CN1672470A - 用于气体放电灯的驱动器 - Google Patents

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Abstract

用于驱动气体放电灯的两级电子镇流器(301；401)，包括：半桥换向前向(HBCF)级(250)，其包括一串行配置的连接在两个桥输入端(261，262)之间的第一缓冲电容(251)和第二缓冲电容(252)；双回扫变换器级(310；410)，其包括具有至少一个输入电路(330)的感应储能缓冲器(320；420)，该输入电路适用于接收整流AC电源输入电压，缓冲器进一步具有至少两个输出电路(340，350)，每个电路耦合到所述半桥换向前向(HBCF)级(250)的相应的缓冲电容(251，252)用于单独对所述缓冲电容(251，252)充电。

Description

用于气体放电灯的驱动器
本发明一般涉及用于气体放电灯的驱动器。更具体地，本发明涉及用于金属卤化物灯的驱动器。
众所周知，用于气体放电灯的驱动器用作对气体放电灯供应所需的电流，并且该驱动器从整流交流(AC)电源接收能量。为人所熟知的常规驱动器具有三级设计。第一级包括向上变换器，该向上变换器接收整流AC电源输入电压并将该输入电压变换为更高的直流(DC)输出电压。第二级包括向下变换器，该向下变换器从向上变换器接收DC输出电压，并在向下变换器的输出提供更低的DC电压(灯电压)和所需的灯电流。该向下变换器具有电流源特性(即，它将灯电流控制在基本恒定值)。第三级包括换向器，该换向器一般以大约100Hz的频率有规律地改变灯电流的方向。换句话说，虽然灯以基本恒定的电流大小工作，在非常短暂的时间(换向周期)内灯电流有规律地改变其方向。
这样的三级电子镇流器设计运行良好，但是具有相当复杂和相对昂贵的缺点。另一种具有更少的元件从而具有降低的成本的优点的设计具有两级设计，其中灯电流控制功能和换向器功能结合在一级中。这样，这种两级电子镇流器包括用于接收整流AC电源输入电压并提供更高DC输出电压的第一级向上变换器。作为第二级，该两级电子镇流器包括半桥前向换向级(HBCF)。一般而言，这样的HBCF包括三条支路。第一支路包括两个串联在从第一级接收DC电压的输入端之间的开关。第二支路包括两个串联在所述两个输入端之间的电容。包括灯的第三支路连接在位于所述两个开关之间的节点和位于所述两个电容之间的节点之间。
存在上述两级设计相对于上述三级设计有缺点的情况。这些情况主要出现在当气体放电灯表现出不对称电流性能时。此不对称电流性能可能是灯本身所不期望的特性。当灯接近其使用寿命的极限时不对称电流性能特别重要。
在一般情况下，在前半个电流周期期间以一个方向流动的电流具有与后半个灯周期期间以相反方向流动的电流完全相同的电流大小，此外，前一个灯周期具有与后一个灯周期相同的时长。在此情况下，所述两个电容之间的所述节点上的电压将是输入电压的一半。然而，在上述的不对称情况中，所述节点上的电压将变为一个输入端的电压，这是由于一个所述电容需要提供比其它电容更大的电流。
类似的问题出现在期望以不同于50％的占空比驱动灯的情况下。一般而言，灯电流的占空比就是50％，此占空比定义为一半的灯周期时长除以总的灯周期。此外，如果一半灯周期内的电流大小等于另外一半灯周期内的电流强度，而一半灯周期的时长不同于另外一半灯周期的时长，一个所述电容需要提供比另一个电容更多的电流，并且位于所述两个电容之间的所述节点上的电压电平变为一个输入端的电压电平。
上述问题不会出现在常规三级设计中，在该设计中没有上述的电容。此外，仅通过为换向开关的切换选择合适的定时，就可相对容易地在这样的常规三级设计中以不同于50％的占空比驱动灯。
因此，本发明的目的在于为气体放电灯提供电子镇流器，其中结合了两级变换器的优点与三级变换器的优点。
更具体地，本发明的目的在于为具有两级设计的气体放电灯提供电子镇流器，以使该气体放电灯包含相对少量的元件，从而具有相对低的成本，电子镇流器包括作为第二级的半桥换向前向级，电子镇流器能够处理不对称电流，其中消除了位于所述两个电容之间的节点上的电压偏移问题。
根据本发明的一个重要方面，电子镇流器包括作为第一级的双回扫变换器，每个回扫变换器都与相应的一个所述电容连接，此双回扫变换器电路用作功率因数校正电路，其实际上独立于其它电容器对各电容器充电，从而避免了工作期间的电压偏移或将其限制在相对小和可以接受的范围内。
通过以下结合附图对本发明驱动器的优选实施例的描述将进一步解释本发明这些和其它的方面、特征和优点，附图中相同的标号指示相同或类似的部分，其中：
图1示意性示出电子镇流器的常规三级设计；
图2示意性示出电子镇流器的常规两级设计；
图3示意性示出按照本发明的两级电子镇流器的第一实施例；
图4示意性示出按照本发明的两级电子镇流器的第二实施例。
图1示出常规三级设计的一般的电子镇流器101。
电子整流器101包括第一级向上变换器110，第二级向下变换器120和第三级换向器130。可将预调节器和整流器提供给向上变换器110的输入，预调节器和整流器用于过滤并整流在输入102接收的AC电源输入电压。该预调节器可包括与一个输入端串联的第一电感103，与另一个输入端连接的第二电感104以及与所述电感103和104的输出端并联的电容105。预调节器可进一步包括整流单元106(诸如二极管电桥)。以这种方式，向上变换器110在它的输入接收整流的AC电源电压。
电子镇流器101具有连接到向上变换器110的一个输入端的公用轨道107，该轨道107为所有三级所公用；公用轨道107上的电压电平称为零电压。向上变换器110包括一串行配置的电感111以及二极管112，电感111的一端耦合到向上变换器110的一个输入端，二极管112的阳极连接到电感111，阴极连接到向上变换器110的输出。由第一控制单元115控制的可控开关(MOSFET)113连接在公用轨道107和位于所述电感111与所述二极管112之间的节点。缓冲电容114并联连接到向上变换器110的输出。
向上变换器110在它的输出上提供DC电压，该DC电压具有比整流的AC电源电压更高的电压电平。
向下变换器120包括一串行配置的电感121，以及由第二控制单元125控制的可控开关123，电感121的一端连接到向下变换器120的输出，可控开关123连接在所述电感121和所述二极管112之间。向下变换器120进一步包括二极管122，该二极管的阳极连接到公用轨道107，阴极连接到位于所述电感121和所述可控开关123之间的节点。滤波电容与向下变换器120的输出并联。
向下变换器120基本上用作电流源，在向下变换器的输出上以降压电平提供基本恒定电流。
换向器级130包括第一串行配置的两个连接在换向器的输入和公用轨道107之间的可控开关(MOSFET)131和132，以及第二串行配置的两个也连接在所述输入和所述公用轨道107之间的可控开关133和134。换向器130进一步包括一串行配置的气体放电灯140和与点火电路136相关联的点火线圈135，所述串行配置的点火线圈135和灯140连接在位于所述开关131和132之间的节点A和位于所述开关133和134之间的节点B之间。滤波电容137与所述串行配置的点火线圈135和灯140并联。
由第三控制单元138控制可控开关131、132、133和134。可将三个控制单元115、125和138结合在一个组合控制单元中。
向上变换器110的第一控制单元115控制可控开关113以使向上变换器的输出电压基本恒定。因此，在二极管112的阴极上测量向上变换器110的输出电压并且将测量信号提供给所述控制单元115(但是为了简化的目的，未在图1中示出)。控制向上变换器110的输出电压是通过控制可控开关113的占空比实现。
向下变换器120的第二控制单元125控制可控开关123以使向下变换器120的输出功率电平基本恒定。因此，将表示向下变换器120的输入电流的测量信号提供给控制单元125(但是为了简化的目的，未在图1中示出)。控制输出功率是通过控制可控开关123的占空比实现。
换向器级130的第三控制单元138控制四个可控开关131-134以将向下变换器120的输出电流以交替方向施加在灯140上。在半个灯周期内，开关131和134闭合(导电)而开关132和133打开(非导电)，以将来自向下变换器120的输出电流以节点A到节点B的方向施加在灯140上。在另外半个灯周期内，开关131和134打开(非导电)而开关132和133闭合(导电)，以使来自向下变换器120的输出电流以相反的方向施加在灯140上。
常规地，换向器级130的第三控制单元138以50％的占空比控制四个开关131-134，以使半个灯周期的时长与另外半个灯周期的时长完全相同。然而，如本领域技术人员所熟知的，如果期望灯140以不同于50％的占空比工作，可通过适当控制四个开关131-134容易地达到。
图2示意性示出现有技术两级类型的电子镇流器201，其包括第一级向上变换器110和第二级半桥换向前向级250。如图所示，第一级向上变换器110可与上述的向上变换器相同。此外，耦合到第一级向上变换器的输入的过滤元件103、104、105和整流器106也可与上述的元件相同。以这种方式，第二级HBCF 250在它的输入上接收向上变换器110的升高DC输出电压。
第二级HBCF 250包括一串行配置的两个连接在输入(节点261)和公用轨道107(节点262)之间的缓冲电容(一般是电解电容)251和252。在A点指示位于这两个电容251和252之间的节点。第二级HBCF 250进一步包括一串行配置的两个连接在所述输入和所述公用轨道107之间的可控开关253和254。在B点指示位于所述两个开关之间的节点。由控制单元255控制所述可控开关。
灯支路连接在所述两个节点A和B之间。此灯支路包括一串行配置的灯240、与点火电路236相关联的点火线圈235和电流限制线圈256。滤波电容237与串行配置的所述点火线圈235和所述灯240并联。
从图2中所示两级电子镇流器201的电路与图1中所示三级电子镇流器101的比较，可以明显看出图2所示的两级设计没有图1中的三级设计复杂，因而图2所示的两级设计没有图1中的三级设计的成本高。作为进一步的简化，可省去向上变换器110的缓冲电容114，由HBCF 250的串行配置的缓冲电容251和252执行缓冲电容114的任务。
在工作中，控制单元255如下控制可控开关253和254。在前半个灯周期期间，第一开关253打开(非导电)而第二开关254以相对高的频率重复打开和闭合。这使灯电流从节点A流动到节点B，其中结合第二开关254的高频切换的电流限制线圈256产生对灯电流的限制。在后半个灯周期期间，情况相反，由于第二开关254打开(非导电)并且第一开关253以高的频率打开和闭合，这使灯电流以从节点B到节点A的方向流动。
在此过程中，缓冲电容251和252充电。如果灯240以对称电流工作(即两个半个灯周期具有相同的时长和相同的电流强度)，并且如果灯240表现出对称性能，则位于两个电容251和252之间的节点A的平均电压电平是输入电压的一半(即向上变换器110的输出电压的一半)。
然而，如果灯240以不对称方式运转，或者如果控制单元255以不对称方式控制开关253和254(不同于的占空比)，对BACITOR充电将一直比对其它电容充电多，以使节点A的电压电平升高至输入电压电平或降低至公用轨道电压电平。
图3示意性示出按照本发明的电子镇流器301的实施例，与图2中示出的两级设计的有利复杂性相比，图3的电子镇流器具有相对低的复杂性，但是该电子镇流器能够处理不对称灯电流，而不存在上述的缺点。本发明提供的两级电子镇流器301包括第一级电压变换器310和第二级HBCF 250，如以上结合附图2所讨论的，该第二级HBCF 250可与现有技术HBCF 250相同。如上所述，为了接收、滤波并整流AC电源电压，可将滤波元件103、104、105和整流器106提供给电子镇流器301。
灯240连接在灯输出263的输出端263a和263b之间，第一灯输出端263a耦合到点火线圈235，第二灯输出端263b耦合到电流限制线圈256。
根据本发明的基本原理，根据双回扫设计实现的第一级DC/DC变换器310包括感应储能缓冲器320、至少一个输入电路330和两个分别与第二级HBCF 250的第一缓冲电容251和第二缓冲电容252相关联的输出电路340和350。在图3中所示的示例性实施例301中，感应储能缓冲器320包括具有第一终端322、第二终端323和中心端324的电磁线圈321。第一输入端322和中心端324之间的线圈部分指示为第一线圈段321A，而中心端324和第二终端323之间的线圈部分指示为第二线圈段321B。
第一终端322连接到整流器106的正输出端，中心端324连接到整流器106的负输出端。这样就定义了输入电路330，其包括第一线圈段321A。输入电路330中包括可控开关325(最好是MOSFET)。在图示的示例中，将此可控开关325配置在负整流器输出和中心线圈端324之间。由控制单元326控制可控开关325。
由第二线圈段321B定义的第一输出电路340与第一缓冲电容251并联。更具体地，第一二极管341连接到第二线圈终端323，阴极连接到第一缓冲电容251与节点A反向的终端(即第一桥输入端261)。由与HBCF 250的第二缓冲电容252并联的第一线圈段321A定义第二输出电路350。更具体地，第二二极管351的阴极连接到第一终端322，阳极连接到第二缓冲电容252与节点A反向的终端(即第二桥输入端262)。由公用导线311将中心线圈端324连接到节点A，该公用导线为第一输出电路340和第二输出电路350所公用。
双回扫变换器310如下工作。控制单元326控制可控开关325以重复地从打开(非导电)状态切换到闭合(导电)状态。如果可控开关325闭合，输入电流从第一终端322经过第一线圈段321A流到中心端324，如图3中箭头Iin所示。输入电流以电磁能量对感应储能缓冲器320充电。当可控开关325打开时，输入电流不再能够在输入电路330中流动，因此感应储能缓冲器320开始通过产生输出电流放电。在线圈321中，该输出电流具有与充电输入电流Iin相同的方向。更具体地，由第二线圈段321B产生第一输出电流，该电流从中心端324流到第二终端323，经过第一二极管341和第一缓冲电容251流到节点A，并经过公用导线311流回到中心端324。图3中用箭头Iout，1指示第一输出电流。类似地，由第一线圈段321A产生第二输出电流Iout，2，该电流从第一终端322流到中心端324，经过公用导线311流到节点A，经过第二电容252，并经过第二二极管351流回到第一终端322。以这种方式，分别由第一输出电流Iout，1和第二输出电流Iout，2对第一缓冲电容251和第二缓冲电容252充电。
第二级HBCF 250如常工作。控制单元255控制开关253和254以产生换向灯电流。如果灯表现出不对称性能，或者如果控制单元255诸如从用户可控输入设备257接收到命令信号Scomm，该命令信号命令控制单元以不同于50％的占空比驱动开关253和254，则缓冲电容251和252中的一个会比另一个放电更多。放电更快的缓冲电容将表现出比另一个缓冲电容更低的压降，结果，对此放电更快的电容充电的对应的输出电流具有更高的电流大小。结果，放电更快的电容同样充电更快。
控制单元326包括耦合以接收表示回扫变换器级310输出电压的测量信号的电压传感器输入326a，并且此控制单元产生开关激励信号从而以预定工作频率打开和闭合第三可控开关325。在此情况下，此测量信号可表示串行配置的电容251和252上的电压(即端261和端262之间的电压)。控制单元326响应此测量信号而适应所述开关激励信号的占空比，从而将输出电压保持在预定电平。
图4示意性示出按照本发明的两级电子镇流器的实施例401，该实施例与图3所示的实施例类似，但在图4的实施例中，用互感器式存储缓冲器420代替了图3的感应储能缓冲器320，该互感器式存储缓冲器420在公用磁心上具有分开的输入绕阻和输出绕阻。这样，本实施例401的感应储能缓冲器420具有输入绕阻421，该输入绕阻的一端421a连接到整流器106的正输出端，另一端421b经过可控开关422耦合到整流器106的负输出端，与上述结合控制单元326的描述类似，具有电压传感器输入423a的控制单元423控制可控开关422。感应储能缓冲器420具有与HBCF 250的第一缓冲电容251并联的第一输出绕阻424和与HBCF 250的第二缓冲电容252并联的第二输出绕组425，第一输出绕组424具有第一终端424a和第二终端424b，第二输出绕阻425具有第一终端425a和第二终端425b。第一输出绕阻424的第一终端424a可连接到第二输出绕阻425的第二输出端425b，在此情况下，与上述结合图3讨论的第一实施例301类似，该节点通过公用导线311连接到节点A。在此情况下，与上面讨论的二极管341和351类似，第一二极管426连接在第一输出绕阻424的第二终端424b和第一缓冲电容251之间，第二二极管427连接在第二输出绕阻425的第一终端425a和第二缓冲电容252之间。或者，如图4中的虚线所示，可由连接在节点A和第一输出绕阻424的第一终端424a之间的二极管428代替第一二极管426，并且可由连接在节点A和第二输出绕阻425的第二终端425b之间的二极管429代替第二二极管427。在此替代情况下，省去公用导线311，并且不需要将第一输出绕阻424的第一终端424a连接到第二输出绕阻425的第二终端425b。
第二实施例401的工作与第一实施例301的工作相同。如图所示，第二实施例401的典型特性是它可提供输入绕阻421和输出绕阻424、425之间的电隔离。如果不需要或不期望此电隔离，输入绕阻421的第一终端421a可连接到第二输出绕阻425的第一终端425a。
本领域的技术人员应该清楚本发明并不局限于以上所讨论的示例性实施例，但是在如权利要求书中所定义的本发明的保护范围内可实现不同的变化和修改。例如，代替滤波电容237，可将滤波电容连接在第二灯输出端263b和第一桥输入端261之间和/或将滤波电容连接在第二灯输出端263b和第二桥输入端262之间。
此外，在图4实施例401的情况下，本领域的技术人员应该清楚切断开关422会导致输入绕阻421上的电感电压峰值。为了处理该峰值，可由缓冲电路提供输入电路，这种缓冲电路本身是已知的。
此外，虽然一般而言第一输出绕阻321B：424和第二输出绕阻321A、425的绕线比等于1，但并不是必须如此，在某些情况下具有不同于1的绕线比也是有用的。
总而言之，本发明提供了用于驱动气体放电灯的两级电子镇流器。作为第一级，镇流器包括半桥换向前向(HBCF)级，该半桥换向前向级包括一串行配置的连接在两个桥输入端之间的第一缓冲电容和第二缓冲电容。作为第二级，镇流器包括双回扫变换器级，该双回扫变换器级包括感应储能缓冲器，该感应储能缓冲器具有至少一个适用于接收整流AC电源输入电压的输入电路，该感应储能缓冲器进一步具有至少两个输出电路，每个输出电路耦合到所述半桥换向前向级的相应的缓冲电容ILY对所述缓冲电容进行充电。以这种方式，本发明成功地提供了两级电子镇流器，该镇流器能够以换向电流驱动气体放电灯，该换向电流可根据期望具有不同于50％的可变占空比，用户能够反复设置该占空比从而为灯电流提供DC成分，其中可通过设置占空比设置电平。这对具有光发生属性的类型的气体放电灯(特别是金属卤化物灯)特别有用，该光发生属性取决于灯电流内的DC电流电平。

Claims (14)

1.两级电子镇流器，用于驱动气体放电灯，特别是高强度放电灯，更特别是金属卤化物灯；所述镇流器包括：
-半桥换向前向级，包括一串行配置的连接在两个桥输入端之间的第一缓冲电容和第二缓冲电容；以及
-双回扫变换器级，包括具有至少一个输入电路的感应储能缓冲器，所述输入电路适用于接收整流AC电源输入电压，所述缓冲器进一步具有至少两个输出电路，每个输出电路耦合到所述半桥换向前向级的相应的缓冲电容用于单独对所述缓冲电容充电。
2.如权利要求1所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述半桥换向前向级进一步包括：
-一串行配置的第一可控开关和第二可控开关，其连接在所述两个桥输入端之间；
-一串行配置的灯输出和电流控制电感，其连接在位于所述两个缓冲电容之间的第一节点和位于所述两个可控开关之间的第二节点之间；
-灯电流控制单元，其操作地连接到所述两个可控开关，所述灯电流控制单元适合于控制每个可控开关的操作状态以使在前半个周期，将所述第一开关保持在打开状态(非导电)，同时以相对高的频率打开和闭合所述第二开关，而在后半个周期，将所述第二开关保持在打开状态(非导电)，同时以相对高的频率打开和闭合所述第一开关。
3.如权利要求1或2所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述感应储能缓冲器的输入电路包括第一绕阻和与所述第一绕阻串联的第三可控开关；
其中所述感应储能缓冲器的第一输出电路包括与所述第一绕阻串联的第二绕阻，所述第二绕阻具有连接到所述第一绕阻的自由端和第二端，所述第一输出电路进一步包括耦合在所述第二绕阻的所述自由端和所述第一桥输入端之间的第一二极管，以及耦合在所述第二绕阻的所述第二端和位于所述两个缓冲电容之间的所述第一节点之间的公用导线；并且
其中所述感应储能缓冲器的所述第二输出电路包括所述第一绕阻，所述第一绕阻具有自由端和连接到所述第二绕阻的第二端，所述第二输出电路进一步包括所述公用导线和耦合在所述第一绕阻的所述自由端和所述第二桥输入端之间的第二二极管。
4.如权利要求1或2所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述感应储能缓冲器的输入电路包括第一绕阻和与所述第一绕阻串联的第三可控开关；
其中所述感应储能缓冲器的所述第一输出电路包括感应地耦合到所述第一绕阻的第二绕阻，所述第二绕阻具有耦合到所述第一桥输入端的第一端以及耦合到位于所述两个缓冲电容之间的所述节点的第二端，所述第一输出电路进一步包括串联耦合到所述第二绕阻的第一二极管；并且
其中所述感应储能缓冲器的第二输出电路包括感应耦合到所述第一绕阻的第三绕阻，所述第三绕阻具有耦合到所述第二桥输入端的第一端和耦合到位于所述两个缓冲电容之间的所述节点的第二端，所述第二输出电路进一步包括串联耦合到所述第三绕阻的第二二极管。
5.如权利要求4所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述第一二极管连接在所述第二绕阻第一端和所述第一桥输入端之间。
6.如权利要求4所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述第一二极管连接在所述第二绕阻第二端和所述节点之间。
7.如权利要求4-6中的任意一项所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述第二二极管连接在所述第三绕阻第一端和所述第二桥输入端之间。
8.如权利要求4-6中的任意一项所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述第二二极管连接在所述第三绕阻第二端和所述节点之间。
9.如以上权利要求中的任意一项所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述感应储能缓冲器进一步包括操作耦合到所述第三可控开关的输出电压控制单元，所述输出电压控制单元适用于控制所述第三可控开关的状态以使所述两个桥输入端之间测量的所述回扫变换器级的输出电压基本保持在预定的恒定值。
10.如权利要求8或9所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述输出电压控制单元包括耦合以接收表示所述回扫变换器级的输出电压的测量信号的电压传感器输入，并且其中所述输出电压控制单元适用于产生开关激励信号使得以预定的工作频率打开和闭合所述第三可控开关，所述输出电压控制单元响应所述测量信号以适应所述开关激励信号的占空比，从而将所述输出电压保持在预定电平。
11.如权利要求10所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述测量信号表示所述串行配置的第一缓冲电容和第二缓冲电容上的电压。
12.如权利要求2-11中的任意一项所述的两级电子镇流器，其特征在于：所述灯电流控制单元响应命令信号而将所述第一和第二可控开关的占空比设置在可不同于50％的值，以使灯电流可具有直流成分。
13.光发生装置，包括：气体放电灯，具体是金属卤化物灯；以及如以上权利要求中的任意一项所述的两级电子镇流器。
14.如权利要求13所述的光发生装置，其特征在于：所述灯具有根据DC电流电平变化光发生属性的类型。
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