EP2399429A1 - Elektronisches betriebsgerät für eine gasentladungslampe - Google Patents

Elektronisches betriebsgerät für eine gasentladungslampe

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Publication number
EP2399429A1
EP2399429A1 EP10704914A EP10704914A EP2399429A1 EP 2399429 A1 EP2399429 A1 EP 2399429A1 EP 10704914 A EP10704914 A EP 10704914A EP 10704914 A EP10704914 A EP 10704914A EP 2399429 A1 EP2399429 A1 EP 2399429A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lamp
voltage
inverter
current
bridge
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10704914A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim MÜHLSCHLEGEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram GmbH filed Critical Osram GmbH
Publication of EP2399429A1 publication Critical patent/EP2399429A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to an electronic operating device for a gas discharge lamp with a DC-DC converter having a power factor correction circuit, and an inverter having a lamp inductor and a full bridge with two separately controllable half-bridges.
  • the invention is based on an electronic control gear for a gas discharge lamp with a DC-DC converter having a power factor correction circuit, and an inverter having a lamp inductor and a full bridge with two separately controllable half-bridges, according to the preamble of the main claim.
  • Fig. 1 shows the previous concept of an electronic control gear according to the prior art. This consists of three stages: In a first stage, which includes the DC-DC converter, the input AC voltage is set to a so-called intermediate circuit voltage U z ⁇ of 400V.
  • the intermediate circuit voltage U z ⁇ is a DC voltage, which is usually supported by a DC circuit capacitor.
  • the DC-DC converter operates in a special mode, so that it simultaneously performs the function of a power factor correction circuit.
  • the DC-DC converter can be designed, for example, as a flyback converter, Sepie or Cukwandler.
  • the DC voltage of 400V is reduced to a low-frequency AC voltage equal to the lamp voltage in a subsequent second stage, which has a half-bridge inverter.
  • the frequency of the alternating voltage is usually between 50 and 500 Hz.
  • the ignition stage normally consists of a superimposed ignition device, which superimposes a high ignition voltage on the output voltage of the inverter.
  • the ignition voltage of the superimposed ignition device consists of individual ignition pulses, which are generated until an electrical breakdown takes place in the burner of the gas discharge lamp.
  • the deep-setting half-bridge in the inverter operates in a lopsided mode. This allows a complete discharge of the energy storage and thus minimizes the switching losses.
  • the lamp inductor is used.
  • a significant Rippeistrom created by the energy storage so that the inverter thus generates an AC voltage low frequency to which a high-frequency AC voltage is aufmoduliert.
  • the ribs stream through the energy Memory is three-cornered by full charge / discharge and produces a similar ripple voltage across the AC output voltage of the inverter. Since this high-frequency ripple voltage can excite acoustic resonances in the burner vessel, it is undesirable and must be filtered in front of the lamp.
  • an electronic control gear for a gas discharge lamp comprising: - a DC-DC converter, with a power factor correction circuit,
  • the DC-DC converter additionally has the function of aricserstungsSetzung, and
  • the inverter additionally has the following functions: - a lamp current control,
  • This circuit topology can be used very inexpensively, since an ignition stage with an ignition transformer and high component costs due to the DC link voltage can be saved.
  • the DC-DC converter is preferably designed to lower the input voltage to a DC link voltage of 160V-250V. By this measure significantly cheaper components can be used, since a technology-related voltage limit is below in semiconductor devices.
  • the inverter preferably has a lamp choke and a resonant capacitor, wherein the resonant choke is designed as an autotransformer whose center tap is connected to the resonant capacitor.
  • This arrangement provides an effective resonant circuit for the ignition of the lamp. If the current flow through the resonant capacitor by means of a switch which is connected to the resonant capacitor, the switch is switched on during the ignition and acceptance of the lamp, and then turned off when the lamp is burned and in the nominal operation of the lamp, then a Effective and safe operation of the circuit arrangement can be ensured because the resonant circuit is interrupted in rated operation.
  • a DC link capacitor is preferably arranged, which leads during operation aistsripple, wherein the AC voltage generated by the inverter is synchronized with theistsripple.
  • the inverter is synchronized to the frequency of the voltage ripple so that the alternating voltage always commutes in the region of the maximum of the voltage ripple.
  • the lamp flow is preferably rectangular, and the height of the Lamp current is preferably adjusted so that the instantaneous lamp power is the same in the positive quadrant of the lamp current as in the negative quadrant of the lamp current.
  • the duty cycle of the lamp current is adjusted so that the average lamp power in the positive quadrant of the lamp current is the same as in the negative quadrant of the lamp current.
  • the full bridge is preferably operated so that it is divided into two half-bridges, wherein during operation of the gas discharge lamp, the first half-bridge is driven with a high-frequency pulse width modulated voltage, and the second half-bridge with a low-frequency rectangular voltage.
  • a low-frequency AC voltage and a deep-set operation can be realized with a full bridge.
  • both half-bridges are driven with a high-frequency voltage at the start of the lamp.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of an electronic operating device according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic diagram of an inverter according to the invention in a first embodiment.
  • FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of an inverter according to the invention in a second embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of an electronic operating device according to the invention.
  • the electronic control gear according to the invention has only two stages.
  • the first stage which includes the DC-DC converter
  • the AC input voltage is converted into an intermediate circuit voltage U z ⁇ of about 180V.
  • the DC-DC converter in addition to the power factor correction a deep-setting function, since he, for example, the rectified 220V AC voltage of ⁇ 325V to a DC link voltage U z ⁇ of ⁇ 180V decreases.
  • the intermediate circuit voltage U z ⁇ is converted into a low-frequency AC voltage.
  • Half bridge of the inverter full bridge works as a buck converter, the intermediate circuit voltage U z ⁇ downsized to the amount of smaller lamp voltage.
  • the other half-bridge of the full bridge works with a low-frequency alternating voltage.
  • a low-frequency alternating voltage is generated, which is reduced by the deep-setting half-bridge to the amount of lamp voltage. Since the intermediate circuit voltage U z ⁇ is already quite low, the inverter is constructed as a full-bridge arrangement.
  • FIG. 20 A schematic circuit diagram of the full-bridge arrangement in a first embodiment is shown in FIG.
  • the intermediate circuit voltage U z ⁇ which serves as an input voltage here, is supported by a DC link capacitor C1 .
  • a first half-bridge 110 has the MOS-FETs Tl and T2. Parallel to the MOS-FETs in each case a free-wheeling diode is connected. This has better electrical properties compared to the free-wheeling diodes installed in the MOS-FETs. These are advantageous in this half-bridge 110, since it assumes the deep-setting function and consequently is driven at a high frequency.
  • a lamp inductor L is connected, which also serves as a Tiefsetzerdrossel.
  • the gas discharge lamp 5 is connected.
  • the second half-bridge 120 is connected with its center.
  • the second half-bridge 120 has the MOS-FETs T3 and T4. These transistors are responsible for generating the low-frequency AC voltage which is applied to the gas discharge lamp 5. As mentioned above, they reverse the current direction through the gas discharge lamp 5 in a low-frequency cycle. For this task are the free-wheeling diodes integrated in the MOS-FETs are sufficient. For this reason, no freewheeling diodes are connected in parallel to the MOS FETs of the half bridge 120.
  • An ignition capacitor C L is connected in parallel to the gas discharge lamp 5.
  • the deep-setting half-bridge 110 operates in the circuit arrangement according to the invention during startup of the lamp and especially when the lamp has started up, ie when the lamp is in the nominal operating point, in non-leaking operation, in which the lamp inductor L functioning as a step-down inductor is not completely discharged in one cycle.
  • This has the disadvantage of increased switching losses, but at the same time the advantage of a significantly smaller Stromrippeis by the reduced depth of discharge of the lamp inductor L. By this much smaller current ripple a filter capacitor can be completely eliminated, the capacitor is thus only used as a starting capacitor for a resonance ignition.
  • the deep-setting half-bridge 110 preferably operates with a quadrant-selective current regulation, which keeps the lamp power equal during the positive half-wave and during the negative half-wave.
  • the power is regulated at each operating point to a predetermined power. This requires a fast current control, which can regulate the pulse width modulation as a function of the instantaneous lamp voltage.
  • the lamp power is controlled only over an entire half cycle, so that a simpler slower control can be used, which is cheaper to implement.
  • freewheeling diodes with correspondingly low reverse voltage can be used, which have significantly better properties with respect to their electrical behavior than higher-blocking types which must be used in the prior art.
  • Low-blocking diode types are significantly faster and have a significantly softer recovery behavior, which in turn further improves the electromagnetic compatibility and even more compensates for the disadvantage of hard switching.
  • Schottky diodes are also commercially available, which have even better properties and further increase the advantages of the inventive design.
  • the deep-setting half-bridge 110 In order to ignite the gas discharge lamp 5, the deep-setting half-bridge 110 is excited with the resonant frequency of a resonant circuit consisting of the lamp inductor L and of the filter capacitor C L. The voltage applied to the filter capacitor C L oscillates through the resonance to a height which results in an electrical breakdown in the gas discharge lamp burner of the gas discharge lamp 5.
  • the drive frequency of the deep-setting half-bridge 110 By skillful control of the drive frequency of the deep-setting half-bridge 110, the voltage on the gas discharge lamp after its ignition can be increased in order to achieve a better starting behavior of the gas discharge lamp.
  • the deep-setting half-bridge is controlled so that it performs the Stromregelnde function and thus the gas discharge lamp is operated with a power control.
  • FIG. 26 A schematic circuit diagram of the full-bridge arrangement in a second embodiment is shown in FIG. This embodiment is similar to the first embodiment, therefore, only the differences from the first embodiment will be explained.
  • the full bridge of the second embodiment instead of the parallel to the lamp connected firing capacitor C L, a series circuit of a resonant capacitor C R and a switch S.
  • This series circuit is connected by a center tap of the lamp or resonance inductor L, which is designed as an autotransformer , to the negative input voltage U z ⁇ .
  • the switch S is now closed before the start of the ignition, so that a current path and to give a resonant circuit of the lamp inductor L and the resonant capacitor CR.
  • the switch After the gas discharge lamp has been ignited, the switch is left in the closed state for a short time in order to apply a higher transfer voltage generated by the resonance overshoot to the gas discharge lamp.
  • the phase of the gas discharge lamp is referred to here, in which shortly after the electrical breakdown in the lamp burner, the burning voltage is still very low, and the electrodes are still very cold. Due to the cold electrodes in the acquisition phase, the gas discharge lamp requires a lot of voltage in order not to go out with the next current commutation.
  • the switch S When the acquisition phase is completed, and the electrodes of the gas discharge lamp have a sufficiently high voltage, the switch S is opened, and the current path is interrupted.
  • the switch remains open during the entire run-up, ie the time during which the gas discharge lamp is not yet operated at its nominal power. Even at the rated operating point at which the lamp is operated at its nominal power, the switch S remains open, and is closed again only after a lamp extinguishment to ignite the gas discharge lamp.
  • the operating device according to the invention is particularly suitable for operating mercury-free high-pressure discharge lamps, since it offers significant advantages over the prior art: •
  • the switching frequency of the half-bridge can be freely selected, as it is hard-wired in non-gap operation. This is a significant advantage to the usual lopsided operation, in which the frequency can not be freely selected, since the frequency results from the ZCS condition (Zero Current Switching).
  • ZCS condition Zero Current Switching
  • the first stage which operates as a power factor correction circuit, can be designed as a pure buck converter (Bück Converter).
  • Bück Converter buck converter
  • the operating device according to the invention can be omitted a complete stage for the operation of a gas discharge lamp, and the costs are thus significantly reduced.
  • the fact that the deep-setting half-bridge is operated in the non-latching mode and the filter capacitor can be very small, the component costs for an additional ignition stage can be saved.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektronisches Betriebsgerät für eine Gasentladungslampe aufweisend: einen Gleichspannungswandler, mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung, einen Wechselrichter, mit einer Lampendrossel, und einer Vollbrücke mit zwei getrennt ansteuerbaren Halbbrücken, wobei der Gleichspannungswandler zusätzlich die Funktion einer Spannungstief Setzung aufweist, und der Wechselrichter zusätzlich folgende Funktionen aufweist: eine Lampenstromregelung, die Funktion einer Spannungstief Setzung auf die Lampenspannung, und eine Resonanzzündung.

Description

Beschreibung
[1] Elektronisches Betriebsgerät für eine Gasentladungslampe
Technisches Gebiet
[2] Die Erfindung betrifft ein elektronisches Betriebs- gerät für eine Gasentladungslampe mit einem Gleichspannungswandler der eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist, sowie einem Wechselrichter, der eine Lampendrossel und eine Vollbrücke mit zwei getrennt ansteuerbaren Halbbrücken aufweist.
Stand der Technik
[3] Die Erfindung geht aus von einem elektronischen Betriebsgerät für eine Gasentladungslampe mit einem Gleichspannungswandler der eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist, sowie einem Wechselrichter, der eine Lampendrossel und eine Vollbrücke mit zwei getrennt ansteuerbaren Halbbrücken aufweist, nach der Gattung des Hauptanspruchs .
[4] Fig. 1 zeigt das bisherige Konzept eines elektronischen Betriebsgerätes nach dem Stand der Technik. Dieses besteht aus drei Stufen: In einer ersten Stufe, die den Gleichspannungswandler beinhaltet, wird die Eingangswechselspannung auf eine sogenannte Zwischenkreisspannung Uzκ von 400V hochgesetzt. Die Zwischenkreisspannung Uzκ ist eine Gleichspannung, die üblicherweise von einem Zwi- schenkreiskondensator gestützt wird. Der Gleichspannungswandler arbeitet in einem speziellen Modus, so dass er gleichzeitig die Funktion einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung erfüllt. Der Gleichspannungswandler kann z.B. als Sperrwandler, Sepie- oder Cukwandler ausgeführt sein. [5] Die Gleichspannung von 400V wird in einer darauf folgenden zweiten Stufe, die einen Wechselrichter in Halbbrückenanordnung aufweist, auf eine niederfrequente Wechselspannung in Höhe der Lampenspannung herunterge- setzt. Die Frequenz der Wechselspannung beträgt dabei üblicherweise zwischen 50 und 500Hz. Dadurch, dass die Zwischenkreisspannung Uzκ mehr als doppelt so hoch ist wie die Lampenspannung, kann im Wechselrichter eine Halbbrückenanordnung gewählt werden, die ja bekanntlich die Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung halbiert. Diese tiefgesetzte Ausgangswechselspannung wird daraufhin in eine Zündstufe eingegeben, die eine Zündspannung zum Starten der Gasentladungslampe 5 erzeugt.
[6] Die Zündstufe besteht normalerweise aus einem Über- lagerungszündgerät, das der Ausgangsspannung des Wechselrichters eine hohe Zündspannung überlagert. Die Zündspannung des Überlagerungszündgerätes besteht dabei aus einzelnen Zündpulsen, die so lange erzeugt werden, bis ein elektrischer Durchbruch im Brenner der Gasentladungs- lampe stattfindet.
[7] Aus Gründen der Effizienz und der elektromagnetischen Verträglichkeit arbeitet die tiefsetzende Halbbrücke im Wechselrichter im lückenden Betrieb. Dies ermöglicht eine vollständige Entladung des Energiespeichers und minimiert damit die Schaltverluste. Als Energiespeicher wird hierbei üblicherweise die Lampendrossel verwendet. Bei dieser Betriebsweise entsteht jedoch ein signifikanter Rippeistrom durch dem Energiespeicher, so dass der Wechselrichter damit eine Wechselspannung niedriger Frequenz erzeugt, auf die eine hochfrequente Wechselspannung aufmoduliert ist. Der Rippeistrom durch den Energie- Speicher ist durch das vollständige Laden/Entladen drei- eckförmig und erzeugt eine ähnlich geformte Rippelspan- nung auf der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters. Da diese hochfrequente Rippelspannung akustische Resonan- zen im Brennergefäß anregen kann, ist sie unerwünscht und muss vor der Lampe gefiltert werden. Dies geschieht meist mittels einer großen Filterkapazität, die die Rippelspannung glättet und so das Anregen akustischer Resonanzen damit unterbindet. Dies ist möglich, da die Frequenz der Betriebswechselspannung deutlich geringer ist als die Frequenz des aufmodulierten Spannungsrippeis, der aus dem Rippeistrom in dem Energiespeicher herrührt. Durch die große notwendige Filterkapazität kann als Zündgerät jedoch lediglich ein Überlagerungszündgerät verwendet werden. Die Verwendung einer Anordnung zur Resonanzzündung ist aufgrund der großen Filterkapazität nicht möglich.
Aufgabe
[8] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Betriebsgerät für eine Gasentladungslampe mit einem Gleichspannungswandler der eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung aufweist, sowie einem Wechselrichter, der eine Lampendrossel und eine Vollbrücke mit zwei getrennt ansteuerbaren Halbbrücken aufweist, anzugeben, dass als Zündstufe eine Resonanzzündschaltung verwenden kann.
Darstellung der Erfindung
[9] Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem elektronischen Betriebsgerät für eine Gasentladungslampe aufweisend: - einen Gleichspannungswandler, mit - einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung,
- einen Wechselrichter, mit einer Lampendrossel, und
- einer Vollbrücke mit zwei getrennt ansteuerbaren Halbbrücken, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Gleichspannungswandler zusätzlich die Funktion einer SpannungstiefSetzung aufweist, und
- der Wechselrichter zusätzlich folgende Funktionen aufweist : - eine Lampenstromregelung,
- die Funktion einer SpannungstiefSetzung auf die Lampenspannung, und
- eine Resonanzzündung.
Diese Schaltungstopologie kann sehr kostengünstig einge- setzt werden, da eine Zündstufe mit einem Zündtransformator und hohe Bauteilekosten aufgrund der Zwischenkreis- spannung eingespart werden können.
[10] Der Gleichspannungswandler ist dabei bevorzugt dazu ausgelegt, die Eingangsspannung auf eine Zwischenkreis- Spannung von 160V-250V tiefzusetzen . Durch diese Maßnahme können deutlich kostengünstigere Bauteile verwendet werden, da eine technologiebedingte Spannungsgrenze bei Halbleiterbauteilen unterschritten wird.
[11] Wenn die Lampenstromregelung im Wechselrichter derart erfolgt, dass die Halbbrücke, die die Tiefsetzfunktion übernimmt, im nichtlückenden Betrieb arbeitet, wird der Rippeistrom in der Lampendrossel klein und akustische Resonanzen in der Lampe werden vermieden. Der Momentanwert des Lampenstroms entspricht dabei im Wesent- liehen dem Momentanwert des Stroms in der Lampendrossel. Durch diese Betriebsweise wird die Anregung akustischer Resonanzen im Gasentladungslampenbrenner vermieden, was einen stabilen Betrieb zur Folge hat.
[12] Der Wechselrichter weist dabei vorzugsweise eine Lampendrossel und einen Resonanzkondensator auf, wobei die Resonanzdrossel als Spartransformator ausgeführt ist, dessen Mittenabgriff mit dem Resonanzkondensator verbunden ist. Diese Anordnung ergibt einen effektiven Resonanzkreis für die Zündung der Lampe. Wenn der Stromfluss durch den Resonanzkondensator mittels eines Schalters, der mit dem Resonanzkondensator verbunden ist, abschaltbar ist, wobei der Schalter während der Zündung und Übernahme der Lampe eingeschaltet ist, und danach beim Hochbrennen der Lampe und im Nominalbetrieb der Lampe abgeschaltet ist, dann kann eine Effektive und sichere Be- triebsweise der Schaltungsanordnung gewährleistet werden, da der Resonanzkreis im Nennbetrieb unterbrochen ist.
[13] Zwischen dem Gleichspannungswandler und dem Wechselrichter ist bevorzugt ein Zwischenkreiskondensator angeordnet, der während des Betriebes einen Spannungsripple führt, wobei die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung mit dem Spannungsripple synchronisiert ist. Der Wechselrichter ist dabei auf die Frequenz des Spannungsrippeis derart synchronisiert, dass die Wechselspannung immer im Bereich des Maximums des Spannungsrippeis kommu- tiert. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Spannung während der Kommutierung sichergestellt, womit die Gefahr des Verlöschens der Gasentladungslampe während der Kommutierung deutlich vermindert ist.
[14] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lam- penstrom bevorzugt rechteckförmig, und die Höhe des Lampenstroms wird bevorzugt so angepasst, dass die momentane Lampenleistung im positiven Quadranten des Lampenstroms gleich groß ist wie im negativen Quadranten des Lampenstroms. In einer anderen bevorzugten Ausführungs- form ist das Tastverhältnis des Lampenstroms so eingestellt, dass die mittlere Lampenleistung im positiven Quadranten des Lampenstroms gleich groß ist wie im negativen Quadranten des Lampenstroms. Dadurch werden die Lampenelektroden gleichmäßig geheizt und nutzen sich nicht asymmetrisch ab.
[15] Die Vollbrücke wird bevorzugt so betrieben, dass sie in zwei Halbbrücken aufgeteilt ist, wobei während des Betriebes der Gasentladungslampe die erste Halbbrücke mit einer hochfrequenten Pulsweitenmodulierten Spannung angesteuert ist, und die zweite Halbbrücke mit einer niederfrequenten rechteckförmigen Spannung. Durch diese Betriebsweise kann mit einer Vollbrücke eine niederfrequente Wechselspannung und ein tiefsetzender Betrieb realisiert werden. Um eine geeignete Anregungsfrequenz für den Resonanzkreis zu generieren, werden beim Lampenstart beide Halbbrücken mit einer hochfrequenten Spannung angesteuert .
[16] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des elektronischen Betriebsgerätes für eine Gas- entladungslampe ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
[17] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der
Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschrei- bung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnun- gen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen :
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines elekt- ronischen Betriebsgerätes nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen Betriebsgerätes,
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Wechselrichters in einer ersten Ausführungsform.
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Wechselrichters in einer zweiten Ausführungsform.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[18] Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen Betriebsgerätes. Das erfindungsgemäße elektronische Betriebsgerät weist lediglich 2 Stufen auf. In der ersten Stufe, die den Gleichspannungswandler beinhaltet, wird die Eingangswechselspannung in eine Zwischenkreisspannung Uzκ von etwa 180V umgesetzt. Dazu weist der Gleichspannungswandler neben der Leistungsfaktorkorrektur eine tiefsetzende Funktion auf, da er z.B. die gleichgerichtete 220V-Wechselspannung von ~325V auf eine Zwischenkreisspannung Uzκ von ~180V herabsetzt .
[19] In der darauf folgenden 2. Stufe, die den Wechsel- richter beinhaltet, wird die Zwischenkreisspannung Uzκ in eine niederfrequente Wechselspannung umgewandelt. Eine
Halbbrücke der Wechselrichtervollbrücke arbeitet dabei als Tiefsetzsteller, der die Zwischenkreisspannung Uzκ auf die im Betrag kleinere Lampenspannung heruntersetzt. Die andere Halbbrücke der Vollbrücke arbeitet dabei mit einer niederfrequenten Wechselspannung. So wird eine niederfrequente Wechselspannung erzeugt, die durch die tiefsetzende Halbbrücke auf den Betrag der Lampenspannung herabgesetzt wird. Da die Zwischenkreisspannung Uzκ schon recht niedrig ist, wird der Wechselrichter als Vollbrü- ckenanordnung aufgebaut.
[20] Ein schematisches Schaltbild der Vollbrückenanord- nung in einer ersten Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt. Die Zwischenkreisspannung Uzκ, die hier als Eingangsspannung dient, wird von einem Zwischenkreiskonden- sator Cl gestützt. Eine erste Halbbrücke 110 weist die MOS-FETs Tl und T2 auf. Parallel zu den MOS-FETs ist jeweils eine Freilaufdiode geschaltet. Diese hat gegenüber den in den MOS-FETs verbauten Freilaufdioden bessere elektrische Eigenschaften. Diese sind bei dieser Halbbrücke 110 von Vorteil, da sie die tiefsetzende Funktion übernimmt und infolgedessen mit einer hohen Frequenz angesteuert wird. An den Mittelpunkt dieser Halbbrücke 110 ist eine Lampendrossel L angeschlossen, die gleichzeitig auch als Tiefsetzerdrossel dient. In Serie zur Lampendrossel L ist die Gasentladungslampe 5 geschaltet. Am anderen Ende dieser Serienschaltung ist die zweite Halbbrücke 120 mit ihrem Mittelpunkt angeschlossen. Die zweite Halbbrücke 120 weist die MOS-FETs T3 und T4 auf. Diese Transistoren sind für die Erzeugung der niederfrequenten Wechselspannung zuständig, die an die Gasentladungslampe 5 angelegt wird. Sie kehren also wie oben erwähnt in einem niederfrequenten Takt die Stromrichtung durch die Gasentladungslampe 5 um. Für diese Aufgabe sind die in den MOS-FETs integrierten Freilaufdioden ausreichend. Aus diesem Grund sind den MOS-FETs der Halbbrücke 120 keine Freilaufdioden parallelgeschaltet.
[21] Ein Zündkondensator CL ist parallel zur Gasentla- dungslampe 5 geschaltet. Die tiefsetzende Halbbrücke 110 arbeitet bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beim Hochlauf der Lampe und insbesondere bei hochgelaufener Lampe, d.h. wenn sich die Lampe im Nennbetriebspunkt befindet, im nichtlückenden Betrieb, bei dem die als Tiefsetzerdrossel fungierende Lampendrossel L in einem Zyklus nicht komplett entladen wird. Dies birgt den Nachteil von erhöhten Schaltverlusten, aber gleichzeitig den Vorteil eines signifikant kleineren Stromrippeis durch die verringerte Entladetiefe der Lampendrossel L. Durch diesen deutlich kleineren Stromrippel kann ein Filterkondensator komplett entfallen, der Kondensator dient damit nur noch als Zündkondensator für eine Resonanzzündung .
[22] Die vordergründig höheren Schaltverluste der erfin- dungsgemäßen Schaltungsanordnung werden durch das Gesamtkonzept minimiert. Durch die gegenüber dem Stand der Technik erheblich niedrigere Zwischenkreisspannung von lediglich 160V-250V, bevorzugt zwischen 160V und 230V, werden die Schaltverluste auf ein Minimum reduziert, so dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung real kaum höhere Schaltverluste aufweist, als eine Schaltungsanordnung aus dem Stand der Technik. Dies kann sehr leicht folgendermaßen abgeschätzt werden: Die Schaltarbeit eines Transistors bei Entladung der wirksamen Schalterkapazität wird beschrieben durch: Wschait = ^C*U2. Da die Spannung hier quadratisch eingeht, sind die Verluste bei halber Spannung nur ein Viertel der ursprünglichen Verluste. Geringe Schaltverluste erzeugen aber wenig Störungen, was wiederum die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert .
[23] Die tiefsetzende Halbbrücke 110 arbeitet dabei vorzugsweise mit einer quadrantenselektiven Stromregelung, die die Lampenleistung während der positiven Halbwelle und während der negativen Halbwelle gleich groß hält. In einer ersten Variante wird dabei die Leistung zu jedem Betriebspunkt auf eine vorbestimmte Leistung geregelt. Dies erfordert eine schnelle Stromregelung, die die Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der momentanen Lampenspannung regeln kann. In einer zweiten einfacheren Variante wird die Lampenleistung lediglich über eine gesamte Halbwelle geregelt, so dass eine einfachere langsamere Regelung verwendet werden kann, die kostengünstiger zu implementieren ist.
[24] Durch die vorteilhafte geringe Zwischenkreisspannung können als Freilaufdioden Typen mit entsprechend niedri- ger Sperrspannung verwendet werden, die bezüglich ihres elektrischen Verhaltens deutlich bessere Eigenschaften besitzen als höher sperrende Typen, die im Stand der Technik Verwendung finden müssen. Niedrigsperrende Diodentypen sind deutlich schneller und weisen ein wesent- lieh weicheres Recoveryverhalten auf, was wiederum die elektromagnetische Verträglichkeit weiter verbessert und den Nachteil des harten Schaltens umso mehr kompensiert. Für die Zwischenkreisspannung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind auch Schottkydioden kommerziell erhältlich, die nochmals bessere Eigenschaften aufweisen und die Vorteile des erfindungsgemäßen Designs weiter erhöhen .
[25] Um die Gasentladungslampe 5 zu zünden, wird die tiefsetzende Halbbrücke 110 mit der Resonanzfrequenz eines Resonanzkreises angeregt, der aus der Lampendrossel L und aus dem Filterkondensator CL besteht. Die am Filterkondensator CL anstehende Spannung schwingt dabei durch die Resonanz auf eine Höhe auf, die einen elektrischen Durchbruch im Gasentladungslampenbrenner der Gas- entladungslampe 5 zur Folge hat. Durch geschickte Steuerung der Ansteuerfrequenz der tiefsetzenden Halbbrücke 110 kann auch die Spannung an der Gasentladungslampe nach ihrem Zünden erhöht werden, um ein besseres Startverhalten der Gasentladungslampe zu erreichen. Sobald sich die Lampe in einem definierten Brennzustand befindet, wird die tiefsetzende Halbbrücke so gesteuert, dass sie die Stromregelnde Funktion ausübt und die Gasentladungslampe somit mit einer Leistungsregelung betrieben wird.
[26] Ein schematisches Schaltbild der Vollbrückenanord- nung in einer zweiten Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Ausführungsform ist ähnlich zur ersten Ausführungsform, es werden daher nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform erläutert. Die Vollbrücke der zweiten Ausführungsform weist anstelle des parallel zur Lampe geschalteten Zündkondensators CL eine Serienschaltung aus einem Resonanzkondensator CR und einem Schalter S auf. Diese Serienschaltung ist von einem Mittelabgriff der Lampen- oder Resonanzdrossel L, die als Spartransformator ausgeführt ist, auf die negative Eingangsspannung Uzκ geschaltet. Der Schalter S wird nun vor dem Beginn der Zündung geschlossen, so dass sich ein Strompfad und damit ein Resonanzkreis aus der Lampendrossel L und dem Resonanzkondensator CR ergibt. Nach dem Zünden der Gasentladungslampe wird der Schalter noch für kurze Zeit im geschlossenen Zustand belassen, um eine höhere, durch die Resonanzüberhöhung erzeugte Übernahmespannung an die Gasentladungslampe anzulegen. Als Übernahme wird hier die Phase der Gasentladungslampe bezeichnet, bei der kurz nach dem elektrischen Durchbruch im Lampenbrenner die Brennspannung noch sehr niedrig ist, und die Elektroden noch sehr kalt sind. Durch die kalten Elektroden in der Übernahmephase benötigt die Gasentladungslampe sehr viel Spannung, um bei der nächsten Stromkommutierung nicht auszugehen. Wenn die Übernahmephase beendet ist, und die Elektroden der Gasentladungslampe eine genügend hohe Spannung aufweisen, wird der Schalter S geöffnet, und der Strompfad damit unterbrochen. Dies unterbricht ebenfalls den Resonanzkreis, woraufhin keine Spannungsüberhöhung mehr generiert wird, und die tiefsetzende Halbbrücke 110 die Eingangsspannung Uzκ direkt auf die Lampenspannung heruntersetzen kann. Der Schalter bleibt während des gesamten Hochlaufs, also der Zeit während der die Gasentladungslampe noch nicht mit ihrer nominellen Leistung betrieben wird, offen. Auch im Nennbetriebspunkt, bei dem die Lampe mit ihrer nominellen Leistung betrieben wird, bleibt der Schalter S offen, und wird erst nach einem Lampenverlöschen zur Zündung der Gasentladungslampe wieder geschlossen.
[27] Das erfindungsgemäße Betriebsgerät ist besonders geeignet zum Betrieb quecksilberfreier Hochdruckentla- dungslampen, da es gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile bietet: • Die Schaltfrequenz der Halbbrücke kann frei gewählt werden, da im nichtlückenden Betrieb hart geschaltet wird. Das ist ein wesentlicher Vorteil zum üblichen lückenden Betrieb, bei dem die Frequenz nicht frei ge- wählt werden kann, da sich die Frequenz aus der ZCS- Bedingung (Zero Current Switching) ergibt. Somit ist es mit der Topologie einfach möglich auf den niederfrequenten Rechteckstrom eine höhere Frequenz mit bestimmtem Modulationsgrad und gewünschter Frequenz aufzumodulieren . Diese Modulation wird bei Quecksilberfreien Hochdruckentladungslampen für die Bogenbe- gradigung genutzt.
• Quecksilberfreie Hochdruckentladungslampen haben eine geringe Brennspannung von etwa 40 bis 90V. Entspre- chend hoch ist der Strom. Daher ist die Topologie vorteilhaft, da weniger Verluste in den Niedervolt MOS- FETs anfallen als bei einer Schaltungstopologie nach dem Stand der Technik.
[28] Bei den geringen Brennspannungen von Quecksilber- freien Hochdruckentladungslampen kann die erste Stufe, die als Leistungsfaktorkorrekturschaltung arbeitet als reiner Tiefsetzer (Bück Converter) ausgeführt werden. Es ist somit keine Schaltungstopologie notwendig, die Hoch- und Tiefsetzen kann (Buck-Boost) . Das bringt Vorteile bei der Schaltungsanordnung und bei der Verlustleistung.
[29] Durch das erfindungsgemäße Betriebsgerät kann eine komplette Stufe zum Betrieb einer Gasentladungslampe entfallen, und die Kosten somit erheblich reduziert werden. Dadurch, dass die tiefsetzende Halbbrücke im nichtlückenden Modus betrieben wird und der Filterkonden- sator sehr klein ausfallen kann, werden die Bauteilekosten für eine zusätzliche Zündstufe eingespart.

Claims

Ansprüche
1. Elektronisches Betriebsgerät für eine Gasentladungslampe aufweisend:
- einen Gleichspannungswandler, mit
- einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung, - einen Wechselrichter, mit einer Lampendrossel, und
- einer Vollbrücke mit zwei getrennt ansteuerbaren Halbbrücken, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Gleichspannungswandler zusätzlich die Funktion einer SpannungstiefSetzung aufweist, und
- der Wechselrichter zusätzlich folgende Funktionen aufweist :
- eine Lampenstromregelung,
- die Funktion einer SpannungstiefSetzung auf die Lam- penspannung, und
- eine Resonanzzündung.
2. Elektronisches Betriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt ist, die Eingangsspannung auf eine Zwi- schenkreisspannung von 160V-250V tiefzusetzen .
3. Elektronisches Betriebsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampenstromregelung im Wechselrichter derart erfolgt, dass die Halbbrücke, die die TiefSetzfunktion übernimmt, im nichtlü- ckenden Betrieb arbeitet, so dass der Rippeistrom in der Lampendrossel klein ist und akustische Resonanzen in der Lampe vermieden werden, wobei der Momentanwert des Lampenstroms im Wesentlichen dem Momentanwert des Stroms in der Lampendrossel entspricht.
4. Elektronisches Betriebsgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine Lampendrossel und einen Resonanzkondensator (Ci, CR) aufweist, wobei die Resonanzdrossel als Spar- transformator ausgeführt ist, dessen Mittenabgriff mit dem Resonanzkondensator verbunden ist.
5. Elektronisches Betriebsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss durch den Resonanzkondensator mittels eines Schalters (S) , der mit dem Resonanzkondensator verbunden ist, abschaltbar ist, wobei der Schalter während der Zündung und Übernahme der Lampe eingeschaltet ist, und danach beim Hochbrennen der Lampe und im Nominalbetrieb der Lampe abgeschaltet ist.
6. Elektronisches Betriebsgerät nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichspannungswandler und dem Wechselrichter ein Zwischenkreiskondensator angeordnet ist, der während des Betriebes einen Spannungsripple führt, wobei die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung mit dem Spannungsripple synchronisiert ist.
7. Elektronisches Betriebsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter auf die Frequenz des Spannungsrippeis derart synchronisiert ist, dass die Wechselspannung immer im Bereich des Maximums des Spannungsrippeis kommutiert.
8. Elektronisches Betriebsgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lampenstrom recht- eckförmig ist, und die Höhe des Lampenstroms so ange- passt wird, dass die momentane Lampenleistung im positiven Quadranten des Lampenstroms gleich groß ist wie im negativen Quadranten des Lampenstroms.
9. Elektronisches Betriebsgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des Lampenstroms so eingestellt ist, dass die mittlere Lampenleistung im positiven Quadranten des Lampenstroms gleich groß ist wie im negativen Quadranten des Lampenstroms.
10. Elektronisches Betriebsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vollbrücke in zwei Halbbrücken aufgeteilt ist, wobei während des Betriebes der Gasentladungslampe die erste Halbbrücke mit einer hochfrequenten Pulsweitenmo- dulierten Spannung angesteuert ist, und die zweite
Halbbrücke mit einer niederfrequenten rechteckförmi- gen Spannung.
11. Elektronisches Betriebsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Lampenstart beide Halbbrü- cken mit einer hochfrequenten Spannung angesteuert sind.
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