CN1711805A - 用作操作高压放电灯的电路装置 - Google Patents

Abstract

一种用于操作高压放电灯的电路装置，包括给输出电容(Cout)提供DC电流的DC/DC下变换器，输出电容(Cout)并联连接到全桥逆变器(S1－S4)。依赖于输出电容(Cout)两端电压的幅度，经由控制电路(CSG)调节由DC/DC变换器提供的电流，其中该控制电路(CSG)使开关元件(Sd)交替地导通和不导通。特别地，参考信号(Sref)表示由DC/DC变换器提供的DC电流，依赖于由峰值检测器(PD)在输出电容(Cout)上检测到的峰值电压，由微处理器(μP)在全桥逆变器(S1－S4)的每一次换向时周期性地调制该参考信号(Sref)。因而，能够获得谐振现象的减少，该谐振现象发生在输出电容(Cout)和诸如点亮扼流圈(Lign)的全桥变换器的部件和/或灯(LA)之间。

Description

用于操作高压放电灯的电路装置

本发明涉及操作高压放电灯的电路装置，包括：

-连接到电压源的输入端，

-耦合到输入端的DC-DC变换器，用于从由电压源供给的电源电压中产生DC(直流)电流，并包括

-控制环路，用于把DC电流控制在由参考信号Sref表示的值，

-控制电路，用于调节参考信号Sref，和

-输出电容，

-换向器(commutator)，用于换向DC电流，并包括灯连接端。

这种电路装置是已知的，例如常常用于在投影设备中操作超高压灯。实际中，换向器常常包括全桥电路，并且换向频率常常在10Hz或100Hz数量级。在两个连续的换向之间，多数时间DC电流被控制在一个由参考值Sref表示的恒定值上。因而，通过高压放电灯的电流基本上是方波形状的低频AC(交流)电流。已经发现，借助于这样一个电流，能够以稳定有效的方式操作高压放电灯。若干问题与DC电流的换向有关。在换向期间的一个很短的时间段中，包括在桥电路中的所有开关元件不导通，所以没有电流通过DC-DC变换器被供给到桥电路。因而，输出电容两端的电压在这个短时间段中增加。输出电容两端电压的增加造成换向后灯电流立即增加。灯电流的这一增加是不期望的，因为其造成灯暂时产生更多的光，使得光输出不是基本恒定的。

实际上，电容两端电压的这一暂时增加，通常被称作“过冲”，其常常在换向附近通过暂时减小Sref值来抵消。Sref的减小，常常被称作“下陷(dip)”，造成DC电流在小时间段中暂时具有较低的值。因而，由换向造成的过冲很大程度上被抑制。下陷可以被认为是参考信号Sref的调制，其以和DC电流换向同样的频率发生。“下陷”的特征在于下陷参数，例如ΔSref(下陷的深度)、在其间Sref保持在减小的电平上的时间段、在下陷开始时Sref减小的速率、在下陷结束时Sref增加的速率和已调信号Sref与灯电流之间的相位关系。已经发现，为了获得对过冲的最大抑制，不同类型的高压灯需要下陷参数的不同设置。类似地，也发现，为了对过冲的最佳抑制，相同类型但是具有不同“使用时间(age)”(＝灯已经发光的小时数)的高压放电灯，需要下陷参数的不同设置。因而，在已知的电路装置中执行的过冲抑制仅对于一种特定类型的灯、甚至仅对于该灯的特定使用时间是最佳的。

与DC电流的换向有关的另一个问题是其招致了该电路装置的负载中的基本上阶跃式的变化。这种电路装置的负载中的阶跃式的变化造成下变换器输出电容和包括在换向器中的部件(例如点亮扼流圈(ignition choke))和/或灯谐振。因此，较高频率的AC电流叠加在灯电流上，并且同样频率的AC电压叠加在输出电容两端的电压上。这种谐振又常常造成听得到的噪音，并影响灯的光输出。此外，这种谐振能够破坏灯。

本发明目的在于提供一种用于操作高压放电灯的电路装置，其中在许多不同类型的高压放电灯的完整的使用寿命期间有效地抵消了与DC电流的换向有关的问题。

因此，依据本发明，在开始的段落中提到的电路装置的特征在于：控制电路包括依赖于一个周期电压的幅度调节参考信号Sref的装置，该周期电压存在于输出电容两端，并由DC电流的换向产生。

在依据本发明的电路装置中，依赖于周期电压的幅度调节信号Sref，该周期电压存在于输出电容两端，并由DC电流的换向产生。这个周期电压可以是过冲电压，但也可以是由谐振造成的AC电压，该谐振在DC-DC变换器的输出电容和换向器的(一个或多个)部件和/或高压放电灯之间产生。根据存在于输出电容两端的周期电压的Sref的调节造成对这些周期电压的有效抑制。已经发现，在依据本发明的电路装置中，对于许多不同类型的高压放电灯，存在于输出电容两端的周期电压被有效地抑制。同时也发现，在灯的整个使用寿命期间保持了这种有效的抑制。

在依据本发明的电路装置的第一优选实施例中，控制电路包括用于产生信号Scorr的电路和从参考信号Sref中减去信号Scorr的电路，信号Scorr表示输出电容两端AC电压的瞬时幅度。此第一优选实施例中的控制电路比较简单，也可以用比较简单的方式实现。用于产生信号Scorr的电路可以包括通过在谐振频率周围的频带的滤波器。

依据本发明的电路装置的各实施例已经获得好的结果，其中信号Scorr与输出电容两端的AC电压的瞬时幅度成比例。当高压放电灯老化时，其阻抗改变。已经发现，如果电路装置装备有用于根据灯的使用时间来调节信号Scorr和输出电容两端AC电压的幅度之间比率的电路，则能获得对AC电压的非常有效的抑制。特别是当灯老化时，减小信号Scorr和输出电容两端的AC电压的瞬时幅度之间的比率。为此，该电路装置可以包括用于测量灯发光期间的小时数的计时器，以及用于根据这个小时数来调节信号Scorr和AC电压的幅度之间比率的装置。然而，已经发现，由于当灯老化时灯电压增加，通过依赖于灯电压来调节信号Scorr和AC电压的瞬时幅度之间的比率，可以实现一种非常简单有效的实现方式。

在依据本发明的电路装置的第二优选实施例中，控制电路包括：

-第一电路部件，用于产生信号Scorr，信号Scorr表示输出电容两端过冲电压的峰值幅度，

-第二电路部件，用于以和DC电流换向频率相等的调制频率来调制参考信号Sref，这是通过连续地：

-在第一时间间隔Δt1期间将参考信号Sref减小一个量ΔSref，其中第一时间间隔Δt1在每一次DC电流换向前开始第二时间间隔Δt2，

-在第三时间间隔Δt3期间把参考信号保持在减小的值上，

-在第四时间间隔Δt4期间将参考信号Sref增加一个量ΔSref，

-第三电路部件，用于调节从由ΔSref、Δt1、Δt2、Δt3和Δt4构成的组中选择的至少一个参数，使得信号Scorr的幅度最小。

该第二优选实施例中的第三电路部件允许对一个或多个下陷参数的非常精确的控制，这导致对过冲电压的非常有效的抑制。对一个或多个下陷参数的调节优选地由包括在第三电路部件中的装置完成，该装置用于增加和减小参数值，直到信号Scorr的幅度最小。尽管仅调节一个参数直到Scorr的幅度最小，能够产生对过冲电压的一定的抑制，但是优选地，第三电路部件包括用于调节从由ΔSref、Δt1、Δt2、Δt3和Δt4构成的组中选择的至少2个参数的装置，使得信号Scorr的幅度最小。

各实施例已获得好的结果，其中第三电路部件包括用于调节参数ΔSref、Δt2和Δt3的装置，使得信号Scorr的幅度最小。优选地，借助于微控制其实现对参数的调节。

依据本发明的电路装置的各实施例将参考附图进行说明。在附图中：

图1示出了依据本发明的电路装置的第一实施例，其具有一个与其连接的灯；

图2示出了依据本发明的电路装置的第二实施例，其具有一个与其连接的灯，和

图3示出了在第二实施例中已调信号Sref和通过灯的电流作为时间函数的形状。

在图1中，K1和K2是连接到电压源的输入端。输入端K1和K2借助于开关元件Sd、电感元件L1、输出电容Cout和欧姆电阻R3的串联配置连接。输出电容Cout和欧姆电阻R3的共用端借助于二极管D1连接到开关元件Sd和电感L1的共用端。CSG是用于产生控制信号的电路部件，该控制信号使开关元件Sd交替地导通和不导通。电路部件CSG的输出端耦合到开关元件Sd的控制电极。电路部件CSG的第一输入端耦合到输入端K2。电路部件CSG的第二输入端耦合到电路部件ADD的输出端。电路部件ADD是用于在其输出端产生一个信号的电路部件，该信号是存在于电路部件ADD第一输入端的第一信号和存在于电路部件ADD第二输入端的第二信号的和。电路部件ADD的第一输入端连接到电路部件Srefgen的输出端。电路部件Srefgen是用于产生参考信号Sref的电路部件。输出电容Cout被电容C1和C2的串连配置旁路。电容C1和C2的共用端借助于欧姆电阻R1连接到运算放大器AMP的第一输入端。运算放大器AMP的第二输入端连接到地电位。运算放大器AMP的输出端借助于欧姆电阻R2连接到运算放大器AMP的第一输入端。运算放大器AMP的输出端也直接连接到电路部件ADD的第二输入端。运算放大器AMP与欧姆电阻R1和R2共同构成一个放大器。开关元件Sd、电路部件CSG、电感元件L1、输出电容Cout、电容C1和C2、二极管D1、欧姆电阻R3、该放大器、电路部件Srefgen和电路部件ADD共同构成DC-DC变换器，用于从由电压源供给的电源电压中产生DC电流。在图1示出的实施例中，这个DC-DC变换器是下变换器类型。电路部件Srefgen、欧姆电阻R3和电路部件CSG的一部分内容共同构成控制环路，用于把DC电流控制在由参考信号Sref表示的值。电容C1和C2、该放大器和电路部件ADD共同构成控制电路，用于调节参考信号Sref。电容C1和C2、该放大器和电路部件ADD也共同构成用于根据AC电压的幅度调节参考信号的装置，该AC电压存在于输出电容两端，并由DC电流的换向产生。电容C1和C2连同该放大器共同构成用于产生信号Scorr的电路，信号Scorr表示输出电容Cout上的AC电压幅度。以这种方式安排该放大器，使得存在于其输出端处的信号(-Scorr)与存在于输出电容Cout两端的AC电压的瞬时幅度成比例，但是具有和该AC电压的极性相反的极性。为此，电路部件ADD在其输出端产生等于Sref-Scorr的信号。因此，放大器和电路部件ADD构成用于从参考信号Sref中减去信号Scorr的电路。

输出电容Cout被开关元件S1和开关元件S2的串连配置以及开关元件S3和开关元件S4的串连配置旁路。开关元件S1和开关元件S2的共用端借助于点亮电感(ignition inductor)Lign和电容Cres连接到开关元件S3和开关元件S4的共用端。电容Cres被超高压放电灯LA旁路，灯LA连接到存在于电容Cres两侧的灯连接端K3和K4。灯LA可以例如是诸如用在射束器(beamer)和投影电视中的高压灯或超高压灯。开关元件S1-S4的控制电极耦合到电路部件BC的各个输出端，电路部件BC用于产生控制信号来控制开关元件S1-S4的导通状态。在图1中借助于虚线表示这种耦合。开关元件S1-S4、电路部件BC、点亮电感Lign、灯端子K3和K4以及电容Cres共同构成用于换向由DC-DC变换器产生的DC电流的换向器。

图1中示出的电路装置的操作如下所述。

当输入端K1和K2连接到电压源(该电压源在图1示出的实施例的情况下提供DC电源电压)，电路部件CSG产生控制信号，该控制信号使开关元件Sd以高频(例如100kHz)交替地导通和不导通。结果，具有比DC电源电压低的幅度的DC电压存在于输出电容Cout上，同时供给DC电流到换向器。电路部件BC控制开关S1-S4交替地处于两个不同的状态。在第一状态，开关元件S1和S4导通，开关元件S2和S3不导通。在第二状态，开关元件S2和S3导通，开关元件S1和S4不导通。

当灯仍没被点亮时，电路部件BC用以改变开关S1-S4导通状态的频率较高，使得点亮电感和电容Cres谐振。结果，较高的电压存在于电容Cres两端而点亮灯。灯被点亮后，电路部件BC用以改变开关S1-S4导通状态的频率较低，例如90Hz。结果，灯电流基本上是方波形状的低频AC电流。在两个状态间一个非常短的时间段中，所有的开关元件保持不导通状态，以防止作为相同串连配置中的一部分的开关元件同时导通并因此形成短路。在这个非常短的时间段中，DC-DC变换器的负载是零。在这个非常短的时间段之前和之后，DC-DC变换器的负载不是零。在换向期间负载中发生的急剧变化造成输出电容Cout和灯LA谐振。当在输出电容Cout和灯LA之间没有谐振、并因此在输出电容Cout两端不存在AC电压时，电路部件ADD的第二输入端的信号大约等于零。存在于电路部件ADD的输出端、并且也存在于电路部件CSG的第一输入端的信号因此等于Sref。欧姆电阻R3上的电压表示由DC-DC变换器产生的DC电流的实际值，并存在于电路部件CSG的第二输入端。包括在电路部件CSG中的比较器比较存在于电路部件CSG的各输入端的信号，并产生误差信号，该误差信号以这样的方式影响由电路部件CSG产生的控制信号的频率和/或占空比，以使得DC电流被保持在相应于参考信号Sref值的数值。当输出电容Cout和灯LA作为换向的结果谐振时，AC电压存在于输出电容Cout两端。电容C1和C2连同所述放大器产生信号Scorr，信号Scorr表示存在于输出电容Cout两端的AC电压瞬时幅度。如上所述，以这种方式安排该放大器，以使得存在于电路部件ADD第二输入端的信号(-Scorr)与输出电容Cout两端的AC电压的幅度成比例，但是具有和该AC电压的极性相反的极性。因此，存在于电路部件ADD输出端的信号等于Sref-Scorr。从而减小了存在于电路部件CSG第一输入端的信号值，作为结果，也减小了由DC-DC变换器产生的DC电流的幅度。所以，有效地抑制了输出电容Cout和灯LA之间的谐振。因为输出电容Cout两端的AC电压的瞬时幅度直接影响改变参考信号的程度(Scorr)，所以为不同类型的灯自动地将参考信号的改变调节到相应于最大谐振抑制的值。类似地，当某种类型的灯老化时，参考信号中的改变(Scorr)也被自动调节，以在灯的整个使用寿命期间实现对谐振的有效抑制。通过依赖于灯的使用时间来调节信号Scorr和AC电压幅度之间的比率来获得进一步的改进。例如，这可以通过在电路中合并入计时器并依赖于由计时器计时的时间段控制放大器的增益来实现。然而更为简单的是，在电路装置中合并入用于产生一个表示灯电压的信号的电路部件，并当灯电压增加时(或换句话说，灯老化时)减小放大器的增益。当灯老化时，这种增益调节补偿了灯的阻抗变化。进一步说明，可以在电路中合并入滤波器，其耦合在电容C1和C2的共用端与放大器之间，以用于从可能存在于输出电容两端的其它AC电压中通过由谐振产生的AC电压，其中该谐振发生在输出电容Cout和灯LA之间，其它AC电压例如是由开关元件Sd的切换造成的电压波动。

在图2中，类似于图1中示出的电路装置的组件和电路部件的组件和电路部件以同样的方式标记。图2中示出的电路装置的拓扑和图1中的电路装置的不同之处在于，由微处理器μP取代由运算放大器AMP以及欧姆电阻R1和R2构成的放大器。另外，电容C1和C2被电路部件PD取代。电路部件PD是峰值检测器。电路部件PD的输入端连接到输出电容Cout和电感元件L1的共用端。电路部件PD的输出端耦合到微处理器μP的输入端。微处理器μP的输出端耦合到电路部件ADD的第二输入端。微处理器μP连同电路部件ADD构成第二电路部件，用于以和DC电流换向频率相等的调制频率来调制参考信号Sref，这是通过连续地：在第一时间间隔Δt1期间将参考信号Sref减小一个量ΔSref(第一时间间隔在DC电流的每一次换向之前开始第二时间间隔Δt2)，在第三时间间隔Δt3期间把参考信号保持在减小的值上，以及在第四时间间隔Δt4期间将参考信号Sref增加一个量ΔSref。被称作换向的时刻是换向过程的结束，或换句话说，紧接在桥电路的所有四个开关元件保持在不导通状态一个短时间段后、其中两个桥开关元件被导通的时刻。

微处理器μP也构成第三电路部件，用于调节从由ΔSref、Δt1、Δt2、Δt3和Δt4构成的组中选择的至少一个参数，使得信号Scorr的幅度最小。在图2示出的实施例中，微处理器包括用于调节参数ΔSref、Δt2和Δt3的装置，使得信号Scorr的幅度最小。

图2示出的电路装置的操作如下所示。

在电路装置的静止操作期间，DC-DC变换器和换向器和图1示出的电路装置以相同方式操作。包括在图2的电路装置中的峰值检测器PD产生信号Scorr，信号Scorr表示输出电容Cout上的过冲电压峰值幅度。例如，峰值检测器可以包括一个电路，该电路在换向过程期间和之后，对存在于电路部件PD输入端的电压进行多次采样，并随后选择所采样的电压的最高值。通过从所采样电压的最高值中减去DC电压的幅度(其在灯电流的每一个半周期的主要部分期间存在于输出电容两端)来建立信号Scorr的值。利用电路部件PD中包括的另一个电路来完成这个减法。微处理器μP产生调制信号，并连同电路部件ADD以和换向频率相等的频率调制参考信号Sref，这是通过连续地：在第一时间间隔Δt1期间将参考信号Sref减小一个量ΔSref(第一时间间隔在DC电流的每一次换向之前开始第二时间间隔Δt2)，在第三时间间隔Δt3期间把参考信号保持在减小的数值上，在第四时间间隔Δt4期间将参考信号Sref增加一个量ΔSref。所得到的已调参考信号的形状在图3中示出。可以看出，除了周期性地暂时减小参考信号Sref的调制结果，Sref的值多数时间是恒定的。这些周期性的减小在换向之前的时间间隔Δt2开始，并具有由参数ΔSref、Δt1、Δt3和Δt4确定的形状。在换向过程中发生以下事件。首先，桥电路的两个导通的开关元件变为不导通。随后所有四个开关元件在一个短时间段中被保持不导通状态，然后另两个开关元件变为导通。在图3中标记为“换向”的时刻是桥电路的两个开关再次变为导通的时刻(换句话说，是换向过程的结束)。图3也示出了灯电流作为时间函数的形状。多数时间灯电流具有恒定的幅度。在每一次换向之前的时间段Δt2，在时间间隔Δt1期间幅度减小。然后，在时间间隔Δt3期间，灯电流的幅度被保持在恒定值。在图3的例子中标记为“换向”的时刻在时间间隔Δt3中。在时间间隔Δt3之后，灯电流的幅度在时间间隔Δt4期间增加回其初始值。值得注意的是，Δt1不必须等同于Δt4，并且标记为“换向”的时刻不是必须精确地位于时间间隔Δt3的中间，而是可以依赖于例如Δt2的值位于另一个时间。

在这个电路装置的操作期间，微处理器连续地以如下方式调节参数ΔSref、Δt2和Δt3。信号Scorr的值被存储在存储器中。随后参数ΔSref增加一个预定量，并且在ΔSref增加之后，将信号Scorr的值和增加前存储在存储器中的值进行比较。如果信号Scorr作为ΔSref增加的结果而减小，通过重写先前的值而将新的Scorr的值存储在存储器中，并且ΔSref以预定量再次增加。重复这个程序，直到ΔSref中的增加造成信号Scorr增加。在后面的情况中，将ΔSref减小以个预定量，通过重写先前的值而将得到的Scorr的值存储在存储器中。如果ΔSref的第一次增加造成信号Scorr中的增加，微处理器减小ΔSref的值，直到进一步的减小造成信号Scorr的增加。因此，通过调节参数ΔSref最小化信号Scorr。与其上描述的与参数ΔSref相同的方式，微处理器随后增加和减小参数Δt2，直到得到信号Scorr的最小值。在参数Δt2的调节之后，把参数Δt3调节到相应于信号Scorr最小值的值。在参数Δt3的调节之后，微处理器随后再次调节ΔSref、Δt2和Δt3，依此类推。由于对参数ΔSref、Δt2和Δt3的连续调节，使参考信号Sref的调制连续地、自动地适配于借助该电路装置的操作的不同的灯。类似地，连续地、自动地考虑具有使用寿命的灯特性的变化。结果，对于许多不同类型的灯，在它们的整个使用寿命期间，获得对过冲电压的最大抑制。由于确定参考信号Sref的调制形状的参数可以被互相独立地调节，可以以许多不同方式改变调制的形状，从而在实践中得到对过冲电压的非常有效的抑制。

仅仅为了举例，对于一个实施例描述图2示出的电路装置的工作情况，其中调节参数ΔSref、Δt2和Δt3。当然，使微处理器调节所有5个参数或调节少于3个参数也是可能的。更多参数的调节通常将导致对过冲电压的更好的抑制。

Claims (10)

1.一种用于操作高压放电灯的电路装置，包括：

-用于连接到电压源的输入端，

-耦合到所述输入端的DC-DC变换器，用于从由电压源供给的电源电压中产生DC电流，并包括

-控制环路，用于把DC电流控制在由参考信号Sref表示的值，

-控制电路，用于调节参考信号Sref，和

-输出电容，

-换向器，用于换向DC电流并包括灯连接端，

其特征在于，控制电路包括用于根据一个周期电压的幅度调节参考信号Sref的装置，该周期电压存在于输出电容两端并由DC电流的换向产生。

2.如权利要求1所述的电路装置，其中控制电路包括用于产生信号Scorr的电路和用于从参考信号Sref中减去信号Scorr的电路，信号Scorr表示输出电容两端的AC电压的瞬时幅度。

3.如权利要求2所述的电路装置，其中信号Scorr和输出电容两端的AC电压的瞬时幅度成比例。

4.如权利要求3所述的电路装置，其中该电路装置装备有用于根据灯的使用时间来调节信号Scorr和输出电容两端的AC电压的瞬时幅度之间的比率的电路。

5.如权利要求4所述的电路装置，其中该电路装置装备有用于根据灯电压来调节信号Scorr和输出电容两端的AC电压的瞬时幅度之间的比率的电路。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的电路装置，其中控制电路包括：

-第一电路部件，用于产生信号Scorr，该信号Scorr表示输出电容两端的过冲电压的峰值幅度，

-第二电路部件，用于以和DC电流换向频率相等的调制频率调制参考信号Sref，这是通过连续地：

-在第一时间间隔Δt1期间将参考信号Sref减小一个量ΔSref，其中第一时间间隔Δt1在每一次DC电流换向前开始第二时间间隔Δt2，

-在第三时间间隔Δt3期间把参考信号保持在减小的值上，

-在第四时间间隔Δt4期间将参考信号Sref增加一个量ΔSref，

-第三电路部件，用于调节从由ΔSref、Δt1、Δt2、Δt3和Δt4构成的组中选择的至少一个参数，以使得信号Scorr的幅度最小。

7.如权利要求6所述的电路装置，其中第三电路部件包括用于增加或减小参数值、直到信号Scorr的幅度最小的装置。

8.如权利要求6或7所述的电路装置，其中第三电路部件包括用于调节从由ΔSref、Δt1、Δt2、Δt3和Δt4构成的组中选择的至少2个参数的装置，以使得信号Scorr的幅度最小。

9.如权利要求8所述的电路装置，其中第三电路部件包括用于调节参数ΔSref、Δt2和Δt3的装置，以使得信号Scorr的幅度最小。

10.如权利要求6、7、8或9所述的电路装置，其中第三电路部件包括微控制器。