CN1942038B - 一种电子镇流器及高强度气体放电灯控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电子镇流器及高强度气体放电灯控制装置与方法，在控制上采用了分时区控制的方案，对高强度气体放电灯在未触发阶段、起动阶段和稳态阶段的不同特性设计了不同的控制技术：在未触发阶段为了使电子镇流器适应高强度气体放电灯触发电压的分散性，采用了自动扫描，逐步增大触发电压直到高强度气体放电灯触发的控制技术，在起动阶段采用实时控制技术；在稳态阶段，为了使电子镇流器适应高强度气体放电灯的参数分散性，采用恒功率控制技术。可以驱动各种规格、类型和型号的高强度气体放电灯，同时提高效率，减少电磁干扰，提高产品的可靠性，降低成本，输出功率等级高。

Description

一种电子镇流器及高强度气体放电灯控制装置与方法

技术领域

本发明涉及一种电子设备及其控制技术领域，尤其涉及一种照明技术领域和电能控制与变换技术领域中的一种电子镇流器及高强度气体放电灯控制装置与方法。

背景技术

高强度气体放电灯(包括高压钠灯和金属卤化物灯，下文通称HID灯)是电光源产品中重要的一员，和白炽灯相比，HID灯在发光效率上有了很大的提高。然而，要保持光色质量的稳定性和一致性却不是那么容易做到的。HID灯的应用范围很广，如商店照明、展示照明、商业街道照明、广告牌照明与影视照明灯等，由于其光通量大，具有优秀的光色性能，能够创造出最佳的照明效果，其卓越的显色性和光色的稳定性能够将被照物体的自然本色以最好的状态显示出来，所以HID灯的应用前景十分广泛。

为以便于理解本发明，首先介绍HID灯的电气特性及控制规律。

HID灯的典型的电气特性分为三个区，分别为未触发阶段、起动阶段与恒功率阶段，如图1所示：当t＜t1时为未触发阶段；当t1＜t＜t2为起动阶段；当t＞t2为恒功率阶段。下面解释各个工作区域电气特性的原因以及相应的控制规律。

一、未触发阶段

在未触发阶段，由于灯泡内的气体原子未被电离，所以灯泡的两极之间没有载流子存在。因此在未触发阶段，HID灯相当于开路，灯的端电压就是镇流器的输出电压，灯的电流和功率均为零。当镇流器的输出电压达到灯的触发电压Uk时，灯内气体原子得到足够的能量而被电离并产生许多电子——离子对，此时电子变为自由电子，等效一个自由的负电荷，离子可等效为一个带正电的电荷。因此电子和离子均可以参与导电，称这种电子——离子对为载流子。

提供合适的触发电压是电子镇流器设计者应考虑的一个问题。在触发灯的瞬间，如果镇流器提供的电压远大于灯的触发电压Uk，触发瞬间会损伤灯的电极，缩短灯的使用寿命；然而，如果镇流器提供的电压小于Uk，灯内的气体不能被电离，不能形成弧光，灯就不能开始工作。总之，提供一个合适的触发电压是一个重要的问题。理想情况是镇流器提供的电压恰好等于或略大于灯的触发电压。但是设计者遇到的困难是，对相同输出功率的HID灯，触发电压不是一个固定不变的电参数。对于输出功率相同、类型相同的HID灯，不同生产厂家提供的灯泡，其触发电压有较大的差异；同一个厂家提供的同一个型号的灯泡，其触发电压也是不同的；甚至同一个灯泡，其触发电压还受环境温度、湿度以及周围电场分布等因素影响。因此，镇流器提供的电压必须随时、随地适当调整，即镇流器必须具有自适应提供触发电压的能力。

HID灯被触发的瞬间，其的电气特性具有如下两个显著特点：

特点1：灯的端电压瞬间由触发电压(甚高压)跃变为20％～30％的额定工作电压(低压)。

特点2：灯的电流瞬间由零跃变到140％～150％的额定输出电流。

上述两个特点共同作用可用于判断HID灯是否被触发。

二、起动阶段

在HID灯被镇流器提供的高电压触发瞬间，位于两个电极之间的气体原子被电离，形成自由电子和离子对，由于这些自由电子已获得足够高的能量，当这些自由电子碰撞其他未被电离的气体原子时，被碰撞的原子被电离，形成新的自由电子——离子对，新的自由电子又可以碰撞其他原子，产生更多的自由电子和离子对，因此产生雪崩效应，自由电子——离子对(统称为载流子)突然剧增。由于此时载流子均可以参与导电，形成了以两个电极为中心的、截面积较大的、近似于圆柱形的导电沟道，此时灯呈现低电阻特性。此时，自由电子-离子对处于饱和状态，可以为外电源提供足够的载流子。

在灯触发以后，以两极为中心的圆柱形的导电沟道中存在着大量自由电子和离子对，这些电子——离子对将作扩散运动和漂移运动。在两个电极外加电场的作用下，部分电子——离子对将沿两个电极方向作定向漂移运动，形成灯的放电电流。这部分电子——离子对参与了导电所以称之为载流子。又因为从柱形导电沟道的轴心到灯泡管壁形成较大浓度梯度，则另一部分电子——离子对从轴心向管壁作扩散运动，在扩散运动的过程中电子和离子复合成原子。(作扩散运动的电子——离子对，虽然带电但不能传导电流，因此不是载流子)。这些原子集中到管壁，与导电沟道的中心轴之间形成了较大的原子浓度梯度差，原子由管壁向中心轴作扩散运动，到达圆柱形导电沟道，由于中心柱的温度较高，电子得到足够的能量再次被电离。导电沟道的温度愈高，原子被电离速率愈快。

在起动过程中，电离的速率远小于电子——离子复合速率。其原因有两个。原因一，由于在灯起动初期，灯泡的管壁、周围的环境、灯泡内的气体、圆柱形导电沟道等具有较低温度，所以电离的速度要小一些；原因二，较大的漂移运动使得有更多的电子——离子对参与导电，减少参与扩散运动的电子——离子对数目。在起动过程中，镇流的作用是，限制并逐步减少参与漂移的电子——离子对数，使等内部及其环境温度逐步升高，提高参与扩散运动电子——离子对数目以及增强复合速率，达到电离速率远小于复合速率之目的。在这种工作状况，导电沟道的截面积和内部载流子的浓度均在逐步减小，灯的端电压逐步升高，电流逐步减小，其等效电阻也随之逐步增加，且灯的损耗功率应逐步增大。

从使用者的角度看，在HID灯被触发的瞬间，灯的管壁的温度等于外界的环境温度，尽管导电沟道的温度不是很高，但管壁的温度仍远远小于导电沟道的温度。在灯的起动过程，由于导电沟道的热辐射作用，管壁的温度应均匀上升。由于电弧的中心不会恰好位于灯管的几何中心位置，会使灯管壁的温度分布不均匀，如果起动电流过大，会使管壁的某些局部温度迅速上升，来不及向周围传导，造成灯管壁局部损伤。正确的方法是，灯的电流不要太大，且逐步减小，电压和灯功耗逐步上升，其输出功率增长的速率应小于管壁热传导速率。相反，如果起动电流过小，圆柱形导电沟道中的温度太低，几乎不能使原子电离，因此，随着时间增加，由触发引起的电子-离子对因复合而消耗殆尽，从而使弧光放电无法维持，出现熄弧现象。因此需要研究出合理起动规律，达到既能维持弧光放电，又能使灯泡管壁温度均匀升高的目的。本专利提出的起动控制规律是，限制HID灯起动瞬间的最大电流，以指数或近似指数的规律逐步减小电流和增加灯的耗散功率。具体方法是，在灯被触发的瞬间，将灯的电流限制在(140％～150％)的额定值，同时控制灯的耗散为(20％～30％)的额定功率，经过一段时间后达到稳态。

在起动过程中，灯的耗散功率不断增加，导电沟道区域的温度将不断升高。随着温度的升高，电离的速率大大增加，复合的速率则不断下降。需要说明的是，电离速率增加，又助于扩散运动的进行，减少了参与漂移运动的电子——离子对，使导电沟道的截面积逐渐减小。当达到稳态时，电离的速率与复合的速率近似相等。但由于灯中心区的温度还没有到达稳态，随着灯的温度不断缓慢升高，电离的速率略大于复合的速率。

三、恒功率阶段亦称稳态区

当灯的电气特性达到稳态后，由于灯中心区的温度还会缓慢增加，电离的速度可能还有所增长；另一个原因是，由于灯的端电压已足够高，加上中心区域的温度较高，这也有助于增长电离速度。上述两个原因的共同结果是，当灯达到电气稳定后，电离的速率还是大于复合的速率，因此灯管内的气体仍有足够的电子——离子对。参与导电的载流子的数目是由外部镇流器控制的。外部镇流器提供的电流愈大，参与导电的载流子数目愈大，其等效电阻愈小，灯的端电压愈低。如图2所示。因此镇流器的作用是，当灯达到稳态后，主要通过控制灯的电流，使灯内气体的扩散运动和漂移运动均达到稳态，电离的速率恰好等于复合速率，达到灯的端电压基本保持不变，实现恒功率控制。在点A处，电源电压Vs、放电电压Vd和放电电流i之间复合关系：Vs＝Vd+iR，式中R为电子镇流器的等效电阻。

但是仅仅采用稳定电流的方法是不能实现恒功率控制的，原因在于灯的端电压不是一个固定的常数，即使灯的电流是相同的。灯端电压不是恒定的，其原因如下：

1、放电电弧的长度是决定灯端电压的一个重要因素。可以想像，放电电弧像系在两个电端点的一条橡皮飘带，这个飘带的长度受灯的摆放位置、地磁的引力、灯内气体温度场的分布、运动方向等诸多因素影响。因此，即使采用恒流供电，灯的端电压也会因使用的地区不同、灯的摆放位置不同等产生相应的变化。

2、不同厂家生产的同一个型号的HID灯，两个电极之间的距离会有较大差异，即同一个厂家生产的同一类型的灯，两极之间的距离也有一定的分散性。

3、随着灯的使用时间增加，两电极之间的距离在不断增加，因此，管压也在增加。

因此，HID灯与普通白炽灯不同的是HID灯在应用过程中需要配合使用电子镇流器才能正常工作。目前电子镇流器一般有一种典型的电子镇流器拓扑结构和两种调制技术。

典型的电子镇流器拓扑结构为输出低频方波电压和电流的电子镇流器拓扑结构，包括一个有源功率因数校正电路、降压型BUCK变换器和逆变器。有源功率因数校正电路用于提高输入端的功率因数、减少输入电流的高次谐波，并为BUCK变换器提供一个400V左右的恒定电压；BUCK变换器作为电流和功率调节器，使其输出电流、电压和功率与灯的电气特性相匹配；逆变器将BUCK变换器的输出变换成HID灯所需的交流信号，因此这种电子镇流器存在以下缺点：环节多，导致效率低、电磁干扰大。(参考文献为：美国专利，US,6,278,245B1)

调制技术之一是一种中频调制技术，电子镇流器工作在大于20kHz而小于100kHz的某一个频率段上，采用频率调制、角度调制和幅度调制.电子镇流器采用这种中频调制技术的目的在于使输出功率的频谱分布在某一频段上，以避免因功率谱过于集中而使HID灯出现“声共振”现象.采用这种中频调制技术的电子镇流器的主要缺点包括：控制电路复杂、不能普遍应用于各种规格、类型和型号的HID灯.(参考文献为：美国专利，US，6,184,633B1)

调制技术之二是一种高频调制技术，电子镇流器工作在大于100kHz的某一个频率段上。通常，当HID灯的工作频率大于100kHz时不会出现“声共振”现象。采用这种高频调制技术电子镇流器的主要缺点有：效率较低、电磁干扰大，不易达到有关国际和国家标准的要求。(参考文献为：美国专利，US，6,181,076B1)

目前常用的控制技术，当电子镇流器输出功率较小时，这种控制技术基本能满足高强度气体放电灯的要求，使系统稳定工作，但实验结果表明，当电子镇流器输出功率较大时，这种控制技术无法满足高强度气体放电灯的要求且系统难以稳定工作。

这就需要的一种电子镇流器及HID灯控制装置控制的方法，可以驱动各种规格、类型和型号的HID灯，同时提高效率，减少电磁干扰，提高产品的可靠性，降低成本，输出功率等级高。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种电子镇流器及高强度气体放电灯控制装置与方法，可以驱动各种规格、类型和型号的高强度气体放电灯，同时提高效率，减少电磁干扰，提高产品的可靠性，降低成本，输出功率等级高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电子镇流器，包括：

整流器电路：输入端连接交流电源，对输入的交流电源进行整流后输出端接功率因数校正电路；

功率因数校正电路：输入端连接整流器电路，对整流后的电源进行功率因数校正，输出端接串并联谐振逆变器电路；

串并联谐振逆变器电路：输入端连接功率因数校正电路，将功率因数校正后的电源进行高频谐振变换成适合负载工作的高频交流电源，输出端接负载。

所述的串并联谐振逆变器电路包括：

半桥式变换电路：输入端连接功率因数校正电路的输出端，包括第一功率开关管、第二功率开关管和第一功率二极管、第二功率二极管，两个功率开关管串联，第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极接功率因数校正电路的输出，两个功率二极管分别与两个功率开关管并联，两个功率二极管的负极分别与两个功率开关管的漏极相联，两个功率开关管的栅极与所述的驱动电路相连；半桥式变换电路的输出端连接串并联谐振槽路；

串并联谐振槽路：输入端接半桥式变换电路，输出端接负载，由依次串联的第一电容、电感和第二电容组成，串并联谐振槽路并联在第二功率开关管的漏极与源极之间，第一电容的一端与第二与功率开关管的漏极相联，第二电容的一端与第二功率开关管的源极相联，负载与第二电容并联。

所述的第一功率开关管与第二功率开关管为IRFP450型功率场效应管MOSFET；或

所述的第一功率二极管和第二功率二极管为MUR460；或

所述的电感为100μH～200μH；或

所述的第一电容和第二电容为1nF～20nF。

一种基于上述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，包括电子镇流器和：

驱动电路：与电子镇流器和控制电路连接，执行控制电路的指令来驱动电子镇流器；

控制电路：与驱动电路和信号采集电路相连，根据信号采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况产生控制信号，并将控制指令发给驱动电路；

信号采集电路：与电子镇流器、高强度气体放电灯和控制电路连接，采集电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况。

所述的驱动电路包括：

压控振荡器：输入端接控制电路，输出端接T触发器，输入电压信号，输出成比例的频率信号；

T触发器：输入端接压控振荡器，输出端接驱动器，将压控振荡器的信号进行二分频处理成两路互为反相的控制信号；

驱动器：输入端接T触发器，输出端接电子镇流器，包括第一驱动器与第二驱动器，根据T触发器输出的控制信号控制电子镇流器中的半桥式变换电路的两个功率开关管。

所述的控制电路包括：

控制开关：输入端连接选择状态控制器与状态控制器组，输出端连接驱动电路的压控振荡器；根据选择状态控制器的控制信号将状态控制器组中对应的状态控制器的信号输出至压控振荡器；

选择状态控制器：输入端接信号采集电路，根据信号采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况，产生相应的选择不同的状态控制器的控制信号，输出至控制开关和状态控制器组；

状态控制器组：包括一个或一个以上的状态控制器，输入端可连接信号采集电路和/或选择状态控制器，根据采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况与选择状态控制器的控制信号将对应的状态控制器的输出信号作为输出信号；此输出信号经输出端输出至控制开关。

所述的状态控制器组包括：

触发控制器：产生未触发阶段的控制信号，输出端连接控制开关的一个输入端；

起动控制器：产生起动阶段的控制信号，输入信号有采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况信号与选择状态控制器的控制信号，输出端接控制开关的一个输入端；

恒功率控制器：产生恒功率阶段的控制信号，输入信号有采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况信号与选择状态控制器的控制信号，输出端接控制开关的一个输入端。

所述的起动控制器包括：

起动放大器：可为误差放大器，一个输入端接信号采集电路，另一个输入端接指数电压发生器，输出端接控制开关；

指数电压发生器：输入端接选择状态控制器，输出端接放大器。

所述的恒功率控制器包括：

恒功率放大器：一个输入端除法器，另一个输入端通过参考电压源接地，输出端接控制开关；

乘法器：输入端接信号采集电路，输出端接除法器；

除法器：输入端接乘法器，输出端接放大器。

所述的信号采集电路包括：

电压处理电路：输入端接电子镇流器和/或高强度气体放电灯，采集高频交流电压信号处理成直流电压信号，输出端连接选择状态控制器与状态控制器组；

电流处理电路：输入端接电子镇流器和/或高强度气体放电灯，采集高频交流电流信号处理成直流电压信号，输出端连接选择状态控制器与状态控制器组。

一种基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法包括：

A、控制电路根据信号采集电路采集的电子镇流器和高强度气体放电灯的工作状态，通过驱动电路驱动电子镇流器；

B、电子镇流器根据驱动信号在高强度气体放电灯工作的不同阶段输出相应的参数，并输出电信号来驱动高强度气体放电灯工作。

述的步骤A包括：

A1、信号采集电路采集电子镇流器和高强度气体放电灯的工作状态的信息，输出控制信号给选择状态控制器与状态控制器组；

A2、选择状态控制器与状态控制器组根据步骤A1所述的控制信号，将相应的状态控制器输出端与驱动电路通过控制开关接通；将状态控制器输出端的控制信号输出到驱动电路；

A3、驱动电路驱动电子镇流器工作，控制高强度气体放电灯的工作过程。

所述的步骤A1包括：

A11、信号采集电路的电压处理电路，采集高强度气体放电灯的高频交流电压信号U_R经处理后成一与U_R有效值成正比的近似直流电压信号U₀₁；

或

A12、信号采集电路的电流处理电路，采集高强度气体放电灯的高频交流电流信号I_R经处理后成一与I_R有效值成正比的近似直流电压信号U₀₂；

并将U₀₁与U₀₂作为选择状态控制器与状态控制器组的输入信号。

所述的步骤A2包括：

A21、选择状态控制器输入两路信号U₀₁与U₀₂，输出两路控制信号P₁与P₂；

A22、在刚接通电源高强度气体放电灯刚开始工作时，没有控制信号P₁与P₂；控制开关接通触发控制器与驱动电路；

或者，

当高强度气体放电灯被触发后，选择状态控制器输出控制信号P₁与P₂，P₁使控制开关接通起动控制器与驱动电路；P₂使指数电压发生器开始工作，起动放大器输出控制信号给驱动电路；

或者，

当高强度气体放电灯被起动后，高强度气体放电灯工作状态达到稳态，选择状态控制器再输出控制信号P₁，接通恒功率控制器与驱动电路；恒功率控制器的恒功率放大器输出控制信号给驱动电路。

所述的步骤B包括：

B1、在未触发阶段，从触发控制器获得的触发驱动信号，控制电子镇流器输出线性增加的输出电压，达到触发电压时，高强度气体放电灯开始触发；

或者，

B2、在起动阶段，从起动控制器获得的起动驱动信号，此起动驱动信号随着高强度气体放电灯的工作电流的变化控实时制电子镇流器输出适应起动特性的输出电压，高强度气体放电灯正常起动；

或者，

B3、在稳定工作阶段，从恒功率控制器获得的恒功率驱动信号，此恒功率驱动信号受高强度气体放电灯的工作电流与工作电压的闭环控制，电子镇流器输出的是功率恒定的一组参数，高强度气体放电灯工作在恒定功率的稳定工作阶段。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的电子镇流器及高强度气体放电灯控制装置与方法，在控制上采用了分时序控制的方案，对高强度气体放电灯在未触发阶段、起动阶段和稳态阶段的不同特性设计了不同的控制技术：在未触发阶段为了使电子镇流器适应高强度气体放电灯触发电压的分散性，采用了自动扫描，逐步增大触发电压直到高强度气体放电灯触发的控制技术，在起动阶段采用实时控制技术；在稳态阶段，为了使电子镇流器适应高强度气体放电灯的参数分散性，采用恒功率控制技术。可以驱动各种规格、类型和型号的高强度气体放电灯，同时提高效率，减少电磁干扰，提高产品的可靠性，降低成本，输出功率等级高。

附图说明

图1为高强度气体放电灯的电气特性图；

图2为高强度气体放电灯的负载特性图；

图3为本发明所述的电子镇流器的电路图；

图4为本发明所述的电子镇流器的电路原理框图；

图5为本发明所述的电子镇流器的电路中各关键点的波形图；

图6为本发明所述的基于电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的原理框图一；

图7为本发明所述的基于电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的原理框图二；

图8为本发明所述的基于电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的触发控制器的输出电压与时间关系图；

图9为本发明所述的基于电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的起动控制器的结构原理图；

图10为本发明所述的基于电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的恒功率控制器的结构原理图；

图11、为本发明所述的基于电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法的控制时序图；

图12、为本发明所述的基于电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法的控制过程中，高强度气体放电灯未触发前的高强度气体放电灯的端电压与工作频率关系图；

图13、为本发明所述的基于电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法的控制过程中，高强度气体放电灯起动过程中的高强度气体放电灯的端电压与工作频率关系图。

具体实施方式

本发明所述的一种电子镇流器及高强度气体放电灯控制装置控制的方法的具体实施方式如下：

其电子镇流器的具体实施方式——实施例一

如图3与图4所示，一种电子镇流器，包括：整流器电路、功率因数校正电路、功率因数校正电路与串并联谐振逆变器电路。所述的串并联谐振逆变器电路包括半桥式变换电路与串并联谐振槽路。整流器电路依次连接功率因数校正电路、半桥式变换电路与串并联谐振槽路。其中：

整流器电路由一桥式整流器构成，输入端连接交流电源，对输入的交流电源进行整流后输出端接功率因数校正电路；当然在桥式整流器与交流电源之间还可接入滤波电路，在对交流电源整流前先对其进行滤波。

功率因数校正电路：由一功率开关管S与电容C并联而成，功率开关管S的源极与漏极为输入端接整流器电路的输出端，且在源极与整流器电路的输出端间串联有第一电感L₁；源极与电容C并联的结点处还串联有电容C。此电路对整流后的电源进行功率因数校正，输出端接串并联谐振逆变器电路。

串并联谐振逆变器电路：输入端连接功率因数校正电路，将功率因数校正后的电源进行高频谐振变换成适合负载工作的电源，输出端接负载。

所述的串并联谐振逆变器电路包括半桥式变换电路与串并联谐振槽电路。其中：

半桥式变换电路：输入端连接功率因数校正电路的输出端，包括第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第一功率二极管D₁、第二功率二极管D₂，两个功率开关管串联，第一功率开关管S₁的源极与第二功率开关管S₂的漏极接功率因数校正电路的输出，两个功率二极管分别与两个功率开关管并联，两个功率二极管的负极分别与两个功率开关管的漏极相联，两个功率开关管的栅极与所述的驱动电路相连；半桥式变换电路的输出端连接串并联谐振槽电路；

串并联谐振槽路：输入端接半桥式变换电路，输出端接负载，由依次串联的第一电容C₁、电感L和第二电容C₂组成，串并联谐振槽路并联在第二功率开关管S₂的漏极与源极之间，第一电容C₁的一端与第二与功率开关管S₂的漏极相联，第二电容的一端与第二功率开关管的S₂源极相联，负载与第二电容C₂并联。

上述的第一功率开关管S₁与第二功率开关管S₂为IRFP450型功率场效应管MOSFET；

上述的第一功率二极管D₁和第二功率二极管D₂为MUR460；

上述的电感L与第一电感L₁为100μH～200μH；

所述的第一电容C₁和第二电容C₂为1nF～20nF。

图5为图3所示电路中各关键点的波形：图(a)中V_g1与V_g2分别是图3中功率开关管S₁与第二功率开关管S₂的驱动信号；图(b)中I_D1与I_D2分别是图3中功率二极管D₁与第二功率二极管D₂的电流波形；图(c)中I_S1与I_S2分别是图3中功率开关管S₁与第二功率开关管S₂的电流波形；图(d)是功率开关管S₁的电压波形；图(e)是第二功率开关管S₂的电压波形。

其基于上述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的具体实施方式——实施例二

如图6与图7所示，

一种基于上述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，包括电子镇流器、驱动电路、控制电路与信号采集电路，其中：

驱动电路与电子镇流器和控制电路连接，执行控制电路的指令来驱动电子镇流器；驱动电路包括，压控振荡器VFO、触发器与驱动器，其中：

压控振荡器VFO：输入端接控制电路，输出端接触发器，输入电压信号，输出成比例的频率信号。

触发器：输入端接压控振荡器VFO，输出端接驱动器，将压控振荡器VFO的信号处理成控制信号控制；所述的触发器采用T触发器，压控振荡器VFO的输出信号进行二分频并形成两路互为反相的Q和Q信号。

驱动器：输入端接触发器，输出端接电子镇流器，包括第一驱动器与第二驱动器，根据触发器输出的信号控制控制电子镇流器中的半桥式变换电路的两个功率开关管。

控制电路与驱动电路和信号采集电路相连，根据信号采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况产生控制信号，并将控制指令发给驱动电路；控制电路包括控制开关、选择状态控制器与状态控制器组，其中：

控制开关：输入端连接选择状态控制器与状态控制器组，输出端连接驱动电路的压控振荡器VFO；根据选择状态控制器的控制信号将状态控制器组中对应的状态控制器的信号输出至压控振荡器VFO。

选择状态控制器：输入端接信号采集电路，根据信号采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况，产生相应的选择不同的状态控制器的控制信号，输出至控制开关和状态控制器组。选择状态控制器有两路输入信号U₀₁和U₀₂，两路输出信号分别为P₁和P₂。刚开机瞬间，开关S位于①位置。当选择状态控制器检测到灯端有一个负跃变且等电流有一个负跃变时，P₂发出信号，使得起动控制器B2中的指数发生器开始工作，同时P₁发生信号使开关S位于②位置。当选择状态控制器检测到灯的端电压和电流达到其额定值，P₁发出信号，使开关位于③位置。

状态控制器组：包括一个或一个以上的状态控制器，输入端可连接信号采集电路和/或选择状态控制器，根据采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况与选择状态控制器的控制信号将对应的状态控制器的输出信号作为输出信号；此输出信号经输出端输出至控制开关；所述的状态控制器组包括触发控制器B1、起动控制器B2与恒功率控制器B3，其中：

触发控制器B1：产生未触发阶段的控制信号，输出端连接控制开关的一个输入端。触发控制器U_B1是一个扫描电压发生器.其输出电压与时间的关系如图8所示，在开机瞬间，触发控制器开始工作，其输出电压线性下降，其最大值U_H和最小值U_L。当U_B1＝U_H，压控振荡器VFO输出最高频率，当U_B1＝U_L时，对应压控振荡器VFO输出最低频率。自动扫描逐步增大输出电压，直到电子镇流器提供的触发电压恰好等于或略大于此时、此地该灯所需地触发电压，高强度气体放电灯开始触发。

起动控制器B2：产生起动阶段的控制信号，输入信号有采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况信号与选择状态控制器的控制信号，输出端接控制开关的一个输入端。如图9所示，起动控制器B2包括起动放大器与指数电压发生器其中：

起动放大器：可为误差放大器，一个输入端接信号采集电路，另一个输入端接指数电压发生器，输出端接控制开关。

指数电压发生器：输入端接选择状态控制器，输出端接放大器。

在图9中A1为误差放大器。控制信号P₂控制指数电压发生器是否工作。当P₂为高电平时，指数电压发生器以指数规律衰减，并为误差放大器A1提供一个参数电压。

恒功率控制器B3：产生恒功率阶段的控制信号，输入信号有采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况信号与选择状态控制器的控制信号，输出端接控制开关的一个输入端。如图10所示的恒功率控制器B3包括恒功率放大器、乘法器与除法器，其中：

恒功率放大器：一个输入端除法器，另一个输入端通过接地电容接地，输出端接控制开关；

乘法器：输入端接信号采集电路，输出端接除法器；

除法器：输入端接乘法器，输出端接放大器。除法器的作用是用一个固定电压与U₀₁和U₀₂的乘积相除，使得输出信号U₀₃正比于U₀₁与U₀₂即正比于输出功率。

信号采集电路：与电子镇流器、高强度气体放电灯和控制电路连接，采集电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况。所述的信号采集电路包括电压处理电路与电流处理电路，其中：

电压处理电路：通常包括一个电压传感器，输入端接电子镇流器和/或高强度气体放电灯，采集高频交流电压信号处理成直流电压信号，输出端连接选择状态控制器与状态控制器组；包括灯端电压采样网络、整流器、滤波器，其输入信号为灯的端电压U_lamp-高频交流信号，其输出电压U₀₁-近似于直流电压，U₀₁正比于U_lamp的有效值。

电流处理电路：通常包括一个电流传感器，输入端接电子镇流器和/或高强度气体放电灯，采集高频交流电流信号处理成直流电压信号，输出端连接选择状态控制器与状态控制器组。包括电流采样网络、整流器和滤波器，其输入信号为灯的电流I_lamp-高频信号，其输出电压U₀₂，U₀₂正比于的I_lamp有效值。

其基于上述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置控制的方法的具体实施方式——实施例三

一种基于所述基于上述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置控制的方法，包括：

第一步、控制电路根据信号采集电路采集的电子镇流器和高强度气体放电灯的工作状态，通过驱动电路驱动电子镇流器；具体分为以下几步：

1、信号采集电路采集电子镇流器和高强度气体放电灯的工作状态的信息，输出控制信号给选择状态控制器与状态控制器组；具体还可分为以下几步：

(1)、信号采集电路的电压处理电路，采集高强度气体放电灯的高频交流电压信号U_R经处理后成一与U_R有效值成正比的近似直流电压信号U₀₁；

同时，

(2)、信号采集电路的电流处理电路，采集高强度气体放电灯的高频交流电流信号I_R经处理后成一与I_R有效值成正比的近似直流电压信号U₀₂；

并将U₀₁与U₀₂作为选择状态控制器与状态控制器组的输入信号。

2、选择状态控制器与状态控制器组根据步骤A1所述的控制信号，将相应的状态控制器输出端与驱动电路通过控制开关接通；将状态控制器输出端的控制信号输出到驱动电路；具体还可分为以下几步：

(1)、选择状态控制器输入两路信号U₀₁与U₀₂，输出两路控制信号P₁与P₂；

(2)、在刚接通电源高强度气体放电灯刚开始工作时，没有控制信号P₁与P₂；控制开关接通触发控制器与驱动电路；

或者，

当高强度气体放电灯被触发后，选择状态控制器输出控制信号P₁与P₂，P₁使控制开关接通起动控制器与驱动电路；P₂使指数电压发生器开始工作，起动放大器输出控制信号给驱动电路；

或者，

当高强度气体放电灯被起动后，高强度气体放电灯工作状态达到稳态，选择状态控制器再输出控制信号P₁，接通恒功率控制器与驱动电路；恒功率控制器的恒功率放大器输出控制信号给驱动电路。

3、驱动电路驱动电子镇流器工作，控制高强度气体放电灯的工作过程。

第二步、电子镇流器根据驱动信号在高强度气体放电灯工作的不同阶段输出相应的参数，并输出电信号来驱动高强度气体放电灯工作。具体分为以下几步：

1、在未触发阶段，从触发控制器获得的触发驱动信号，控制电子镇流器输出线性增加的输出电压，达到触发电压时，高强度气体放电灯开始触发；

或者，

2、在起动阶段，从起动控制器获得的起动驱动信号，此起动驱动信号随着高强度气体放电灯的工作电流的变化控实时制电子镇流器输出适应起动特性的输出电压，高强度气体放电灯正常起动；

或者，

3、在稳定工作阶段，从恒功率控制器获得的恒功率驱动信号，此恒功率驱动信号受高强度气体放电灯的工作电流与工作电压的闭环控制，电子镇流器输出的是功率恒定的一组参数，高强度气体放电灯工作在恒定功率的稳定工作阶段。

控制过程的具体过程如下：

控制电路工作的时序图如图11所示。时区①对应着自动扫描逐步增加输出电压直到输出电压等于灯的触发电压为止，时区①结束，时区②开始，以此类推。

1、未触发阶段控制规律：

图12给出在未未触发阶段电子镇流器输出电压U_lamp与工作频率之间的关系.在图11中，当开机的瞬间，t＝0时刻，开关S与触发控制器B1相连，这时刻触发控制器B1的输出电压U_B1从最大值U_H开始线性下降，压控振荡器VFO的输入频率线性下降，即电路的工作频率逐步下降，此时主电路的输入电压逐步自动增加，当灯的端U_lamp等于触发电压U_k，灯内气体被击穿，开始弧光放电。

2、起动阶段的控制规律：

图13给出了起动阶段电子镇流器输出电压与工作频率之间的关系。在触发瞬间，灯的等效电阻很小，所以对应较低的输出电压，当灯达到稳态后，其等效电阻较大，对应较大的输出电压。当灯被触发后，选择状态控制器发出两个信号P₁和P₂。P₁使S置于②端，P₂使起动控制器B2内的指数发生器开始工作。这时电流反馈开始工作，控制电路的工作频率为f₂。随着灯的电流下降，灯的端电压提高，工作频率由f₂向f₃过渡。如果这个电流控制的闭环回路的环路增益无限大，输出电流将以参数量-指数规律变化。在图11中，I_ON、U_ON为灯的额定电流和电压。

3、恒功率控制：

当灯达到稳态后，选择状态控制器的输出信号P₁使得开关掷于③的位置。这时输出电压和输出电流均参与了反馈，形成了一个闭环反馈系统。输出功率完全受恒功率控制器B3内部的参考电压控制。

本发明对高强度气体放电灯在未触发阶段、起动阶段和稳态阶段的不同特性设计了不同的控制技术：在未触发阶段为了使电子镇流器适应高强度气体放电灯触发电压的分散性，采用了自动扫描，逐步增大触发电压直到高强度气体放电灯触发的控制技术，在起动阶段采用实时控制技术；在稳态阶段，为了使电子镇流器适应高强度气体放电灯的参数分散性，采用恒功率控制技术。

本发明与已有技术比较如表1所示：

表1

技术指标	已有技术	本实用新型
			效率	85％	95％
成本	高	低(较已有技术减少约1/3)
			触发器	需要附加触发器	不需附加触发器
电磁干扰	大	小

由于本发明所述的电子镇流器中含有一个高Q值的串并联谐振槽路，当系统处于稳态时，串并联谐振槽路输出的电压为近似的正弦波，正弦波不易诱发HID灯的声共振现象；在未触发阶段，HID灯等效为一个阻值很高的电阻，作为串并联谐振槽路的负载，此时串并联谐振槽路可以提供一个数千伏的高压作为触发信号，因此无需外加触发器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内.因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准.

Claims (14)

1.一种电子镇流器，其特征在于，包括：

整流器电路：输入端连接交流电源，对输入的交流电源进行整流后输出端接功率因数校正电路；

功率因数校正电路：输入端连接整流器电路，对整流后的电源进行功率因数校正，输出端接串并联谐振逆变器电路；

串并联谐振逆变器电路：输入端连接功率因数校正电路，将功率因数校正后的电源进行高频谐振变换成适合负载工作的高频交流电源，输出端接负载；

所述的串并联谐振逆变器电路包括：

半桥式变换电路：输入端连接功率因数校正电路的输出端，包括第一功率开关管、第二功率开关管和第一功率二极管、第二功率二极管，两个功率开关管串联，第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极接功率因数校正电路的输出，两个功率二极管分别与两个功率开关管并联，两个功率二极管的负极分别与两个功率开关管的漏极相联，两个功率开关管的栅极与所述的驱动电路相连；半桥式变换电路的输出端连接串并联谐振槽路；

串并联谐振槽路：输入端接半桥式变换电路，输出端接负载，由依次串联的第一电容、电感和第二电容组成，串并联谐振槽路并联在第二功率开关管的漏极与源极之间，第一电容的一端与第二与功率开关管的漏极相联，第二电容的一端与第二功率开关管的源极相联，负载与第二电容并联。

2.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于，所述的第一功率开关管与第二功率开关管为IRFP450型功率场效应管MOSFET；或

所述的第一功率二极管和第二功率二极管为MUR460；或

所述的电感为100μH～200μH；或

所述的第一电容和第二电容为1nF～20nF。

3.一种基于权利要求1或2所述的电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，其特征在于，包括电子镇流器和：

驱动电路：与电子镇流器和控制电路连接，执行控制电路的指令来驱动电子镇流器；

控制电路：与驱动电路和信号采集电路相连，根据信号采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况产生控制信号，并将控制指令发给驱动电路；

信号采集电路：与电子镇流器、高强度气体放电灯和控制电路连接，采集电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况。

4.根据权利要求3所述的基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，其特征在于，所述的驱动电路包括：

压控振荡器：输入端接控制电路，输出端接T触发器，输入电压信号，输出成比例的频率信号；

T触发器：输入端接压控振荡器，输出端接驱动器，将压控振荡器的信号进行二分频处理成两路互为反相的控制信号；

驱动器：输入端接T触发器，输出端接电子镇流器，包括第一驱动器与第二驱动器，根据T触发器输出的控制信号控制电子镇流器中的半桥式变换电路的两个功率开关管。

5.根据权利要求3所述的基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，其特征在于，所述的控制电路包括：

控制开关：输入端连接选择状态控制器与状态控制器组，输出端连接驱动电路的压控振荡器；根据选择状态控制器的控制信号将状态控制器组中对应的状态控制器的信号输出至压控振荡器；

选择状态控制器：输入端接信号采集电路，根据信号采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况，产生相应的选择不同的状态控制器的控制信号，输出至控制开关和状态控制器组；

状态控制器组：包括一个或一个以上的状态控制器，输入端可连接信号采集电路和/或选择状态控制器，根据采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况与选择状态控制器的控制信号将对应的状态控制器的输出信号作为输出信号；此输出信号经输出端输出至控制开关。

6.根据权利要求5所述的基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，其特征在于，所述的状态控制器组包括：

触发控制器：产生未触发阶段的控制信号，输出端连接控制开关的一个输入端；

起动控制器：产生起动阶段的控制信号，输入信号有采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况信号与选择状态控制器的控制信号，输出端接控制开关的一个输入端；

恒功率控制器：产生恒功率阶段的控制信号，输入信号有采集电路采集的电子镇流器及高强度气体放电灯的工作情况信号与选择状态控制器的控制信号，输出端接控制开关的一个输入端。

7.根据权利要求6所述的基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，其特征在于，所述的起动控制器包括：

起动放大器：可为误差放大器，一个输入端接信号采集电路，另一个输入端接指数电压发生器，输出端接控制开关；

指数电压发生器：输入端接选择状态控制器，输出端接放大器。

8.根据权利要求6所述的基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，其特征在于，所述的恒功率控制器包括：

恒功率放大器：一个输入端除法器，另一个输入端通过参考电压源接地，输出端接控制开关；

乘法器：输入端接信号采集电路，输出端接除法器；

除法器：输入端接乘法器，输出端接放大器。

9.根据权利要求3所述的基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置，其特征在于，所述的信号采集电路包括：

电压处理电路：输入端接电子镇流器和/或高强度气体放电灯，采集高频交流电压信号处理成直流电压信号，输出端连接选择状态控制器与状态控制器组；

电流处理电路：输入端接电子镇流器和/或高强度气体放电灯，采集高频交流电流信号处理成直流电压信号，输出端连接选择状态控制器与状态控制器组。

10.一种基于权利要求1或2所述的电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法，其特征在于，包括：

A、控制电路根据信号采集电路采集的电子镇流器和高强度气体放电灯的工作状态，通过驱动电路驱动电子镇流器；

B、电子镇流器根据驱动信号在高强度气体放电灯工作的不同阶段输出相应的参数，并输出电信号来驱动高强度气体放电灯工作。

11.根据权利要求10所述的一种基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法，其特征在于，所述的步骤A包括：

A1、信号采集电路采集电子镇流器和高强度气体放电灯的工作状态的信息，输出控制信号给选择状态控制器与状态控制器组；

A2、选择状态控制器与状态控制器组根据步骤A1所述的控制信号，将相应的状态控制器输出端与驱动电路通过控制开关接通；将状态控制器输出端的控制信号输出到驱动电路；

A3、驱动电路驱动电子镇流器工作，控制高强度气体放电灯的工作过程。

12.根据权利要求11所述的一种基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法，其特征在于，所述的步骤A1包括：

A11、信号采集电路的电压处理电路，采集高强度气体放电灯的高频交流电压信号U_R经处理后成一与U_R有效值成正比的近似直流电压信号U₀₁；

或

A12、信号采集电路的电流处理电路，采集高强度气体放电灯的高频交流电流信号I_R经处理后成一与I_R有效值成正比的近似直流电压信号U₀₂；

并将U₀₁与U₀₂作为选择状态控制器与状态控制器组的输入信号。

13.根据权利要求12所述的一种基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法，其特征在于，所述的步骤A2包括：

A21、选择状态控制器输入两路信号U₀₁与U₀₂，输出两路控制信号P₁与P₂；

A22、在刚接通电源高强度气体放电灯刚开始工作时，没有控制信号P₁与P₂；控制开关接通触发控制器与驱动电路；

或者，

当高强度气体放电灯被触发后，选择状态控制器输出控制信号P₁与P₂，P₁使控制开关接通起动控制器与驱动电路；P₂使指数电压发生器开始工作，起动放大器输出控制信号给驱动电路；

或者，

当高强度气体放电灯被起动后，高强度气体放电灯工作状态达到稳态，选择状态控制器再输出控制信号P₁，接通恒功率控制器与驱动电路；恒功率控制器的恒功率放大器输出控制信号给驱动电路。

14.根据权利要求10所述的一种基于所述电子镇流器的高强度气体放电灯控制装置的控制方法，其特征在于，所述的步骤B包括：

R1、在未触发阶段，从触发控制器获得的触发驱动信号，控制电子镇流器输出线性增加的输出电压，达到触发电压时，高强度气体放电灯开始触发；

或者，

B2、在起动阶段，从起动控制器获得的起动驱动信号，此起动驱动信号随着高强度气体放电灯的工作电流的变化控实时制电子镇流器输出适应起动特性的输出电压，高强度气体放电灯正常起动；

或者，

B3、在稳定工作阶段，从恒功率控制器获得的恒功率驱动信号，此恒功率驱动信号受高强度气体放电灯的工作电流与工作电压的闭环控制，电子镇流器输出的是功率恒定的一组参数，高强度气体放电灯工作在恒定功率的稳定工作阶段。

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