TWI361638B - Circuit arrangement having a converter without a transformer but with an inductor for the pulsed operation of dielectric barrier discharge lamps - Google Patents

Description

1361638 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 • 本發明係有關一種電路配置，其具有不含變壓器而是 含至少一個電感器的轉換器，以便用於一介電障壁式放電 燈之脈衝操作。此外，本發明意欲提供一種具有這種轉換 器電路及一介電障壁式放電燈的照明系統以及其所對應的 操作方法。 在此情況中’ 「介電障壁式放電燈」一詞係理解爲一 ® 般用辭，亦即它並非僅受限於可在人眼可見之電磁波光譜 範圍內發光的燈。代替地，在此情況中，基於介電障壁放 電爲主的輻射器也包含在內。輻射器在此範圍以外，特別 是也能在紫外光範圍及真空紫外光範圍內發光。 從電機工程師的觀點，介電障壁式放電燈由於介電障 壁而具有優勢的電容性特徵。因此，包括一第一電容之串 聯電路以及一包括一第二電容和一非反應性電阻之串聯電 路通常認爲是一簡單的等效電路圖。在尙未啓動該介電障 ® 壁式放電燈時，該非反應性電阻具有實際上無限大的數値 ’亦即初時僅第一電容是有作用的。不過，一旦啓動了該 燈，該非反應性電阻便採行一有限値，因此可與作串聯連 接之第二電容互相作用》 - 由於該電容性組件，只能以隨時間改變的電壓例如正 . 弦電壓特別較佳的如美國專利第5 604 410號文件所述之 脈衝方式操作介電障壁式放電燈。 使用根據本發明之電感型轉換器，爲依美國專利第 1361638 5 6 04 410號文件所述之脈衝方式，操作介電障壁式放電燈 〇 【先前技術】 介電障壁式放電燈（也稱作介電阻礙放電燈或偶而稱 作無聲放電燈）本身是可從例如美國專利US-A 5 994 849 號和US-A 6 097 155號文件中得知的。它們是必需藉由相 交作用地將高電壓脈衝加到該放電燈上之電子鎭流器操作 的。不過，本發明也指向用於其他燈型式的鎭流器，可藉 由相互作用地產生電壓脈衝，及存在有像介電阻礙放電燈 的電容性特性特徵的情況。在這一方面，「介電障壁式放電 燈」一詞也可理解爲已擴大爲包含了此類的燈，及特別地 也涵蓋了所有放電燈，其中可將至少一個電極配置於該放 電燈外側。 歐洲專利EP 0 927 506 B1號文件中揭示了一種也稱 作返馳（flyback converter)的E級轉換器，以便用於介電障 壁式放電燈之脈衝操作。有一個缺點係變壓器或是輸入電 感器所需要之核心容積會隨著燈之功率而增加的事實。除 此之外，所連接之燈的可調光範圍是非常小的。 【發明內容】 本發明的目的是提供一種用於介電障壁式放電燈之脈 衝操作的另種電路配置。 這個目的係藉由一種用於放電燈，特別是介電障壁式 放電燈之脈衝操作的電路配置達成的，其中該電路配置所 含之電感型轉換器具有： -6- 1361638 ° 一第一開關分路和一第二開關分路， - 每一個開關分路都包括一串聯電路，該串聯電路 包含一開關、一電流閥及一電感； ° —電燈分路，其中含有一電感係連接於該串聯電路之 中心點上， - 此電感設置有一自由端子，以便連接到該放電燈 之第一端子上； ° 也可使總共三個電感中有上達兩個電感採行零値。 特別地有利的改良型式係如申請專利範圍之各附屬項 所述者。 本發明的基本槪念包括省略了介電障壁式放電燈之脈 衝操作中所用之習知轉換器槪念下的變壓器，替代於此是 將至少一個電感直接饋入到該介電障壁式放電燈上。在此 情況中，藉由多個主動式組件將該燈連接到供應電壓上經 歷一可設定的時段，然後再使該燈與這個供應電壓呈雙指 向性隔離。除此之外，這使得根據本發明之電路配置能於 一可設定之時段中將可能高於該供應電壓之電壓加到該介 電障壁式放電燈上。 一般而言，藉由根據本發明之電感器實現上述電感， 因爲這個理由且爲求簡潔，以下將使用如前言所述之「電 感型轉換器」一詞。不過，在某些情況，假如該導線電感 足夠高的話，也可藉由該燈之饋入導線的電感實現該電感 。不過’ 一般而言需要至少一個額外電感器。 1361638 已省略該轉換器型變壓器的事實可於諸多因素中提供 成本優勢，由於電感器比變壓器更具成本效益的緣故。除 此之外，由於這裡所用電感器之尺度通常比E級轉換器之 變壓器者小了 6到10倍，故使該電路配置具有改良的緊湊 輕巧度。藉由選擇電感，可在無需於脈衝寬度上作任何妥 協下，利用根據本發明之電感型轉換器達成使各電壓脈衝 具有更陡峭之邊緣的目的。可藉由共振電壓逐漸增強之作 用達成比E級轉換器較高的啓動電壓。最後，不必需使饋 入到該燈之內的能量完全緩衝地儲存於各電感性組件內， 由於該燈電流係在多個時間上取自該電壓供應源的緣故。 因此，可使根據本發明之電路配置內的各電感性組件具有 較小的尺寸。選擇性使用一個以上的電感器，提供了能藉 由對應之電感値以相互無關的方式調整該燈上電壓脈衝之 上升及下降邊緣的優點。這個以及其他細節可參照各附圖 之說明作更詳盡的解釋。 一般而言，根據本發明之電路配置可粗略地分成兩類 。對脈衝產生作業而言，該第一變型原則上使用了作串聯 連接的兩個開關分路，該兩個開關分路係從電氣供應源饋 入而依半電橋之方式交替地加以操作或驅動，因此以下爲 了簡潔的理由可將之稱作半電橋式電感型轉換器。每一個 開關分路皆含有一個或更多個作串聯連接的開關，例如像 電晶體，特別是場效電晶體（FET)、具絕緣閘極的雙極性電 晶體（IGBT)之類可控制的半導體開關。由於該複數個開關 係作串聯連接的事實，原則上能以所需要承受高反向電壓 1361638 之這種變型減輕附帶的缺點。否則，便需要具有高阻斷容 / 量，亦即通常可承受大槪2kV之反向電壓的開關》藉助於 ：* 第一開關分路下，可經由一電感器將該放電燈連接到電氣 * 供應源上一很短時間（亦即該第一開關分路之狀態爲：「已 閉合」）。此情況中，有一電流脈衝會流經該電感器及該 燈（只要該燈是尙未啓動的）成爲純粹的位移電流。然後， 再次於電流的跨零點上使該燈與電氣供應源隔離開（亦即 該第一開關分路之狀態爲：「已斷開」）。隨後，選擇性地 # 在一可設定的間隔時間之後，藉助於第二開關分路，閉合 一與電氣供應源隔離開及包括該燈及該電感器的電路，並 使具有反極性之電流脈衝流經該電感器及該燈。然後，再 次於電流的跨零點上中斷這個電路（亦即該第二開關分路 之狀態爲：「已斷開」，在使用真實開關，例如具有合倂式 自由旋轉型（freewheeling)二極體之MOSFET的情況，可藉 由作串聯連接的例如二極體之類的電流閥施行「反向阻斷 作業」）。隨後選擇性地在一可設定的間隔時間之後，再次 ® 經由該電感器等將該燈連接到該電氣供應源上。 對脈衝產生作業而言，該第二變型原則上兩次使用了 兩個串聯連接的2x2開關分路，而總是依全電橋方式交替 地驅動一呈對角的開關分路對及另一呈對角的開關分路對 ，且因此以下爲求簡潔稱之爲全電橋式電感器型轉換器。 _ 所以此情況中，交替地藉由一呈對角的開關分路對並經由 至少一個具有交替極性的電感器將該燈連接到該電氣供應 源上。可選擇性地藉由一可設定的間隔時間使依這種方式 1361638 所產生具有交替極性之各電流脈衝相互隔離開，如同使用 半電橋式變型的情況一般。在使用全電橋式變型的情況， 該單獨開關上的電壓負載是對應地較低，但是一般而言必 需使用比半電橋式變型多用兩個開關。較之半電橋式電感 器型轉換器，全電橋式電感器型轉換器之另一優點是存在 著比該介電障壁式放電燈更少干涉性輻射的事實，由於在 適當設計各組件時只有更低之干涉性電流流動的緣故。 假如各開關分路中的多個開關都是藉由具有合倂式自 由旋轉型二極體之電晶體例如MOSFET施行的，則各情況 中係於每一個開關分路中串聯連接一個只允許電流沿著一 個方向流動的例如二極體之類的電流閥。依這種方式，此 情況中也可於「斷開」的開關狀態中沿著兩個流動方向上 確保阻斷效應。 以下將參照各模範實施例更詳細地說明本發明》 【實施方式】 第1圖顯示一種根據本發明第一變型之半電橋式電感 器型轉換器的基礎電路。該半電橋式電感器型轉換器具有 兩個作串聯連接的開關分路，其中每一個開關分路都包括 一例如二極體之類的電流閥D 1，D2及一例如電晶體特別 是FET或MOSFET之類電晶體的開關Sl，S2。包括兩個開 關分路之串聯電路的中心點係連接到一包括電感器L及一 與該電感器L作串聯連接之介電障壁式放電燈EL的燈分 路上。該燈分路係依與該兩個開關分路之一並聯的方式連 接的。對燈的操作而言，係將包括兩個開關分路之該串聯 -10- 1361638 . 電路的多個端子連接到一電氣供應源u〇。 ""Λ. ' 爲了說明如第1圖所示之基礎電路的運作方式，以下 -* 將會參照如第2a-2e圖所示之信號形狀。第2a圖顯示兩個 開關分路S1和S2的驅動信號。如第2b圖所示，脈衝狀電 流U只能於「接通時間j亦即該兩個開關S 1和S2之一的 確是閉合的時間內流經該電感器L。另一方面，於「間隔 時間」，亦即該兩個開關S 1和S2皆未閉合的時間內，沒 有任何電流會流經該電感器L。對應地，在該電路第一次 • 接通時，亦即在該介電障壁式放電燈EL尙未啓動且幾乎扮 演著電氣電感器的角色時，該多個燈端子上的電壓U上升 。當該第一開關S1係閉合時，在理想狀況的電壓U會上升 到該供應電壓値U〇的2倍。於是，初始時該電壓U係於該 間隔時間內保持是定常，直到該第二開關S2閉合爲止，結 果一像脈衝的電流U再次流經該電感器L，但是現在該電 流脈衝具有和先前電流脈衝相反的極性。結果，該燈電壓 U的極性也會改變爲該供應電壓値U〇的負2倍。此電壓會 ® 再次於後續的間隔時間內保持是定常的直到該第一開關S1 再次閉合爲止，結果再次改變了其極性。重複這些程序以 致得到了日益增加之矩形電壓或是使一電流脈衝串具有交 替性的極性。此情況中，各電流脈衝U的振幅會隨著每個 - 脈衝而增加，且該電壓的振幅會隨著每個週期而增加。可 Λ_ ^ 維持這種共振響應直到啓動該介電障壁式放電燈EL爲止 ν 。爲了縮短在啓動之前的這個階段，可有利地將該間隔時 間選擇性地設定爲零，亦即直接交替地閉合及斷開該兩個 -11- 1361638 . 開關S1和S2。依這種方式，可得到一共振電流或是電壓 ' 振盪。由於在啓動該燈之前不存在任何間隔時間的事實， » · ·' 也可將用於開關Sl，S2及二極體Dl，D2的電壓負載限制 在供應電壓上。只要該介電障壁式放電燈EL是尙未啓動的 ’便可將該電流脈衝II當作純粹的位移電流使之流經尙未 啓動而扮演著純粹電容器角色的該介電障壁式放電燈EL 。一旦啓動了該介電障壁式放電燈EL，結果可在任何情況 根據本發明提供大於零的間隔時間，以便結果可實現初始 ® 提及那些燈的有效操作。這種穩態操作狀態係以第2d圖顯 示流經該電感器L的電流IL並以第2e圖顯示該燈電壓U 。在該穩態操作狀態中，已啓動的該介電障壁式放電燈EL 可「阻尼」該振盪共振以獲致一穩態電流値ILS或電壓値 Us。除此之外，一般而言係於無電流狀態中操作各開關S1， S2，結果可使切換耗損變得最小。爲了這個目的，可使該 接通時間比電流脈衝更長。 第3圖顯示的是如第1圖所示之半電橋式電感器型轉 ® 換器的次級變型。其中由兩個不同電感L1，L2決定各交流 電流脈衝且因此用以決定該燈電壓U之上升及下降邊緣的 事實，使其操作不同於先前結合第2a-2e圖所說明的操作 。爲了這個目的’將第2圖中之電感器L分成兩個電感器 L1和L2’且除此之外將之合倂到該半電橋式電感器型轉換 . 器之兩個開關分路內’亦即於各情況中使之與該開關及該 二極體作串聯連接。該第二電感器最後提供了另一個用以 影響各電壓邊緣的自由度。以電路形式，如第1圖所示之 -12- 1361638 電路係技術性地對應到該兩個電感器L1和L2的兩個電感 値L,和Li係相等’亦即Ll=L2的情況。這種次級變型係 較之如第1圖所示之變型具有已提升的操作可靠度。 最後’可結合如第1圖和第3圖所示之變型產生具有 三個電感器的第三變型（未標示）。 第4圖顯示的是如第3圖所示根據本發明第二變型之半 電橋式電感器型轉換器中具有兩個電感器L1和L2之基礎電 路的特定模範實施例。可想像的是將這種電路用於操作對 角線等於32英吋之PLANON®型平面介電障壁式放電燈（OSRAM GmbH ;例如可參見網際網路連結如下之網頁上的說明： http://www.osram.de/ueber uns/umwelt/produkte/planon.html#) 。在大約213瓦的系統功率，能以例如等於或大於8.3燭 光/瓦的發光效率達成等於或大於6310燭光/平方米的發光 度。因此’利用根據本發明之電感型轉換器所達成的發光 效率係比習知的E級轉換器電路高了大槪3 0%。該兩個開 關電路中每一個都包括當作開關的四個MOSFET(金屬氧化 物半導體型場效電晶體）T1到T4以及17N80COOLMOS (Infineon公司製造）型電晶體T5到T8，以便使各單獨電晶 體無須負載等於大槪1400伏特的高輸入電壓。除此之外， 這些電晶體型式都具有低的接通-狀態耗損及切換耗損。在 此情況中，一旦可例如利用SiC(碳化矽）技術取得對應的高 阻斷式切換電晶體，未來也可能每個開關分路只要單一電 晶體就足夠了。由於該反向恢復效應（二極體也可在某些時 段使該電流沿著反方向傳導），同樣地可使用該SiC技術設 -13- 1361638 . 計二極體Dl，D2以便用在1200伏特的電壓及5安培的電 * 流上。在此情況中之兩個電感器L1和L2具有各爲104 μΗ *； -* (微亨利）的相同電感。每一個開關分路中的四個電晶體Τ1 到Τ4和Τ5到Τ8，都是經由各情況中每個電晶體上的一個 高-邊驅動器ΗΤ(本身已知的）而藉著各情況中的一個驅動 用方波產生器Α1，Α2加以驅動的。第5圖顯示的是用於單 位爲安培（Α)之燈電流iEL及單位爲伏特（V)之燈電壓UEL的 相關時間外形圖；其中y軸的單位爲微秒（μ$)。因此，該 # 電流脈衝之持久性爲大槪Ιμβ且其重複速率爲3 6.36仟赫 。其工作（duty)比爲50%。在此情況中，該電路的效率爲大 ，於85%。於如第4圖所示之電路於752瓦的過載操作期間 ，可達成大於20,000燭光/平方米的發光度。爲了這個目的 ，可於各情況中使用電感値等於14 μΗ之兩個完全相同的電 感器以及電容等於47 1 pF而與該燈作並聯連接的電容器。 該電流脈衝於6 7.8仟赫之重複速率的持久性爲0.6 。 第6圖顯示的是用於兩個電感器L1和L2分別是104μΗ ® (微亨利）及14μΗ之不相等電感的對應時間外形圖。 第7圖顯示的是一種根據本發明之全電橋式電感器型 轉換器中具有對稱拓樸的第一基礎電路。從電磁相容性 (EMC)的觀點，有利的是該所得到的對稱燈電壓，可給出 , 具對稱設計的介電障壁式放電燈，亦即可給出具有相同面 ^ 積的兩個介電障壁式電極，因爲在此情況中，遠端電磁場 爲零的緣故。在此情況中，以全電橋式方式，經由兩個電 感器L和L’’將該介電障壁式放電燈EL連接到位於在各 -14- 1361638 。 情況中兩個串聯電路的中心點之間的兩個開關分路上。該 • 四個開關分路各包括由電晶體τ 1到T4及二極體D 1到D4 •- - 構成的串聯電路。除此之外，將一電容器C與該燈EL並 聯連接。 第8 a-8c圖顯示如第7圖所示之電路的切換策略。從 第8a圖可以看出，依同步形式使作對角配置的切換電晶體 對Tl，T4和T2，T3在一時間間隔之後交替地閉合。結果， 產生了正和負的電流脈衝U，在此情況中，分別爲U +和U-• 的振幅是相等的。結果，可在該介電障壁式放電燈EL之多 個端子上得到相對於零線呈對稱的方波電壓信號U»可藉 由選擇該多個電感器LI, L2的電感以及該電容器C，影響 該電壓相對於中間電路電壓Uo的增量Δυζυ^χ-ΙΙο。由於各 二極體D1到D4在電晶體Tl，Τ4和Τ2，Τ3斷開之前就關 閉的，故可免除各電晶體Τ 1到Τ4內的斷開耗損。 第9圖顯示的是一種如第7圖所示之全電橋式電感器 型轉換器的次級變型。在此情況中，如第7圖所示之二極 ® 體D1到D4自開關分路中撤除，並於各情況中將之當作一 共同二極體D5或D6連接到用於該等全電橋式開關分路之 各共同饋入導線上。除此之外，將該電容器C由包括兩個 電容器C1和C2的串聯電路所取代，而該串聯電路之中心 點則在平衡該燈電壓的目的下連接到例如接地電位之定常 . 電位上。在此情況中’也如同參照第7圖所說明的，從電 磁相容性（EMC)的觀點’可有利地由該所得到之對稱燈電 壓給出具對稱設計的介電障壁式放電燈。 -15- 1361638 . 第ι〇圖顯示另一種根據本發明之全電橋式電感器型 ' 轉換器的次級變型。與第9圖之次級變型的差異僅在各情 ' 況中也可於每一個開關分路中額外地連接一個電感器L1 到L4的事實。這使吾人能夠藉由將電感器L1和L4之電 感選爲是核電感器L2和L3之電感不相同的，而以不同的 方式選出該正和負電流脈衝的位準，結果也能以不同的方 式選出該方波電壓的邊緣。 【圖式簡單說明】 ® 第1圖顯示一種根據本發明第一變型之半電橋式電感 器型轉換器的基礎電路。 第2a-2e圖顯示用於第1圖所示之電路在啓動之前階 段以及用於介電障壁式放電燈之穩態操作之兩種情況的切 換策略 第3圖顯示一種根據本發明第二變型之半電橋式電感 器型轉換器的基礎電路。 第4圖顯示.一種用於根據本發明第二變型之半電橋式 ^ 電感器型轉換器的特定模範電路。 第5圖顯示用於如第4圖所示模範電路之特定尺度之 電流及電壓的時間圖式。 第6圖顯示用於對應到第4圖之模範電路在不同尺度 ·； 下之電流及電壓的時間圖式。 . 第7圖顯示一種根據本發明第一變型之全電橋式電感 器型轉換器。 第8圖顯示一種用於如第7圖所示之全電橋式電感器 -16- 1361638 型轉換器在穩態操作下的切換策略。 第9圖顯示一種根據本發明第二變型之全電橋式電感 器型轉換器。 第10圖顯示一種根據本發明第三變型之全電橋式電 感器型轉換器。 【主要元件符號說明】

C 電容器 D 1 -D6 電流閥 EL 放電燈 FET 場效電晶體 L, L', L 1 -4 電感 S 1 , S2 開關 T 1 -T8 電晶體 U〇 電氣供應源 -17-

Claims (1)

1361638 US修正本 ·- 第95126139號「用於放電燈之脈衝操作的電路配置，具有 ,； 該電路配置照明系統，以及操作該放電燈之方法」專利案 (2010年1 1月12日修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種電路配置，用於脈衝操作放電燈，特別是介電障壁 式放電燈，其中具有一電感器型轉換器，其包括： 一第一開關分路和一第二開關分路， 每一個開關分路包括一串聯電路，該串聯電路包含 一開關（SI, S2)、一電流閥（Dl, D2)及一電感（L1， L2)； —電燈分路，其含有一電感（L)連接於該串聯電路之中 心點上， ' 此電感（L)設置有一自由端子，以便連接到一放電 燈（EL)之第一端子上； —額外串聯電路，包含一第三開關分路和一第四開關 分路， 該額外串聯電路與包括該第一開關分路與該第二開 關分路之串聯電路作並聯連接； 該第三開關分路和該第四開關分路各包括一開關 (T3，T4)、一電流閥（D3，D4)及一電感（L3，L4); :‘ —電感（L，），其連接於該額外串聯電路之中心點上’ ―: 此電感（L1)設置有一自由端子，以便連接到該放電 燈（EL)之第二端子上； 其中，當第一、第二開關分路之電感設爲零値時’電 -1 - 1361638 燈分路電感不爲零値；或當電燈分路電感設爲零値時 ’第一、第二開關分路之電感不爲零値時： 其中，也可使第三、第四開關分路之電感（L3，L4)、 及連接於該額外串聯電路之中心點上之電感（L，）設爲 零値，沒有二極體與任何開關分路並聯連接。 2·如申請專利範圍第1項之電路配置，其中可爲該電路配 置提供一定常電位，以便連接到該放電燈（EL)之第二端 子上。

3.如申請專利範圍第1項之電路配置，其中具有相對於該 多個端子對稱設計，該等端子爲用於連接到一放電燈（EL) 上〇 4. 如申請專利範圍第丨項之電路配置，其中從各開關分路 中移除四個電流閥（D1-D4)，並由兩個電流閥（D5，D6)予 以取代，該兩個電流閥（D5，D6)係連接到用於全橋式開關 分路之各共同饋入導線上。

5. 如申請專利範圍第1項之電路配置，其中具有一電容器 (C) ’連接到爲連接該放電燈（EL)而設置的端子上。 6. 如申請專利範圍第5項之電路配置，其中該電容器由包 括兩個電容器（Cl，C2)的串聯電路所取代，並將此串聯電 路的中心點連接到該電路配置之定常電位。 7. 如申請專利範圍第1至6項任一項之電路配置，其中該 多個電流閥（D1-D6)爲二極體的形式，較佳的是碳化矽二 極體的形式。 8.如申請專利範圍第1至6項任一項之電路配置，其中該 -2-

多個開關爲電晶體（T卜T8)的形式。 9. 如申請專利範圍第1至6項任一項之電路配置，其中該多 個開關分路中的各電感（L1-L4)爲電感器的形式。 10. 如申請專利範圍第1至6項任一項之電路配置，其中在 該燈分路中之多個電感（L)'及連接於該額外串聯電路之 中心點上之電感（L')中至少其一爲一個電感器的形式，或 是具有適合饋入導線型電感的饋入導線形式。 如申請專利範圍第1至6項任一項之電路配置，其中該 兩個或多個開關（Τ1-Τ4; Τ5-Τ8)依串聯方式連接到該多 個開關分路之內且係設計成用於同步發動》 12·~種照明系統，具有如前述申請專利範圍任一項之電路 配置以及一介電障壁式放電燈（EL)，放電燈兩個端子連 接到該電路配置爲此目的而設置的多個端子。 1 3 ·〜種用於操作具有如申請專利範圍第1或2項之電路配 置的放電燈的方法，其中交替地操作該兩個開關分路中 的各開關（SI, S 2)，使各情況中在該等操作之間都選擇性 地有一時間間隔（interval in-between)。 1 4 · δα申請專利範圍第1 3項之方法，其中該多個開關都是以 無電流形式斷開的。 15·〜種用於操作如申請專利範圍第1項之電路配置的方法 ’其中交替地’以全電橋方式同步地操作該等個別開關 分路中沿著對角線相互連接的各開關（Tl，Τ4; Τ2, Τ3)。