CN1559161A - 可调节灯启动电流的电子镇流器 - Google Patents

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Abstract

一种可调节灯启动电流的电子镇流器。在本发明的一个方面中，电子镇流器包括：与交流电源相连的输入级，所述输入级可将交流电压转换为直流母线电压；具有与母线电压相连的输入端和与灯相连的输出端的输出级，所述输出级可以(i)在稳态工作方式下给灯提供功率以产生灯电压和灯电流；和(ii)在灯工作的启动阶段给灯提供灯启动电流；以及电流调节电路，所述电路可调节灯启动电流使灯启动电流超过稳态灯电流值，并使灯启动电流在母线电压增加或灯电压下降时随之增加。输出电路包括电感器电流从中流过的主高频开关电感器，其中灯电流取决于所述电感器电流。在一个实施例中，电流调节电路还包括用于将灯启动电流限制在预定值的限流电路。在另一实施例中，电流调节电路还包括根据母线电压大小来调节灯启动电流强度的反馈电路。在另一实施例中，电流调节电路还包括用于换向时限制电感器电流强度的电路。

Description

可调节灯启动电流的电子镇流器
本发明涉及可调节灯启动电流的、用于高强度放电灯的电子镇流器。
通常，弧光放电灯如高强度放电(HID)灯在触发后会立即经历一个启动阶段，此时灯被加热且放电压力增大。在启动初始灯电压一般较低(20V)。通常希望在启动期间为灯提供大于稳态电流的电流，以便正确地加热电极并快速地增大灯内压力。灯经过启动阶段后，灯的电压最终将达到其稳态值(如90V)，电路也将提供合适的稳态电流。
在现有技术中，无论用于驱动灯的电路拓扑学结构如何，都需要一种能够正确地控制启动电流的方法。这通常要求能用适当的控制法检测灯电流和灯电压，并根据灯的状态来调节启动电流。检测灯电流和电压会引起电路中的损耗。
因此，所需要的是一种无须检测灯电流或灯电压且能有效地控制HID灯中的启动电流的方法和相应的电路。
本发明提供一种可调节灯启动电流的电子镇流器。在本发明的一个方面中，电子镇流器包括：与交流电源相连的输入级，所述输入级可将交流电压转换为直流母线电压；具有与母线电压相连的输入端和与灯相连的输出端的输出级，所述输出级可以(i)在稳态工作方式下给灯提供功率以产生灯电压和灯电流；和(ii)在灯工作的启动阶段给灯提供灯启动电流；以及电流调节电路，所述电路可调节灯启动电流以使灯启动电流超过稳态灯电流值，并使灯启动电流在母线电压升高或灯电压下降时随之增加。输出电路最好包括电感器电流从中流过的主高频开关电感器，而所述灯电流取决于所述电感器电流。在一个优选实施例中，电流调节电路还包括限流电路，所述电路用于将灯启动电流限制在预定值内。在另一优选实施例中，电流调节电路还包括根据母线电压的大小来调节灯启动电流强度的反馈电路。反馈电路最好包括用于将母线电压与预定的参考电压进行比较的电路。在另一优选实施例中，电流调节电路还包括用于在换向时限制电感器电流强度的电路。
在另一方面，本发明提供一种用于操作电子镇流器的方法，所述方法包括如下步骤：(a)提供电子镇流器，它包括与交流电压源相连并具有可将交流电压转换成直流母线电压的电路的输入级、具有与母线电压相连的输入端和与灯相连的输出端并可为灯提供功率以产生灯电压和灯电流的输出级、以及用于调节灯启动电流的电流调节电路，所述电子镇流器具有触发工作方式、紧接于触发工作方式之后可为灯提供启动电流的后触发工作方式以及稳态工作方式；(b)起动电子镇流器的触发工作方式；(c)接着，起动后触发工作方式；以及(d)调节灯启动电流以使灯启动电流超过稳态灯电流值，并使灯启动电流在母线电压增加或灯电压下降时随之增大。
在一个实施例中，所述方法包括采用限制电路以便将灯启动电流限制在预定值的步骤。
在另一实施例中，所述方法包括根据母线电压的大小来调节灯启动电流的强度的步骤。
在另一实施例中，所述方法包括在换向时限制电感器电流的强度的步骤。
结合附图并参考本发明下述说明性实施例的详细描述，可以更清楚地理解本发明的上述特征，附图中：
图1是根据本发明一个实施例的具有灯启动电流调节的电子镇流器的电路图。
图2是与图1所示电子镇流器相对应的波形图。
图3是根据本发明另一实施例的具有灯启动电流调节的电子镇流器的电路图。
图4是根据本发明又一实施例的具有灯启动电流调节的电子镇流器的电路图。
图5是根据本发明另外一个实施例的具有灯启动电流调节的电子镇流器的电路图；
图6是与图5所示电子镇流器相对应的波形图。
现在参考附图，在这几个附图中采用一样的标号和标记表示相似或相同的元件。图1详细地显示本发明的电子镇流器100。电子镇流器100大体上包括交流电源102、电磁干扰(EMI)滤波器104、预调节器106以及输出级或激励级108。交流电源102提供低频(60Hz)正弦电压。电子镇流器100还包括电容器C3和C4，它们是两端施加有母线电压Vbus的主储能电容器。镇流器100包括输入二极管109。
输出级108包括由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)110和112、电感器L1和变压器T1形成的半桥。电感器L1是电感器电流iL1从中流过的主高频开关电感器。变压器T1是小型饱和变压器，它用于检测电流iL1的过零点。当流经变压器的电流为零时变压器T1提供高脉冲。与灯114并联的电容器C5为滤波电容器。
根据本发明的这一实施例，电子镇流器100是在恒定工作时间控制下和临界间断传导方式(″CDCM″)下工作的。当给灯114提供正电流时，MOSFET110用作充电开关，而MOSFET112用作放电开关。在CDCM工作方式下，流经电感器L1的电流iL1在零点处开始每次高频开关循环。MOSFET110接通并持续一段恒定工作时间tON，这使得电流iL1直线上升。在达到工作时间之后，MOSFET110断开(切断)而MOSFET114接通(开启)，从而使电感器电流iL1直线下降回零。当变压器T1检测的电流iL1达到零值时，开关循环重复。当为灯114提供负电流时，MOSFET110和112的角色互相转换，电感器L1中的电流极性为负。在一个实施例中，采用低频时钟信号Vclock(见图2)来确定MOSFET110和112的角色何时转换，从而控制负载(即灯114)的交换。图2显示电感器电流iL1和流经灯114的电流(即iLamp)随时间变化的波形，以及时钟信号Vclock随时间变化的相应波形。电感器电流iL1的峰值可从等式(1)中确定：
i L 1 peak = 1 L 1 ( 1 2 V bus - V lamp ) t on - - - - ( 1 )
电感器L1中的峰值电感器电流iL1peak与工作时间ton成正比。它还是母线电压Vbus和灯电压的函数。由于电子镇流器100是在CDCM下工作，所以电感器L1中的平均电流，即提供给灯114的电流，正好是峰值电流的一半。
为了说明本发明的这个实施例，假定在灯功率较低时母线电压被控制为高值(如500V)，这对应于未触发的灯或处于灯工作的初始启动阶段的灯。随着灯经过启动阶段且灯的功率增大，母线电压下降。当灯接近稳态功率水平(如70W)时，母线电压被调节为稳态值(如400V)。
等式1表明，如果工作时间ton保持恒定，那么峰值电流iL1peak将是母线电压和灯电压的函数。如果母线电压增大，则电流iL1增大。另外，如果灯电压Vlamp下降，则电流iL1增大。由于在启动初始阶段母线电压较高而灯电压较低，因此这两种情况均会增大启动电流。表I比较了启动初始阶段和在恒定工作时间里处于稳态时的电流值。
                    表I
条件 Vbus  Vlamp  iL1peak  ilamp
稳态 400V  90V  1.60A  0.80A
启动 500V  20V  3.35A  1.67A
表I介绍在90V和0.8A额定值下驱动的70W灯。当母线电压Vbus为500V和灯电压Vlamp为20V时，灯电流ilamp为1.67A，这几乎是稳态灯电流0.8A的两倍。因此，在启动期间，灯电流ilamp倍增而工作时间ton保持恒定。这种增大的灯电流ilamp使灯114快速启动。随着灯114的升温，母线电压Vbus下降而灯电压Vlamp增大，这使得灯电流ilamp下降并最终停留在稳态值。
因此，通过使电子镇流器100工作在恒定工作时间(ton)控制下的CDCM，就可以利用与负载有关的母线电压调节方法来增大启动电流，所述方法公开于2001年5月15日提交的、题为“具有与负载有关的母线电压调节的高功率因子电子镇流器”的共同拥有和共同未决的美国专利申请No.09/855469中，所述申请的公开内容被引用结合于本文中。电子镇流器100并不需要对灯电压或电流进行任何检测，除进行母线电压调节的控制外也不需要其它的控制。
图3显示本发明的另一实施例，它提供可限制启动电流的限流功能。电子镇流器200大体上包括交流电源202、EMI滤波器204、预调节器206以及输出级或激励级208。交流电源202提供低频(60Hz)正弦电压。电子镇流器200还包括电容器C6和C7，它们是两端施加母线电压Vbus的主储能电容器。电子镇流器200包括输入二极管209。
输出级208包括由MOSFET210和212形成的半桥。电感器L2是电感器电流iL2从中流过的主高频开关电感器。变压器T2是小型的饱和变压器，用于检测电流iL2的过零点。当流经变压器的电流为零时变压器T2提供高脉冲。与灯214并联的电容器C8为滤波电容器。输出级208还包括MOSFET激励电路216，所述电路根据信号217a和217b的电平可输出能够接通和断开MOSFET 210和212的控制信号217a和217b。
电子镇流器200还包括控制电路218。控制电路218大体上包括零电流检测电路220和工作时间(Ton)发生电路222。控制电路还包括限流电路，所述限流电路包括电阻器R1、二极管224、电容器C9、MOSFET226和S-R触发器228。S-R触发器228的Q输出端连接到MOSFET激励电路216的激励器断路信号输入端。控制电路218还包括接口逻辑电路230。逻辑电路230包括两个输入端，一个与工作时间Ton发生电路222的输出端相连，而另一个和零电流检测电路220的输出端相连。
从主高频电感器L2上分出次级线圈并经二极管224整流，然后通过电阻器R1和电容器C9积分。电容器C9上产生的电压与电感器电流iL2成正比。MOSFET 226起开关作用，它可在每次开关循环期间使电容器C9的电容器电压复位。电容器C9上的电压用于指示电感器电流iL2何时达到最大值。限流电路输出峰值检测信号232，然后将信号直接输入到S-R触发器228的S(置位)输入端。当信号232的信号电平超过S-R触发器228的S输入端的逻辑阈值时，触发器232的Q输出端变化到一个特定电平，所述电平可使MOSFET激励电路216断开MOSFET 210和212，从而防止电感器电流iL2的进一步增大。
TON发生电路222产生具有指定持续时间TON的脉冲信号232。脉冲信号232输入到接口电路230中，作为响应，接口电路230产生可输入到MOSFET激励电路216中的信号242和244。Ton脉冲信号232还通过在适当的时间接通MOSFET 226来控制积分电容器C9的放电。
电子镇流器200最好用于防止启动电流增大到相对于稳态值过大的值。例如，表I显示出与0.8A的稳态电流相比，启动电流约为1.67A。然而，一些灯可能要求将启动电流限制到最大值(例如1.4A)。如上述所示，镇流器200的限流电路提供这种限流功能。
图4显示本发明的电子镇流器的另一实施例。电子镇流器300包括可改变工作时间TON以增大或降低灯电流的控制电路。工作时间TON的变化取决于母线电压的大小。采用线性反馈方法来修改工作时间TON。下面将介绍电子镇流器300的结构和操作。
电子镇流器300大体上包括交流电源302、EMI滤波器304、预调节器306以及输出级或激励级308。交流电源302提供低频(60Hz)正弦电压。电子镇流器300还包括电容器C10和C11，它们是两端施加母线电压Vbus的主储能电容器。镇流器300包括输入二极管309。
输出级308包括由MOSFET 310和312、MOSFET激励电路314、电感器L3和变压器T3形成的半桥。电感器L3是电感器电流iL3从中流过的主高频开关电感器。变压器T3是小型的饱和变压器，它用于检测电流iL3的过零点。当流经的电流为零时，变压器T3提供高脉冲。输出级308还包括与灯318并联的滤波电容器C12。MOSFET激励电路314根据信号316的电平可输出能接通或断开MOSFET 310和312的控制信号316。
电子镇流器300还包括控制电路320。控制电路320大体上包括过零电流检测电路322、工作时间(Ton)发生电路324、反馈电路326和接口逻辑电路328。变压器T3与过零点电流检测电路322，一起检测电感器iL3的过零点。过零电流检测电路322的输出被输入到接口逻辑电路328。当电感器电流iL3在每次开关循环的最后达到零时，过零电流检测电路322输出具有某种电平的信号330，所述信号可使MOSFET激励电路314接通MOSFET 310和312中的一个而断开另一。
反馈电路326包括求和网络332，所述网络的输入端可接收母线电压Vbus和参考电压Vref。反馈电路326包括具有增益K的反馈增益电路334。反馈电路326还包括求和网络336。求和网络332将母线电压Vbus与参考电压Vref进行比较。求和网络332输出信号338，并将其输入给反馈增益电路334。反馈增益电路334的输出端输出误差信号339，并将其输入到求和网络336中。求和网络336将误差信号339加到额定参考工作时间信号TON(NOM)中。求和网络336输出信号340，所述信号是与所需工作时间TON成正比的模拟电压电平。信号340输入到TON发生电路324中。作为响应，TON发生电路324产生宽度与输入信号340成正比的脉冲信号342。脉冲信号342输入到接口逻辑电路328中，所述电路输出控制信号344并将它输入到MOSFET激励电路314中。作为响应，MOSFET激励电路314输出信号316，所述信号具有与脉冲信号342的宽度相对应的保持预定持续时间所需电平。
因此，母线电压Vbus和参考电压Vref之间的差值用来修改工作时间TON例如，如果母线电压Vbus大于参考电压Vref且反馈增益K为正，那么工作时间TON将减小。如果反馈增益K为负，那么工作时间TON将增大。
等式1表明，峰值电感器电流可描述为母线电压、灯电压和工作时间TON的函数。在换向时，当电感器电流改变其极性时，峰值电感器电流就增大到较大值。这是因为灯电压或滤波电容器C5(见图1)上的电压无法立即变化。例如，表I显示出，在母线电压Vbus为400V和灯电压为90V的稳态情况下，额定峰值电感器电流为1.6A。然而在换向时，灯电压为-90V，它提供4.2A的峰值电感器电流。这一较高的峰值电流要求较大的电感器，从而增加了成本并增大了电子镇流器内的空间。因此，图5显示可解决这一问题的本发明电子镇流器的另一实施例。电子镇流器400可在换向时控制启动电流。电子镇流器400大体上包括交流电源402、EMI滤波器404、预调节器406以及输出级或激励级408。交流电源402提供低频(60Hz)正弦电压。电子镇流器400还包括电容器C13和C14，它们是两端施加母线电压Vbus的主储能电容器。电子镇流器400包括输入二极管410。
输出级408包括由MOSFET 412和414、MOSFET激励电路416、电感器L4和变压器T4形成的半桥。电感器L4是电感器电流iL4从中流过的主高频开关电感器。变压器T4是小型的饱和变压器，它用于检测电流iL4的过零点。当流经的电流为零时变压器T4提供高脉冲。输出级408还包括与灯418并联的滤波电容器C16。输出级408还包括MOSFET激励电路416。MOSFET激励电路416根据信号420的电平和持续时间可输出能接通或断开MOSFET 412和414的控制信号420。
电子镇流器400还包括控制电路422。控制电路422大体上包括过零电流检测电路424、工作时间(Ton)发生电路426、开环换向限流电路426和接口逻辑电路428。变压器T4与过零电流检测电路424一起检测电感器iL4的过零点。当电感器电流iL4在每次开关循环的最后达到零时，过零电路检测电路424输出脉冲信号430并输入到接口逻辑电路328中。作为响应，接口逻辑电路428输出信号431，所述信号的电平可使MOSFET激励电路416接通MOSFET 410和412中的一个并断开另一。
控制电路422包括用于接收低频交换时钟信号Vclock的输入端440(如图6所示)。控制电路422还包括逆变器442和第一网络，所述第一网络包括电容器C17、电阻器R2、电阻器R3以及与电阻器R2并联的二极管444。电容器C17和电阻器R2形成RC(电阻电容)电路。控制电路422还包括第二网络，所述网络包括电容器C18、电阻器R4、电阻器R5以及与电阻器R4并联的二极管446。电容器C18和电阻器R4形成另一RC电路。
低频交换时钟信号Vclock馈送到包括由电容器C18、电阻器R4及R5组成的网络中。时钟信号Vclock经逆变器442转换并输入到包括电容器C17和电阻器R2及R3的网络中。二极管444和446可限制正工作信号(going signal)。包括电容器C17和电阻器R2的RC电路产生边沿触发的波形V1。包括电容器C18和电阻器R4的RC电路产生边沿触发的波形V2。波形V1和V2均如图6所示。波形V1和V2与恒定的参考值TON(ref)加在一起产生用数字448表示工作时间的合成电压TON。电阻器R3、R5和R6可完成上述加法功能。在由上述RC电路确定了时间常数后工作时间在换向期间减少了，并回到额定值。因此，控制电路422减少了换向期间的工作时间以限制峰值电流iL4。
因此，电子镇流器100、200、300和400是在控制恒定工作时间和CDCM下工作并且无须检测灯电流和灯电压便可控制启动电流。电子镇流器100、200、300和400提供下述优点和选择：
a)能够调节灯启动电流的镇流器100的电路可以和与负载有关的母线电压调节方法一起使用，无须进行任何额外的控制或改变工作时间，所述方法公开于2001年5月15日提交的、题为“具有与负载有关的母线电压调节的高功率因子电子镇流器”的共同拥有且共同未决的美国专利申请No.09/855469中；
b)电子镇流器200通过电感器电压积分提供能够对启动电流施加绝对限制的能力；
c)电子镇流器300通过线性反馈方法根据母线电压的变化提供对所述电流的附加的比例换算，所述线性反馈方法根据母线电压的变化来改变工作时间；
d)电子镇流器400借助开环配置限制换向期间的峰值电感器电流，所述开环配置可根据交换时钟信号来减少工作时间；
e)电子镇流器100、200、300和400不要求直接检测灯电流或灯电压；以及
F)电子镇流器100、200、300和400可与许多类型的弧光放电灯如HID灯、荧光灯等一起使用。
在上述说明中已经描述了本发明的原理、优选实施例和工作方式。然而，期望受到保护的本发明不应被限制在已公开的具体形式，这些具体形式应被视为是说明性的而不是限制性的。在不脱离本发明的精神的前提下，本领域的技术人员可以进行各种更改。因此，上述详细描述只应被视为是示例性的并且不应限制在本发明所附权利要求书上的范围和精神。

Claims (10)

1.一种电子镇流器(200)，它包括：
与交流电源(202)相连的输入级(206)，所述输入级(206)可将交流电压转换为直流母线电压(Vbus)；
具有与所述母线电压(Vbus)相连的输入端和用于与灯(214)相连的输出端的输出级(208)，所述输出级(208)可以(i)在稳态工作方式下提供功率给所述灯(214)以产生灯电压和灯电流；和(ii)在所述灯(214)工作的启动阶段提供灯启动电流给所述灯(214)；以及
电流调节电路(218)，所述电路可调节所述灯的启动电流，使得所述灯的启动电流超过稳态灯电流值，并使所述灯启动电流随着所述母线电压(Vbus)的增加或所述灯电压的下降而增加。
2.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述电流调节电路(218)还包括限流电路，用于将所述灯启动电流限制在预定值内。
3.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述电流调节电路还包括反馈电路(320)，所述反馈电路根据所述母线电压的大小来调节所述灯启动电流的强度。
4.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述输出电路包括电感器电流从中流过的主高频开关电感器(L2)，所述灯电流取决于所述电感器电流。
5.如权利要求4所述的电子镇流器，其特征在于：所述电流调节电路还包括用于在换向时限制所述电感器电流强度的电路。
6.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述电子镇流器还包括母线电压调节电路，所述母线电压调节电路根据灯功率的变化调节所述母线电压，所述母线电压调节电路在稳态条件下将所述母线电压调节到恒定值，并防止所述母线电压在断路和预触发条件下失去控制而增大。
7.一种用于操作高强度放电灯(HID灯)的电子镇流器的方法，所述方法包括如下步骤：
a)提供电子镇流器(200)，所述电子镇流器包括与交流电压源(202)相连并具有可将交流电压转换成直流母线电压的电路的输入级(206)、具有与所述母线电压(Vbus)相连的输入端和与所述HID灯(214)相连的输出端并可为所述灯(214)提供功率以产生灯电压和灯电流的输出级(208)、以及用于调节灯启动电流的电流调节电路(218)，所述电子镇流器(200)具有触发工作方式、紧接于所述触发工作方式之后为所述灯提供启动电流的后触发工作方式，以及稳态工作方式；
b)起动所述电子镇流器的触发工作方式；
c)接着，起动所述后触发工作方式；以及
d)接着，调节所述灯启动电流，使所述灯启动电流超过稳态灯电流值，并使所述灯启动电流在所述母线电压增加或所述灯电压下降时增加。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法还包括将所述灯启动电流限制在预定值的步骤。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法还包括根据所述母线电压的大小来调节所述灯启动电流强度的步骤。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法还包括在换向时限制所述电感器电流强度的步骤。
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