TWI426825B - 複金屬燈電子式安定器 - Google Patents

Description

複金屬燈電子式安定器

本發明係有關於一種複金屬燈電子式安定器，尤其是指一種有功率因數修正、兩級化電路及簡易之定功率控制；其兩級電路之前級係以數種不同轉換器組成：降昇壓型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出降昇壓型轉換器，並藉由偵測電流控制達到定功率驅動燈管，將電感電流操作於非連續導通模式，提高功率因數；昇壓型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出昇壓型轉換器，並藉由偵測電流控制達到定功率驅動燈管，將電感電流操作於非連續導通模式，提高功率因數；降壓型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出降壓型轉換器，並藉由偵測電流控制達到定功率驅動燈管，將電感電流操作於非連續導通模式，提高功率因數；SEPIC型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出SEPIC型轉換器，並藉由偵測電流控制達到定功率驅動燈管，將電感電流操作於非連續導通模式，提高功率因數；返馳型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出返馳型轉換器，並藉由偵測電流控制達到定功率驅動燈管，將電感 電流操作於非連續導通模式，提高功率因數；其兩級電路之後級為半橋換流器，以低頻方波驅動燈管，避免音頻共振〔ACOUSTIC RESONANT〕現象產生，而在其整體施行使用上更增實用價值性的複金屬燈電子式安定器創新設計者。

按，複金屬燈〔Metal Halide Lamps〕又名金屬鹵化燈，是氣體放電燈的一種，具有高演色性、良好的發光效率及壽命長等優點，近來在光源應用的比例上逐漸增加。複金屬燈與大多數氣體放電燈一樣，呈現負電阻的電氣特性；點亮前電燈管兩極間有極高的電位梯度，所以驅動複金屬的安定器，必須具備高壓點燈以及限制燈管電流的兩個基本功能。

其中，就該安定器而言，目前市面上常見是傳統操作在市電頻率、笨重、體積大且容易產生閃爍、啟動時間也較長的電磁耦合式安定器，其能量轉換效率低，使得其在使用上具有相當大的限制與缺失。

也因此，擁有能源環保、功能穩定、體積小等優點的電子式安定器，正逐漸取代傳統電磁耦合型安定器，成為照明市場的主流商品。但，該複金屬燈管於其實際施行使用上卻具有下列特性：

1.負增量阻抗：燈管電壓啟動之前未達崩潰階段可視為開路狀態，當燈管達到冷點燈啟動電壓後，則發生電壓崩潰。由於複金屬燈有負增量電阻的特性，隨著燈管功率的增加，其等效電阻會逐漸變小。一般而言，複金屬燈的等效阻抗會隨著使用的時間而遞增，燈管的等效阻抗在新舊之間會有100%至150%的差異。實際操 作上，若以定電流控制驅動燈管，舊燈管輸出功率將大幅增加，導致過度驅動燈管或超過安定器額定的危險，導致照明系統的可靠性降低。

2.音頻共振：所有的高強度氣體放電燈包含複金屬燈、氙燈和鈉燈等皆有音頻共振的問題。當音頻共振發生時會有弧光放電不穩定、光輸出變動和色溫改變等情形，會造成燈管工作電壓擺動、弧光輸出閃爍的現象，若嚴重的話會導致燈管管壁破裂。避免音頻共振的方法有多種，目前電路設計最常使用的方法為全橋換流器輸出低頻方波電壓、電流驅動燈管。

也因此，為了達到前述需求通常需要數個轉換器才能達成，請參閱第八圖現有之三級複金屬燈電子式安定器架構圖所示，即為目前常用的三級架構安定器(5)，該安定器(5)係於橋式整流器(51)連接第一級功率因數修正〔PFC〕電路(52)，其一般使用昇壓轉換器，可使市電電流波形呈正弦波形，且與電壓同相位，以達到高功因及低電流諧波之要求；於功率因數修正電路(52)連接第二級燈管功率控制電路(53)，其一般使用降壓轉換器，以調節燈管的電流來控制燈管功率，於燈管功率控制電路(53)則連接第三級燈管驅動電路(54)，其一般為全橋換流器，以低頻方波操作燈管(55)來避免音頻共振。

然而，上述三級架構安定器雖可達到既定之預期功效，但卻在其實際操作施行使用中發現，該安定器由於係為三級式架構，使得其需經過三級電能轉換，不僅造成該安定器整體之體積龐大、相對於其整體之重量上亦顯得較重，且於其整體電路設計上較為複雜，連帶導致其製造成本居高不下，致令在其整體電路設計上仍 存有改進之空間。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，因而發明出一種複金屬燈電子式安定器，以期達到更佳實用價值性之目的者。

本發明之複金屬燈電子式安定器，其一目的在於簡化電能轉換級數，將現有三級架構安定器整合為兩級，降低電路複雜度與體積，達到成本降低與控制迴路之簡化目標；為達此目的，本發明發展出數種安定器：降昇壓型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出降昇壓型轉換器，搭配後級半橋燈管驅動電路驅動燈管；昇壓型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出昇壓型轉換器，搭配後級半橋燈管驅動電路驅動燈管；降壓型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出降壓型轉換器，搭配後級半橋燈管驅動電路驅動燈管；SEPIC型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出SEPIC型轉換器，搭配後級半橋燈管驅動電路驅動燈管；返馳型轉換器與雙輸出降昇壓轉換器串接，整合為單級雙輸出返馳型轉換器，搭配後級半橋開關燈管驅動電路驅動燈管。

本發明之複金屬燈電子式安定器，其二目的在於複金屬燈具有負增量電阻特性，隨著燈管功率的增加，其等效電阻皆會逐漸變小 ，為避免以傳統定電流控制驅動燈管，老舊燈管輸出功率將大幅增加，而過額定驅動燈管之危險。因此，高品質的複金屬燈電子式安定器皆具有定燈管功率之控制目標；為達此目的，本發明之電子式安定器發展出一新式定功率控制方式，偵測互耦電感電流峰值控制開關，以定功率輸出，達到燈管定功率驅動之目的。

本發明之複金屬燈電子式安定器，其三目的在於傳統電子式安定器驅動級，為避免音頻共振，將複金屬燈操作於低頻方波電流，傳統之驅動方式為全橋換流器，使用四顆電晶體開關及其驅動電路，成本高且電路複雜，本發明朝向有效降低成本及縮小電路之目標；為達此目的，本發明之電路之互偶電感能有效達到雙組輸出，即可搭配半橋驅動電路，以低頻約150Hz控制信號達到低頻方波電流驅動，達到降低成本與縮小電路體積之目的。

(1)‧‧‧橋式整流器

(2)‧‧‧功因修正暨燈管功率控制電路

(21)‧‧‧轉換器

(211)‧‧‧降昇壓型轉換器

(212)‧‧‧昇壓型轉換器

(213)‧‧‧降壓型轉換器

(214)‧‧‧SEPIC型轉換器

(215)‧‧‧返馳型轉換器

(22)‧‧‧雙輸出昇降壓轉換器

(3)‧‧‧燈管

(31)‧‧‧點火電路

(4)‧‧‧半橋單臂開關燈管驅動電路

(5)‧‧‧安定器

(51)‧‧‧橋式整流器

(52)‧‧‧功率因數修正電路

(53)‧‧‧燈管功率控制電路

(54)‧‧‧燈管驅動電路

(55)‧‧‧燈管

第一圖：本發明之電路架構圖

第二圖：本發明之其一實施例電路架構圖

第三圖：本發明之其二實施例電路架構圖

第四圖：本發明之其三實施例電路架構圖

第五圖：本發明之其四實施例電路架構圖

第六圖：本發明之開關導通等效電路圖

第七圖：本發明之開關導通定功率波形圖

第八圖：現有之三級複金屬燈電子式安定器架構圖

為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：首先，請參閱第一圖本發明之電路架構圖所示，本發明主要係於橋式整流器(1)連有前級功因修正暨燈管功率控制電路(2)，該前級功因修正暨燈管功率控制電路(2)係將轉換器(21)個別與雙輸出昇降壓轉換器(22)串接，並藉由電路整合為單級雙輸出電路，且藉由偵測電流控制達到定功率輸出，定功率驅動燈管(3)，並將電感電流操作於非連續導通模式，提高功率因數，再於該前級之功因修正暨燈管功率控制電路(2)輸出端搭配連接後級之半橋單臂開關燈管驅動電路(4)，以低頻方波經點火電路(31)驅動燈管(3)。

而該功因修正暨燈管功率控制電路(2)之轉換器(21)，其不僅可為降昇壓型轉換器(211)，以與雙輸出昇降壓轉換器(22)整合成功因修正暨燈管功率控制電路(2)〔如第一圖本發明之電路架構圖所示〕，且該轉換器(21)亦可為昇壓型轉換器(212)〔如第二圖本發明之其一實施例電路架構圖所示〕，或為降壓型轉換器(213)〔如第三圖本發明之其二實施例電路架構圖所示〕，或為SEPIC型轉換器(214)〔如第四圖本發明之其三實施例電路架構圖所示〕，或為返馳型轉換器(215)〔如第五圖本發明之其四實施例電路架構圖所示〕。

如此一來，請再一併參閱第六圖，本發明第一圖前級電路之開關導通等效電路圖及第七圖本發明之開關導通定功率波形圖所示，使得本發明之定功率控制以降昇壓型轉換器(211)之轉換器 為例，本發明藉由單迴授脈波寬度調變〔Pulse Width Modulation,PWM〕技術，僅偵測互耦電感電流，當互耦電感電流達到設定電流峰值關閉開關，藉以控制開關導通時間，有效達到本發明之定電功率控制。

然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

藉由以上所述，本發明之元件組成與使用實施說明可知，本發明與現有結構相較之下，本發明由於係以數種不同轉換器個別與雙輸出降昇壓轉換器串接，並整合為單一開關而成前級電路，並藉由偵測電流控制達到定功率輸出，定功率驅動燈管，並將電感電流操作於非連續導通模式，提高功率因數；另外前級之雙組輸出搭配後級單臂開關驅動燈管，以低頻方波驅動燈管，避免音頻共振現象產生，而在其整體施行使用上更增實用價值性者。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

(1)‧‧‧橋式整流器

(2)‧‧‧功因修正暨燈管功率控制電路

(21)‧‧‧轉換器

(211)‧‧‧降昇壓型轉換器

(22)‧‧‧雙輸出昇降壓轉換器

(3)‧‧‧燈管

(31)‧‧‧點火電路

(4)‧‧‧半橋單臂開關燈管驅動電路

Claims (6)

1. 一種複金屬燈電子式安定器，其主要係於橋式整流器連有前級功因修正暨燈管功率控制電路，該前級功因修正暨燈管功率控制電路係將轉換器個別與雙輸出降昇壓轉換器串接，並整合為單級雙輸出電路，且藉由偵測電流控制達到定功率輸出，定功率驅動燈管，並將電流互耦電感操作於非連續導通模式，提高功率因數，再於該前級之功因修正暨燈管功率控制電路輸出端搭配連接後級之半橋單臂開關燈管驅動電路，以低頻方波經點火電路驅動燈管。
2. 如申請專利範圍第1項所述複金屬燈電子式安定器，其中，該功因修正暨燈管功率控制電路之轉換器為降昇壓型轉換器。
3. 如申請專利範圍第1項所述複金屬燈電子式安定器，其中，該功因修正暨燈管功率控制電路之轉換器為昇壓型轉換器。
4. 如申請專利範圍第1項所述複金屬燈電子式安定器，其中，該功因修正暨燈管功率控制電路之轉換器為降壓型轉換器。
5. 如申請專利範圍第1項所述複金屬燈電子式安定器，其中，該功因修正暨燈管功率控制電路之轉換器為SEPIC型轉換器。
6. 如申請專利範圍第1項所述複金屬燈電子式安定器，其中，該功因修正暨燈管功率控制電路之轉換器為返馳型轉換器。