TWI501698B - 點燈系統與點燈方法 - Google Patents

Description

點燈系統與點燈方法

本發明是有關於電子技術，且特別是有關於一種點燈系統與點燈方法。

現有的氣體放電燈系統100很多採用第1圖所示的電路結構。如第1圖所示，變換器110將輸入電壓Vin變換成適合直流DC HID燈的工作電壓，其中高壓產生裝置120用來產生將燈擊穿所需的直流高壓，其中驅動電路121驅動變壓器T1輸出高壓脈衝，通過二極管D9和電容器C9在燈泡130兩端加上如1.5kV的直流電壓，高壓二極管D2用來防止直流電壓損壞變換器110中的其他器件。通常高壓二機管D2的正向壓降較大，燈點亮前沒有電流流過因而沒有損耗，燈點亮後，燈電流會流過二極管D2產生較大的穩態損耗，造成鎮流器(Ballast)效率降低，請參考第2圖所示燈電壓和燈電流波形。

由此可見，上述現有的點燈機制，顯然仍存在不便與缺陷，而有待加以進一步改進。為了解決上述問題之一，相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的方式被發展完成。因此，如何能進一步提升系統效率，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前相關領域亟需改進的目標。

為了能提升系統效率，本發明之一態樣是在提供一種創新的點燈系統與點燈方法。

依據本發明一實施例，一種點燈系統包括變換器、變壓器、驅動電路。變換器用以將輸入電壓轉換成適用於氣體放電燈的工作電壓；變壓器具有一次側繞組與二次側繞組，二次側繞組串聯氣體放電燈；驅動電路，電性連接變壓器的一次側繞組，用以在點燈階段去驅動變壓器，俾使變壓器的二次側繞組輸出高頻電壓以點亮氣體放電燈。

氣體放電燈為直流燈泡。

在點燈階段，變壓器工作在非飽和狀態。

在氣體放電燈被點亮後，驅動電路停止工作，變壓器工作在飽和狀態。

驅動電路可包括電感、電容器與半橋電路。電感與電容器分別連接變壓器的一次側繞組的兩端，其中電感、電容器與變壓器構成一諧振電路；半橋電路電性連接諧振電路。

再者，半橋電路包括第一開關、第二開關與驅動器。第一開關與一第二開關彼此串接，其中第一開關連接一電壓源，第二開關接地；驅動器電性連接第一、第二開關各自的控制端，藉以使第一、第二開關受驅動器控制而交替工作。

第一、第二開關的工作頻率可為10~500kHz。

電壓源可為變換器的輸入電壓或變換器的輸出電壓或外加的電壓源。

驅動器可交替地輸出第一脈衝至第一開關以及輸出第 二脈衝至第二開關，其中第一脈衝的脈寬與第二脈衝的寬度相同；或者，驅動器可交替地輸出第一脈衝至第一開關以及輸出第二脈衝至第二開關，其中第一脈衝的脈寬與第二脈衝的寬度不同。

或者，驅動電路可包括電感、開關器件與驅動器。電感電性連接變壓器的一次側繞組與一電壓源，具有寄生電容的變壓器與電感構成一諧振電路；開關器件電性連接諧振電路；驅動器用以控制開關器件的啟閉。

再者，此驅動電路更包括吸收電路。吸收電路電性連接開關器件與諧振電路，用以限制開關器件在關斷時加在開關器件上的電壓。

再者，此驅動電路更包括限流電路。限流電路電性連接開關器件，用以限制流過開關器件的電流。

開關器件的工作頻率為10~500kHz，占空比為0.2%~10%。

或者或再者，開關器件的工作頻率為200kHz，占空比為3%。

另外，變換器為一DC-DC變換器或一AC-DC變換器。。

依據本發明另一實施例，一種點燈方法包括下列步驟：(a)將輸入電壓轉換成適用於氣體放電燈的工作電壓，其中氣體放電燈串聯變壓器的二次側繞組；(b)在點燈階段去驅動變壓器，俾使變壓器的二次側繞組輸出高頻電壓以點亮氣體放電燈。

氣體放電燈為直流燈泡。

在點燈階段，變壓器工作在非飽和狀態。

上述之點燈方法更包括：在氣體放電燈被點亮後，停止驅動變壓器，變壓器工作在飽和狀態。

於點燈方法中，電感、電容器與變壓器構成諧振電路，半橋電路電性連接諧振電路，半橋電路包括第一、第二開關彼此串接，上述之步驟(b)包括：控制第一、第二開關交替工作，俾使變壓器的二次側繞組輸出高頻電壓。

第一、第二開關的工作頻率為10~500kHz。

上述之控制第一、第二開關交替工作之步驟包括：交替地輸出第一脈衝至第一開關以及輸出第二脈衝至第二開關，其中第一脈衝的脈寬與第二脈衝的寬度相同。

或者，上述之控制第一、第二開關交替工作之步驟包括：交替地輸出第一脈衝至第一開關以及輸出第二脈衝至第二開關，其中第一脈衝的脈寬與第二脈衝的寬度不同。

或者，於點燈方法中，具有寄生電容的變壓器與一電感構成一諧振電路，開關器件電性連接諧振電路，步驟(b)包括：控制開關器件的啟閉，俾使變壓器的二次側繞組輸出高頻電壓。

再者，此點燈方法更包括：提供吸收電路，電性連接開關器件與諧振電路，藉由所述吸收電路限制開關器件在關斷時，加在開關器件上的電壓。

再者，此點燈方法更包括：提供限流電路，電性連接開關器件，藉由所述限流電路限制流過開關器件的電流。

開關器件的工作頻率可為10~500kHz，占空比為0.2%~10%。

或者或再者，開關器件的工作頻率為200kHz，占空比 為3%。

綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由變壓器繞組與氣體放電燈(諸如直流燈泡)串聯，得以移除已有技術中的高壓二極管D2，從而移除由於高壓二極管D2導致的損耗。

以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。

於實施方式與申請專利範圍中，涉及『電性連接』之描述，其可泛指一元件透過其他電子元件而間接連接至另一元件，或是一元件無須透過其他電子元件而直接連接至另一元件。

於實施方式與申請專利範圍中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單一個或複數個。

本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』係用以修飾任何可些微變化的數量，但這種些微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明，則代表以『約』、『大約』或『大致』所修飾之數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內，較佳地是於百分之十以內，而更佳地則是 於百分之五以內。

本發明提出的新的技術解決方案是為了能提升系統效率。本發明之一技術態樣的典型電路架構圖，即第3圖所示之點燈系統200，其可適用於鎮流器，或是廣泛地運用在相關之技術環節。

點燈系統200包括變換器210，高壓產生裝置220與氣體放電燈230，高壓產生裝置220包括變壓器T1與驅動電路221。在結構上，變壓器T1具有一次側繞組T1-1與二次側繞組T1-2(即，副邊繞組)，其中一次側繞組T1-1電性連接驅動電路221，二次側繞組T1-2、氣體放電燈230與變換器210串聯。如下說明中，本申請以氣體放電燈為直流燈泡為例。變換器210可為一DC-DC變換器或一AC-DC變換器，對於DC-DC變換器如Buck,Flyback,Forward,Speic,Cuk等，將直流輸入電壓Vin變換成適合直流燈泡230的工作電壓，AC-DC變換器將交流輸入電壓Vin變換成適合直流燈泡230的工作電壓。值得注意的是，藉由高壓產生裝置220中的變壓器T1的繞組與直流燈泡230串聯，移除已有技術中的高壓二極管D2，從而移除由於高壓二極管D2導致的損耗，使得系統效率大幅提升。

於第4圖中，變換器210為降壓式變換電路(即，Buck電路)，此降壓式變換電路包括電容器C1、電感器L1、電阻器Rcs、續流二極管D1與控制開關Q1。

結構上，電容器C1的一端電性連接變壓器T1的二次側繞組T1-2，而電容器C1的另一端電性連接直流燈泡230；電感器L1電性連接變壓器T1的二次側繞組T1-2； 電阻器Rcs電性連接直流燈泡230；續流二極管D1的陽極電性連接電阻器Rcs，而續流二極管D1的陰極電性連接電感器L1；控制開關Q1的一端電性連接續流二極管D1的陰極，而控制開關Q1的另一端電性連接輸入電壓Vin。於第4圖中，控制開關Q1可為MOS管，控制器可控制MOS管的啟閉。

於點燈系統200運作時，變換器210用以將輸入電壓Vin轉換成適用於直流燈泡230的工作電壓，驅動電路221用以在點燈階段去驅動變壓器T1，俾使變壓器T1的二次側繞組T1-2輸出高頻電壓。參考由電容器C1，變壓器T1的二次側繞組T1-2和直流燈泡230組成的迴路來看，高頻電壓在電容C1上的壓降很小，大部分電壓會加在直流燈泡230上，將直流燈泡230點亮。

在直流燈泡230被點亮後，驅動電路221停止工作，燈電流流過二次側繞組T1-2，參考磁器件設計公式L*I=N*B*Ae來看，倘若燈正常點亮後將變壓器T1設計在非飽和狀態，必然要選擇較多的匝數N，這樣會增加繞組損耗，降低效率。因此，於本實施例中，在設計變壓器T1的時候，在點燈階段時，變壓器T1工作在非飽和狀態能夠輸出高壓的要求來選擇變壓器的繞組匝數，允許穩態工作時，變壓器T1工作在飽和狀態，這樣繞組T1-2就可以選用較少的匝數。另外由於流過二次側繞組T1-2的電流為直流電流，即便是變壓器T1工作在飽和狀態，變壓器T1的損耗還是很低的。通過如此設計，可以採用較少的繞組T1-2，減少了燈點亮後繞組T1-2上的損耗。舉例來說，以點亮 240W的HID燈泡來講，通過這樣設計，相對於已有技術可以使系統效率至少提升1.4%。

為了對上述之驅動電路作進一步的闡述，參照第5圖，半橋電路310與諧振電路320可組成高壓產生裝置220，其中電感L2、電容器C2與變壓器T1構成諧振電路320，諧振電路320電性連接半橋電路310。在結構上，電感L2與電容器C2分別連接變壓器T1的一次側繞組T1-1的兩端，電感L2可以為外加的電感器也可以為變壓器T1的漏感或兩者之和。

半橋電路310包括第一開關Q2、第二開關Q3與驅動器311。第一開關Q2與第二開關Q3彼此串接，其中第一開關Q2連接一電壓源Vbus，第二開關Q3接地；驅動器311電性連接第一開關Q2與第二開關Q3各自的控制端。在第5圖中，第一開關Q2與第二開關Q3分別為兩個MOS管，MOS管可具有內接二極體。

其中電壓源Vbus可以為輸入電壓Vin，也可以為電容C1上的電壓，或者為另外的電壓源。

於運作上，第一開關Q2與第二開關Q3受驅動器311控制而交替工作，工作頻率一般設定在10~500kHz，使得諧振電路320產生諧振，在變壓器T1的副邊繞組T1-2輸出高頻電壓以作為點燈電壓。

第6圖和第7圖為第5圖的高壓產生裝置工作波形的實施例。如第6圖所示，第一開關Q2和第二開關Q3採用對稱驅動的方式，驅動器311可交替地輸出第一脈衝610至第一開關Q2以及輸出第二脈衝620至第二開關Q3，其 中第一脈衝610的脈寬與第二脈衝620的寬度相同，則相應的直流燈泡上的電壓為對稱高頻點燈電壓；或者，如第7圖所示，也可以通過第一開關Q2和第二開關Q3採用非對稱驅動的方式，驅動器311可交替地輸出第一脈衝710至第一開關Q2以及輸出第二脈衝720至第二開關Q3，其中第一脈衝710的脈寬與第二脈衝720的寬度不同，則相應的直流燈泡上的電壓為非對稱高頻點燈電壓。

或者，如第8圖所示，驅動電路可包括電感L2、開關器件Q5與驅動器510。在架構上，電感L2電性連接變壓器T1的一次側繞組T1-1與電壓源Vbus，變壓器T1具有寄生電容，驅動器510用以控制開關器件Q5的啟閉。在第8圖中，開關器件Q5可為MOS管。

於運作時，驅動器510輸出高頻驅動信號，驅動開關器件Q5開通後，電感L2，變壓器T1(包含其寄生電容)組成諧振電路520在副邊繞組T1-2輸出點燈電壓，開關器件Q5的工作頻率一般設定在10~500kHz，占空比為0.2%~10%，如第9圖所示。結合驅動器的性能，開關器件Q5驅動為工作頻率200kHz，占空比為3%，既可以選擇成本較低的驅動晶片，又可以減小變壓器T1的體積。此外，電感L2可以為外加電感也可以是變壓器T1的寄生電感或兩者之和，對應的燈電壓波形為第10圖所示。

另一方面，電壓源Vbus可以為輸入電壓Vin，也可以為電容C1上的電壓，或者為另外的電壓源，熟習此項技藝者當視當時需要彈性選擇之。

再者，此驅動電路更包括吸收電路530。在結構上， 吸收電路530電性連接開關器件Q5與諧振電路520，吸收電路530包括二極管D、電容器C與電阻器R。

再者，此驅動電路更包括限流電路540。在結構上，限流電路540電性連接開關器件Q5，限流電路540包括雙極結型電晶體(BJT)與電阻器R1、R2。

於運作時，吸收電路530用以限制在開關器件Q5關斷時加在開關器件Q5上的電壓，限流電路540用以限制流過開關器件Q5的電流，藉以防止開關器件Q5損壞。

綜上所述，本發明之另一技術態樣為點燈方法，此點燈方法包含下列步驟：(a)變換器210將輸入電壓Vin轉換成適用於直流燈泡230的工作電壓，其中直流燈泡230串聯變壓器T1的二次側繞組T1-2；(b)在點燈階段去驅動變壓器T1，俾使變壓器T1的二次側繞組T1-2輸出高頻電壓以點亮直流燈泡230。

在點燈階段，變壓器T1工作在非飽和狀態。

上述之點燈方法更包括：在直流燈泡230被點亮後，停止驅動變壓器T1，變壓器T1工作在飽和狀態。

於點燈方法中，如第5圖所示，電感L2、電容器C2與變壓器T1構成諧振電路320，半橋電路310電性連接諧振電路320，半橋電路310包括第一開關Q2與第二開關Q3彼此串接，上述之步驟(b)包括：控制第一開關Q2與第二開關Q3交替工作，俾使變壓器T1的二次側繞組T1-2輸出高頻電壓以作為點燈電壓。

上述之控制第一開關Q2與第二開關Q3交替工作之步驟包括：交替地輸出第一脈衝610至第一開關Q2以及輸 出第二脈衝620至第二開關Q3，其中第一脈衝的脈寬與第二脈衝的寬度相同，此時直流燈泡230的燈電壓為第6圖所示。

或者，上述之控制第一開關Q2與第二開關Q3交替工作之步驟包括：交替地輸出第一脈衝710至第一開關Q2以及輸出第二脈衝720至第二開關Q3，其中第一脈衝的脈寬與第二脈衝的寬度不同，此時直流燈泡230的燈電壓為第7圖所示。

或者，於點燈方法中，如第8圖所示，具有寄生電容的變壓器T1與電感L2構成諧振電路520，開關器件Q5電性連接諧振電路520，步驟(b)包括：控制開關器件Q5的啟閉，俾使變壓器T1的二次側繞組T1-2輸出高頻電壓以作為點燈電壓。

再者，此點燈方法更包括：提供吸收電路530，電性連接開關器件Q5與諧振電路520，藉由所述吸收電路530限制開關器件Q5在關斷時，加在開關器件Q5上的電壓。或者或再者此點燈方法更包括：提供一限流電路540，電性連接開關器件Q5，藉由所述限流電路540限制流過開關器件Q5的電流，藉以防止開關器件Q5損壞。

應了解到，以上所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行。至於實施該些步驟的硬體裝置，由於以上實施例已具體揭露，因此不再重複贅述之。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和 範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧氣體放電燈系統

110‧‧‧變換器

120‧‧‧高壓產生裝置

121‧‧‧驅動電路

121‧‧‧驅動電路

130、230‧‧‧燈泡

200‧‧‧點燈系統

210‧‧‧變換器

220‧‧‧高壓產生裝置

221‧‧‧驅動電路

310‧‧‧半橋電路

311‧‧‧驅動器

320‧‧‧諧振電路

510‧‧‧驅動器

520‧‧‧諧振電路

530‧‧‧吸收電路

540‧‧‧限流電路

610‧‧‧第一脈衝

620‧‧‧第二脈衝

710‧‧‧第一脈衝

720‧‧‧第二脈衝

C、C1、C2、C9‧‧‧電容器

D、D9‧‧‧二極管

D1‧‧‧續流二極管

D2‧‧‧高壓二極管

L1‧‧‧電感器

L2‧‧‧電感

Q1‧‧‧控制開關

Q2‧‧‧第一開關

Q3‧‧‧第二開關

Q5‧‧‧開關器件

R、Rcs‧‧‧電阻器

T1‧‧‧變壓器

T1-1‧‧‧一次側繞組

T1-2‧‧‧二次側繞組

Vin‧‧‧輸入電壓

Vbus‧‧‧電壓源

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是傳統氣體放電燈系統的電路架構圖；第2圖表示第1圖的氣體放電燈系統的燈電壓和燈電流波形圖；第3圖是依照本發明一實施例之一種點燈系統的電路架構圖；第4圖是依照本發明一實施例之一種點燈系統的電路架構圖；第5圖是依照本發明另一實施例之一種點燈系統的電路架構圖；第6圖表示第5圖的點燈系統在對稱驅動方式下的波形圖；第7圖表示第5圖的點燈系統在非對稱驅動方式下的波形圖；第8圖是依照本發明又一實施例之一種點燈系統的電路架構圖；第9圖是第8圖的驅動器的輸出信號的波形圖；以及第10圖表示第8圖的點燈系統的燈電壓波形圖。

200‧‧‧點燈系統

210‧‧‧變換器

220‧‧‧高壓產生裝置

221‧‧‧驅動電路

230‧‧‧氣體放電燈

T1‧‧‧變壓器

T1-1‧‧‧一次側繞組

T1-2‧‧‧二次側繞組

Vin‧‧‧輸入電壓

Claims (29)

1. 一種點燈系統，包括：一變換器，用以將輸入電壓轉換成適用於氣體放電燈的工作電壓；一變壓器，具有一次側繞組與二次側繞組，該二次側繞組、氣體放電燈與該變換器串聯；以及一驅動電路，電性連接該變壓器的一次側繞組，用以在點燈階段去驅動該變壓器，俾使該變壓器的二次側繞組輸出高頻電壓以點亮該氣體放電燈。
2. 如請求項1所述之點燈系統，其中該氣體放電燈為直流燈泡。
3. 如請求項1所述之點燈系統，其中在該點燈階段，該變壓器工作在非飽和狀態。
4. 如請求項3所述之點燈系統，其中在該氣體放電燈被點亮後，該驅動電路停止工作，該變壓器工作在飽和狀態。
5. 如請求項1所述之點燈系統，其中該驅動電路包括：一電感與一電容器，分別連接該變壓器的一次側繞組的兩端，其中該電感、該電容器與該變壓器構成一諧振電 路；以及一半橋電路，電性連接該諧振電路。
6. 如請求項5所述之點燈系統，其中該半橋電路包括：一第一開關與一第二開關，彼此串接，其中該第一開關連接一電壓源，該第二開關接地；以及一驅動器，電性連接該第一、第二開關各自的控制端，藉以使該第一、第二開關受該驅動器控制而交替工作。
7. 如請求項6所述之點燈系統，其中該第一、第二開關的工作頻率為10~500kHz。
8. 如請求項6所述之點燈系統，其中該電壓源為變換器的輸入電壓或變換器的輸出電壓或外加的電壓源。
9. 如請求項6所述之點燈系統，其中該驅動器交替地輸出一第一脈衝至該第一開關以及輸出一第二脈衝至該第二開關，該第一脈衝的脈寬與該第二脈衝的寬度相同。
10. 如請求項6所述之點燈系統，其中該驅動器交替地輸出一第一脈衝至該第一開關以及輸出一第二脈衝至該第二開關，該第一脈衝的脈寬與該第二脈衝的寬度不同。
11. 如請求項1所述之點燈系統，其中該驅動電路包 括：一電感，電性連接該變壓器的一次側繞組與一電壓源，其中具有寄生電容的該變壓器與該電感構成一諧振電路；一開關器件，電性連接該諧振電路；以及一驅動器，用以控制該開關器件的啟閉。
12. 如請求項11所述之點燈系統，其中該驅動電路更包括：一吸收電路，電性連接該開關器件與該諧振電路，用以限制該開關器件在關斷時，加在該開關器件上的電壓。
13. 如請求項11所述之點燈系統，其中該驅動電路更包括：一限流電路，電性連接該開關器件，用以限制流過該開關器件的電流。
14. 如請求項11所述之點燈系統，其中該開關器件的工作頻率為10~500kHz，占空比為0.2%~10%。
15. 如請求項14所述之點燈系統，其中該開關器件的工作頻率為200kHz，占空比為3%。
16. 如請求項1所述之點燈系統，其中該變換器為一 DC-DC變換器或一AC-DC變換器。
17. 一種點燈方法，包括：(a)一變換器將輸入電壓轉換成適用於氣體放電燈的工作電壓，其中該氣體放電燈串聯變壓器的二次側繞組；以及(b)在點燈階段去驅動該變壓器，俾使該變壓器的二次側繞組輸出高頻電壓以點亮該氣體放電燈。
18. 如請求項17所述之點燈方法，其中該氣體放電燈為直流燈泡。
19. 如請求項17所述之點燈方法，其中在該點燈階段，該變壓器工作在非飽和狀態。
20. 如請求項19所述之點燈方法，更包括：在該氣體放電燈被點亮後，停止驅動該變壓器，該變壓器工作在飽和狀態。
21. 如請求項17所述之點燈方法，其中一電感、一電容器與該變壓器構成一諧振電路，一半橋電路電性連接該諧振電路，該半橋電路包括第一、第二開關彼此串接，步驟(b)包括：控制該第一、第二開關交替工作，俾使該變壓器的二 次側繞組輸出該高頻電壓。
22. 如請求項21所述之點燈方法，其中該第一、第二開關的工作頻率為10~500kHz。
23. 如請求項21所述之點燈方法，其中控制該第一、第二開關之步驟包括：交替地輸出一第一脈衝至該第一開關以及輸出一第二脈衝至該第二開關，該第一脈衝的脈寬與該第二脈衝的寬度相同。
24. 如請求項21所述之點燈方法，其中控制該第一、第二開關之步驟包括：交替地輸出一第一脈衝至該第一開關以及輸出一第二脈衝至該第二開關，該第一脈衝的脈寬與該第二脈衝的寬度不同。
25. 如請求項17所述之點燈方法，其中具有寄生電容的該變壓器與一電感構成一諧振電路，一開關器件電性連接該諧振電路，步驟(b)包括：控制該開關器件的啟閉，俾使該變壓器的二次側繞組輸出該高頻電壓。
26. 如請求項25所述之點燈方法，更包括： 提供一吸收電路，電性連接該開關器件與該諧振電路，藉由所述吸收電路限制該開關器件在關斷時，加在該開關器件上的電壓。
27. 如請求項25所述之點燈方法，更包括：提供一限流電路，電性連接該開關器件，藉由所述限流電路限制流過該開關器件的電流。
28. 如請求項25所述之點燈方法，其中該開關器件的工作頻率為10~500kHz，占空比為0.2%~10%。
29. 如請求項28所述之點燈方法，其中該開關器件的工作頻率為200kHz，占空比為3%。