CN1709014A - 点火脉冲升压器电路 - Google Patents

Abstract

一种脉冲升压器电路(10)，包括在输入端(11a；11b)与输出端(12a；12b)之间延伸的第一脉冲传输路径(41)和第二脉冲传输路径(42)。电容器(20)和第一击穿开关(13)的串联布置连接在所述输入端(11a；11b)之间。第二击穿开关(14)与变压器(30)的初级绕组(31)的串联布置与所述电容器(20)并联连接。所述变压器(30)的第一输出绕组(32)包含在所述第一脉冲传输路径(41)中，同时所述变压器(30)的第二输出绕组(33)包含在所述第二脉冲传输路径(42)中。

Description

点火脉冲升压器电路

本发明一般涉及一种用于驱动气体放电灯的设备，具体而言，涉及一种高强度放电(HID)灯。

特别地，本发明涉及一种为气体放电灯-尤其是HID灯产生点火脉冲的设备。

要操作气体放电灯，需要附加的灯传动装置来稳定灯(维持额定的灯电压、电流和功率电平)。为达到上述目的，常规(电磁式)传动装置(gear)是标准选项。其包括用于稳定灯的镇流器和用于对灯进行点火的点火器。如今，常规传动装置来越多地被电子传动装置所代替。该电子传动装置经常将一个电子电路中的以下功能进行组合，即灯功率控制和点火以及电源因数校正。两种类型的镇流器在点火之前都将所谓的开路电压提供给灯。在常规传动装置的情况下，这是电源电压。在电子传动装置下，其通常是具有某一幅度的矩形波电压，例如300V。对于点火来说，高电压脉冲通过点火电路而被叠加到所述开路电压上。这些脉冲必须在气体放电管中导致击穿(breakdown)。先前所提及的开路电压必须高得足以提供接管(take-over)，这意味着在已点火的灯内保持住电流。从该时刻起，灯功率将上升到其额定值(急剧上升)。所述点火脉冲具有量级在大约为3-5kV的幅度。

当灯是冷的时候，所述点火脉冲的量级在大约为3-5kV的幅度已表现出足以确保点火。然而，HID灯具有以下问题，即如果在它们关闭之后仍然是热的，那么它们需要强很多的点火脉冲(所谓为热再点火)，典型量级为大约20kV。所以，在使用常规驱动器再一次将所述灯接通之前，关闭之后的HID灯需要冷却。

作为选择，可以设计驱动器以提供具有量级大约为20kV幅度的点火脉冲，但是这使得所述驱动器更贵，更大和更重，不过仅在有的应用中需要或希望用于热再点火的这种高脉冲。此外，需要针对20kV而不是5kV设计驱动器和灯之间的线路，这也增加了成本。

除此之外，可能存在其他的原因，即使当灯是冷的时候，灯驱动设备产生的电压脉冲也看来似乎对于气体放电灯进行点火来说不够强。例如，脉冲生成器和灯之间的长的线路可能增加电缆电容，从而减少了线路在灯一侧的电压脉冲的高度。在常规的驱动器中，所述脉冲的内能被浪费了，并且该驱动器产生幅度基本相同的下一点火脉冲，这新的脉冲也将看来似乎不够强的概率是高的，其能量也将浪费。

本发明的主要目的是提供这些问题的解决方案。特别地，本发明的目标是提供气体放电灯驱动系统，即使这种灯在冷的条件下点火有问题或热再点火有问题，该气体放电灯驱动系统也能够可靠地对气体放电灯进行点火。

根据本发明的一个方面，提供一种点火脉冲升压器电路，其能够从脉冲发生驱动器接收第一幅度的输入电压脉冲并且提供有较高的第二幅度的输出电压脉冲。优选的，该升压器电路在上述正常点火脉冲对放电灯进行点火没有成功的情况下积聚正常点火脉冲的能量，并且一旦其已积聚了足够的能量，就产生较高幅度的输出脉冲。从而，不再浪费失败的点火脉冲的内能。提高了灯的点火的可靠性，同时由驱动器产生的点火脉冲幅度能够保持相同。按照希望/需要，能够将点火升压器添加到灯驱动系统。

根据本发明的另一方面，提供一种具有点火脉冲升压器电路的气体放电灯的灯座。可以与灯座具有一定距离之处布置一个驱动器，该驱动器可以是常规的、当前的技术水平的驱动器，并且驱动器和灯座之间的线路可以是常规的、当前的技术水平的线路。只有该灯座内的、升压器电路输出端和灯之间的线路需要遵照20kV的需求而进行设计。

通过结合附图而进行根据本发明的气体放电灯驱动器的优选实施例的描述以进一步解释本发明的这些和其他方面、特征和优点，其中相同的附图标记指示相同或相似部件，其中：

图1示意性示出了具有气体放电灯的灯座的透视图；

图2是根据本发明的灯座的示意性框图；

图3A-B是解释根据本发明的脉冲升压器电路的工作基础的示意性框图；

图4是说明根据本发明的脉冲升压器电路的优选实施例的示意性框图。

在以下的内容和附图中，各个输入或输出的端子将通过把字母a或b附加到相应的附图标记上来区别。

图1示意性示出了用于气体放电灯2的灯座1的透视图。该灯座1具有连接到灯驱动器的输入端3，该灯驱动器例如可以是一种常规的电子镇流器。

图2是示出了灯座1的输入端3经由线路7而连接到灯驱动器5的输出端6的示意性框图，其中线路7可以是为5kV规格设计的常规线路。该灯座1具有与气体放电灯(图2中未示出)相耦合的输出端4。该灯座1配备有耦合在灯座输入端3和灯座输出端4之间的脉冲升压器电路10。

图3A是根据本发明的脉冲升压器电路10的示意图，用于解释其工作基础。该脉冲升压器电路10具有连接到灯2的输入端11和输出端12。脉冲升压器电路10在其输入端11接收正常的灯电源电压V_N。该正常的灯电源电压V_N在输出端12被输出以提供给灯2。在正常的条件下，正常的正电源电压V_N足以维持灯的工作。在需要对灯2进行点火的情况下，该正常的灯电源电压V_N包括灯接管(take-over)电压与附加的灯点火脉冲的组合。如果这些附加的灯点火脉冲强得足以对该灯进行点火，那么如箭头P1所示那样，这种灯点火脉冲被连接到升压器输出端12的气体放电灯2所消耗。

该脉冲升压器电路10的关键特征是：能量缓冲器20，具有与输入端11并联连接的输入端；和脉冲生成器30，具有耦合到能量缓冲器20的输入端36并且具有耦合到脉冲升压器电路10的输出端12的输出端37。该脉冲生成器30的另一输入端35耦合到脉冲升压器电路10的输入端11。通常，该脉冲生成器30传输在点火之前存在于其第一输入端35所接收的灯电源电压V_N内的点火脉冲。所以通常，如上所述，如箭头P1所指示的那样，正常的灯电源电压V_N内的所有灯的点火脉冲的内能被连接到升压器输出端12的气体放电灯2所消耗。

如果由于任何原因，气体放电灯2没有消耗灯的点火脉冲，那么如箭头P2所示，该灯点火脉冲的能量实际上积聚在能量缓冲器20中。如箭头P3所指示的那样，当在许多这种脉冲之后，能量缓冲器20内所积聚的能量达到某一预定的电平，该脉冲生成器30使用在其第二输入端36接收的能量缓冲器20所积聚的能量来产生高电压脉冲。

应该指出：虽然从能量缓冲器20到脉冲生成器30的能量传输路径被示为单线，但是其实际上是通过两条(或更多)的导电体来实施的。

图3B是图3A的脉冲升压器电路10的改进的示意图。现在脉冲生成器30具有耦合到能量缓冲器20的输入端的第二输出端38。通常，该脉冲生成器30再一次传输在点火之前存在于其第一输入端35所接收的灯电源电压V_N内的点火脉冲。所以通常，如箭头P 1所指示的那样，正常的灯电源电压V_N内的灯点火脉冲的内能被连接到升压器输出端12的气体放电灯2所消耗。如果由于任何原因气体放电灯2没有消耗灯点火脉冲，那么如箭头P2所示，这个灯点火脉冲的能量被脉冲生成器30转送到能量缓冲器20中。如箭头P3所指示的那样，当在多个这种脉冲之后，能量缓冲器20内所积聚的能量达到某一预定的电平，脉冲生成器30使用在其第二输入端36接收的能量缓冲器20所积聚的能量来产生高电压脉冲。

图4示意性示出了脉冲升压器电路10的优选实施例的电路图。脉冲升压器电路10具有输入端11a、11b(共同指示为输入端11)和输出端12a和12b(共同指示为输出端12)。在输入端11接收正常的灯电源电压V_N，并且气体放电灯2连接到输出端12。

脉冲生成器30被实施为脉冲变压器30，包括输入绕组31、第一输出绕组32和第二输出绕组33。第一输出绕组32连接在第一输入端11a和第一输出端12a之间；第二输出绕组33连接在第二输入端11b和第二输出端12b之间。所以，在第一输入端11a和第一输出端12a之间定义第一脉冲传输路径41，并在第二输入端11b和第二输出端12b之间定义第二脉冲传输路径42。照例，在正常工作中，正常的灯电源电压V_N通过这两个传输路径41和42，而基本上不受所述两个绕组32、33的阻碍，以致于正常的灯电源电压被提供给气体放电灯2。

气体放电灯2的特性在于灯击穿电压V_LB，该灯击穿电压是在其上出现击穿的灯电压。所以，施加到灯的电压不能升高到灯击穿电压V_LB之上，至少基本上不能。该击穿电压V_LB的实际值取决于环境。如果灯关闭并且要在冷的状态下点火，那么相应的击穿电压将被指示为冷灯点火电压V_LIC。如果灯关闭但仍然是热的，并且要在热的状态下重新点火，那么相应的击穿电压将被指示为热灯点火电压V_LIH。在HID灯中，冷灯点火电压V_LIC低于正常灯电源电压V_N中的灯点火脉冲的峰值幅度V_P。所以，对于正常条件下的冷点火来说，灯点火脉冲的峰值幅度V_P能够开启灯，并且第一输入端11a的电压将不会升高到所述冷灯点火电压V_LIC之上。

脉冲升压器电路10进一步包括连接在所述第一输入端11a和所述第二输入端11b之间的串联组合：缓冲电容器20和第一击穿开关13以及二极管15。该击穿开关13是一种如下的器件，即只要开关端子上的电压保持低于预定的击穿阈值电平，该器件就基本上不导电。开关端子上的电压一旦达到所述预定的击穿阈值电平，该击穿开关就基本上导电，并且只要开关端子上的电压比低于所述击穿阈值电平的预定阻塞阈值电平高，那么该击穿开关保持基本上导电。击穿开关的一种合适的例子是火花隙。另一合适的实例是SIDAC。由于火花隙开关和SIDAC开关是公知的部件，所以没有必要详细地解释它们的设计和工作。

该第一击穿开关13具有适当选择的击穿阈值电平V_BD1；在典型的实施例中，V_BD1的值大约是1600V，其低于指定的灯击穿电压。如果输入端11上的点火脉冲具有负极性，也就是第一输入端11a相对于第二输入端11b是负的，那么这种脉冲将完全被传输到输出端12。然而，如果输入端11上的点火脉冲具有正极性，也就是，第一输入端11a相对于第二输入端11b是正的，那么当第一输入端11a上的电压达到1600V时，则第一击穿开关13将击穿；所以，在该情况下被传输的点火脉冲被限于1600V。结果，存在以下可能性，即有的灯在某些情况下将不再在主脉冲上点火。然而，如以下所解释的那样，它们将被‘升压器’脉冲点火。

当第一击穿开关13击穿时，其关闭从输入端11到缓冲电容器20的路径，并且灯点火脉冲电压导致充电电流通过缓冲电容器20。所以，灯点火脉冲的至少部分内能存储在缓冲电容器20。

本领域的技术人员很清楚，如果用每一脉冲像这样对缓冲电容器20进行充电，缓冲电容器20上的电压VC就会增加，取决于该脉冲的内能和缓冲电容器20的容量。

缓冲电容器20与第二击穿开关14和变压器30的第一绕组31的串联组合并联连接。第二击穿开关14具有低于第一击穿阈值电平V_BD1的适当选择的第二击穿阈值电平V_BD2，例如800V。只要缓冲电容器20上的电压V_C达到第二击穿开关14的这一第二击穿阈值电平V_BD2，第二击穿开关14就击穿并且关闭从缓冲电容器20到变压器30的第一绕组31的路径。该缓冲电容器20在第一绕组31上进行放电。结果，电压脉冲在脉冲变压器30的每一输出绕组32和33中感应出。本领域技术人员很清楚，这些电压脉冲的幅度取决于第二击穿开关14的击穿阈值电平V_BD2并且取决于输入绕组31和输出绕组32、33之间的变压系数或绕组比率。

在合适的设计中，在每一输出绕组32、33中感应出的电压脉冲能够具有10kV的峰值，以致于灯输出端12上的电压能够具有20kV的峰值。应该指出：在这样的情况中，只需对与地电平之间的10kV和两个线路之间的20kV而采取绝缘措施。另一方面，能够使用仅具有一个输出绕组32或33的变压器，该输出绕组32或33分别相应地耦合到仅一个输出端12a或12b，但是，如果期望施加一个具有相同幅度的电压脉冲，那么绝缘措施需要考虑20kV的电压电平。

应该指出：在常规传动装置上正常的灯电源电压V_N中，灯点火脉冲与交流电源电压之间具有预定的相位关系。由本发明的脉冲升压器电路10所提供的输出脉冲与交流电源电压之间具有基本上相同的相位关系，原因在于第二击穿开关14的击穿基本上与正常的灯电源电压V_N的灯点火脉冲一致。

如果在几个脉冲对缓冲电容器20进行充电之后，气体放电灯2在不需要来自缓冲电容器20的升压脉冲的情况下，在正常的灯电源电压V_N上进行点火，那么在气体放电灯点燃的同时，该缓冲电容器20仍然在被充电。通常，缓冲电容器20通过电路内的寄生电阻而缓慢地放电。如果希望能量缓冲器的这种放电被更快实现，就可以与缓冲电容器20并联地设置一放电电阻(未示出)。该电阻优选地应该具有相当大的电阻，大约为10Mohm或更大。

缓冲电容器20的电容值不是关键性的；总体而言，一个合适的值取决于电路设计(其他元件的值)。一个合适的值例如为大约200nF。如果缓冲电容器20的电容值选择的较高，那么更多的能量可以利用，以致于能够产生较高和/或较宽的点火脉冲，但是要达到第二击穿开关14的击穿电压，将要消耗更多的充电脉冲。

在图4所示的实施例中，二极管15与第一击穿开关13和缓冲电容器20串联布置。原则上，可以在镇流器仅产生正点火的情况下省略上述二极管。然而，有的镇流器产生具有交变极性的脉冲。在该情况下，利用正脉冲充电的缓冲电容器会被随后的负脉冲放电；这种放电被二极管所阻止。一个附加的优点在于：根据主脉冲的极性和点火升压器电路设计，一半的点火脉冲能够以它们的整个幅度进行传输。

在图4所示的实施例中，单个二极管15用于防止缓冲电容器的放电。在该情况下，负点火脉冲不被用来对缓冲电容器20充电。然而，本领域技术人员将明白：代替仅有的一个二极管15，能够布置一个完整的二极管电桥，以致于正和负点火脉冲将用于对缓冲电容器20进行充电。如果输入脉冲的极性随接管或电源电压极性而变化，那么单个二极管的优点在于：一半的脉冲被开关截掉了(top)，而另一半的脉冲完全为灯所利用。

所以，本发明提供一种脉冲升压器电路10，包括在输入端11a；11b与输出端12a；12b之间延伸的第一脉冲传输路径41和第二脉冲传输路径42。电容器20和第一击穿开关13的串联布置连接在所述两个输入端11a；11b之间。第二击穿开关14与变压器30的初级绕组31的串联布置与所述电容器20并联连接。所述变压器30的第一输出绕组32包含在所述第一脉冲传输路径41中，同时所述变压器30的第二输出绕组33包含在所述第二脉冲传输路径42内。在所述输入端11所接收的电压脉冲用于对灯2进行点火或对电容器20进行充电。只要电容器电压上升得足够高，其就在变压器30的初级绕组31上进行放电，从而导致高电压脉冲在变压器30的次级绕组32、33上感应出。

如果传动装置满足以下规格(例如由长线路所导致的)，那么升压器电路将充电并且将激发升压器脉冲，灯的点火得到保证。所以升压器确保具有非常长的线路以及热再点火条件下的点火。

本领域的技术人员很清楚，本发明并非限于以上讨论的典型实施例，在所附权利要求中定义的发明的保护范围内，不同的变化和修改也是可能的。

以上，脉冲升压器电路10作为容纳在灯外罩1内的电路而被描述，这是一个非常有利的实施例。也能够将脉冲升压器电路10实施为一个独立模块，连接在从驱动器到灯外罩的线路上。脉冲升压器电路10作为输出级而包含在气体放电灯的驱动器内也是有可能的。如希望的那样，在所有的情况中，举例来说，该驱动器可以实施为具有点火器或电子镇流器的标准CuFe线圈。

以下将指出关于第一击穿开关13的设计，尤其是它的击穿阈值电平V_BD1的设计。首先，应该把第一击穿开关13的击穿阈值电平V_BD1选择在正常的灯电源电压V_N中存在的灯点火脉冲的峰值幅度V_P以下，否则第一击穿开关13将永不能击穿并且缓冲器20就不会被充电。其次，应该把第一击穿开关13的击穿阈值电平V_BD1选择在所述冷灯点火电压V_LIC之上，以便允许灯在“正常”的脉冲上点火。如果第一击穿开关13的击穿阈值电平V_BD1低于所述冷灯点火电压V_LIC的实际值，那么在灯点火之前，第一击穿开关13将始终击穿，并且灯将总是等待点火直到其接收到一个升压脉冲。这意味着在灯实际点火之前存在微小的延迟。另一方面，如果第一击穿开关13的击穿阈值电平V_BD1选择得相对高，那也许意味着在电源电压例如受到长线路的影响的情况下，正常的灯电源电压中存在的灯点火脉冲不能够击穿开关13。

Claims (20)

1.一种脉冲升压器电路，包括：

-输入端，包括第一和第二输入端，用于接收具有第一幅度的输入电压脉冲；

-输出端，包括第一和第二输出端；

-电能存储缓冲器，具有能够通过所述输入电压脉冲的至少一部分来充电的输入端；

-脉冲生成器装置，具有能够耦合到所述能量存储缓冲器的输入端，脉冲生成器装置被设计来使用来自于所述能量存储缓冲器的能量来产生具有第二幅度的输出电压脉冲。

2.根据权利要求1的脉冲升压器电路，其中所述第二幅度大于所述第一幅度。

3.根据权利要求1或2的脉冲升压器电路，进一步包括：

-在所述第一输入端和所述第一输出端之间延伸的第一脉冲传输路径；

-在所述第二输入端和所述第二输出端之间延伸的第二脉冲传输路径；

-其中所述电能存储缓冲器具有能够被耦合到至少一个所述脉冲传输路径的输入端；

以及其中所述脉冲生成器装置具有耦合到至少一个所述脉冲传输路径的输出端。

4.根据权利要求3的脉冲升压器电路，其中所述电能存储缓冲器包括能够耦合在所述两个脉冲传输路径之间的储能电容器。

5.根据权利要求3或4的脉冲升压器电路，进一步包括缓冲器充电装置，适于检测所述两个脉冲传输路径之间的电压差，并响应于检测出所述电压差超过了第一预定阈值，从所述脉冲传输路径给所述能量存储缓冲器进行充电。

6.根据权利要求5的脉冲升压器电路，其中所述缓冲器充电装置被设计来响应于检测出所述电压差超过所述第一预定阈值，将至少一个所述的脉冲传输路径和所述能量存储缓冲器连接，。

7.根据权利要求5或6的脉冲升压器电路，其中所述缓冲器充电装置包括耦合在所述能量存储缓冲器和至少一个所述脉冲传输路径之间的第一击穿开关，所述击穿开关优选的包括火花隙或SIDAC。

8.根据权利要求5-7的任一项所述的脉冲升压器电路，其中所述缓冲器充电装置包括整流装置。

9.根据任何一个在前权利要求所述的脉冲升压器电路，进一步包括缓冲器充电装置，适于检测能量存储缓冲器的电压电平，并响应于检测出所述电压电平超过第二预定阈值，至少部分地对所述能量存储缓冲器进行放电以使能量流入所述脉冲生成器装置的所述输入端。

10.根据权利要求9的脉冲升压器电路，其中所述缓冲器放电装置被设计来响应于检测出所述电压电平超过所述第二预定阈值，将所述脉冲生成器装置与所述能量存储缓冲器连接。

11.根据权利要求9或10的脉冲升压器电路，其中所述缓冲器放电装置包括耦合在所述能量存储缓冲器与所述脉冲生成器装置之间的第二击穿开关，所述击穿开关优选包括火花隙或SIDAC。

12.根据权利要求9-11的任一的脉冲升压器电路，其中所述第二预定阈值低于所述第一预定阈值。

13.根据任何一个在前权利要求所述的脉冲升压器电路，其中所述脉冲生成器装置包括变压器。

14.根据任何一个在前权利要求所述的脉冲升压器电路，其中所述脉冲生成器装置具有耦合到所述第一脉冲传输路径的第一输出端和耦合到所述第二脉冲传输路径的第二输出端。

15.根据权利要求3-14的任一的脉冲升压器电路，其中所述脉冲生成器装置包括变压器，该变压器具有与所述能量存储缓冲器相耦合的输入绕组并且具有至少一个包含在所述第一脉冲传输路径或所述第二脉冲传输路径内的输出绕组。

16.根据任何一个在前权利要求所述的脉冲升压器电路，包括：

-第一击穿开关和储能电容器的串联布置，耦合在所述两个输入端之间；

-变压器，具有与第二击穿开关串联连接的输入绕组，第二击穿开关和变压器的输入绕组的所述串联布置与所述储能电容器并联连接；

-所述变压器具有连接到所述第一输出端的第一输出绕组。

17.根据权利要求16的脉冲升压器电路，其中所述变压器具有连接到所述第二输出端的第二输出绕组。

18.根据任何一个在前权利要求所述的脉冲升压器电路，

其中所述脉冲生成器装置具有耦合到升压器电路的输入端的第一输入端，

其中所述脉冲生成器装置具有能够耦合到能量存储缓冲器的输出端的第二输入端，

以及其中所述脉冲生成器装置具有耦合到升压器电路的输出端的输出端。

19.一种用于气体放电灯的驱动器系统，包括灯电流和点火脉冲发生装置以及根据任何一个在前权利要求所述的脉冲升压器电路。

20.一种用于气体放电灯的灯座，包括：

-驱动器输入端，用于连接到灯驱动器系统；

-灯连接器端，与通过所述灯座所容纳的电灯连接；

-以及根据任何一个在前权利要求所述的脉冲升压器电路，容纳在所述灯座内，其具有连接到所述灯座的驱动器输入端的输入端，并具有连接到所述灯座的灯连接器端的输出端。

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