CN1568639B - 驱动气体放电灯的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

描述一种驱动气体放电灯(1)的方法，其中以较高电压和较低电流提供第一级DC功率。然后将所述第一级功率下变换成较低电压和较高电流的第二级DC功率。最好通过换向器将所述第二级功率馈入放电灯。以至少两个步骤来完成从所述第一级功率到所述第二级功率的变换，第一步包括以低于所述第一级DC电压但高于所述第二级DC电压的中间DC电压(VM)将所述第一级功率变换成中间DC功率。描述了用于气体放电灯(1)驱动设备的降压变换设备(30)。所述降压变换设备包括至少两个串联的降压变换装置(31、32)，用于将中间DC功率下变换成第二级功率。

Description

驱动气体放电灯的方法和设备
本发明一般涉及驱动气体放电灯的方法和设备。更具体地说，本发明涉及驱动超高压(UHP)灯的方法与设备，并随后结合所述灯对本发明作更详细的说明；然而，本发明不局限于这种应用。
一般说来，UHP灯包括充气灯泡里的两个电极，经触发之后上述两个电极间燃起电弧并发光。
用于驱动上述灯的电子镇流器一般包括串联的降压变换设备和换向设备。降压变换设备接收DC输入电压并产生DC输出电流。降压变换设备可以从特定的DC电压源中接收自己的DC输入电压，但镇流器一般是由AC电网供电并且包括变换器(通常是升压变换器)，所述升压变换器连接到降压变换设备的的输入端，用于将AC电源电压整流为DC电压。换向器将由降压变压设备产生的DC电流转换为AC电流，所述AC电流可以通过变压器输入灯内。
上述类型的电子镇流器是大家所熟知的。在现有技术中，降压变换设备由仅仅一个降压变换装置构成，直接将输入电压转换为输出电流。这种设计有些缺陷，这些缺陷在目前可以被接收，但当灯电压降低和/或灯电流增加时，这种设计就越来越显示出它的劣势。
UHP灯具有高亮度，因此特别有用，出于这个原因，它还可用于譬如投影仪等其它地方。用于投影仪时，灯的亮点需要尽可能地小。另外，灯的功率还需要不断增加。这些需求可以通过将所述两个灯电极设置得更靠近以及通过增加灯电流来满足。将所述两个灯电极设置得更靠近可使电弧变短，光点变小，从而使灯电压变得更低。
降压变换器中存在的第一个问题是降压变换器的功率损耗取决于输入电压与输出电压的比值，比值越高，开关损耗越大。
第二个问题是降压变换器内的线圈电感值取决于输入电压与输出电压的比值，比值越大，电感量必须越大。
另一个问题是，由于降低输出电压并增大输出电流而同时保持输入电压不变的缘故，降压变换器中的开关必须以较小的占空比切换较大的电流，因而产生开关效率低下的现象。
本发明的主要目的是解决这些问题。更具体地说，本发明的目的是为降压变换设备提供一种更有效的设计方案。
为了达到这些目的，本发明建议采用一种两级降压变换设备，所述设备包括串联的第一级降压变换装置和第二级降压变换装置。第一级降压变换装置接收DC输入电压并将所述电压转换成中间电压，而第二级降压变换装置接收从第一级降压变换装置输出的中间电压并产生所需要的DC输出电流。在这种情况下，每个降压变换器的输入电压与输出电压比值会低得多。虽然中间电压的精确值并不重要，但为了使上述两个降压变换装置的电压比值以及依赖于所述比值的功率损耗最佳化，精确的中间值还是设计中采取的参数。另外，每个降压变换装置工作效率较高，并且在每个降压变换装置中线圈可以较小且工作于较高频率，从而可以减少磁性材料的用量。
将在下面结合附图对最佳实施例的讨论中详细说明本发明的上述讨论以及其他方面、特征和优点，附图中：
图1示意地示出气体放电灯驱动设备的原理框图；
图2示意地说明先有技术降压变换设备；
图3示意地示出本发明的降压变换设备；
图4A示意地示出通过灯的电流的波形；
图4B示意地示出通过灯的电流波形，所述电流包括抗脉动脉冲电流；
图5是说明降压变换装置控制部分的原理框图；以及
图6示出另一个实施例。
图1示意地示出气体放电灯1的驱动设备10的原理框图。设备10连接到AC电源线2且包括AC/DC变换器11。变换器11在输入端接收AC电源电压(一般为220V)，在输出端提供DC输出电压(一般为400V)。
驱动器设备10还包括降压变换器12。降压变换器12接收AC/DC变换器11的DC输出电压并作为电流源，所述电流源在输出端提供适合于馈入灯1的DC输出电流IOUT。如果灯1是UHP灯，降压变换装置12的输出电流IOUT一般约为6A。灯1的特性决定灯1两端的电压降，也决定着降压变换装置12的输出电压，所述输出电压一般为75V。
驱动器设备10还包括换向器13，换向器13用于将DC电流IOUT转换为AC电流。
AC/DC变换器11和换向器13的设计和工作不在本发明的范围内，先有技术的变换器及换向器均可用来代替它们。因而，本文中不更详细地讨论AC/DC变换器11和换向器13的设计和工作。
图2示意地说明先有技术降压变换设备设计的基本原理。这种设备一般包括用于接收DC输入电压的两个输入端21及22和用于提供输出电流的两个输出端23及24。在所示的实例中，正输入端21连接到可控开关25，所述可控开关25又连接到线圈26的第一接线端，线圈26的另一接线端连接到正输出端23。负输入端22连接到负输出端24并连接到二极管27的正极，二极管的负极连接到可控开关25及线圈26之间的节点上。可控开关25接收控制信号S，所述信号可使开关25以预定的速率(一般为200KHz)断开和接通。由于这种开关电压的结果，线圈26会产生其形状类似于三角形的电流。
如上所述，降压变换器用作电流源，其输出端23、24上的输出电压取决于连接到输出端23、24的负载阻抗。以通常使用的UHP灯为例，在输出端23、24上的输出电压一般约为75V。然而，如果这样修改这种灯，使得灯的电极距离变得短一些，那么，降压变换装置12输出端23、24的输出电压就会下降，而输入端21、22的输入电压会保持不变，因而会提高所述输入/输出比值。如果希望保持灯的功率，灯电流就必须增大。如果希望增加灯的功率，电流就必须增大更多。这些情况都会导致出现上面讨论过的问题。
图3示意地示出用来解决这些问题的本发明的降压变换设备30。本发明的降压变换装置30基本上包括两个串联的降压变换器31、32，每个降压变换器都是按照普通方法设计的。因此，在图3中可以看到，第一级降压变换器31有两个输入端41、42，用于接收DC输入电压，如上述讨论过的AC/DC变换器11的输出电压。此外，第一级降压变换器31包括第一级可控开关45，所述可控开关由第一级控制信号S1控制并连接到第一级线圈46与第一级二极管47负极间的第一级节点48上，二极管47的正极连接到负输入端42。可以认为第一级线圈46的与第一级节点48相对的另一端构成了第一级降压变换器31的正输出端43，并且可以认为负输入端42构成了电压基准线和负输出端44。
同样，第二级降压变换器32的正输入端51连接到第一级降压变换器31的正输出端43，而负输入端52连接到第一级降压变压器31中的负输出端44。第二级降压变换器32的正输出端53和负输出端54提供灯电流。受第二级控制信号S2控制的第二级可控开关55连接到正输入端51，也连接到第二级二极管57的负极和第二级线圈56之间的第二级节点58，线圈56的另一端连接到正输出端53，而第二级二极管57的正极连接到负输入端52和输出端54之间的电压基准线上。
本专业的技术人员都很清楚，第一级正输出端43和第二级正输入端51的连接处(下文中称为节点M)的电压VM低于第一级降压变换器31的第一级正输入端41的电压，但大于第二级降压变换器32上第二级正输出端53上的电压。这个中间电压VM的精确值主要取决于第一级控制信号S1的占空比与第二级控制信号S2的占空比之间的关系，也取决于第一级线圈46和第二级线圈56的电感量，这是本专业的技术人员熟知的。最好这样选取所述各元件，使得中间电压VM约为175V。这样，第一级降压变换器31的输入电压与输出电压的电压比大致相当于第二级降压变换器32的输入电压与输出电压比，即约为2.3。
通过将降压变换设备30设计成二级降压变换器，对每个降压变换器31、32的要求就会比需要满足同样输入及输出端要求的一级降压变换设备(如先有技术降压变换设备12)的来得低。具体地说，第一级降压变换器31可以独立于第二级降压变换器32而达到可以满足输入端41为高电压的最佳状态，而第二级降压变换器32也可独立于第一级降压变换器31使灯的高电流达到最佳状态。这就意味着可以用两个线圈46和56来代替一个线圈26。用一个线圈26时，必须把线圈26设计成既注意高输入电压又注意高输出电流。而用二个线圈时，可以把第一级线圈46设计成在较低电流的情况下照顾到较高电压，并且把第二级线圈56设计成在较低电压的情况下照顾到较高电流。这两个线圈46及56都可以做得小一些，从而使两个线圈所用的磁性材料的总量比单个线圈26时要少。另外，本发明提出的二级降压变换设备30的损耗比普通一级降压变换设备12的损耗要小得多。
这一点可通过下述例子证实。所述例子示出计算机仿真测试结果，其中采用的灯1是UHP灯，驱动器提供4安培电流，灯压为75V。假设降压变换设备的输入电压为400VDC，计算得出的线圈26的损耗约为3W，可控开关的开关损耗约为3.5W，可控开关25的传导损耗约为1.6W，二极管27的损耗约为4W，总损耗约为12W。
相反地，本发明提出的设计可采用较小的线圈，每个线圈的损耗约为1.75W。第一级可控开关45的开关损耗经计算约为0.2W，第二级可控开关55开关损耗约为0.3W。上述两个开关的传导损耗各约为1.2W和1.1W。第一级二极管47及第二级二极管57的损耗经计算分别约为1W和2.5W。因此，本发明提出的二级降压变换设备30的总损耗为9.8W，约降低20％。
为了使二级降压变换器30作为整体合理地操作，要求在输入端51和52以恒定的电压馈入第二级降压变换器32。这可以在第二级降压变换器32的输入端51和52安装电容器50来实现(参见图3)。可以认为电容器50是第一级降压变换器31的一部分，从而使第一级降压变换器31起到电压源的作用。也可以将电容器50视为第二级降压变换器32的输入级的一部分。或者，可将电容器50当作处于第一级降压变换器31的输出端43和44及第二级降压变换器32的输入端51和52之间的独立的耦合级。
应当指出，在实践中，第二级降压变换器32的输出端53和54也连接一个小电容器。为了清楚起见，所述电容器在图3没有标明，它的作用不是稳定输出电压而是对输出电流进行滤波。
无论第二级降压变换器32的输出端53和54上的负载如何变化，第二级降压变换器32的正输入端51的电压应该尽可能保持不变。这可以通过选择高电容值的上述电容器50来实现。要求的负载变化值越大，选择的电容器50就越大。但这种选择是不利的。所以，在本发明的更详细说明中，第一级降压变换器31的控制方法被用来预防或响应第二级降压变换器32输出端的负载变化。
通常，有两种不同的负载变化。第一种负载变化是人为的，第二种是不可预见的(或称偶然负载变化)。
人为的负载变化的例子就是所谓的抗脉动电流脉冲，以下将对此作说明。
图4A示意地示出通过灯1的电流波形。降压变换装置30产生被认为是恒定的电流，其值用I30表示。换向器13将所述DC电流转换成AC电流，但是，从换向器13输出的AC电流不是正弦形的；可以把来自换向器13的输出电流描述为方向变化的恒定电流。换言之，来自换向器13的输出电流为+I30或-I30(如图4A所示)。
HP灯在换向时，即在电流方向改变的瞬间，会出现不符合要求的现象，这种不正常的现象可以通过在换向前略微增加电流来解决(如图4B所示)。
图4B示意地示出与图4A一样的电流波形I30，即一个取决于降压变换设备30的幅度为I30的恒定电流，其方向在时间t1及t2等处发生变化。图4B还示意地示出刚好在换向的瞬间t1之前把短电流脉冲IP加到所述电流中，使得在换向前短瞬间内实际电流具有(I30+IP)的幅度。同样的电流脉冲也在刚好从-I30到+I30换向前加入(如图4所示)。这些脉冲电流IP的波形并不重要，至少在本发明里不是重要因素。在本发明范围内值得注意的是这种外加的电流脉冲IP在降压变换器30中构成一种额外负载，使降压变换器30需要输送额外电流。本专业的技术人员会很容易地意识到如果没有采取措施，这种额外电流脉冲IP会使第二级降压变换装置32的正输入端51的电压降低，这种电压降低的幅度可以通过增加电容器50的电容值加以限制，但这不是我们希望得到的结果。
在本发明一个最佳的实施例中，因负载电流变化而引起的第二级降压变换器32的输入端电压的变化可以通过第一级降压变换装置31相应的电流变化来克服。
Figure G200280020177901D00071
降压变换器输出电流由控制信号S控制，所述信号S控制着降压变换设备输入级的开关(45、55)。简单地说，降压变换器产生的电流取决于所述开关的占空比。图5示意地示出降压变换设备控制部分的原理框图。降压变换装置31和32用简单的方框表示，其可控开关45和55分别接收来自第一级控制装置61及第二级控制装置62的控制信号S1及S2。由于有关降压变换器中产生控制信号以操作可控开关的控制装置是众所周知的，所以本文不需要作详细说明。
第一级降压变换器31中的第一级控制装置61具有用于接收控制信号SC1的输入端63，所述信号SC1表示第一级降压变换器31输出端43上预期的电流值。第一级控制装置61适合于以下述方式为第一级降压变换器31产生控制信号S1，即，第一级降压变换器31产生的输出电流反映指令信号SC1的瞬时值。例如，第一级控制装置61会调节控制信号S1的占空比，这是本专业的技术人员熟知的。
同样，为第二级降压变换装置32的第二级开关55产生第二级控制信号S2的第二级控制装置62具有用来接收第二级指令信号SC2的输入端64，所述信号SC2代表期望的瞬时电流值。第二级指令信号SC2的波形能反映上述的附加电流脉冲IP。或者，第二级控制装置62本身也可被编程来产生第二级控制信号S2，从而产生电流脉冲IP。
在本发明的一个实施例中，第一级控制装置61的指令信号SC1具有恒定值，或者第一级控制装置61根本就不接收任何指令信号SC1，但它被编程来产生恒定的控制信号S1。然而，在改进型的最佳实施中，第一级控制装置61直接或间接地受第二级控制装置62的第二级指令信号SC2的控制。图5示意地示出三种改进型的最佳实施例。
在第一变型中，第二级控制装置62的输出端68连接到第一级控制装置61的指令输入端63。这样，第二级控制装置62会为第一级控制装置产生适当的指令信号，所述信号可能与其指令输入端64处接收的指令信号SC2相同，或者可能经过适当的修改。
在第二变型中，如果第一级控制装置61的第一级指令信号SC1与第二级控制装置62的第二级指令信号SC2相同，则可以把第二级指令信号SC2同时提供给控制装置61和62(如图5中的b所示)。
最好是第一级降压变换器31的工作预防第二级降压变换器32的负载变化。图5中的(c)示意地示出具有这种特征的第三变型。在第三变型中，主指令信号Sc被主控制装置65接收，主控制装置65具有第一输出端66和第二输出端67。主控制装置65用来在它的第一输出端66产生适当的指令信号SC1并在第二输出端67产生适当的第二级指令信号SC2。为使第一级降压变换装置31能响应由主指令信号SC控制的负载变化，应该将主控制装置65设计成能产生与第一级指令信号SC1相比略微滞后的第二级指令信号SC2。
上述实施例及图5都可将人为的负载变化，比如附加电流脉冲IP情况考虑在内。图6显示的实施例则可将无意的及不可预计的，如灯1产生的负载变化考虑在内。例如，负载的突然降低都会引起不希望有的电压VM的升高。
在图6中，第一级降压变换装置31与第一级控制装置61相关联，控制装置61具有指令输入端63并根据在指令输入端63接收的主信号SC1产生第一控制信号S1。第二级降压变换装置32配备有输出传感器70，输出传感器70提供反映第二级降压变换装置32的输出状态的输出信号S。根据设计规格要求，传感器70可以是电流传感器，以便其输出信号S反映第二级降压变换装置32当前产生的瞬时电流。或者，传感器70可以是电压传感器，以便其输出信号S反映瞬时灯电压。在一个组合的实施例中，同时检测电流和电压，以便输出信号S反映瞬时灯功率。
传感器70及第一级降压变换装置31的第一级控制装置61可以彼此适应，使得传感器输出信号S可以直接连接到第一级控制装置61的指令输入端63。或者，如果要对传感器输出信号S做某些改变，则可以设置调节器71。
本专业的技术人员应清楚地了解到本发明不局限于上述讨论的实施例。在不违反本发明所附权利要求书中规定的范围的情况下，可以做一些补充和修改。
例如，虽然上面已介绍了两个串联的降压变换装置31和32，但也可以采用三个或更多的串联在一起的降压变换器。在这种情况下，每一级的降压变换装置的输出端都要连接电容器，只有最后一级除外(最后一级只有小型电流滤波电容器)，使得每个相应的下一级降压变换器在其输入端接收恒定的电压。另外，每个降压变换装置也可以接收来自相应的控制装置的控制信号，所有控制装置接收源自公共主指令信号的相应指令信号。或者，最后一级降压变换装置可以配备有输出传感器，所述输出传感器产生表示最后一级降压变换装置输出端的输出状态的传感信号，例如从最后一级降压变换装置输送的电流，从这个传感器信号中可以获得信息并将其反馈到前面的降压变换装置，从而对前面这些降压变换装置的操作进行控制以便尽早地响应负载变化。在以上所有情况下，通过反馈从最后一级降压变换装置测得的输出状态的信息，甚至在前面降压变换装置输出电压变化真正发生之前，就可以抵制前面降压变换装置输出端的电压变化。
另外在附图5和6中，描述了具有多个控制装置61、62的降压变压器装置30，每个控制装置与相应的降压变换装置31、32相关联。然而，也可以只具有一个控制装置，所述控制装置具有连接到相应的降压变换装置31、32的多个输出端。

Claims (16)

1.一种驱动气体放电灯的方法，包括如下步骤：
-以高电压和低电流提供第一级直流功率；
-以低电压和高电流将所述第一级直流功率降压变换为第二级直流功率；
-通过换向器将所述第二级直流功率馈入气体放电灯；
其中，以至少两个步骤完成所述第一级直流功率到所述第二级直流功率的所述变换，第一步骤包括将所述第一级直流功率以低于所述高电压但高于所述低电压的中间直流电压降压变换成中间直流功率，第二步骤包括将所述中间直流功率降压变换成所述第二级直流功率，并且从所述低电压和/或所述高电流导出控制信息，然后将所述信息反馈以便控制所有前面的降压变换步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所有降压变换步骤的降压变换比值基本上彼此相等，对每一级降压变换而言，这些步骤的所述降压变换比值定义为输入直流电压与输出直流电压的比值。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：每个降压变换步骤都受控于从一个公共控制信号导出的控制信号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：后续的降压变换步骤的控制略微滞后于前面的降压变换步骤的控制。
5.一种用于气体放电灯驱动设备的降压变换设备，所述降压变换设备包括至少串联的第一级和第二级降压变换装置，其中：每个降压变换装置包括可控组件，以及每个降压变换装置与产生用于控制所述可控组件的控制信号的控制装置相关联；每个控制装置具有用于接收指令信号的指令输入端并且适合于产生自己的控制信号以响应在其输入端接收的指令信号；并且所述降压变换设备还包括用于产生从一个公共主指令信号导出的所有指令信号的装置。
6.如权利要求5所述的降压变换设备，其特征在于：所述第一 级降压变换装置的输出端连接到所述第二级降压变换装置的输入端，所述降压变换设备还包括电容器，所述电容器的各个接线端连接到所述第一级降压变换装置的相应的输出端。
7.如权利要求5所述的降压变换设备，其特征在于：后一个控制装置具有用于接收主指令信号的输入端和连接到前一个控制装置的指令输入端的输出端。
8.如权利要求5所述的降压变换设备，其特征在于：所述控制装置的所述指令输入端连接在一起以便接收所述公共主指令信号。
9.如权利要求5所述的降压变换设备，其特征在于还包括主控制装置，所述主控制装置具有用于接收主指令信号的输入端和连接到所述控制装置的所述指令输入端的输出端。
10.如权利要求9所述的降压变换设备，其特征在于：所述主控制装置适合于产生控制装置的指令信号，所述指令信号略微滞后于前一个控制装置的指令信号。
11.一种用于气体放电灯驱动设备的降压变换设备，所述降压变换设备包括至少串联的第一级和第二级降压变换装置，其中该第二级降压变换装置配备有输出传感器，所述输出传感器适合于产生反映所述第二级降压变换装置的输出状态的传感器信号；
其中第一级降压变换装置包括可控组件，所述可控组件从与所述第一级降压变换装置相关联的控制装置接收控制信号；
所述控制装置的指令输入端连接成接收从所述传感器信号导出的信息。
12.如权利要求11所述的降压变换设备，其特征在于：所述传感器输出信号直接连接到所述控制装置的指令输入端。
13.如权利要求11所述的降压变换设备，其特征在于：所述传感器输出信号直接耦合到调节器，而所述调节器的输出信号耦合到所述控制装置的所述指令输入端。
14.如权利要求11所述的降压变换设备，其特征在于：所述传 感器包括电流传感器或电压传感器，或包括这两种传感器。
15.一种用于驱动气体放电灯的驱动设备，所述驱动设备包括：
用于接收交流电网电压的输入端(2)；
用于将所述交流电网电压变换成直流输出电压的交流/直流变换器；
降压变换设备，其输入端连接到所述交流/直流变换器的输出端；所述降压变换设备还具有输出端；所述降压变换设备用来把在其输入端接收到的直流电压变换成其输出端的直流输出电流；
所述驱动设备还具有用于将其连接到待驱动的气体放电灯的输出端；
其中，所述驱动设备包括如权利要求5至14中任何一项所述的多级降压变换设备。
16.如权利要求15所述的驱动设备，其特征在于，所述驱动设备还包括连接在所述降压变换设备输出端与所述驱动设备输出端之间的换向器。 
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