CN1893760B - 提供正弦调幅操作电压的装置、产生调幅电压的照明系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一种用于提供正弦调幅操作电压的装置的情况下，两个开关以半桥的形式布置，并且LC元件被布置在该半桥下游。第一开关由每个时钟周期利用调幅频率的时钟控制中的第一方波信号驱动，而第二开关(QLOW)由第二方波信号驱动，第二信号短于第一信号，并且在每个时钟周期中相对于第一信号具有时间偏移。LC元件(LMOD，CMOD)用作由在开关之间的连接点(K)处对开关的驱动产生的信号的滤波器，并且允许直流电压分量以及具有时钟控制的基频的信号的正弦分量通过，但是基本上滤去谐波。

Description

提供正弦调幅操作电压的装置、产生调幅电压的照明系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于提供正弦调幅操作电压的装置。本发明还涉及一种具有这种装置的照明系统，以及一般涉及一种用于产生调幅电压的方法。
背景技术
正弦交流操作电压是操作高压放电灯所需的，其中高压放电灯的操作频率典型地(在70W灯的情况下)以在45kHz和55kHz之间的范围内的锯齿波的形式并且通常以100Hz时钟周期来扫描，这依赖于灯燃烧器的几何形状。该扫描操作通常防止激发声谐振，因此有助于稳定等离子弧。而且，尤其是在水平操作期间，通过有针对性地激发合适的横向谐振来选择合适的扫描窗使放电弧变直。
在频率调制的同时，交流操作电压应当被调幅。应当可以不但根据20kHz和50kHz之间(典型地在70W灯的情况下从23kHz到30kHz，在150W灯的情况下从20kHz到25kHz，在35W灯的情况下从34kHz到40kHz)的频率而且根据(典型地10％到40％的)调制深度来设置该调制，这对应于灯燃烧器的几何形状。调幅被用于灯内等离子弧中的特定纵向声谐振的有针对性的激发。该纵向模式使该弧的弧化响应(弧稳定性)未被削弱，而是替代地致使弧化区域中的气体组分的混合增强(所谓的色彩混合)。因此，防止因调幅而产生的所谓的分离导致沿等离子弧的亮度更加均匀，并且还导致发光效率显著增加。
在现有技术中，通常将半桥变换器用于在这些操作频率下将灯耦合到电子镇流器上。为了实现对灯电源电压或电源电流的调幅，在现有技术中，经由单独的初级对该半桥的电源电压施加调制。
例如，DE 10216596A1已经公开了利用降压转换器，其实现时钟控制的直流电压源。
在DE 10216596A1中公开的借助降压转换器的调幅的实施具有以下缺点，即尤其是调幅深度仅能够在窄的界限内被重新调节，因为它不是完全并且唯一地依赖于单独的控制信号的状态，而是还依赖于负载或者灯的负载响应。因为灯中的老化效应或者作为调光操作期间灯特性改变的结果，调幅在宽范围内可变是必要的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于提供正弦调幅操作电压的装置，该装置使调制深度可以按需要被连续调节。
根据本发明的该装置特别是用于对半桥变换器馈电，该半桥变换器具有耦合到其上的高压放电灯，该装置具有以半桥形式布置的两个开关和布置在该半桥下游的LC元件。该半桥的第一开关由每个时钟周期利用调幅频率的时钟控制中的第一信号驱动，而第二开关由第二信号驱动，第二信号短于第一信号，并且在每个时钟周期中相对于第一信号具有时间偏移。在开关半桥中的开关之间的连接点处产生的信号通过本发明中的下游LC元件进行滤波，以便LC元件允许直流电压分量以及具有时钟控制的基频的信号的正弦分量通过并且(基本上)滤去谐波、也就是高于基频的谐波。
不对称地驱动的半桥的使用具有优于现有技术中的降压变换器的优点，即由于第二开关，存在更大的自由度，以该自由度，通过改变占空比或通过改变两个开关中仅仅一个开关的激活时间，能够影响所得到的AM。
调制深度可以被设置为任何期望的深度，并且尤其是通过改变更短的第二信号来进行连续设置(同时维持所谓的取消时间)。
根据一个优选实施例，该驱动信号是方波信号。
在这种情况下，为调制器半桥提供直流电压。
根据该优选实施例，应确定开关信号的持续时间和时间偏移的大小，以便在每个时钟周期中在开关之间的连接点处产生具有直流电压的幅度的方波信号，其中所述方波信号的周期准确地对应于开关控制信号的重复率，并且它的占空比由两个开关的所选定的切换长度决定。
如果绝对对称地驱动两个开关时方波信号的占空度精确地为50％，那么在通过LC元件滤波之后(对应于其傅立叶频谱)，将产生U0/2的直流电压分量以及当前切换频率的高基波分量或者最大基波分量。
如果方波信号的高电平(有效)部分短于时钟周期的一半(占空比＜50％)则将产生小于U0/2的直流电压分量并且还将减小基波分量的绝对值。
如果方波信号的高电平(有效)部分长于时钟周期的一半(占空比＞50％)则将产生大于U0/2的直流电压分量并且还将减小基波分量的绝对值。
在该优选实施例中方波信号的有效的那部分通常这样来确定大小，以致长于时钟周期的一半，以便基本的直流电压分量仍然可用于对高压放电灯馈电。
在当前情况下，根据本发明，方波信号在其占空比方面可以这样来确定大小，使得在LC滤波器之后的基波的绝对值导致期望的调制深度，以及使得产生足够高的直流电压分量为高压放电灯的变换器馈电。
由于这两个参数并非相互独立，所以通常有必要将所期望的直流电压分量校正到输入电源电压U0的电平之上，以便仍然确保向灯输出的期望功率(灯功率调节)。
对于方波信号的有效部分来说，在23kHz和28kHz之间的调幅频率的情况下，典型值为25μs到40μs，在这种情况下优选地为30μs到35μs；而对于方波信号的无效部分来说，典型值为1μs到15μs，在这种情况下优选地为1μs到5μs。在1μs和15μs之间的方波信号的无效部分的变化导致调幅深度的剧烈的变化，该调幅深度可以为10％直至40％，这依赖于LC滤波器的特性。
上述优点、即根据本发明第二信号的变化确保调制深度能够容易地并且连续地被调节能够被用于建立用于校正调制深度的控制回路。
为了该目的，需要分接并测量该调幅操作电压，并且将其和期望值进行比较。如果该操作电压和期望值之间存在差异，则需要校正该调幅深度，这能够通过改变第二开关的切换长度简单地实现。
根据本发明的调节可以如下进行：
被分接的操作电压首先被滤波，这提供平均电压电平的监测值。
此外，使被分接的操作电压经受差分峰值检测器的处理，该差分峰值检测器输出电压变化，该电压变化对应于绝对调制的监测值。
现在，可以借助除法根据两个监测值来确定实际存在的调制深度。现在能够将该调制深度的测量值和期望值进行比较，并且根据关于动态适当地被选择的调节参数，能够通过改变下面的第二开关的切换状态来校正该调幅深度。
用于调节该调制深度的一个优选实施例是，将平滑元件的输出端处的平均电压的监测值直接乘以期望调制深度的期望值输入的两倍。所乘的信号以及电压变化被馈送到调节器，该调节器输出调节信号。如下面将进一步示出的那样，在理想情况下，被乘变量等于绝对电压变化的期望值，其结果是，能够利用该调节器来确定存在的调节差异，然后产生合适的调节信号。
在脉宽调制模块中两个开关信号的产生尤其可以是这样的，以致直接产生第一信号，以及为产生第二信号而提供和第一信号同步的锯齿波电压信号，在这种情况下同步应当被理解为意味着，当形成第一信号的方波信号已经变成零时在时钟周期中出现锯齿波。该锯齿波电压信号被馈送到比较器，必要时该比较器输出方波信号。如果该锯齿波电压信号超过由调节信号所预先确定的特定门限，则将该方波信号设置为零。
如果该调节信号为高电平，则存在对调制深度的高要求，因此在较晚的时间点超过该切换门限，以及因此下面的第二开关的脉冲持续时间比较长。
如果该调节信号为低电平，则存在对调制深度的低要求，因此在较早的时间点超过该切换门限，以及因此下面的第二开关的脉冲持续时间比较短。
利用调节信号来包括特别简单类型的控制，其中该调节信号的电平特别是与方波信号的长度直接相关，该方波信号的长度又决定该信号的占空比，其中该信号由半桥输出，并相应地限定LC元件下游的调幅深度。
本发明还涉及一种照明系统，在某种程度上，该照明系统包括根据本发明的作为镇流器的装置，还涉及上述的变换器(也就是，例如半桥变换器)，该变换器由调幅操作电压馈电，并且具有输出端子，其中灯电压被施加到该输出端子上，以及还涉及一种高压放电灯，该高压放电灯被耦合到该输出端子上。
本发明还包括一种用于产生调幅电压的方法，该调幅电压特别是作为用于对具有高压放电灯的照明系统中的变换器馈电的操作电压。该方法包括以下事实：
a)在第一步骤中，通过适当地(适宜地)驱动以半桥形式布置的两个开关来产生时钟控制的方波信号，所述方波信号的持续时间长于时钟周期的一半，以及
b)在第二步骤中，使该时钟控制的方波信号经受滤波器的处理，该滤波器允许直流电压分量和以基频被时钟控制的正弦电压分量通过，但是滤去基频的谐波。
附图说明
下面将参照多个示例性实施例来更加详细地阐述本发明。在附图中：
图1示出根据本发明的装置的电路图，其中省略了用于驱动目的的元件，
图2示出本发明的完全被调节的模拟实施例，以及
图3示出本发明的完全被调节的数字实施例。
具体实施方式
图1中所示的该装置包括作为必要元件的、以半桥的形式被布置的两个开关QHIGH和QLOW(两个开关都是MOSFET)以及被设置在该半桥下游的LC元件，其中该LC元件包括电感LMOD和电容CMOD。
550VDC的直流电压U0被馈入该半桥，如图1中所示，该直流电压U0源于PFC级(功率因数控制器)、也就是形成电源系统和用于高压放电灯的电子镇流器之间的过渡的级。在24kHz(在这种情况下为了解释的目的而在元件之间示出)的时钟周期期间，通过具有等于30μs的长度tau1的方波电压来驱动驱动线HIGH-GATE上的第一开关。在具有持续时间tau1的方波脉冲之后的时钟周期内，在用于第二开关QLOW的驱动线LOW-GATE上紧跟着具有持续时间tau2的方波脉冲。tau2的典型持续时间值为1.8μs。具有持续时间tau2的方波脉冲应当直接紧跟具有持续时间tau1的方波脉冲，同时维持0.5μs到1μs的典型停滞时间。整个周期的时钟周期是24kHz。
由于该半桥布置，两个开关QHIGH和QLOW具有连接点K，在该连接点上产生在图1中右手侧所示的信号。在具有持续时间T的时钟周期期间，在持续时间t1＞＝tau1内，点K处的电压从0V上升到550V，然后在持续时间t2＞＝tau2内降落到0V。随后，该时钟周期从零开始，也就是，电压再次上升和下降。比率t1/t2限定点K处的占空比。持续时间t1和t2基本上由具有tau1和tau2的方波脉冲的下降沿的时间位置来限定。在具有持续时间T的时钟周期期间，该电压最初首先保持在550V，然后在具有持续时间tau1的脉冲结束之后、即在该脉冲的下降沿的同时，该电压下降到0V的值，也就是取消了时间t1。只有从现在起，一旦已经维持了短的停滞时间(在半桥情况下典型值＝0.5μs)，脉冲tau2才能够开始。
在持续时间为tau2的方波脉冲期间，点K处的电压保持在0V。仅在具有持续时间tau2的脉冲以其下降沿结束之后，它才再次上升到550V的值，而不管该脉冲是否已经在第一开关QHIGH上再次从头开始。
因此，持续时间tau2基本上决定t2，当一旦时间tau1已期满持续时间tau2就直接开始时，这些时间并不一定相等，但是彼此接近。由于tau2显著小于tau1的事实，t2显著小于t1。因此在持续时间t1期间该信号等于550V的直流电压，其后短暂下跌到0。在滤波的情况下，如在这种情况下通过包括电感LMOD和电容CMOD的LC元件所进行的那样，在施加负载RLOAD(用于操作灯的半桥级的阻抗)的情况下，在点L处产生在图1中的右顶端所示的电压UMOD、也就是直流电压分量小于550V(通常为450V)并且这里所示的调制深度为10-50％的调幅电压。
在此将再次提及以下事实，LC元件仅允许直流频率分量以及24kHz的基频通过，但是滤去较高次谐波。当然，很大程度上被滤去的任何较高次谐波都隐藏在连接点K处的方波信号中。
直到现在，仅仅给出了用于提供正弦调幅操作电压的装置的基本原理的细节。在下文中给出对如何进行驱动、尤其是驱动的调节的考虑。
图2示出根据第一示例性实施例的用于提供被调节的正弦调幅操作电压的装置，该装置具有象征性提供的负载、也就是灯变换器10、例如具有高压放电灯的半桥变换器，如从现有技术所知的。在点L上游，电压UMOD在点M处经由分压器被分接，也就是UMOD_MON，其中该分压器包括电阻器RMON1和RMON2。通过RC平滑元件来确定平均值UMOD_MEAN，该RC平滑元件包括电阻器和电容CMON2。同时，通过另一条、即上面的(图2中)分支中的容性耦合的峰值检测器DMON来确定电压变化DELTA_UMON。
由下式产生瞬时调制度的测量值：
m＝(Umax-Umin)/(Umax+Umin)＝DELTA_UMON/2×UMOD_MEAN。
该调节现在应当利用参照图1所述的调幅器适当地增加或者减少对应于期望值输入mdes的脉冲持续时间tau2，直到测量到的调制深度对应于期望值输入。
为了避免除法，通过乘法器12将期望值mdes乘以平均值UMOD_MEAN，在这种情况下该乘法利用可变放大器级来实现。来自乘法器12的乘法值然后又被加倍，然后在调节器14处与DELTA_UMON进行比较。
为了该目的，DELTA_UMON的值以及从乘法器12输出的值被输入到具有误差放大器的调节器14。调节器14输出调节信号REG_MOD，同时考虑合适的调节动态参数。
参照图1所述的电路现在由时钟发生器16来驱动，该时钟发生器在一条线上输出方波信号，而在另一条线上输出锯齿波信号，该锯齿波信号和所述方波信号同步。该方波信号直接是在用于第一开关QHIGH的线HIGH-GATE上输出的信号。
该锯齿波电压本身被输入到作为脉宽调制模块18的比较器，调节信号REG-MOD作为比较器的门限参考值位于所述脉宽调制模块18的第二输入端上。
如果对AM深度的要求是高的，则作为门限值的REG_MOD信号为高电平，并且锯齿波在较晚的时间点超过该门限，由此延长了PWM模块的脉冲持续时间。
如果对AM深度的要求是低的，则作为门限值的REG_MOD信号为低电平，并且锯齿波在较早的时间点超过该门限，由此缩短了PWM模块的脉冲持续时间。
为了确定持续时间tau2，信号REG_MOD用作给出门限值的信号。REG_MOD越高，则tau2就越长。
来自脉宽调制模块18的信号能够直接在线LOW-GATE上被给出，并且是具有持续时间tau2的方波信号。
归功于电压UMOD的所述反馈以及调节器14中的电压变化的实际值和期望值的比较，借助用于直接确定持续时间tau2的信号REG_MOD获得合适的驱动。
因此，实现用于校正和稳定调幅深度的闭环控制回路。
到目前为止所描述的模拟控制回路也可以通过微处理器来实现。图3示出根据本发明的装置的数字实施例。在这种情况下，与图2中相同的元件被示出，仅仅为微处理器20分配了以下功能：确定平均电压UMOD_MIN以及DELTA_UMON、进行乘法运算、调节、脉宽调制以及输出时钟周期。在这种情况下的模拟元件的符号说明意味着微处理器20采用相应的算法。微处理器20仅接收分接的UMOD_MON并且分别在线HIGH-GATE和LOW-GATE上输出具有持续时间tau1和tau2的方波脉冲。在图3中所示的实施例中，和图1中的元件相比较，现在仅提供分压器和微处理器来用于产生栅极信号。

Claims (9)

1.一种用于提供正弦调幅操作电压的装置，该正弦调幅操作电压特别是用于对半桥变换器(10)馈电，该半桥变换器具有连接到其上的高压放电灯，该装置
-具有以半桥的形式布置的两个开关(QHIGH和QLOW)，这两个开关中的第一开关(QHIGH)由每个时钟周期利用调幅频率的时钟控制中的第一信号驱动，而第二开关(QLOW)由第二信号驱动，该第二信号短于第一信号，并且在每个时钟周期中相对于第一信号具有时间偏移，以及
-具有LC元件(LMOD，CMOD)，该LC元件被布置在该半桥的下游，用作在开关之间的连接点(K)处由开关的驱动产生的信号的滤波器，允许直流电压分量以及具有时钟控制的基频的信号的正弦分量通过并且基本上滤去谐波。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该驱动信号是方波信号，以便当直流电压被馈送给该半桥时，在每个时钟周期中在开关之间的连接点(K)处产生具有直流电压的幅度的方波信号，其中所述方波信号的持续时间长于时钟周期的一半。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，调幅频率在23kHz和28kHz之间，第一方波信号的长度在25μs和40μs之间，而第二方波信号的长度在1μs和15μs之间。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一方波信号的长度在30μs和35μs之间，而所述第二方波信号的长度在1μs和5μs之间。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该调幅操作电压(UMOD)被分接，并且被用于调节第二信号的持续时间，以模拟方式(12，14，16，18)或者借助微处理器(20)来执行该调节。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，被分接的操作电压(UMOD_MON)一方面经受滤波器(RMON4，CMON2)的处理，该滤波器输出平均电压电平，该平均电压电平在乘法器(12)中与调制度的期望值(mdes)的两倍相乘，并且该被分接的操作电压另一方面经受峰值检测器(DMON)的处理，该峰值检测器输出电压变化(DELTA_UMON)，并且所乘的信号以及电压变化(DELTA_UMON)被馈送到调节器(14)，该调节器输出调节信号(REG_MOD)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该调节信号被馈送到脉宽调制模块(18)，在另一输入端处，锯齿波电压信号被馈送到该脉宽调制模块，该锯齿波电压信号和第一信号同步，该脉宽调制模块输出作为方波信号的第二信号，该第二信号的长度取决于调节信号。
8.一种照明系统，具有：
-如前述权利要求之一所述的用于提供调幅操作电压的装置，
-变换器(10)，该变换器通过调幅操作电压来馈电，并且具有输出端子，灯电压被施加到该输出端子上，以及
-高压放电灯，该高压放电灯被耦合到该输出端子上。
9.一种用于产生调幅电压的方法，该调幅电压特别是作为用于对具有高压放电灯的照明系统中的变换器(10)馈电的操作电压，其特征在于：
a)在第一步骤中，通过驱动以半桥的形式布置的两个开关(QHIGH，QLOW)来产生时钟控制的方波信号，其中所述两个开关中的第一开关(QHIGH)由每个时钟周期利用调幅频率的时钟控制中的第一信号驱动，而所述两个开关中的第二开关(QLOW)由第二信号驱动，该第二信号短于第一信号，并且在每个时钟周期中相对于第一信号具有时间偏移，所述方波信号的持续时间长于时钟周期的一半，以及
b)在第二步骤中，使该时钟控制的方波信号经受LC滤波器(LMOD，CMOD)的处理，该LC滤波器允许直流电压分量和以基频被时钟控制的正弦电压分量通过，但是滤去基频的谐波。
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