CN1649465A - 高强度放电灯的简化布局 - Google Patents

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Abstract

一种HID镇流器包括具有简化布局的反驰式功率转换器，它允许功率因数校正，同时提供恒定输出功率以驱动变换器，所述变换器给HID灯提供低频调制功率。开关与功率转换器内的变压器串联以控制穿过变压器的电流，从而提供恒定输出功率。开关的断开时间有助于控制镇流器电路的功率因数。变压器运行在临界传导模式下，其中变压器内的零电流指示用来确定开关的控制。逆向功率转换器的输出端根据应用到开关上的切换间隔提供反馈信号以获得恒定功率输出，所述开关连接到所述变压器。这个简化布局减少了零件数量，同时提供耐用的控制器，所述简化布局可以灵活地应用于许多HID灯。

Description

高强度放电灯的简化布局
本申请是根据美国临时申请US60/507637并要求它的利益，该申请是2003年9月30日申请，名称为HID灯的简化布局，因此要求它的优先权。
技术领域
本发明总体而言涉及HID灯的镇流器，尤其涉及一种驱动HID灯的镇流器简化布局。
背景技术
高强度放电(HID)灯对于商业市场而言非常理想，这是由于按照每瓦产生的流明它们具有较高的光效率，并且它们能用于多种功率范围。随着HID灯技术的发展，制造商和镇流器设计者已经将注意力集中在可靠性和效率上，以提供耐用和简单的HID照明系统。例如，灯制造商通常建议以低频和恒定功率在AC模式下驱动HID灯，以实现最佳的可靠性。
功率范围为35-150W的HID灯可以使用小于100伏的电压进行启动，在随后的工作区中，其电压可以降低到几十伏，电流可以降低到几安。在这个工作区中，保持恒定功率输出是理想的。
当启动HID灯时，高压(HV)发生器与主电源串联，以获得冷放电启动(cold strike ignition)所需的几千伏，或热放电启动(hot strikeignition)所需的几十千伏，基本上接近启动出现的点。HV发生器十分公知，在目前常规设计中可采用的多种形式。
灯制造商建议在启动之前和之后用AC信号驱动灯，这是因为如果使用DC信号，灯的阴极端和阳极端的消耗或寿命不同。由于启动时灯弧的机械不稳定性，建议采用大约50-500Hz的低频AC信号，以避免灯部件的退化或灯的最后完全损坏。
除了灯制造商建议所列举的实际限定之外，国际标准要求对连接到HID灯的转换器引起的谐波电流进行限制。因此，为了满足有关HID灯操作的实际因素和国际标准，应该使用低频AC信号，同时对灯镇流器或转换器引起的谐波电流的限制。
灯的工作和功率转换器调节的另一重要因素是功率因数，该功率因数由连接到公共电源系统的镇流器或转换器来获得。理想情况是，灯的任何镇流器或转换器表现为高功率因数，例如该功率因数尽可能接近1，以便在主电源线上看，负载显示为尽可能接近纯电阻特性。功率因数校正电路从主电源线获取正弦电流，该正弦电流与正弦电压源同相位，以获得高功率因数。用于功率因数校正的简单而便宜的技术将是非常理想的。
有助于HID灯寿命的另一重要因素是在正常运行状态期间调节灯的电源。因此，理想的情况是，在正常运行期间给灯提供恒定功率，以保持均匀光输出和延长灯寿命。
由于上述实际原因，对于灯而言除了获得低频AC调制之外，上述限定是理想的。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于驱动HID灯的镇流器，它给转换器部分提供低频调制、恒定功率，并且从输入主电源中吸取正弦电流。功率转换器检测变压器的状态，变压器用来转换输入功率以供应该转换器。功率转换器控制器也检测转换器的输出电压，以确保恒定功率传递给负载。检测转换器的输出电压也允许控制器对灯启动起作用。转换器输出端的电压检测信号，提供在灯上保持恒定功率所需的所有反馈。
根据转换器电压输出信号的检测，建立起用来驱动简化HID镇流器的各种规则。这些规则之一包括开关的接通时间，开关连接到变压器上，以切换传递给变压器的功率从而获得恒定功率输出。通过从输入电源获取正弦输入电流，按照获取高功率因数的要求来控制开关的切换。另一规则是输出电压在某一范围内变化的同时，提供恒定的灯功率。这些组合规则中的每个都规则提供实施简单的耐用HID镇流器控制，例如通过微控制器，同时提供可以与各种HID灯一起使用的灵活设计。
根据本发明的一个实施例，用可变切换频率在临界模式下驱动镇流器功率转换器。可变切换频率取决于当输入功率传递给转换器时变压器内的电流。连接到变压器的用于控制功率传递的开关，根据将要变为零的变压器磁化电流来运行。
连接到振荡器或定时器IC的高压驱动器，在半桥转换器结构中驱动HID灯。使用两个电容器把灯负载一分为二，以允许使用半桥布局而避免全桥切换结构，从而降低整个方案的成本。理想情况是，电容器平衡灯的接线端子每侧上的电压，但实际上倾向于一些偏差。通过从功率转换器和电容器之一中引入反馈信号，高压驱动器IC可以控制驱动半桥，以平衡两个电容器之间的电压。
根据下面参考附图对本发明的描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明具有简化布局的HID镇流器的理论电路图。
图2是表示根据本发明的用于开关变压器的接通时间相对于输出电压的曲线图；
图3是曲线图，其示出了根据本发明的为提高电路功率因数而获取的正弦输入电流。
图4是图解根据本发明的恒定输出功率对输出电压的曲线图。
图5是根据本发明的电子镇流器控制的电路方框图。
图6是根据本发明另一实施例的电子镇流器控制的电路方框图。
具体实施方式
现在参考图1，HID电子镇流器控制的理论电路图总体地表示为电路10。电路10包括变压器TX1，它从由二极管D2-D5构成的二极管电桥中接收全波整流信号。根据已知结果，如果反驰式转换器运行在临界传导模式下，如果用恒定接通间隔和可变断开间隔驱动总开关，则上述转换器的输出端提供恒定功率，同时接收恒定输入电压。由于这些条件，反驰式转换器的输出电压和输出电流遵守恒定的功率法则。
然而，当反驰式转换器接收到电压不恒定时，而是如同电路10内由二极管D2-D5构成的二极管电桥释放的全波整流信号，就要采用不同控制方法。如果功率转换器释放恒定功率，同时接近于具有低总谐波失真(THD)的整数功率因数，则特别指出一种改进方法。当输入电流是完整的正弦并与输入电压同相时，就实现了高功率因数，例如接近于1。在这些条件下，电路负载对输入电源或输入供电网表现出完全的电阻性。
根据本发明，电路10中的变压器TX1在临界传导模式下切换。开关M1图解为MOSFET，但应该显而易见，可以使用任何适当类型的开关，包括IGBT和其它双极开关。控制器12连接到变压器TX1的辅助线圈L1，以确定变压器TX1的退磁或变压器内电流过零的出现。控制器12也连接到功率转换器的输出电压Vo，以便控制功率转换器输出恒定功率。
提供给电桥整流器的电压V1是正弦输入总电压，典型为110或230伏，以便变压器TX1接收全波整流信号。电容器C1和C2连同二极管D1一起提供滤波功能，以便电压Vo是提供给转换器的DC电压，该转换器由开关M2和M3构成。HID灯示意性地表示为电阻器R2和与灯串联的触发器14。
控制器12通过辅助线圈L1检测变压器TX1的退磁。辅助线圈L1提供的信号，也用来将开关M1的断开周期出现的点通知控制器12。电压Vo提供有关功率转换器提供的功率的信息，以确定开关M1接通的点。
参考图2，开关M1的接通时间随着输出电压变化而改变。因此，与现有的反驰式转换器的设计不同，开关M1的接通时间随着输出电压变化而变化，以实现恒定功率。图2曲线图中所示的开关M1接通时间和输出电压Vo之间的关系得到适当补偿，用于在变压器TX1上接收全波整流电压输入，而不是固定DC输入。控制器12可以制作成以规则形式根据图2曲线图操作开关M1，以便使功率转换器具有恒定功率输出。
参考图3，功率转换器从主电源线获取的输入电流，平均起来是正弦曲线并与输入电压同相位，以实现高功率因数。虽然输入电流的正弦曲线形状不可能与正弦输入电压完全吻合，但对于简化的功率转换器设计而言，结果还是非常好的具有低THD的功率因数。
在图2和图3中，显示了典型的实施例，其中灯功率设定为约70W，输入电压约为230VRMS。然而，显而易见，这个典型实施例只代表通过依据本发明的功率转换器可以容易实现的许多普通情形之一。
现在参考图4，图解了表示作为输出电压函数而输出给灯的功率的曲线图。从图4曲线图中可以看出，为了典型电路运行的目的，功率在输出电压Vo上是恒定的并且保持在70W。
暂时参考图1，包括开关M2和M3的转换器把低频调制提供给用电阻器R2表示的灯。开关M2和M3排列成半桥开关电路，其中灯的最大峰值电压限定为Vo/2。
在启动之前，通过改变变压器TX1的匝数比，可以定制用来启动灯的电压以实现理想的电压，灯由电阻器R2表示。作为选择，可以修改时间间隔Ton，以在转换器输出端上产生适当电压用于灯启动，该适当电压典型约为100伏，Ton表示开关M1的接通时间。灯启动之后，控制器12检测输出电压Vo，并适当修改开关M1的接通时间Ton，以与图2曲线图中所述的规则一致。在这个简化布局中，这个简单反馈电路获得完全操作HID灯需要的所有功能性。例如，由于启动的灯开始吸收额外电流，当开关M1的接通时间Ton恒定时，可以观察到输出电压Vo的降低。控制器12检测输出电压Vo的降低，并增加开关M1的接通时间Ton，从而保持灯的功率恒定。
与图2-4中所示控制相关的规则，可以很容易地保存在微控制器存储器或其它可编程器件内，它和HID镇流器布局一起提供简单且成本低的解决方案，用于实现便宜而耐用的照明控制系统。控制器12的另一典型实施例是用来驱动微控制器的ROM或一次性可编程存储器，或用来控制开关M1的模拟PWM电路。
现在参考图5，图解了照明设备镇流器电路50的更完整的电路方框图。电路50包括由二极管D1-D4构成的全桥整流器，它从线路输入电压源中提供全波整流输入电压脉冲列。全桥整流器的输出通常大约在85-265VRMS，取决于在输入干线上提供的电压。功率转换器包括开关M1、变压器TX1和二极管D5，在临界传导模式下通过可变切换频率来驱动所述转换器。变压器TX1通过二极管D5的功率输出是提供给转换器的输出功率，以便给灯和触发器54提供功率，转换器由开关M2和M3构成。变压器TX1具有辅助线圈L1，它能连接到控制器52来检测变压器TX1内的磁化电流。当变压器TX1内的磁化电流变为零时，它用信号通知开关M1切换间隔的开始。切换间隔以控制器52确定的接通周期Ton开始。例如，控制器52根据图2曲线图中所示的关系，提供开关M1的接通时间调制。用功率转换器输出电压反馈Vo，来获取开关M1的接通时间调制。可以按照任何具体方式调节反馈信号Vo，以便它足以被控制器52接收。例如，在电路50中，电阻分压器R5、R6根据输出电压Vo给控制器52提供适当电压。电容器C3用来过滤由输出电压Vo提供的信号。
当输出电压Vo随时间而变化时，开关M1的接通时间Ton也变化。例如，如果输出电压开始降低，开关M1的接通时间Ton增加以把额外能量传递给变压器TX1来提高输出电压Vo。如果输出电压Vo增加超过理想值，开关M1的接通时间Ton减少以相应降低在变压器TX1内传递的能量总量。
电路50中所示的功率转换器包括电容器C1和C2，它们代表分压器电路，以在灯54的任一侧接线端56上提供平衡电压值。通过按照这个形式排列电容器C1和C2，灯54可以用由开关M2和M3构成的半桥来驱动，以允许减少用来实现镇流器电路方案的开关的数量。开关M2和M3按照半桥结构方式工作，在低频下驱动灯以提高灯54的寿命，同时有助于调节光输出。按照灯制造商在典型装置中的建议，由开关M2和M3构成的切换半桥通常在约200-500Hz范围内的频率下运行。由于使用低频驱动灯54，因此操作灯54不需要典型由LC电路构成的谐振滤波器。
定时器IC 58为开关M2和M3的低频调制提供切换信号。切换信号传递给高压IC驱动器57，驱动器57分别控制高侧开关M2和低侧开关M3。驱动器57通常包括电平变换电路，用于把提供给开关M2的驱动电压变换到适当电压基准，同时也给开关M3提供切换信号。驱动器57可以包括许多特征，例如自动空载时间插入(automaticdeadtime insertion)、故障检测和超温检测。由于驱动器57包括电平变换电路，因此不需要驱动开关M2的附加的隔离变压器。
现在参考图6，本发明的镇流器照明系统的另一实施例图解为电路60。在电路60中，电容器C1和C2表示具有电压失配偏差的实际电容器，它们通常出现在现实应用中。通过利用定时器IC 68的功能，可以获得电容器C1和C2上的平衡电压。输出电压Vo提供给定时器IC 68，以测量在电容器C1和C2组合上观测的总电压。来自电容器C2的反馈也提供给定时器IC 68。定时器IC 68运行以把切换信号提供给驱动器57，以便在低频调制驱动灯64中操作开关M2和M3。通过修改半桥电路中开关M2和M3的低频接通时间，可以修改输出电压Vo，以便电容器C2上的电压是电压Vo的一半。这个相同电压也出现在电容器C1上。电容器C1和C2上的电压平衡提高了镇流器性能，并且提供更好的整个系统效率。
虽然已经结合本发明的具体实施例对其进行了描述，但对于本领域技术人员来说，许多其它变化和修改以及其它用途将是显而易见的。因此，本发明优选不是由本文中的具体公开内容进行限定，而是只由附属权利要求书进行限定。

Claims (19)

1.一种HID灯镇流器的功率转换器，包含：
能量传递设备，用于把电能从输入侧传递给输出侧；
输入侧上的开关，其连接到所述能量传递设备，用于允许或防止电流穿过所述能量传递设备的输入侧；
指示器，连接到所述能量传递设备，用于确定所述能量传递设备何时以零电流运行；
控制器，连接到所述开关和指示器，以根据指示器值使开关切换。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述能量传递设备是变压器。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述指示器是所述变压器的辅助线圈。
4.根据权利要求1所述的电路，还包含与连接到所述控制器的能量传递设备输出相关的电压信号，以便有助于控制所述开关。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器可运行来切换所述开关，以使所述能量传递设备运行在临界传导模式下。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器可根据输出端反馈信号切换所述开关，以运行所述能量传递设备，从而从所述能量传递设备中获得恒定功率输出。
7.根据权利要求4所述的电路，其中所述控制器的运行可根据输出电压修改所述开关的接通时间，以便从所述能量传递设备中获得恒定功率输出。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器的运行能够以可变的断开时间切换所述开关，以获得功率因数校正控制。
9.一种反驰式功率转换器，包含：
变压器，用于把输入电信号转换成输出电信号；
所述变压器内的辅助线圈，用于指示所述变压器的磁化状态；
连接到所述变压器输入侧的开关，用于控制流过所述变压器输入端的电流；
电压反馈信号，连接到所述变压器输出端来提供输出反馈信号；
控制器，连接到所述辅助线圈、开关和输出电压指示器，其中所述控制器的运行可根据从所述辅助线圈获取的值和所述输出电压信号来切换所述开关，以调节输出电压和功率因数校正。
10.根据权利要求9所述的功率转换器，其中所述控制器可依照规则进行操作，所述规则基于作为输入电信号的输入全波整流信号。
11.根据权利要求9所述的功率转换器，其中所述控制器的运行可切换所述开关以从所述变压器中获得恒定功率输出。
12.根据权利要求9所述的功率转换器，其中所述控制器的运行可修改所述开关的接通时间，以从所述变压器中获得恒定功率输出。
13.根据权利要求9所述的功率转换器，其中所述控制器的运行能够以可变断开时间切换所述开关，以获得功率因数校正。
14.一种HID灯的镇流器，包含：
功率转换器，用于提供低频调制信号来给HID灯提供功率；
所述功率转换器内的一对串联电容器，用于平衡提供给所述HID灯的电压；
所述功率转换器如权利要求4所述，其中所述功率转换器连接到所述能量传递设备的输出端。
15.一种HID灯的镇流器，包含：
功率转换器，用于提供低频调制信号来给HID灯提供功率；
所述功率转换器内的一对串联电容器，用于平衡提供给所述HID灯的电压；
所述功率转换器如权利要求9所述，其中所述功率转换器连接到所述变压器的输出端。
16.一种操作反驰式功率转换器的方法，包含：
通过变压器把输入电信号转换成输出电信号；
检测所述变压器输入电流何时达到零；
测量所述变压器输出端上的电压；
切换连接到所述变压器输入端的开关以控制变压器输入电流，以调节变压器输出功率，和获得对于变压器输入的功率因数校正。
17.根据权利要求16所述的方法，其中依照规则控制所述开关切换，所述规则与接收全波整流输入信号相关。
18.根据权利要求16所述的方法，还包含改变所述开关的接通时间，以从所述变压器中获得恒定功率输出。
19.根据权利要求16所述的方法，还包含改变所述开关的断开时间，以获得关于所述变压器输入的功率因数校正。
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