CN1960594A - 用于气体放电灯的启动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于气体放电灯的启动装置，特别是用于高强度气体放电灯(HID)电子镇流器的启动装置。本发明提出一种用于气体放电灯的启动装置，包括：一个第一模块，用于根据一个低频驱动信号产生第一组脉冲电压；一个第二模块，用于根据一个高频驱动信号产生第二组脉冲电压；一个叠加及升压模块，用于对该第一组脉冲电压和第二组脉冲电压进行叠加及升压，以产生一组输出脉冲电压用于击穿所述气体放电灯。利用本发明，可以通过启动电路有效的增加开路电压的有效值，为等的启动提供能量，因此仅需要较低的直流总线电压即可实现气体放电灯的启动。

Description

用于气体放电灯的启动装置
技术领域
本发明涉及用于气体放电灯的启动装置，特别是用于高强度气体放电灯(HID)电子镇流器的启动装置。
背景技术
在高强度气体放电灯(HID)启动过程中，不仅需要在电弧管的两端产生瞬间的高压脉冲点火电压，同时需要电子镇流器提供较高有效值的开路电压(OCV)以提供足够的能量，使辉光放电尽快转化为弧光放电，完成启动过程。目前的常见电子镇流器电路架构一般都包括整流及功率因数校正电路部分(AC-DC)和逆变电路部分(DC-AC)以及启动电路部分(Ignitor，又称触发器)。通过整流及功率因数校正部分，市电电压被转化为直流总线(DCBUS)电压；通过逆变电路部分，总线直流电压重新转化为交流电压并输出具有一定有效值的开路电压(OCV)；通过启动电路部分，在电弧管两端产生幅值很高的高压脉冲以击穿电弧管；启动电路(Ignitor)则专用于产生高强度气体放电灯启动所需的具有很高峰值的脉冲点火电压。
目前，半桥拓扑结构的逆变电路因其成本低廉而得到了广泛的应用。在这种拓扑结构下，所得到的开路电压的有效值只能达到直流总线电压的一半。例如，常用的电子镇流器直流总线电压通常为400V，这样所得到的开路电压有效值只能达到200V。通常高强度气体放电灯启动的要求的开路电压至少应达到250V，较为理想的值应为280-300V。为解决这一问题，通常采取提高直流总线电压的方法来获得更高的开路电压；例如，将直流总线电压提高到500V或560V；这样，可以采用通常的半桥逆变电路取得250V至280V的开路电压，以满足气体放电灯启动的需要。
图1是一种常见高强度气体放电灯启动原理的方框图。通过通常的整流和功率因数校正电路(AC-DC)，可以方便地将220V/50Hz的市电电压转化为DCBUS电压为400V的电压；因此，为获得更高的DCBUS电压例如560V的输出，需要相应的升压模块(Boost ConvertorModule，图中用BCM表示)来实现。在此基础上，可通过逆变电路(DC-AC)例如半桥逆变电路，获得电压有效值V2为DCBUS有效值一半，例如280V的开路电压(OCV)，为气体放电灯的启动提供能量。同时，在启动阶段，启动电路(Ignitor，图中用I表示)在气体放电灯(Gas Discharge Lamp，图中用L表示)的两端形成峰值很高但宽度很窄的高压脉冲V1，用于击穿高强度气体放电灯电弧管中的气体，在一定的开路电压条件下最终启动该高强度气体放电灯。最终在用于施加在灯两端的开路电压为V3，其有效值与与V2大致相当或略高。
在上述启动模式下，由于需要对DCBUS进行升压，不仅增加了电路的复杂性，对整个电路电器元件的性能参数也提出更高的要求，例如，要求更高耐压参数的电解电容或击穿电压更高的的开关元件等，从而明显增加镇流器的总体成本。
发明内容
本发明的目的在于采用一种新的方法，在不改变现有电子镇流器拓扑结构和不提高直流总线电压的情况下，获得更高有效值的开路电压，改善气体放电灯的启动。
为此，本发明提出一种用于气体放电灯的启动装置，包括：
一个第一模块，用于根据一个低频驱动信号产生第一组脉冲电压；
一个第二模块，用于根据一个高频驱动信号产生第二组脉冲电压；
一个叠加及升压模块，用于对该第一组脉冲电压和第二组脉冲电压进行叠加及升压，以产生一组输出脉冲电压用于击穿所述气体放电灯。
根据本发明的另一个方面，本发明提出一种用于启动气体放电灯的系统，包括：
一个整流装置，用于将一个市电交流电压转换为一个直流电压；
一个逆变装置，用于将该直流电压转换为一个第一交流电压以为所述气体放电灯提供能量；
一个启动装置，包括：
一个第一模块，用于根据一个低频驱动信号产生第一组脉冲；
一个第二模块，用于根据一个高频驱动信号产生第二组脉冲；
一个叠加及升压模块，用于对该第一组脉冲和第二组脉冲进行叠加及升压，以产生一组输出脉冲用于击穿所述气体放电灯。
根据本发明的另一个方面，本发明提出一种用于气体放电灯的镇流器，包括上述启动装置或系统。
根据本发明的另一个方面，本发明提出一种用于启动气体放电灯的方法，包括步骤：
根据一个低频驱动信号产生第一组脉冲电压；
根据一个高频驱动信号产生第二组脉冲电压；
对第一组脉冲电压和第二组脉冲电压进行叠加及升压，以产生一组输出脉冲电压用于击穿所述气体放电灯。
通过本发明的实施，气体放电灯将只需要较低的直流总线(DCBUS)电压就可以最终实现灯的有效启动。这样，一方面在整流(AC-DC)过程中，节省了可能需要的升压模块；另外，由于DCBUS维持在较低的水平，可以使用性能参数较低的电子元器件，例如低耐压参数的电容，低击穿电压得开关元件，从而有效的降低电路乃至电子镇流器的总体成本。
附图说明
结合以下附图及说明，本发明可以得到更好的理解。以下各图中，相同的数字用于表示相同的组成部分；相同的组成部分将使用相同的数字表示。
图1是一种目前高强度气体放电灯启动原理的功能结构图。
图2是利用本发明的高强度气体放电灯启动的功能结构图。
图3是利用通过在启动电路中增加附加电压产生模块的功能结构图。
图4是增加了附加电压产生模块的启动电路一个实施例的电路图。
图5是增加了附加电压产生模块的启动电路的另一个实施例的电路图。
具体实施方式
图2是利用本发明的高强度气体放电灯启动的功能结构图。与图1所示的现有技术相比，在采用改进的启动电路之后，可以采用较低的直流总线(DCBUS)电压，例如400V的标准直流总线电压，不需要对直流总线DCBUS电压进一步升压。例如，在对市电进行整流和转换，从而获得400V的直流总线DCBUS电压以后，可以直接通过一个逆变电路得到交流电压V1，有效值为200V；同时，启动电路(Improved Ignitor，图中用II表示)也输出具有一定有效值得电压V2。最终作用于高强度气体放电灯的开路电压V3，将由通过逆变电路得到直接输出的电压V1和通过启动电路输出的电压V2叠加而成。
在此，我们符号||表示某一电压的有效值。由于逆变电路和启动电路输出电压V1和V2都是交流电压，由于其表征参数例如占空比，相位的差异，故二者叠加而成的电压V3的有效值不是前两者的算术和，即|V1|+|V2|并不一定与|V3|相等。因此，启动电路对V3有效值提高的贡献体现为|V3|与|V1|的差|ΔV|。
在图1中，尽管V2具有很高的峰值，但其周期和频宽很窄，对提高最终输出的开路电压V3的有效值几乎没有实质性的贡献，输出的开路电压的有效值几乎完全取决于逆变电路的输出值，|V1|与|V3|大致相当，即
|ΔV|＝|V3|-|V1|≈0或|ΔV/V3|≈0
在图2的本发明功能结构中，启动电路将对最终提高开路电压有效值|V3|有实质性贡献。例如，如果逆变电路直接输出的原开路电压有效值|V1|为200V，则为达到高强度气体放电正常启动所需的启动电压280V，则|ΔV|＝|V3|-|V1|＝280V-200V＝80V|ΔV/V3|＝80V/280V＝28.57％
当然，上述比例与所采用的市电电压，直流总线DCBUS电压，及气体放电灯所需的额定启动电压有直接关系。根据气体放电灯的特定设计，上述参数的具体数值范围完全可以有所不同。例如，如|V1|＝250V，|V3|＝275V，则|ΔV|＝275V-250V＝25V|ΔV/V3|＝25V/275V＝9.1％。
图3是利用通过在增加一个附加电压产生电路的启动电路(Improved Ignition Circuit，即II)的功能结构图。
为了达到启动高强度气体放电灯所需的|ΔV|；或者说，为了通过启动电路输出对最终开路电压的有效值|V3|产生足够的贡献，需要对启动电路输出波形的各参数进行控制。启动电路主要有功率开关管及其他元件等组成，而该功率开关管则需要一个特定频率的外部激励信号源来产生相应波形。
为了满足产生高强度气体放电灯启动的要求，启动电路一般应能产生峰值为3.5KV至5K的点火电压，这一目的对电路的设计有其特定的要求。如果利用该电路同时用于实现增加对OCV的有效值贡献，固然可以通过调整参数例如频率，脉宽，间隔周期来实现，但毕竟上述不同设计目的对电路的要求不同，难以兼顾；而由于点火电压脉宽极窄，而点火电压的峰值也不能任意提高，因而也难以通过改变升压变压器的升压比提高其有效值。因此，本发明通过增加一个辅助电路来解决上述矛盾。
如图3所示，在点火模块(Ignition Module，简称IM)基础上，增加一个附加电压产生模块(Additional Voltage Generation Module，简称AVGM)。这样，在新的启动电路中，点火模块IM仍然用来产生具有很高峰值的点火电压Va，而附加电压产生模块则用于产生一个较平稳波形的附加电压Vb；Va与Vb通过一个叠加及升压模块(Superposition& Boosting Module，简称SBM)输出电压V2。
图4是本发明用于启动高强度气体放电灯的电路图。
如图3所示，本发明披露的启动电路包括点火模块(IM)，附加电压产生模块(AVGM)和叠加及升压模块(SBM)。本图中，点火模块包括限流电阻R1，充放电电容C1，功率开关管T1，限流电感L1，附加电压产生模块包括份限流电阻R2，充放电电容C2，限流电感L2及功率开关管Q1，叠加及升压模块包括升压变压器Tr1，该变压器具有三个绕组CL1，CL2，CL3。图中还有其他辅助元件，其中二极管D1，D2，D3用于进行电压钳位，电阻R13和R15为驱动功率开关管所使用的限流电阻，电容C3用于维持电流震荡，改进输出波形。电路中Drv1是一个低频信号源，例如130Hz，为功率开关管T1提供驱动；Drv2是一个高频信号源，例如25KHz，为功率开关管Q1提供驱动。Drv1和Drv2的占空比需根据具体情况来调整。
如图4所示，当功率管T1关断时，DCBUS通过对限流电阻R1对充放电电容C1充电，C1上的电压达到DCBUS电压；当功率管T1导通后，当C1通过升压变压器Tr1，限流电感L1，功率管T1迅速放电，并通过升压变压器Tr1的耦合作用将初级线圈CL1产生的Va电压升压输出到次级线圈CL3，输出电压为V2。由于Drv1是一个低频占空比很小的信号，DCBUS有充分的时间对充放电电容C1进行充电；当T1导通后，电容C2在很短的时间内进行放电；由此可以在瞬间产生峰值很高的高压脉冲，脉宽为几微妙至几十微妙，经过升压变压器Tr1升压，在Tr1的次级绕组CL3产生3.5V至5KV峰值的脉冲电压，但其有效值很小，仅有几伏。
为了提高Tr1次级绕组CL3输出电压的有效值，增加一附加电压产生模块(AVGM)。该模块通过高频信号源Drv2驱动。当功率开关管Q2关断时，DCBUS通过限流电阻R2对充放电电容C2放电；当功率开关管Q2导通时，C2通过CL2，L2，Q1进行放电。由于在这一模块中驱动信号为高频信号，即每个充放电周期很短，因此得到的脉冲电压波形较为平缓，没有很高峰值，但由于波形更为平坦连续，其有效值较高，因而初级绕组CL2可以得到幅值较低但有效值较高的脉冲电压Vb。
上述两个模块产生的电压Va和Vb可以通过叠加及升压模块(SBM)进行耦合，从而在输出电压V2。如图所示，所属叠加及升压模块(SBM)包括一个由三个绕组CL1，CL2，CL3组成的升压变压器。如果将三个绕组的匝数同样分别用CL1，CL2，CL3表示，那么三个线圈上的电压关系应为
(Va+Vb)/V2＝(CL1+CL2)/CL3
即V2＝(Va+Vb)CL3/(CL1+CL2)
通过三个绕组的不同匝数，可以对需要获得的输出电压V2进行进一步的调整。由于Va，Vb，V2均为脉冲交流电压，其有效值|Va|，|Vb|，|V2|并不满足上述关系。不同于仅对Va进行升压变换的是，由于Vb波形平坦连续，可以通过改变三个绕组之间的匝数比例关系有效提高最终输出电压V2有效值。
由此，通过重新设计启动电路，可以通过启动电路输出既能产生峰值为3.5KV至5Kv的峰值脉冲电压，又能产生具有较高有效值(例如50V)的电压。这样，市电电压通过整流电路(通常包括功率因数校正电路Power Factor Correction，简称PFC)实现AC至DC转化，以得到400V的DCBUS；然后通过DC-AC逆变电路，在灯的两端形成一定有效值的开路电压V1；该电压与启动电路的输出电压V2共同施加在气体放电灯Lamp的两端，既具有极高峰值点火电压，还可以保持较高有效值以提供足够的能量，从而保证了气体放电灯的顺利启动。
图5是另外一个实施例的的电路图。本实例与图4所示的实例的区别，在于对上述电路进行了简化。例如，较少了限流电阻R2和充放电电容C2，使附加电压产程模块(AVGM)与点火模块(IM)共用限流电阻R1和充放电电容C1；另外，如本图所示，CL1和CL2可以不使用单独的线圈，而可以采用共用中心抽头的方式来实现。本图的工作原理与图4是基本相同的。同样，对图4进行其他的等效电路变换，也可以实现相同的技术效果。
尽管以上对本发明作了示例性的描述，但本发明并不限于上述的实施例。对本领域的技术人员而言，根据前面描述的内容可以作出多种替代，修改和变化是显而易见的。本发明的保护范围应当以权利要求书的限定为准。

Claims (6)

1.一种用于气体放电灯的启动装置，包括：
一个第一模块，用于根据一个低频驱动信号产生第一组脉冲电压；
一个第二模块，用于根据一个高频驱动信号产生第二组脉冲电压；
一个叠加及升压模块，用于对该第一组脉冲电压和第二组脉冲电压进行叠加及升压，以产生一组输出脉冲电压用于击穿所述气体放电灯。
2.如权利要求1所述的启动装置，其中所述第一模块包括一个功率开关管，用于接收所述低频驱动信号的驱动以产生所述第一组脉冲电压。
3.如权利要求1所述的启动装置，其中所述第二模块包括一个功率开关管，用于接收所述高频驱动信号的驱动以产生所述第二组脉冲电压。
4.一种用于启动气体放电灯的系统，包括：
一个整流装置，用于将一个市电交流电压转换为一个直流电压；
一个逆变装置，用于将该直流电压转换为一个第一交流电压以为所述气体放电灯提供能量；
一个启动装置，包括：
一个第一模块，用于根据一个低频驱动信号产生第一组脉冲；
一个第二模块，用于根据一个高频驱动信号产生第二组脉冲；
一个叠加及升压模块，用于对该第一组脉冲和第二组脉冲进行叠加及升压，以产生一组输出脉冲用于击穿所述气体放电灯。
5.一种用于气体放电灯的镇流器，包括权利要求1至3所述的启动装置或权利要求4所述的系统。
6.一种用于启动气体放电灯的方法，包括步骤：
根据一个低频驱动信号产生第一组脉冲电压；
根据一个高频驱动信号产生第二组脉冲电压；
对第一组脉冲电压和第二组脉冲电压进行叠加及升压，以产生一组输出脉冲电压用于击穿所述气体放电灯。
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