CN1228240A

CN1228240A - 操作放电灯的电路装置

Info

Publication number: CN1228240A
Application number: CN98800606A
Authority: CN
Inventors: A·W·布伊; H·F·P·米希尔斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 1999-09-08
Also published as: WO1998051133A2; JP2000514951A; EP0925711A2; WO1998051133A3; US5962985A

Abstract

按照本发明的用来操作放电灯(Ⅰ)的一种电路装置包括一个自振荡DC/AC转换器(Ⅱ)，转换器具有设在连接到一个DC电压源(Ⅲ)的第一和第二输入端子(2，2’)之间的第一和第二开关元件(1，1’)的串联装置A。在正常操作期间，串联装置A向一个具有用来连接放电灯(Ⅰ)的输出端子(6a，6b)的负载支路提供交流电流Ⅰb。按照本发明的电路装置还设有一个由装置(15，12’)构成的起动器电路ST，用来在第二开关元件(Ⅰ’)的控制电极(1c’)和主电极(1a’)之间产生一个DC电压分量。起动器电路ST还设有由辅助开关(25)构成的装置M。如果交流电流Ⅰb的幅值低于正常操作期间的幅值，作为第一开关元件(1)的装置M就进入导通状态。用装置M避免对开关元件(1，1’)的损害，并且促进正常操作状态的起动。

Description

操作放电灯的电路装置

本发明涉及到用来操作放电灯的一种包括自振荡DC/AC转换器的电路装置，这种转换器具有：

设在连接到一个DC电压源的第一和第二输入端子之间的第一和第二开关元件的串联装置A，

在正常操作期间，串联装置A向一个负载支路提供交流电流Ib，该负载支路中至少包括第一电容装置C1，电感装置，以及用来连接放电灯的输出端子，

负载支路的第一端连接到位于串联装置A的第一和第二开关元件之间的一个节点上，其第二端连接到一个输入端子，

开关元件各自具有一个控制电极和一个主电极，装备有装置S和装置S’的控制电路被连接到主电极上，用来按照交流电流Ib分别为第一和第二开关元件产生一个控制信号，

一个起动器电路ST包括用来在第二开关元件的控制电极和主电极之间产生一个DC电压分量的装置。

在US4,748,383中公开了这种电路装置。该电路是为具有一个线圈和一个放电管的无电极放电灯而设计的。在正常操作期间，线圈产生一个高频的磁场，使放电管维持在放电状态。线圈被连接到负载支路的输出端子。输出端子被一个电容和一个变压器的原边绕组的串联结构旁路。各个开关元件的控制电路包括一个副边绕组。变压器的原边绕组和副边绕组构成了一个装置，用来从交流电流Ib中产生控制信号。在第二开关元件的控制电极和主电极之间用来产生DC电压分量的装置是由与产生控制信号的装置串联连接并且设在第二输入端和第二开关元件的控制电极之间的电阻装置和第二电容装置构成的。

在电路装置被接通时，电流通过起动器电路的电阻装置流向第二开关元件的控制电极，使后者进入导通状态。然后，电流流过第二开关元件，第一电容装置，并且流经变压器的原边绕组，这样就能对第一电容装置充电。因此，节点P上的平均电压就会从零上升到正常操作期间所具有的值。当DC/AC转换器在充电过程中开始振荡时，这种振荡的幅值在开始时很低，流过负载支路的电流是可变的直流电流。如果第二开关元件处在不导通状态，第一开关元件就必须接通反方向的电流。通过负载支路的电流则跟着反向，开始第一开关元件的一个恢复间隔，使峰值电流通过串联装置A上升。过大的峰值电流值有可能造成开关元件的损坏。为了避免这种情况，需要为第一电容装置选择一个比较低的电容值。然而，低电容值所带来的缺点在于要求在很短的时间内达到正常操作状态。有可能出现这样的情况，那就是第一电容装置在本身开始振荡之前可能就已经充电了。这样就会使公知的电路装置不适合在比较低的频率下工作，例如在100kHz以下的频率。

如果DC/AC转换器的输入端子之间的电压上升很慢也有可能无法自动地开始正常操作。在这种情况下，第二开关元件在第一电容装置的充电过程中导通的电流强度很小，开关元件的增益不足以获得足够的共振放大量。如果不能达到正常操作状态，DC/AC转换器就会停留在一个状态，使第一开关元件不导通，并且第二开关元件导通。在这种状态下，当第一电容装置完成充电之后，在负载支路中不会有电流流过。

本发明的目的是在开篇所述的电路装置提供一种措施，用来避免对开关元件的损害，并且促进正常操作状态的起动。按照本发明，用来实现该目的的电路装置的特征在于起动器电路ST另外还设有装置M，上述装置M包括一个辅助开关元件，用来在交流电流Ib的幅值低于正常操作期间的幅值时使第一开关元件处在导通状态。由于第一开关元件在电路装置被接通之后也会进入导通状态，电流不但可以通过负载支路还可以通过第一开关元件流到第二开关元件。开关元件的导通图形中固有的噪声在通过负载支路的电流中会引起波动。这些波动被放大后产生振荡，振荡的幅值逐渐上升，直到DC/AC转换器达到一个正常操作状态。开关元件在DC/AC转换器的正常操作状态下交替地导通。因此，在本发明的电路装置中，使开关元件同时进入导通状态的方式可以有效地促进正常操作状态的实现。在本发明的电路装置中，达到正常操作的有效时间不会受到第一电容装置C1的限制。当幅值足够高时，例如至少应达到正常操作幅值的三分之二，装置M的作用就结束了。第一开关元件的状态完全是由它的控制电路S来确定的。

在尚未公开的国际专利申请IB97/00277中描述了一种具有自振荡DC/AC转换器的电路装置，在接通电路装置时，将一个脉冲电压施加在第一开关元件的控制电极和主电极之间。这种脉冲电压与交流电流的幅值无关。但是缺少一个辅助开关元件。

如权利要求2所限定的本发明电路装置的实施例所具有的优点是可以采用简单的装置获得辅助开关元件的控制信号，其中第一开关元件控制信号的幅值范围对应着切换辅助开关元件所需的范围。

在权利要求3中描述了权利要求2所限定的实施例的一种实用方案。当辅助开关元件处在非导通状态时，虽然交流电流Ib具有一个比较低的幅值，但是在控制电极和第一输入端之间延伸的分压器第二支路上会出现一个使第一开关元件进入导通状态的DC电压分量。交流电流Ib的幅值足够高的时候，通过从控制电极上接收到的信号使辅助开关元件进入导通状态。因此，在分压器的第一支路上，第一和第二局部支路的公共节点可以达到第一输入端子的电位，这样就消除了控制电极和第一输入端子之间的DC电压分量。

或者是用装置M在第二输入端子和第一开关元件的控制电极之间构成一个支路，将辅助开关元件与其中的电阻装置串联连接。在这一实施例中，辅助开关元件在通电之后立即进入导通状态，从而通过上述支路将DC电压分量施加在第一开关元件的控制电极上。当交流电流Ib的幅值达到足够高时，辅助开关元件就进入非导通状态，从而消除DC电压分量。

如果电路的部件采取紧凑的结构，在辅助开关元件与第一和第二开关元件构成的串联装置A之间就有可能出现寄生的耦合。权利要求4的实施例可以避免在第一开关元件的控制电极上出现会使其进入非导通状态的电压。

权利要求5描述了一种具体的实施例，用来从交流电流Ib产生控制信号。例如可以用变压器的原边绕组来短路负载支路的输出端子，例如是与一或多个其他元件串联。或者是可以将变压器的原边绕组与输出端子串联。在本实施例的一种变形中，利用光电耦合器从交流电流Ib中产生控制信号。

DC/AC转换器可以由一个完整的半桥式电路构成，其中的第一电容装置包括第一电容阻抗，其一侧构成负载支路的第二端，并且和第二电容阻抗共同构成输入端子之间的一个附加串联装置。在另一个实施例中，DC/AC转换器是一个不完整的半桥式电路，由其中的第一电容装置构成单个电容阻抗。

以下要参照附图对这种电路装置的各个方面进行更详细的说明，用一个附图来表示一个实施例。

图1表示用来操作设有自振荡DC/AC转换器II的一个放电灯I的电路装置。DC/AC转换器II具有连接到一个DC电压源III的第一和第二输出端子2，2’。此处的DC电压源是一个DC/AC转换器，其输入端子连接到公共电源的P，N极。DC/AC转换器设有由第一和第二输入端子2，2’之间的第一和第二开关元件1，1’构成的串联装置A。第一开关元件的一个主电极1a被连接到第一输入端子2。第一开关元件1的另一个主电极1b被连接到第二开关元件1’的一个主电极1a’。第二开关元件1’的另一个主电极1b’被连接到第二输入端子2’。串联装置A具有一个处在第一和第二开关元件1，1’之间的节点P。串联装置A在正常操作期间向负载支路提供交流电流Ib，本例中频率大约为3MHz。负载支路包括由电容阻抗3构成的第一电容装置C1，变压器4的原边绕组4a和一个电感阻抗5构成的电感装置，以及连接到放电灯I上的输出端子6a，6b。在一个实施例中，电感阻抗5和变压器4的原边绕组4a是一个整体。电容阻抗3，变压器4的原边绕组4a以及电感阻抗5被串联连接在串联装置A的节点P和一个输出端子6a之间。另一个输出端子6b被连接到第一输入端子2。电容阻抗3的一侧构成了负载支路的第一端7a，将其连接到节点P上。节点P就是第一开关元件1的另一个主电极1b和第二开关元件1’的一个主电极1a’之间的连接点。输出端子6b构成了负载支路的第二端7b，将其连接到一个输入端子2。将一个放电灯I连接到输出端子6a，6b上。放电灯I是具有一个围住放电空间10的放电管8和一个线圈9的低压汞放电灯。线圈9产生一个交变磁场，用来在放电间隙10中维持放电。输出端子6a，6b被一个电容阻抗11短路。电容阻抗11和电感阻抗5以及放电灯I的线圈9构成了一个共振电路。

在另一个实施例中，在放电灯I上用装在放电管内侧或是外侧的电极代替了线圈，用来维持放电。每个电极各自具有用来提供电流的导线，将导线连接到DC/AC转换器的输出端子上。

控制电路中包括连接到第一开关元件1的控制电极1c和主电极1a上的装置S，用来从交流电流Ib产生一个控制信号。在这种情况下，装置S是由变压器4的副边绕组4b构成的。控制电路进一步包括一个电容阻抗13和击穿元件14a，14b。副边绕组4b的一端4ba连接到第一开关元件1的主电极1a。副边绕组4b的另一端4bb通过一个电容阻抗12连接到第一开关元件1的控制电极1c。电容阻抗12构成了下文所述的起动电路ST中的一部分。使第一开关元件1的控制电极1c和主电极1a短路的电容阻抗13和变压器4的副边绕组4b共同构成了一个共振电路。第一开关元件1的控制电极1c和主电极1a另外还被相互反方向串联的击穿元件14a，14b短路。击穿元件用来保护开关元件1，1’，防止在其控制电极1c，1c’上出现过电压。第二开关元件1’的控制电路部件对应着第一开关元件1的部件，并且采用了加上标记(’)的相同的符号。第二开关元件1’的控制电路与第一开关元件的不同之处在于副边绕组4b’中产生的电压极性与副边绕组4b的电压极性相反。

按照本发明的电路装置还包括一个起动电路ST，它具有用来在第二开关元件1’的控制电极1c’和主电极1a’之间产生一个DC电压分量的装置。在图示的实施例中，这些装置包括一个电阻阻抗15和一个电容阻抗12’。电阻阻抗15被连接在第二输入端子2’和第二开关元件1’的控制电极1c’之间。电阻阻抗15也是下述的装置M中的一部分。电容阻抗12’和变压器副边绕组4b’构成的用来产生控制信号的装置S’被串联连接在第二开关元件1’的控制电极1c’和主电极1a’之间。

起动电路ST还设有装置M，用来在交流电流Ib的幅值低于正常操作幅值时使第一开关元件进入导通状态，该装置M是由一个辅助开关元件25构成的。

装置M还包括一个分压器15-18，一个单向元件23，一个电阻阻抗22，以及一个电容阻抗12。

分压器15-18将输入端子短路，它包括由电阻阻抗15，16和17的串联结构构成的第一支路，以及由电阻阻抗18构成的第二支路。支路的公共节点20被连接到第一开关元件1的控制电极1c。第一支路中具有由电阻阻抗15和16构成的第一局部支路，并且连接到第二输入端子2’。由电阻阻抗17构成的第二局部支路被连接到支路的公共节点20上。局部支路的公共节点21通过辅助开关元件25被连接到第一输入端子2上。

辅助开关元件25接收另一个由交流电流Ib确定的控制信号。辅助开关元件25从第一开关元件1的控制电路接收其另一个控制信号，将辅助开关元件25的控制电极25c通过电阻阻抗22连接到变压器4的副边绕组4b的一端4bb。

辅助开关元件25被一个单向元件23短路。单向元件23被包括在第一和第二输入端子2，2’之间的一个反方向支路15，16，23中。

以下要说明图示电路装置的工作方式。当DC电压被加到输入端子2，2’上时，通过分压器15-18将电压提供给第一和第二开关元件1，1’的控制电极1c，1c’，使这些开关元件进入导通状态。此时有电流流过两个开关元件。流经每个开关元件的电流中存在波动。因此，提供给负载支路的差分电流中也会出现波动。通过变压器4由这种波动中产生一个控制信号，该信号反映了开关元件1，1’的导通状态。被放大的波动会产生振荡，使节点P上的电压幅值逐渐上升。由于两个开关元件最初时都是导通的，已经被充电的第一电容装置C1不会阻止振荡的产生。在串联装置A的节点P上，电压的幅值会不断上升，直到开关元件1，1’的导通状态在基本上完全导通和基本上完全不导通之间发生变化的时刻为止。然后，DC/AC转换器就进入了工作状态，使节点P上的电压在第一输入端子2的电压和第二输入端子2’的电压之间基本上按照方波的形式变化。如果交流电流Ib的幅值足够高，另一个控制信号就会使辅助开关元件25进入导通状态，使分压器的第一和第二局部支路的公共节点21获得第一输入端子上的电压。第一开关元件1的控制电极1c和主电极1a之间的DC电压分量也就消失了。

由于这种电路装置是在高频条件下工作的，可以用非常简单的装置从第一开关元件1的控制电路中产生辅助开关元件25的另一个控制信号。在此处可以采用用来限制控制信号的电阻阻抗22。这样就能防止损坏辅助开关元件。辅助开关元件25在使用DC/AC转换器高频操作的正常操作期间是饱和的，因此，它在另一个控制信号的两种状态下都可以维持导通。在低频操作时需要用额外的装置来产生另一个控制信号，例如在几十KHz的频率上。这些额外的装置包括与电阻阻抗23串联的一个单向元件和一个用来短路电极25c和25a的电容元件。在上述电路装置的一个具体实施例中，电阻阻抗15和16的电阻值分别是1MΩ。电阻阻抗17和18的电阻值分别是20KΩ。电阻阻抗22的电阻值也是20KΩ。电容阻抗3和电容阻抗11的电容值分别是100nF和680nF。电容阻抗12和12’的电容值各自是47nF。电容阻抗13和13’的电容值是2.2nF。电感阻抗5和线圈9各自的自感值是30μH和8μH。击穿元件14a，14b，14a’，14b’都是由击穿电压为10V的齐纳二极管构成的。选择的值可以在放电灯点火之前被击穿，但是在灯的工作期间不会击穿。用一个BC848型的晶体管作为辅助开关元件25。单向元件23是用1N4148型的二极管构成的。第一和第二开关元件是IRFU420型的MOSFET。变压器4具有一个软磁材料的环形铁心。绕组4a，4b，4b’各自具有六匝。变压器的自感是1μH。无电极低压汞放电灯I在工作状态下的耗电量是20W。

按照本发明的电路装置的开关性能是没有装置M的同类电路装置所无法比拟的。如果将两种电路装置连接到一个电压不规则间断的AC电压源上，没有采用本发明的电路装置不能连续地重新起动正常操作，而本发明的电路装置每次都能够可靠地起动正常操作。

Claims

1.用来操作放电灯(I)的一种包括自振荡DC/AC转换器(II)的电路装置，这种转换器具有：

设在连接到一个DC电压源(III)的第一和第二输入端子(2，2’)之间的第一和第二开关元件(1，1’)的串联装置A，

在正常操作期间，串联装置A向一个负载支路提供交流电流Ib，该负载支路中至少包括第一电容装置C1，电感装置(4a，5)，以及用来连接放电灯(I)的输出端子(6a，6b)，

负载支路的第一端(7a)连接到位于串联装置A的第一和第二开关元件(1，1’)之间的一个节点(P)上，其第二端(7)连接到一个输入端子(2)，

开关元件(1，1’)各自具有一个控制电极(1c，1c’)和一个主电极(1a，1a’)，装备有装置S(4b)和装置S’(4b’)的控制电路被连接到主电极上，用来按照交流电流Ib分别为第一和第二开关元件产生一个控制信号，

一个起动器电路ST包括用来在第二开关元件(1’)的控制电极(1c’)和主电极(1a’)之间产生一个DC电压分量的装置(15，12’)，

其特征在于起动器电路ST另外还设有装置M，上述装置M包括一个辅助开关元件(25)，用来在交流电流Ib的幅值低于正常操作期间的幅值时使第一开关元件(1)处在导通状态。

2.按照权利要求1的电路装置，其特征是辅助开关元件(25)是由第一开关元件(1)的控制电路发出的另一个控制信号来控制的。

3.按照权利要求1或2的电路装置，其特征是装置M还包括一个用来旁路输入端子(2，2’)的分压器，它包括一个第一支路(15，16，17)和一个第二支路(18)，这些支路的公共节点(20)被连接到第一开关元件(1)的控制电极(1c)，上述第一支路的第一局部支路(15，16)连接到第二输入端子(2)，其第二局部支路(17)连接到上述支路的公共节点(20)，而这些局部支路的公共节点(21)通过辅助开关元件(25)连接到第一输入端子(2)。

4.按照权利要求3的电路装置，其特征是，随着第一和第二输入端子(2，2’)之间的一个支路的反向排列，辅助开关元件(25)被一个接入的单方向元件(23)旁路。

5.按照前述任何一项权利要求的电路装置，其特征是用来按照交流电流Ib产生控制信号的装置S，S’分别是由一个变压器(4)的一个副边绕组(4b，4b’)构成的，变压器的原边绕组(4)设在负载支路中。