种类，但是各种气体放电的基本结构大同小异，通常是由透明的玻璃或石英按照所需要的形状加工而成，有时候则要用陶瓷或蓝宝石等来做泡壳。然后需要配合电极来进行交流放电，且对于交流灯来说，没有阴、阳极之分，两级可以交替作为阴、阳极。不同灯的灯管形状和电极结构，对气体放电灯的稳定工作影响很大。

近年来，某些特种光源，由于加工难度和成本问题的考虑，越来越多的使用异形电极和灯管来进行产品的开发，比如有些紫外准分子放电灯，就采用了外置电极方式来激发灯管。但是外置电极导致的电场不均匀容易引起启动不稳定，放电不均匀也会导致发光效率低的问题，进而拖慢产品的研发速度和降低可靠性。由于外置电极或其他异形电极的特有结构，环境温湿度，颗粒浓度，海拔高度，驱动器输出稳定性等因素，也容易导致空气击穿发生火灾风险，另外，影响介质阻挡放电灯的因素也有很多，除了驱动信号如电压、电流、频率、功率因素外，还有温湿度等环境因素，而且，对于介质阻挡放电灯，灯管的寿命是有限的，在灯管寿命末期，放电效率和特性都会改变。所以，一个带有异常放电检测，温度监控，输出可调的驱动器，对提升介质阻挡放电灯的启动性能、发光效率、工作稳定性和产品可靠性都有很大的改善作用。

发明内容

因此本发明在总结测试多种试验效果之后，选取电压、电流、频率、温度、功率作为工作状态和启动性能监控的影响因子，配合算法来处理对应情形，从而发明本方法，之后引入此方法，发明了一种驱动器，进而发明包括所述驱动器的气体放电灯装置和系统。

本发明的方法、装置或系统均具有若干方面，这些方面中没有单个方面仅负责期望的属性。在不限制本发明范围的情况下，现将简略地讨论其突出特征。在考虑到这些讨论后并且尤其在阅读了标题为“具体实施方式”部分后，将更清晰的领会本发明的特征如何提供更高效，更可靠的驱动器、装置及系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于优化介质阻挡放电（DBD）灯异常监控和放电效率，改善启动性能的方法，所述方法包括下列步骤：选择驱动器如电流、电压、功率、温度、频率中至少一个信号值，作为驱动器的预定参考值；检测所述灯的放电特性中至少一个实际参数值作为对比参考；将实际参数值和预定参考值通过预设的控制算法进行运算比较，根据结果不同来调整驱动器的执行策略。

进一步地，在测量灯的放电特性时，至少需要一个测量实际参数值的步骤，包括以下至少一个步骤：确定放电电流，确定放电电压，确定放电功率，确定工作温度，确定放电频率。

更进一步地，与实际参数值所对应的是预定参考值，所述的预定参考值可以是单一的固定值，也可以是多个值组成的集合。选择驱动器实际参数值中如电流、电压、功率、温度、频率中的至少一个信号值与至少一个预定参考值进行比较的步骤，包括下列步骤中的至少一个步骤：

比较实际参数值是否小于预定参考值或预定参考值集合第一元素和/或第二元素，

比较实际参数值是否等于预定参考值或预定参考值集合第一元素和/或第二元素，

比较实际参数值是否大于预定参考值或预定参考值集合第一元素和/或第二元素。

本发明的另一个方面，提供了一种驱动器，其用于气体放电灯，该驱动器包括：算法控制单元，供电单元，参数检测单元，输出调整单元。所述检测单元将检测出的实际参数值传输给所述算法控制单元，比较运算后针对不同的结果根据预设的控制策略控制所述输出调整单元的输出模式。

进一步地，该驱动器中的供电单元包括用于向灯提供高电压的可调整高电压单元和/或由能量源供电的可调整低电压单元。

进一步地，该驱动器中的检测单元包括用于测量驱动器电流、电压、频率、功率以及温度中至少一个参数的装置。

进一步地，该驱动器中的输出调整单元包括频率调整、电压调整、功率调整、电流调整装置中至少一种装置。

由此，本发明还提供了一种包括上述方法的气体放电灯装置，该装置包括：介质阻挡放电灯，本发明所述的某种驱动器。以此解决相关产品中存在的因为电极结构、海拔高度、温湿度、空气颗粒浓度等导致的启动失败、空气击穿放电、放电效率低等问题，提高了产品可靠性、启动稳定性和放电效率。

最后，由上述发明引入的气体放电灯装置系统，可以应用在多个领域，比如用在一个或多个下列应用中：硬和 / 或软表面的流体和 / 或表面处理；表面消毒，液体的消毒和/或净化，食物、饮料的处理和 / 或消毒，气体的处理和 / 或消毒，药物的清洗和 / 或消毒，组分的裂化和 / 或清除，半导体表面或表面组分的清洗和 / 或清除，生化反应的催化，皮肤辐射治疗。

附图说明

图1表示本发明方法所述控制算法示意图。

图2表示一种驱动器设计示意图。

图3表示一种驱动器的工作流程图。

图4表示一种驱动器在不同工作状态下放电电流特性示意图。

图5表示一段时间内一种驱动器的输出电压与时间关系的示意图。

图6表示一段时间内一种驱动器的输出功率与时间关系的示意图。

图7-10表示几种典型气体放电灯的发光类型。

其中，附图标记说明：1-供电输入接口、2-供电单元、3a-可调整低电压单元、3b-可调整高电压单元、4-输出调整单元、5-参数检测单元、6-算法控制单元、7-输出接口、C0-检测点开路电流、C1-启动异常电流、C2-正常工作电流、C3过载或击穿电流。

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结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明实施例中提供了一种支持驱动器异常监控，提升放电效率，改善启动性能的方法。

图1是本发明方法的算法模型图，如图1所示，该算法模型包括如下步骤：

步骤S101，接收电流、电压、频率、功率、温度中至少一个参数作为输入；

步骤S103，通过参数检测单元，对驱动器的电流、电压、功率、温度、频率至少一个参数进行检测；

步骤S105，算法控制单元对参数进行运算后，在满足预定条件的情况下调整对应的输出模式。

通过上述步骤，根据参数检测单元的检测数据来判断驱动器的工作状态，然后算法控制单元的预设算法对不同工作状态进行判断和处理，从而发现并解决启动失败，击穿放电，过电压/欠电压，过电流/欠电流，过功率/欠功率，频率不足，温度过高，过载等异常问题，提高了驱动器的可靠性、安全性和工作效率。

在步骤S105中，针对预定参考值进行对比运算时，由于预定参考值可以是数值的集合，所以预设算法和策略也相应有多种方式，以下用温度和功率为例做更进一步的解释。

比如，设置预定温度参考值为 80˚C 时，当实际参数值大于这个值时执行高温对应策略；设置预定温度参考值为 [-10˚C，80˚C] 时，当实际参数值大于 80˚C 时执行高温对应策略，当实际参数值小于 -10˚C 时执行低温对应策略，此情形下一般认为正常工作温度范围就是预定温度参考值范围，即 [-10˚C，80˚C] 。

再比如，设置预定功率值是 [28W，30W，35W ] 时，当实际功率小于 28W，我们认为没有启动或欠电压/电流/功率/频率运行；当实际功率在 28W 和 30W 之间时，我们认为工作正常；当实际功率在30W到35W之间时，我们认为系统处于超负荷工作状态，但还在接受范围内，可以发出警告；当实际功率超过35W时，我们认为系统过载运行，需要及时关闭或发出错误提示。

其他更多数值的集合也可以根据具体实施例的要求不同做相应调整，可以实现阶梯式控制，所谓阶梯式控制即可以根据集合元素数量，按照区间控制策略，也可以按照元素阈值来分配控制策略，将系统工作状态按等级划分，以适应更广泛的应用。

同时，基于上述发明方法，本发明提供了一种驱动器，图2为驱动器的一种实施例设计示意图。从图2可以看出，驱动器供电单元2接受供电输入接口1传输过来的能量，在本实施例中，供电输入接口1传输过来的常见信号电压在110V～240V之间，频率 50Hz～60Hz之间，经过可调整低电压单元3a的整流电路做整流处理后，可生成电压在5V～48V之间的直流信号，也可以根据需要设置开关或内置软件开关来调整输出其他电压。

然后将此直流信号接入输出调整单元4，经过频率生成电路处理后调整成常用的频率，范围在10kHz～1MHz之间；或使用单片机或专门的电源芯片对电压、电流、功率、频率做调整，可以选择在电路上做固定值调整，也可以选择使用电路和/或软件做动态的调整，具体的实施要从可靠性、成本上做功能取舍。

经过输出调整单元4的处理后，将此信号输出给可调整高电压单元3b，在这里将调整后的低压交流信号经过升压变压器处理成高频高压信号，然后就可以经输出接口7连接驱动气体放电灯。

在本实施例中参数检测单元5选择与可调整低电压单元3a和输出调整单元4连接，用于检测驱动器的工作电流、电压、频率、功率，需要指出的是，检测以上参数可以选择在可调整低电压单元3a的输出接口处检测也可以在输出调整单元4的输入/输出两端进行检测，优选的情况可以在多个关键拓扑路径内设置多个检测点，从而可以更精确的分析判断；对于可调整高电压单元3b的检测因为其输出为高频高压信号，对器件的耐压有一定要求，因此在具体实施例中很少用到。

常见的应用实施例大多采用电流检测方式，检测电流的方法很多，常见的有霍尔传感器、罗氏线圈、电流互感器、光纤电流传感器、磁通门、分流电阻等或集成此方案的专用芯片，其中，电流互感器和罗氏线圈仅用于交流电流检测。不同的测量方法，使用的测量原理不同，导致测量对象不同，测量精度也不同，且测量效率、测量成本、占用体积均有差异。有时，测量与被测之间还需要隔离。在电力电子应用中，多数情况下需要检测较大电流——交流或者直流，此时使用霍尔传感器较为广泛。在小信号测量领域，多数情况下电流较小，但频率范围从直流到高频均有，此时使用分流电阻较为广泛。所谓分流电阻，就是将固定阻值的感应电阻串联于被测支路中，采用不同的方法测量感应电阻两端的压差，以表征被测电流。

需要指出的是，参数检测单元5还包括对驱动器工作温度的监控，不同的气体放电灯特性差异较大，对应负载类型也不一样，反映在驱动器上的特性也会不一样，具体的电路发热点有所差异，比如变压器、电感、电容等。实际实施例需要根据情况对温度传感器做板载、粘贴、固化处理，针对多个发热点情况可以相应增加多个检测点，以便准确测量驱动器温度分布。

算法控制单元6接收参数检测单元5的参数输入，针对不同对参数或参数组合，经内置算法策略处理后控制输出调整单元4，从而达到动态检测调整输出对目的。

图3是一种驱动器实施例的工作流程图，主要有以下步骤：

步骤S201，启动驱动器上电，输入能量源；

步骤S203，供电单元2通过输出接口7驱动气体放电灯；

步骤S205，参数检测单元5检测驱动器工作参数（电压、电流、功率、频率

、温度）；

步骤S207，算法控制单元6接收驱动器参数输入，根据预设算法和控制策略，通过输出调整单元4控制可调整高电压单元3b的输出；

步骤S209，继续检测调整后的驱动器工作参数。

预设控制算法，一般是对温度和/或电性能参数做运算以判断启动状态、放电状态、放电效率、灯管老化情况等，比如图4就是一种外置电极气体放电灯装置在不同工作模式下的放电电流特性曲线，下面描述其常见意义和输出策略。

C0电流表示检测点断路，没有电流通过，但是检测单元可以运行，如果检测点在输出调整单元4的输入端，可以判定为输出调整单元4断路；如果检测点在输出调整单元4的输出端，可以判定为可调整高电压单元3b断路。

C1电流表示驱动器上电后有部分单元工作，常见现象有：灯光亮度不足，说明气体放电灯欠压/欠频率/欠功率运行，此时可以通过步骤S207来根据当前气体放电灯的放电模型调整对应的电压或电流或频率或功率输出；气体放电灯没有点亮，说明此时其他模块工作正常，因为环境或灯管原因导致没有正确激发，此时需要通过步骤S205和S207来综合判断，如果是驱动信号问题则可以通过调整输出单元4以重新激发，如果重新激发后依然无法启动则可认为气体放电灯管损坏，可以通过发出错误信号提示更换灯管。

C2是正常工作电流，此时电流值在设计的放电模型范围内，允许误差为±10%，均认为在正常状态。

C3是空气击穿电流值，在本实施例中，外置电极之间因为环境温湿度、空气颗粒浓度、海拔高度、形变等因素，都可能导致电极之间的空气击穿，此时击穿电流值大于当前气体放电灯的工作电流。在这种情况下，需要算法控制单元6控制输出模式为关闭状态，避免电极受到进一步的损坏和火灾风险。

以上是一种实施例下，气体放电灯装置的放电模型和算法控制逻辑，其实驱动器工作电压、频率和功率也分别有各自的输出特征。如图5揭示了一种气体放电灯装置放电电压与时间的关系，上电启动瞬间，由于外致电离，在灯管中存在带电粒子，在电场的作用下，这些带电粒子向电极运动，从而形成电压，随着电场的增强，带电粒子的速度增加，复合减少，使电压增大，再增大电压，则电场将初始带电粒子的速度增加到很大，它们与中性原子碰撞时能使之电离。而中性原子电离产生的电子又被电场加速后和另外一些中性原子作电离碰撞，形成更多的电子，这样一种繁衍过程使电子数雪崩式增加，管压降随即迅速降低，同时在灯管中产生了可见的辉光。此时放电能够自我维持，不再需要外致电离因素，管压降基本不变，进入稳定的正常辉光放电，之后通过参数检测单元5和输出调整单元4协同配合，维持电压稳定，即可保持辉光放电。如果电压继续升高则使得放电电流增加，造成管压上升，就会进入异常辉光放电或弧光放电，这是要尽力避免的。

图6为放电功率与时间的关系，遵循相同的逻辑。

图7-10是几种实施例下，不同灯管的放电特征，图7和图8因为电极和气体特性，导致出现电弧，整体发光效率偏低，相比而言，图9和图10大部分处于辉光放电状态，只在电极最短处出现少量弧光，效率相比更高。

Claims (10)

1.一种用于介质阻挡放电（DBD）灯异常监控，提升放电效率，改善启动性能的方法，所述该方法包括下列步骤：

选择驱动器参数如电流、电压、功率、温度、频率中至少一个信号值，作为驱动器的预定参考值，

检测所述灯的放电特性中至少一个实际参数值作为对比参考，

将实际参数值和预定参考值通过驱动器控制算法进行运算比较，根据结果不同来调整驱动器的输出模式。

2.根据权利要求1的方法，其中所述灯的放电特性中的至少一个实际参数值的步骤，包括如下步骤中的至少一个步骤：

确定放电电流，

确定放电电压，

确定放电功率，

确定放电频率，

确定工作温度。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述的预定参考值可以是单一的固定值，也可以是多个值组成的集合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于选择驱动器如电流、电压、功率、温度、频率中的至少一个信号值作为与至少一个预定参考值进行比较的步骤，包括下列步骤中的至少一个步骤：

比较实际参数值是否小于预定参考值或预定参考值集合的第一元素和/或第二元素，

比较实际参数值是否等于预定参考值或预定参考值集合的第一元素和/或第二元素，

比较实际参数值是否大于预定参考值或预定参考值集合的第一元素和/或第二元素。

5.一种驱动器，其用于气体放电灯，该驱动器包括：

算法控制单元，

供电单元，

参数检测单元，

输出调整单元，

所述参数检测单元将检测出的实际参数值传输给所述算法控制单元，比较运算后针对不同的结果根据预设的控制策略控制所述输出调整单元的输出模式。

6.根据权利要求5所述的驱动器，其中供电单元包括用于向灯提供高电压的可调整高电压单元和/或由能量源供电的可调整低电压单元。

7.根据权利要求5所述的驱动器，其中参数检测单元包括用于测量驱动器电流、电压、频率、功率以及温度中至少一个参数的装置。

8.根据权利要求5所述的驱动器，其中输出调整单元包括频率调整、电压调整、功率调整、电流调整装置中至少一种装置。

9.一种依照权利要求1-4中任何一项方法来操作的气体放电灯装置，包括：

介质阻挡放电灯，

依照权利要求5-8中任何一项的驱动器。

10.一种引入了权利要求5-8中任何一项的驱动器和/或依照权利要求 9 的气体放电灯装置的系统，其用在一个或多个下列应用中：

硬和 / 或软表面的流体和 / 或表面处理；

表面消毒，液体的消毒和/或净化，食物、饮料的处理和 / 或消毒，气体的处理和 / 或消毒，药物的清洗和 / 或消毒，组分的裂化和 / 或清除，半导体表面或表面组分的清洗和/ 或清除，生化反应的催化，皮肤辐射治疗。

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