CN1288651A - 用于操作高强度放电灯的电子镇流器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种操作高强度放电灯(4)的电子镇流器的方法和装置,镇流器具有一个驱动器(MGD),两个功率开关(PS1,PS2),一个LC串联电路(L,C1,C2),一个驱动器控制器(6),一个电流传感器(8),和一个功率传感器(10),所述方法包括:(a)在时间t1=n/f₁内产生频率为f₁的脉冲,f₁是LC谐振频率;(b)监测电流的存在;(c)监测灯电路中的电流,确定灯电路中的电流停止流动时进行步骤(h);(d)在时间t₂内持续产生脉冲;(e)切换到频率f2,在f2达到灯的设置功率;(f)通过改变频率f2监测和稳定灯的功率,超过设置功率时进行步骤(h);(g)根据步骤(c)和(f)来监测电流和功率;(h)在约t2/k的时间内抑制脉冲产生;(i)执行步骤(a)直到经过时间t₂;(j)抑制脉冲的产生直到功率被关断和接通。

Description

用于操作高强度放电灯的电子镇流器的方法和装置

本发明涉及用于高强度放电(HID)灯的电子固态镇流器的领域，尤其涉及利用操作如高压钠(HPS)灯这样的HID灯的固态镇流器的方法和装置。

术语“放电灯”是指这样一种灯，其中当电流通过存在于灯内的气体、金属蒸汽、或其混合物时，电能被变换成光射线能量。

目前，在本领域已公知用于放电灯，特别是用于荧光灯的电子镇流器的各种电路。一个具体的例子是图1中所示的电路，其使用推拉输出电路(半桥)拓扑学中的两个功率开关PS₁和PS₂以及由L-C串联谐振电路组成的管电路。例如，通过一个MOS门驱动器(IR2155)(MGD)驱动用功率MOSFETS表示的功率开关使其交替导通。该MGD提供高频(20至80kHz)方波输出，其振荡频率为： $f_{\mathrm{osc}}=\frac{1}{1.4R_T{C}_T}$

荧光灯2放电之前，谐振电路由串联连接的L,C₁和C₂组成。由于C₂的值低于C₁，因而C₂工作于比C₁更高的AC电压下，而事实上，正是该更高的电压使灯放电。在灯放电后，C₂通过灯的电压降被有效地短路，这样电路的谐振频率由L和C₁确定。

在谐振状态下，通过灯的正弦电压被放大，其放大因数为Q(Q为电路的品质因数)。并且该电压的幅值达到一个足以使灯放电的值，其后该灯产生非闪烁光。

上述基本电路很适于荧光灯，但不能用于电弧放电灯或HID灯的充分工作。

最初，HID灯为开路电路。倘若电压的短脉冲具有足够的幅值(约4,500伏)，则该短脉冲足以使灯放电。放电后，灯电阻急剧下降接着缓慢增大到其正常工作水平。从而，为了防止在放电后和升温期间损坏灯，必须限制灯电流。

HID灯的特性为由于稳定温度的缓慢上升在整个灯寿命期间其电压增大。因此，除非灯镇流器维持灯功率，否则灯的光输出将变化到不可接受的程度。

HID灯的镇流器装置应不同于荧光灯的镇流器，其主要原因如下：

1)这些装置应能经受开路工作状况；

2)其应能提供足够高的功率用于在3至4kV电压使灯放电；

3)其自身应能与灯电压的大的变化相适应；

4)镇流器不应使灯电弧放电不稳定，以及

5)镇流器应与灯特性相适合，从而使得灯的使用寿命最大。

因此，当用HID灯4代替图1的荧光灯时，如图2所示，由于以下主要原因图1的镇流器不能操作HID灯：

HID灯不能一贯地对放电敏感，其不必要处于准备放电的状态。实际上，图1的电路使得低功率(70-150W)、冷HID灯被放电，甚至使其处于工作模式。但是如果灯以额定功率工作并由于某一原因被关断，随后接通热灯的尝试将证明是不成功的并将损坏电路的主要部件(首先是功率开关)。

由图2可见，振荡电路仅在灯被放电(灯短路C₂电容器)时被短路。在其它所有情况中，当灯未被放电；没有灯；灯被损坏；灯电路被断开，等，振荡电路不被短路，其不可避免地导致装置的破坏。

由于这样的镇流器不可能提供实际工作状况下HID灯的可靠操作，不能将荧光灯的电子镇流器直接用于HID灯电路中。

因此，本发明的目的是一种用于操作HID灯的方法，该灯具有根据荧光灯电子镇流器的拓扑学构成的装置，其考虑这些灯的重要物理设计特征，如其对放电的不敏感性和在电路中缺少灯时该串联L-C电路不被断开这样的情况。从而所述方法提供HID灯的放电、加热和工作的最佳状况。

本发明提供一种用于操作高强度放电(HID)灯的电子镇流器的方法，所述电子镇流器具有一个驱动器、两个连接到半桥布置中的功率开关、一个LC串联电路、一个用于控制驱动器操作的驱动器控制器、灯电路中的电流传感器、和电源开关电路中的功率传感器，所述的方法包括：(a)在等于n/f₁的时间t1内产生频率为f₁的脉冲，这里n为正数，f₁等于镇流器的LC串联电路的谐振频率；(b)监测经过时间t1后灯电路中电流是否存在，以及在灯电路中没有电流的情况中进行步骤(h)；(c)监测灯电路中的电流，在确定灯电路中的电流停止流动时，进行步骤(h)；(d)在从步骤(a)产生所述脉冲开始算起的预定时间t₂内持续产生频率为f₁的所述脉冲；(e)将所述脉冲的频率f₁切换到工作频率f2，在f2达到灯的设置功率；(f)监测灯的功率并通过逐渐改变频率f2将该功率稳定到为灯设置的功率水平，以及在灯电路中的功率超过灯的设置功率给定余量的情况下进行步骤(h)；(g)根据步骤(c)和(f)来监测灯电路中的电流和功率；(h)在超过t1并近似等于t2/k的时间内抑制所述脉冲的产生，这里k为正数；(I)执行步骤(a)直到从步骤(a)产生脉冲开始算起经过所述预定时间t₂；以及(j)抑制所述脉冲的产生直到镇流器的功率被首次关断接着被接通。

根据本发明，还提供一种用于操作高强度放电(HID)灯的电子镇流器的装置，所述电子镇流器具有一个驱动器、一个包括两个连接到半桥布置中的功率开关的电源开关电路、和一个LC串联电路，所述装置包括一个用于控制所述驱动器工作的驱动器控制器、连接到通向和邻近HID灯电极的线路上的电流传感器、和装在电源开关电路中的功率传感器。

现在，参考以下附图，结合某些优选实施例来描述本发明以更彻底地理解本发明。

详细参考附图，应当强调的是通过例子来详细说明仅用于本发明优选实施例的示意性描述，其为了更易于理解本发明的原理和概念的描述。在这点上，没有作出比本发明的基础理解所需的描述更详细的描述来说明本发明的结构细节，结合附图来描述使本领域技术人员理解如何具体实施本发明的几种形式。

图1表示现有技术的用于操作荧光灯的电子镇流器的典型电路图；

图2表示其中用HID灯代替图1荧光灯的电路图；

图3表示利用本发明第一实施例的用于操作HID灯的固态镇流器的装置；

图4表示HID灯的触发、加热和工作的过程循环的波形；

图5表示灯短路情况下的波形图；

图6是灯电路故障情况下的波形图；

图7是驱动器控制器的详细电路图，主要表示其数字部分；

图8是驱动器控制器的详细电路图，主要表示其模拟部分；以及

图9表示利用本发明第二实施例的用于操作HID灯的固态镇流器的装置。

参考图3，示出了一种利用固态镇流器来触发和操作HID灯的电路。除了上述图1和2描述的电路本身的已知部件外，该电路还包括驱动器控制器6、连接到电路中通向和邻近HID灯电极的线路上的感应式电流传感器8、和装在电源开关电路中的公共导线上的灯功率传感器10。另外，示出了一个电源12，其适合为附图中所示非限制性具体例子提供合适的电能，用于操作400W HID灯的电子镇流器电路。

现在参考图4-6。

将电源12的电能应用到电路，驱动器MGD产生并使用预置的所需电压和电流。如图4中所示，波形Ⅰ表示驱动器的输出电压；波形Ⅱ表示灯4上的电压；以及波形Ⅲ表示传感器8上的电流。

通过在时间段t1=n/f1内产生频率为f1的脉冲来实施HID灯选定设置功率的放电，频率f1等于镇流器的LC串联电路的谐振频率，例如约50kHz，这里n为从3至10的正数。在整个持续过程中，输出级的全部电子部件经受远远超过工作模式电流的电流尖峰。然而，如果n/f1秒的持续放电脉冲没有使灯放电，则停止产生脉冲。在经过时间t2/k后，例如，约20秒内执行用相同的放电脉冲来使灯放电的又一次尝试，这里，k为正数，如图4b中可见。正数n和k可以是常数或不是常数。

由于热HID灯被冷却以使得其对放电再次敏感所需的时间最长约为2分钟，因而使用的放电脉冲数至少为6(见图4c至4e)。

HID灯放电前经过的时间，即，触发前使灯放电的脉冲组数，以离散的方式变化并取决于灯的状态和放电该灯的准备状态。例如，根据灯的“加热程度”(图4b-4)，通过第一放电脉冲来放电处于良好工作状况中的冷灯(图4a)，另一方面，通过随后的放电脉冲之一来放电热灯。很清楚一旦灯被放电，不停地产生频率f1，只要结束初始加热状态(从第一放电脉冲的初次应用算起约2分钟内)，便被转换到工作或操作频率f2，例如，约30kHz，灯持续加热直到达到工作模式。在灯电路中的电流传感器8中产生灯被触发的确认信号。

公知通过不小于1微秒宽度的单个脉冲放电HID灯需要3至4kV的峰值电压。如果将高电压脉冲串用于放电，则会降低灯所需的放电电压。在该特定的例子中，所需的电压不超过3kV。

驱动器MGD的工作模式考虑了HID放电灯的所有特性，从而可靠地提供放电、加热和正常工作模式。因此，驱动器控制器6支配驱动器的工作和初始预置加热频率f1。频率f1超过工作频率并以限定灯的初始加热电流的方式被确定。这减少了灯电极的腐蚀从而有助于延长灯的使用寿命。一旦灯被触发，将由驱动器控制器6控制灯的工作频率f2。由于从功率传感器10获得的反馈，工作频率以恒定的预置维持照明，或照明降低到通过驱动器控制器的设定给定的水平这样的方式平稳地变化。因此，通过逐渐改变频率f2，灯的功率被稳定在为特定的灯所设置的功率水平上。

此外，驱动器控制器6还支配对驱动器工作的抑制，在负载功率突然增加的情况下，例如，在灯线路短路的情况下，功率传感器10的信号超过额定功率一个给定的余量，并且驱动器控制器6在时间t2/k(例如，约20秒)内抑制驱动器工作，其后，驱动器控制器6转换到初始工作周期如图5中所示，其中Ⅰ是驱动器的输出电压，Ⅱ是灯4的电压，以及Ⅲ是功率传感器10的信号。

如果在接下来的2分钟左右内没有消除故障原因，驱动器控制器6抑制驱动器工作，直到电源12被切断接着被随后接通。

同样，驱动器控制器6从电流传感器8接收到信号时抑制驱动器工作，表示灯电路电流由于灯线路断开、灯故障等而停止，如图6中所示，其中Ⅰ是驱动器的输出电压，Ⅱ是灯4上的电压，以及Ⅲ是电流传感器8的信号。

参考图7和8，仅通过例子来说明控制器详细电路图的可能的实施例。

通常，驱动器控制器6的数字部分(图7)设置包括其加热期的灯触发循环的所有所需时间间隔，控制来自灯电路中的电流传感器的信号，以及产生三个输出信号：

1)信号P，允许驱动器开始产生脉冲；

2)信号f，将频率f1转换到工作频率f2，和

3)信号g，使得在通过灯电路中的电流传感器检测到没有电流的情况下切断电路。

驱动器控制器的模拟部分(图8)负责维持灯的设置功率，在灯电路中的功率超过设置功率一给定余量的情况下产生复位信号。可选择地设有光指示器90(图8)，当灯达到设置功率时其被接通。

通过部件18、20(图8)和22d(图7)来形成使电路到其初始状态所需的RESET信号。由振荡器/计数器24产生脉冲并每30秒重复所述脉冲。通过单稳多谐振荡器26、28设置脉冲宽度(100mks)。将电源提供到电路后如4秒，通过一个附加触发器30产生第一脉冲。二进制计数器32设置振荡器/计数器24以在两分钟间隔后复位，并形成用于将频率f1转换到工作频率f2的信号f。100mk的脉冲分别被提供到激活驱动器的电路和触发器44中，该驱动器由电阻器34、36、晶体管38、二极管40和电容器42组成。当灯被放电时，电流传感器8和由二极管46、电阻器48、齐纳二极管50和电容器52组成的电路一起形成设置触发器44的逻辑“1”信号，从而允许驱动器随后的工作。在电流传感器8和其相关的电路中没有信号产生的情况下，部件54形成RESET信号。LED 16指示触发器44进入RESET状态，即，该电路处于初始状态。在灯触发和随后的正常工作期间，关断LED 16。

用于控制电源的电路包括具有放大因数为如11的非倒相放大器56、用于比较来自放大器的信号和电阻器60、62形成的电压的比较器58、和使用包括电阻器68、70、72和晶体管74的偏置电路的倒相放大器64，其产生晶体管66正常工作所需电压。偏置电压在通过信号f接通晶体管74的情况中变化。由于栅/源结电容的变化，驱动器MGD产生的频率可随晶体管66源电压的改变而变化。运算放大器76在放大器56输出端上的电压超过电阻器78、80形成的参考信号的情况中形成RESET信号。功率控制电路因电容器82、84、86的存在而具有深度负反馈。比较器58的敏感性阈值和由此灯功率通过电位计88控制，由电位计88来设置保护阈值。LED 90为已经达到灯的设置功率提供指示。

在上述实施例中，电流传感器在经过持续时间t1=n/f1的时间段后读取谐振频率f1的灯电路中的电流。然而，当电流很小时，这需要一个单独的电流传感器，例如，一个能读取低电流的感应传感器。因此，根据图9中所示的另一个实施例，引入中间频率f2并且在经过持续时间t1+t2时间段后读取灯电路中的电流，其中t2=m/f2，m为整数。低于谐振频率f1的频率f2引入到镇流器的工作区，使得灯电路中的电流增加。通过电阻传感器，即，包括在给灯4馈电的下部开关电路中的功率传感器10，能读取灯电路中的电流。

显而易见，对于本领域的普通技术人员而言，本发明不限于上述实施例的详细描述，本发明可以用不背离本发明精神和基本特征的其它具体形式来实施。从而，本实施例是说明性的并不作为限定，本发明的保护范围不是由上述描述来限定，而是由后附的权利要求书来限定，因此，在本权利要求范围内的所有改变均在其保护范围内。

Claims (24)

1．一种用于操作高强度放电(HID)灯的电子镇流器的方法，所述电子镇流器具有一个驱动器、两个连接到半桥布置中的功率开关、一个LC串联电路、一个用于控制驱动器操作的驱动器控制器、灯电路中的电流传感器、和电源开关电路中的功率传感器，所述的方法包括：

(a)在等于n/f₁的时间段t1内产生频率为f₁的脉冲，这里n为正数，f₁等于镇流器的LC串联电路的谐振频率；

(b)监测经过时间t1后灯电路中电流是否存在，以及在灯电路中没有电流的情况下进行步骤(h)；

(c)监测灯电路中的电流，在确定到灯电路中的电流停止流动的情况下，进行步骤(h)；

(d)在从步骤(a)产生所述脉冲开始算起的预定时间t₂内持续产生频率为f₁的所述脉冲；

(e)将所述脉冲的频率f1切换到工作频率f2，在f2达到灯的设置功率；

(f)监测灯的功率并通过逐渐改变频率f2将该功率稳定到为灯设置的功率水平，以及在灯电路中的功率超过灯的设置功率给定余量的情况下进行步骤(h)；

(g)根据步骤(c)和(f)来监测灯电路中的电流和功率；

(h)在近似等于t2/k的时间段内抑制所述脉冲的产生，这里k为正数；

(i)执行步骤(a)直到从步骤(a)产生脉冲开始算起经过所述预定时间t₂；以及

(j)抑制所述脉冲的产生直到镇流器的功率被首次关断接着被接通。

2．如权利要求1所述的方法，其中n是从3到10的数。

3．如权利要求1所述的方法，其中t2时间是2到15分钟。

4．如权利要求1所述的方法，其中k是从6到30的数。

5．如权利要求1所述的方法，其中n是常数。

6．如权利要求1所述的方法，其中n不是常数。

7．如权利要求1所述的方法，其中k是常数。

8．如权利要求1所述的方法，其中k不是常数。

9．一种用于操作HID灯的电子镇流器的方法，所述电子镇流器具有一个PFC、一个驱动器、两个连接到半桥布置中的功率开关、一个LC串联电路、一个用于控制驱动器操作的驱动器控制器、和电源开关电路中的功率传感器，所述的方法包括：

(a)在等于n/f的时间t1内产生频率为f₁的脉冲，这里n为正整数，f₁等于镇流器的LC串联电路的谐振频率；

(b)将所述频率f1切换到频率f2,f2低于f1；

(c)在经过等于m/f2的预定时间段t2后读取灯电路中的有功功率，其中m为正整数，如果在灯电路中没有读取到有功功率，进行步骤(h)；

(d)当在步骤(a)中开始产生脉冲时，开始在预定时间段t3继续产生频率为f2的所述脉冲；

(e)将所述脉冲的频率f2切换到工作频率f3，在频率f3达到灯的设置功率；

(f)监测灯的功率并通过逐渐改变工作频率f3将该功率稳定到为灯所设置的功率水平；

(g)监测灯电路中的有功功率，当没有读取到有功功率时进行步骤(h)；

(h)在近似等于t3/k的预定时间段内停止产生所述脉冲，这里k为正整数；

(i)执行步骤(a)直到经过所述预定时间段t3；

(j)在预定时间段t4内停止产生所述脉冲；

(k)如果在步骤(c)期间已经发生了向(h)的转移，则重复步骤(a)、(b)、(c)p次，其中p是正整数；以及

(l)停止产生所述脉冲直到镇流器的电源被关断并随后被接通。

10．如权利要求9所述的方法，其中n是从3到10的整数。

11．如权利要求9所述的方法，其中m是从3到10的整数。

12．如权利要求9所述的方法，其中k是从4到30的整数。

13．如权利要求9所述的方法，其中p是从3到5的整数。

14．如权利要求9所述的方法，其中时间段t3是2到5分钟。

15．如权利要求9所述的方法，其中时间段t4是10到20分钟。

16．如权利要求9所述的方法，其中n是常数。

17．如权利要求9所述的方法，其中n不是常数。

18．如权利要求9所述的方法，其中k是常数。

19．如权利要求9所述的方法，其中k不是常数。

20．如权利要求9所述的方法，其中p是常数。

21．如权利要求9所述的方法，其中p不是常数。

22．一种用于操作高强度放电(HID)灯的电子镇流器的装置，所述电子镇流器具有一个PFC、一个驱动器、一个包括两个连接到半桥布置中的功率开关的电源转换电路、和一个LC串联电路，所述的装置包括：

一个用于控制所述驱动器操作的驱动器控制器；

连接到通向和邻近HID灯电极的线路上的电流传感器；和

装在电源开关电路中的功率传感器。

23．如权利要求22所述的装置，其中所述电流传感器是感应型传感器。

24．如权利要求22所述的装置，其中所述的灯功率传感器和所述的电流传感器是电阻型传感器。

Images