CN1968562A - 脉冲操作介质阻挡放电灯的具有感应式变换器的电路装置 - Google Patents

Abstract

为了脉冲操作介质阻挡放电灯(EL)，根据本发明的电路装置包括感应式变换器。本发明提出半桥变型方案和全桥变型方案。在即使独立地针对上升沿和下降沿有多于一个电感器的情况下，也能够通过选择电感器(L)的电感值来影响脉冲的边沿陡度。

Description

脉冲操作介质阻挡放电灯的 具有感应式变换器的电路装置

技术领域

本发明涉及一种用于脉冲操作介质阻挡放电灯的具有变换器的电路装置，该变换器没有变压器而具有至少一个电感器。此外，本发明涉及一种具有这种变换器电路和介质阻挡放电灯的照明系统以及涉及相应的操作方法。

背景技术

术语“介质阻挡放电灯”在这种情况下可被理解为一般术语，即，该术语不仅仅限于在人眼可见的电磁频谱范围内发光的灯。相反，在这种情况下，也包括基于介质阻挡放电的辐射体，此外或者甚至主要地，这些辐射体在这个范围之外发光，尤其是也在紫外线范围和真空紫外线范围内发光的。

从电工学的角度来看，介质阻挡放电灯具有因介质阻挡而引起的显著电容性特性。因此，通常采取包括第一电容和串联电路的并联电路作为简单的等效电路图，该串联电路包括第二电容和无电抗电阻。当介质阻挡放电灯还没有被启动时，无电抗电阻具有实际上为无穷的值，即，最初只是第一电容起作用。然而，灯一被启动，无电抗电阻就呈现有限值，并且因此与串联连接的第二电容相互作用。由于该电容性分量，所以介质阻挡放电灯只能以随时间变化的电压来操作，例如，以正弦电压、特别优选的是以US 5 604 410意义上的脉冲方式来操作。

为了以US 5 604 410意义上的脉冲方式来操作介质阻挡放电灯而采用根据本发明的感应式变换器。

介质阻挡放电灯(也被称为介电阻止放电灯或偶发无声放电灯)本身例如从US-A 5 994 849或者US-A 6 097 155中是公知的。这些介质阻挡放电灯需要通过能够将高压脉冲重复地施加到放电灯的电子镇流器来操作。然而，本发明还涉及用于其它灯类型的镇流器，这些其它灯类型能够通过重复产生的电压脉冲进行操作，并且在这种情况下有如在介电阻止放电情况下的特性那样的电容性特性。在这方面，术语“介质阻挡放电灯”也被理解为扩展到包括这种灯并且特别是还包括其中至少一个电极被布置在放电管之外的所有放电灯。

说明书EP 0 927 506 B1已公开了一种用于脉冲操作介质阻挡放电灯的E类变换器(也被称为反激变换器)。一个缺点就是以下事实，即变压器的所需的铁心体积或者输入电感器随着灯功率而增加。此外，所连接的灯在其内能够被调光的范围相对小。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于脉冲操作介质阻挡放电灯的可替换的电路装置。

该目标通过用于脉冲操作放电灯、特别是介质阻挡放电灯的电路装置来实现，该电路装置具有感应式变换器，该感应式变换器具有

°第一开关支路和第二开关支路，

-每个开关支路包括含有开关、电流阀和电感的串联电路，

°灯支路，该灯支路具有被连接到该串联电路的中心点的电感，

-这个电感的自由端被设置用于连接到放电灯的第一端，

°能对于直至总共三个电感中的两个电感都取零值。

在从属权利要求中给出了特别有利的改进方案。

本发明的基本构思在于，为了脉冲操作介质阻挡放电灯不需要前述变换器概念中的变压器，并且取而代之的是，为介质阻挡放电灯直接供给至少一个电感。在这种情况下，灯在能够设定的时间周期内通过有源部件被连接到电源电压，并接着将该灯与这个电源电压双向隔离。此外，根据本发明的电路装置能够在能设定的时间周期内对介质阻挡放电灯施加一电压，该电压可能高于电源电压。

所提及的电感一般通过根据本发明的电感器来实现，为此，出于简化的原因，下面将采用开头所提到的术语“感应式变换器”。然而，如果线路电感足够高，则所述电感在某些情况下也可能通过灯馈线的电感来实现。然而，一般需要至少一个附加的电感器。

此外，不需要变换器变压器的事实提供了成本优势，因为电感器比变压器更节省成本。除此之外，由于与E类变换器的变压器相比，这里所使用的电感器在尺寸上通常小六到十倍，所以该电路装置有提高的紧密度。通过选择该电感能够使利用根据本发明的感应式变换器的电压脉冲在不用损害脉冲宽度的情况下具有更陡的边沿。通过谐振电压增加能够得到与E类变换器相比更高的起始电压。最后，由于不时从电压源中得到灯电流，所以被馈到灯中的能量不必被完全缓冲存储在感性部件中。根据本发明的电路装置中的感性部件因此具有较小的尺寸。可选地使用一个以上的电感器的优点在于能够通过相应的电感值来调节相互独立的、灯上的电压脉冲的上升沿和下降沿。这个和其它细节在附图的描述中更详细地被解释。

一般说来，根据本发明的电路装置可以大致分成两类。对于脉冲发生来说，第一变型方案原则上使用两个开关支路，这两个开关支路串联连接，由电源供电，以半桥方式交替地操作或驱动，并且因此为简化起见在下文称之为半桥感应式变换器。每个开关支路包括一个或多个串联连接的开关，例如包括诸如晶体管、特别是FET(场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)等的可控半导体开关。由于多个开关串联连接的事实，所以能够缓和原则上与所需的高反向耐受电压的这种变型方案相关联的缺点。否则，需要具有高阻断能力的开关，这些开关典型地承受大约2kV的反向电压。借助于第一开关支路，放电灯经由电感器(第一开关支路的状态为“闭合”)在短时间周期内被连接到电源。在这种情况下，电流脉冲流过电感器和灯(只要灯仍然没有被启动，就作为纯位移电流)。接着，灯在电流过零时(第一开关支路的状态为“断开”)再次与电源隔离。随后，可选地在能够设定的间隔时间之后，与电源隔离并且包括灯和电感器的电路借助于第二开关支路闭合，而具有反极性的电流脉冲流过电感器和灯。接着，这个电路在电流过零时(第二开关支路的状态为“断开”，在实际开关情况下，例如在具有集成续流二极管的MOSFET的情况下，通过电流阀，例如通过串联连接的二极管进行“反向阻断”)再次被中断。随后，可选地在能够设定的间隔时间之后，灯经由电感器等再次被连接到电源。

对于脉冲生成来说，第二种变型方案原则上使用两倍于串联连接的两个开关支路的开关支路，对角开关支路对总是以全桥的方式与另一对角开关支路对交替地被驱动，并且为简化起见在下文被称为全桥感应式变换器。在这种情况下，灯因此借助于对角开关支路对并且经由至少一个具有交变极性的电感器交替地被连接到电源。以这种方式生成的交变极性的电流脉冲能够可选地以能够设定的间隔时间相互分离，如在半桥变型方案的情况下那样。在全桥变型方案中，单个开关上的电压负载相应较低，但是一般需要比半桥变型方案中多使用两个开关。与半桥感应式变换器相比的全桥感应式变换器的另一个优点是以下事实，即由于当有合适设计的部件时只有较低的干扰电流流过，所以来自介质阻挡放电灯的干扰辐射较少。

如果开关支路中的开关通过具有集成续流二极管的晶体管(例如MOSFET)来实施，那么在所有情况下都将一个电流阀串联连接在每个开关支路中，该电流阀允许电流只在一个方向上流动。这样，也确保，在这种情况下，在“断开”开关状态下，两个流动方向上的阻断效果。

附图说明

下面将参考示例性实施例对本发明进行更详细地描述。在附图中：

图1示出了根据本发明的第一变型方案的半桥感应式变换器的原理电路，

图2a-e示出了图1中所示的电路在启动介质阻挡放电灯之前的阶段和稳态操作介质阻挡放电灯阶段的切换方案，

图3示出了根据本发明的第二变型方案的半桥感应式变换器的原理电路，

图4示出了根据本发明的第二变型方案的半桥感应式变换器的特定示例性电路，

图5示出了图4中所示的特定尺寸的示例性电路的电流和电压的时间曲线图，

图6示出了与图4相对应的、具有不同尺寸的示例性电路的电流和电压的时间曲线图，

图7示出了根据本发明的第一变型方案的全桥感应式变换器，

图8示出了图7中所示的稳态操作全桥感应式变换器的切换方案，

图9示出了根据本发明的第二变型方案的全桥感应式变换器，以及

图10示出了根据本发明的第三变型方案的全桥感应式变换器。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一变型方案的半桥感应式变换器的原理电路。所述半桥感应式变换器具有串联连接的两个开关支路，每个开关支路包括电流阀D1、D2(例如二极管)和开关S1、S2(例如晶体管、特别是场效应晶体管(FET)或MOSFET)。包括这两个开关支路的串联电路的中心点被连接到灯支路，该灯支路包括电感器L和与所述电感器L串联连接的介质阻挡放电灯EL。灯支路与两个开关支路之一并联连接。对于灯操作，包括这两个开关支路的串联电路的端子被连接到电源U₀。

为了描述图1中所示的原理电路的运行方式，下面还将参考图2a-2e中所示出的信号曲线图。图2a示出了两个开关S1和S2的驱动信号。如图2b中所示，在“导通时间”期间，即当两个开关S1、S2中正好有一个闭合时，脉冲状的电流IL才流过电感器L。另一方面，在“间隔时间”期间，即当两个开关S1、S2都不闭合时，没有电流流过电感器L。相应地，当电路第一次接通时，即，当介质阻挡放电灯EL仍然没有被启动并且几乎充当电容器时，灯端子处的电压U增加。尽管第一开关S1闭合，理想情况下的电压U仍然上升直至电源电压U₀的值的两倍。接着，电压U在间隔时间期间最初保持恒定，直到第二开关S2闭合，并且因而，脉冲状电流IL再次流过电感器L，但脉冲状电流IL此时具有与先前电流脉冲的极性相反的极性。因此，灯电压U的极性也改变为负的电源电压U₀的值的两倍。这个电压在接下来的间隔时间期间再次保持恒定，直到第一开关S1再次闭合，并且因而，极性再次改变。重复这些过程，以致随着交替极性而形成增加的矩形电压或者电流脉冲序列。在这种情况下，电流脉冲IL的振幅随着每个脉冲增加，并且电压的振幅随着每个周期增加。维持这个谐振响应，直到介质阻挡放电灯EL被启动。为了缩短启动之前的这个阶段，可能有利的是，可选地将间隔时间设定为零，即，直接交替地闭合和断开两个开关S1、S2。这样，得到谐振电流或电压振荡。由于在启动灯之前不存在间隔时间的事实，所以开关S1、S2以及二极管D1、D2的电压负载也被限于电源电压。只要介质阻挡放电灯EL仍然没有被启动，电流脉冲IL就作为纯位移电流流过介质阻挡放电灯EL，未启动的介质阻挡放电灯EL充当纯电容器。介质阻挡放电灯EL一被启动，就根据本发明在任何情况下设置，间隔时间大于零，因此以便实现最初提及的这些灯的有效操作。这个稳态操作状态在针对流过电感器L的电流IL的图2d中和针对灯电压U的图2e中被示出。在稳态操作状态下，被启动的介质阻挡放电灯EL将振荡谐振“衰减”到稳态电流值IL^S或电压值U^S。此外，开关S1、S2一般工作在无电流状态，从而使切换损耗最小。为此，接通时间比电流脉冲长。

图3示出了图1中所描述的半桥感应式变换器的替换变型方案。其操作与前面结合图2a-2e所描述的操作的不同之处仅仅在于以下事实，即当前两个不同的电感L1、L2对于交变电流脉冲是决定性的并且因此对于灯电压U的上升沿和下降沿是决定性的。为此，图1中的电感器L被分成两个电感器L1和L2，并且附加地被集成在半桥感应式变换器的两个开关支路中，即，在所有情况下，这两个电感器都与开关和二极管串联。第二电感器最后还提供影响电压边沿的另一自由度。在电路方面，图1中的电路在技术上对应于两个电感器L1、L2的两个电感值L₁、L₂相等的情况，即，L₁＝L₂。与图1中所示出的变型方案相比，这个替换变型方案已增加了操作稳定性。

最后，可将具有三个电感器的第三变型方案(未示出)创建为图1和3中所示出的变型方案的组合。

图4示出了根据本发明的第二变型方案的半桥感应式变换器的图3中所示的原理电路的特定示例性实施例，该半桥感应式变换器具有两个电感器L1和L2。这个电路被设想用于操作对角线为32″的PLANON^型(欧司朗股份有限公司；例如，参见因特网上的网址链接：http：//www.osram.de/ueber_uns/umwelt/produkte/planon.html#)的扁平介质阻挡放电灯。对于大约213W的系统功率，能够以例如8.3cd/W或者更高的发光效率得到6310cd/m²或者更高的亮度。因而，利用根据本发明的感应式变换器得到的发光效率比利用传统的E类变换器电路高大约30％。两个开关电路中的每个开关电路包括作为开关的四个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)T1到T4和17N80型COOLMOS(Infineon)的T5到T8，以便使单个晶体管不必要承载近似1400V的高输入电压。此外，这些晶体管类型具有低导通状态损耗和切换损耗。在这种情况下，一旦可以采用例如使用SiC(碳化硅)技术的相应高阻断的开关晶体管，那么将来每个开关支路的单个晶体管可能也就足够了。由于反向恢复效应(二极管在某个时间周期内也在反方向上传导电流)，所以对于1200V的电压和5A的电流来说，两个二极管D1、D2同样使用SiC技术来设计。在这种情况下的两个电感器L1、L2在所有情况下都具有相同的104μH的电感。每个开关支路中的四个晶体管T1到T4和T5到T8在所有情况下都通过一个驱动方波发生器A1、A2经由在所有情况下都是每晶体管一个(本身已知的)高端驱动器HT来驱动。图5示出了以安培(A)为单位的灯电流i_EL和以伏特(V)为单位的灯电压u_EL的相关联的时间曲线图；y轴的单位是微秒(μs)。相应地，电流脉冲具有大约1μs的持续时间和36.36kHz的重复率。占空因数为50％。在这种情况下，电路的效率高于85％。在752W的图4中所示电路过载操作期间，得到高于20000cd/m²的亮度。为此，采用在所有情况下都具有14μH的电感值的两个相同的电感器，而具有471pF的电容的电容器与灯并联连接。电流脉冲在脉冲重复率为67.8kHz的情况下具有0.6μs的持续时间。

图6示出了在两个电感器L1和L2具有不相等的电感值(即分别为104μH和14μH)时的相应的时间曲线图。

图7示出了根据本发明的、具有对称拓扑的全桥感应式变换器的第一原理电路。由于在这种情况下电磁远场为零，所以从EMC(电磁兼容性)这方面来看，给定介质阻挡放电灯是对称设计，即，给定两个介电阻止电极具有相同面积，最终的对称灯电压是有利的。在这种情况下，介质阻挡放电灯EL在所有情况下都以全桥方式在所有情况下均在两个串联电路的中心点之间并且经由两个电感器L、L′被连接到两个开关支路。四个开关支路中的每个开关支路都包括包含有晶体管T1到T4和二极管D1到D4的串联电路。此外，电容器C与灯EL并联连接。

图8a-8c示出了图7中所示的电路的切换方案。如能从图8a中看到的那样，以对角方式布置的开关晶体管对T1、T4和T2、T3在间隔之后以同步方式交替闭合。因此，产生正的和负的电流脉冲IL，这些电流脉冲IL的振幅IL⁺和IL^-在这种情况下分别相等。因此，在介质阻挡放电灯EL的端子处形成相对于零线对称的方波电压信号U。相对于中间电路电压U₀的电压增量ΔU＝U_max-U₀可以通过选择电感器L1、L2的电感和电容器C而被影响。由于二极管D1至D4在晶体管T1、T4和T2、T3断开之前被关断，所以避免了晶体管T1-T4中的关断损耗。

图9示出了图7中所示的全桥感应式变换器的替换变型方案。在这种情况下，图7中所示的二极管D1至D4从开关支路中被取消，并且在所有情况下作为公共二极管D5或D6而被连接到全桥开关支路的公共馈线中。此外，电容器C由包括两个电容器C1和C2的串联电路替代，该串联电路的中心点被连接到恒定电位，例如被连接到地电位，用于平衡灯电压。在这种情况下，如参考图7已经描述的那样，从EMC这方面来看，给定介质阻挡放电灯是对称设计，最终的对称灯电压也是有利的。

图10示出了根据本发明的全桥感应式转换器的另一替换变型方案。该替换变型方案与图9中所示的变型方案的不同之处仅在于以下事实，即在所有情况下每个开关支路中还另外连接了一个电感器L1-L4。通过将电感器L1和L4的电感选择为与电感器L2和L3的电感不同，使正和负电流脉冲电平，以及因此使方波电压的边沿因灯的不同能有不同的选择。

Claims (16)

1、一种用于脉冲操作放电灯、特别是介质阻挡放电灯的电路装置，该电路装置具有感应式变换器，该感应式变换器具有

°第一开关支路和第二开关支路，

-每个开关支路都包括串联电路，该串联电路包括开关(S1，S2)、电流阀(D1，D2)和电感(L1，L2)，

°灯支路，该灯支路具有被连接到该串联电路的中心点的电感(L)，

-这个电感(L)的自由端被设置用于连接到放电灯(EL)的第一端，

°能使直至总共三个电感(L，L1，L2)中的两个电感都取零值。

2、如权利要求1所述的电路装置，所述电路装置的恒定电位、例如电路接地端被设置用于连接到所述放电灯(EL)的第二端。

3、如权利要求1所述的电路装置，该电路装置具有

°包括第三开关支路和第四开关支路的附加串联电路，

-该附加串联电路与包括两个第一开关支路的串联电路并联连接，

-第三开关支路和第四开关支路中的每个开关支路都包括串联电路，该串联电路包括开关(T3，T4)、电流阀(D3，D4)和电感(L3，L4)，

°电感(L′)，该电感(L′)被连接到附加串联电路的中心点，

-这个电感(L′)的自由端被设置用于连接到放电灯(EL)的第二端，

°能使所有三个电感(L′，L3，L4)也都取零值。

4、如权利要求3所述的电路装置，该电路装置具有相对于被设置用于连接到放电灯(EL)的端子对称的设计。

5、如权利要求3或4所述的电路装置，其中，所述四个电流阀(D1-D4)从所述开关支路中取消并且由两个电流阀(D5，D6)替代，在两个馈线中的每个馈线中，一个电流阀被连接到包括具有总共四个开关支路的两个串联电路的并联支路。

6、如权利要求3至5之一所述的电路装置，具有电容器(C)，该电容器(C)被连接到被设置用于连接到放电灯(EL)的端子。

7、如权利要求6所述的电路装置，所述电容器由包括两个电容器(C1，C2)的串联电路替代，并且这个串联电路的中心点被连接到所述电路装置的恒定电位，例如被连接电路接地端。

8、如前述权利要求之一所述的电路装置，所述电流阀(D1-D6)为二极管的形式，优选的为SiC二极管的形式。

9、如前述权利要求之一所述的电路装置，所述开关为晶体管(T1-T8)的形式，优选的是FET、MOSFET或IGBT的形式。

10、如前述权利要求之一所述的电路装置，所述开关支路中的电感(L1-L4)为电感器的形式。

11、如前述权利要求之一所述的电路装置，所述灯支路中的一个或多个电感(L，L′)为一个或多个电感器的形式或者为具有适当的馈线电感的馈线的形式。

12、如前述权利要求之一所述的电路装置，两个或多个开关(T1-T4；T5-T8)被串联连接到所述开关支路中并且被设想用于进行同步激励。

13、一种具有如前述权利要求之一所述的电路装置和介质阻挡放电灯(EL)的照明系统，该介质阻挡放电灯(EL)的两个端子被连接到为此目的所设置的电路装置的端子。

14、一种用于操作具有如权利要求1或2所述的电路装置的放电灯的方法，所述两个开关支路的开关(S1，S2)在所有情况下可选地以介于中间的间隔来交替操作。

15、如权利要求14所述的方法，所述开关在无电流模式下被断开。

16、一种用于操作如权利要求3所述的电路装置的方法，彼此以对角方式连接的相应开关支路的开关(T1，T4；T2，T3)交替地同步被操作，即以全桥方式来操作所述开关(T1，T4；T2，T3)。

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