專利名稱：用于高強(qiáng)度氣體放電燈的高頻電子鎮(zhèn)流器的新穎電路設(shè)計(jì)和控制技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)的高頻(20KHz至1MHz)電子鎮(zhèn)流器的新穎電路設(shè)計(jì)和控制技術(shù)，比如金屬鹵化物燈，它能確保成功地啟動(dòng)燈并且提供電路保護(hù)措施。本發(fā)明特別地涉及適用于氣體放電燈系統(tǒng)的鎮(zhèn)流器——然而不受限于此，在該系統(tǒng)中該HID燈通過一較長的電纜與該鎮(zhèn)流器電路相連接。
高頻電子鎮(zhèn)流器的使用能夠減小鎮(zhèn)流器的尺寸和重量，并改進(jìn)系統(tǒng)的功效。這種特性特別適用于低瓦特HID燈，因?yàn)橄Ｍ麄€(gè)照明系統(tǒng)為小尺寸。另外，由于工作頻率的增大，重復(fù)點(diǎn)亮和熄滅的峰值現(xiàn)象會消失，這樣可以使燈具有更長的壽命。HID燈的負(fù)載特性可近似為純電阻，而燈的(功率)因數(shù)接近于一。在光的輸出中沒有任何閃爍效果和頻閃效果并且光通量會提高。盡管如此，由于壓力駐波(聲頻共振)現(xiàn)象的出現(xiàn)，具有高頻電流波形的高壓HID燈的操作會發(fā)生偏置。這種聲頻共振會引起電弧位置和光色等的變化或者產(chǎn)生不穩(wěn)定電弧，有時(shí)電弧的不穩(wěn)定可以導(dǎo)致電弧的熄滅。
對于聲頻共振的常規(guī)解釋為從該被調(diào)制的放電電流中輸入的周期性功率會引起燈中的氣體的壓力振蕩。如果功率頻率位于或接近燈的本征頻率，燈中將會出現(xiàn)行波。這些行波朝著放電管壁的方向傳播并且在管壁上進(jìn)行反射，其結(jié)果是形成了具有大幅值的駐波。氣體密度中的強(qiáng)烈振蕩可以扭曲放電通道，反過來又會扭曲影響驅(qū)動(dòng)該壓力波的功率輸入(見W.嚴(yán)，Y.K.E.何和S.Y.R.惠所著“對小瓦特高強(qiáng)度氣體放電(HID)燈的穩(wěn)定性研究和控制方法(Stability study and controlmethods for small-wattage high-intensity-discharge(HID)lamps)”，IEEE工業(yè)應(yīng)用學(xué)報(bào)，2001年9月-10月，第5期，第37卷，第1522-1530頁)。燈的本征頻率取決于電弧容器的幾何尺寸、填充氣體以及氣體的熱力學(xué)狀態(tài)變量(如壓力、溫度、氣體密度)。
為了避免因聲頻共振而導(dǎo)致的不穩(wěn)定，許多關(guān)于鎮(zhèn)流器電路拓?fù)浠蚩刂品椒ǖ恼撐谋幌嗬^發(fā)表(嚴(yán)等人以及J.D.波爾和R.熱德爾所著的“用于高強(qiáng)度氣體放電燈的高效能電子鎮(zhèn)流器(High efficiencyelectronic ballast for high intensity discharge lamps)”，美國專利5,677,602，1997年10月14日)。


圖1所示為一典型的電路配置，主要地，它由功率因數(shù)校正電路、輸出逆變器，和一控制燈的網(wǎng)絡(luò)電路組成。有兩種基本的處理聲頻共振現(xiàn)象的方法1)輸出逆變器工作在一頻率上，該頻率遠(yuǎn)離燈的聲頻共振的頻率范圍。這類鎮(zhèn)流器可以分為(i)直流鎮(zhèn)流器；(ii)調(diào)諧高頻鎮(zhèn)流器；(iii)超高頻鎮(zhèn)流器。
2)使用固定的或隨機(jī)頻率來調(diào)制輸出逆變器的切換頻率。該輸入功率分布在一很寬的頻譜范圍內(nèi)，從而對位于某一頻率段上的輸入功率的幅度進(jìn)行最小化。
在點(diǎn)火過程中放電燈要經(jīng)歷幾個(gè)階段，其轉(zhuǎn)變過程可以描述如下一開始燈的電阻非常大(近似為一開路)，然后在一很短的時(shí)間段內(nèi)幾乎變?yōu)榱?瞬態(tài)短路轉(zhuǎn)變)，最后燈的電阻又逐漸增大直至其達(dá)到一穩(wěn)定狀態(tài)。必須獲得足夠的能量和一個(gè)低阻抗的放電通道以便于在啟動(dòng)階段快速放電。因此，負(fù)載效果(1)燈的電阻和(2)連接燈管和諧振環(huán)中的鎮(zhèn)流器電路的電纜的阻抗有時(shí)足夠的大，以至于初始化電弧電流不能夠被維持并且放電燈會熄滅。所以，在點(diǎn)火階段應(yīng)該獲得維持該電流的足夠的能量和低阻抗的電流放電。如果使用一個(gè)很長的電纜來連接放電燈和該鎮(zhèn)流器，這種情形尤為的嚴(yán)重，因?yàn)殚L電纜具有相對較大的電感，該電感將會限制電流di/dt的變化率。由于上述過渡過程的特性，很難識別該鎮(zhèn)流器電路的輸出是處于短路狀態(tài)，還是該放電燈處于正常運(yùn)行狀態(tài)。
以前的許多鎮(zhèn)流器并不從鎮(zhèn)流器中提供足夠的放電電弧電流以便在啟動(dòng)之后維持該電弧。如果初始放電電流并不足夠的大，該放電燈將嘗試重新啟動(dòng)但是電弧會很快熄滅，因?yàn)闆]有足夠的能量來維持電弧燈管中的電弧。這會經(jīng)常引起燈的閃爍和/或不可靠的燈的操作。另外，在有些現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)中的開路和短路保護(hù)電路是基于監(jiān)測燈的電壓和電流狀態(tài)的。為了區(qū)分燈的故障或正常操作，控制邏輯比較復(fù)雜。
美國專利4,277,728、5,001,400和5,381,076采用了前置功率因數(shù)校正電路和一輸出逆變器，通過一串聯(lián)電感和一并聯(lián)電容，如圖2中所示的L-C諧振電路，該逆變器的輸出驅(qū)動(dòng)一熒光燈。通常地，有一隔直電容與該L-C諧振電路相串聯(lián)。該隔直電容可以消除直流偏置電壓，因此僅有交流電壓被施加在燈的兩端。
美國專利5,677,602采用了一串聯(lián)電感電容電路和一并聯(lián)電感的電路結(jié)構(gòu)，如圖3中所示的L1-C1-L2的諧振電路。該鎮(zhèn)流器工作在一很高的頻率段上。該并聯(lián)電感L2的電感值要比串聯(lián)電感L1的大許多。在燈的啟動(dòng)和正常運(yùn)行期間采用了多重頻率偏移。即，在點(diǎn)亮期間放電燈在相對較低的工作頻率上運(yùn)行，而在穩(wěn)定狀態(tài)條件下則在一相對較高的頻率上工作。這種電路的主要缺點(diǎn)是使用了具有較大電感值的電感L2。當(dāng)L2上的振蕩電壓足夠大以至于燈被點(diǎn)亮?xí)r，L2的大阻抗值(＝2πfL2，其中f為該電感的工作頻率)限制了燈中電弧的啟動(dòng)放電電流的變化率di/dt。結(jié)果，燈管中的氣體很可能要經(jīng)過許多次連續(xù)地高壓沖擊才能被擊穿而放電，在最壞的情況下，該電弧也許根本就不能被啟動(dòng)。如果在鎮(zhèn)流器和燈管之間使用很長的連接電纜則這種不能啟動(dòng)的情形將會更加嚴(yán)重。如果燈突然被拿開或者燈管突然無法工作，由于L1和L2中的電流不一致，即，L1中的電流不同于L2中的電流，這樣將會在燈管連接器上產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓沖擊。另外，由于L2的阻抗非常高(等效于開路)，以至于流經(jīng)L1的電流不能保持連續(xù)，因此軟開關(guān)的運(yùn)行條件將會消失。只有當(dāng)逆變器中的電流保持連續(xù)時(shí)，逆變器半橋才有可能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。電路中的連續(xù)電流可以流經(jīng)逆變器的輸入功率開關(guān)(即，將要被接通的開關(guān))的反并聯(lián)二極管。該導(dǎo)電的輸入功率開關(guān)的反并聯(lián)二極管將施加于該功率開關(guān)上的電壓鉗位在近似為零電壓的狀態(tài)，因此為該功率開關(guān)創(chuàng)造了實(shí)現(xiàn)軟切換(零電壓)的條件。如果未提供與L2并聯(lián)的啟動(dòng)電容，該切換裝置可能遇到硬切換動(dòng)作，并且隨后由于熱力和/或電壓的原因而遭到破壞。
現(xiàn)有技術(shù)中所描述的許多電路并沒有考慮到在“短路”轉(zhuǎn)變過渡中維持電弧電流的裝置。尤其是，在高頻鎮(zhèn)流器和燈管之間使用長的連接電纜的應(yīng)用場合，考慮到電纜的電感效應(yīng)情況是非常重要的。綜合鎮(zhèn)流器的開路和短路保護(hù)技術(shù)是很復(fù)雜的。另外許多現(xiàn)有的鎮(zhèn)流器電路并沒有考慮到該鎮(zhèn)流器電路的輸出端的開路電壓的均方根值(rms)。該鎮(zhèn)流器電路的開路電壓同樣是HID燈的啟動(dòng)電壓。HID燈的啟動(dòng)電壓大約是幾千伏特。應(yīng)該限制該開路電壓的這一rms值，作為一種防止嚴(yán)重電沖擊的保護(hù)性措施并且同樣作為防止穿過失效燈管的高電壓的延伸的高可靠性措施。
通過提供一啟動(dòng)電容，提供了一種用于啟動(dòng)的能量源，同時(shí)提供了一低阻抗放電通道。
可以提供一單個(gè)啟動(dòng)電容，或者另外地，尤其是如果該燈管通過一長電纜與該鎮(zhèn)流器相連接，則提供了兩個(gè)相互并聯(lián)的啟動(dòng)電容，該第一啟動(dòng)電容的其位置物理上接近于該逆變器電路和該諧振電路，而且該第二啟動(dòng)電容其位置接近于該燈管并通過一電纜與第一啟動(dòng)電容分開。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，逆變器電路包括兩個(gè)開關(guān)并且提供了用于改變該逆變器電路的切換頻率的裝置。特別地，逆變器電路在啟動(dòng)步驟中可以在一低頻率段工作，在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行期間在一高頻率段工作。
優(yōu)選地，提供了一種用于在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行期間通過改變逆變器的切換頻率來調(diào)節(jié)放電燈功率的裝置。特別地，通過監(jiān)測直流電流來直接監(jiān)測放電燈功率，并且通過響應(yīng)于從該電流控制器中輸出的輸出量來改變該切換頻率的方式可以達(dá)到這個(gè)目的。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中提供了一種裝置，當(dāng)出現(xiàn)點(diǎn)亮失敗該鎮(zhèn)流器不能啟動(dòng)的情況時(shí)，并且在經(jīng)過一預(yù)定的時(shí)間間隔之后它能再進(jìn)行一次啟動(dòng)燈管的嘗試。通過將該放電燈的電流與一參考電流進(jìn)行比較可以檢測出啟動(dòng)的成功或失敗，其中當(dāng)點(diǎn)亮成功并且該放電燈的電流大于該參考電流時(shí)，該鎮(zhèn)流器則會在一高切換頻率上工作。更加優(yōu)選地，當(dāng)在進(jìn)行一次點(diǎn)亮燈的嘗試時(shí)，可以僅在一相對較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生啟動(dòng)電壓，這樣即使是重復(fù)性地進(jìn)行啟動(dòng)燈管的嘗試，放電燈電壓的均方根值保持在低于由于對安全的考慮而確定的一預(yù)定值。
在一實(shí)施例中，本發(fā)明進(jìn)一步了包括用于檢測該燈管的短路或開路狀態(tài)的裝置。優(yōu)選地，該短路和開路檢測裝置包括用于檢測當(dāng)直流電流下降到低于一參考值時(shí)的裝置。同樣優(yōu)選地，在啟動(dòng)燈的步驟期間不激活該短路和開路檢測裝置以避免任何短路或開路的錯(cuò)誤警告。
優(yōu)選地，該鎮(zhèn)流器還包括一裝置，它用來在一預(yù)定的啟動(dòng)后的時(shí)間段上將該放電燈的電流維持在大于其穩(wěn)定狀態(tài)電平的水平上，以便加速該放電燈的等離子體的加熱過程。
依據(jù)本發(fā)明的另外一更寬的方面，提供了一種用于高強(qiáng)度氣體放電燈的使用額定常量直流電壓的電子鎮(zhèn)流器，它包括一逆變器電路，一諧振電路，和用于檢測該放電燈的短路或開路條件的裝置。
依據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)更寬的方面，提供了一種用于高強(qiáng)度氣體放電燈的電子鎮(zhèn)流器，它包括一逆變器電路和一諧振電路，其中響應(yīng)于一被監(jiān)測的直流接線電流，可以改變該逆變器電路的切換頻率來調(diào)節(jié)放電燈的功率。
依據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)更寬的方面，提供了一種用于高強(qiáng)度氣體放電燈的電子鎮(zhèn)流器，它包括一逆變器電路，一諧振電路，在啟動(dòng)過程中該放電燈不能夠點(diǎn)亮的情況下不啟動(dòng)該鎮(zhèn)流器的裝置，和在一預(yù)定時(shí)間間隔之后再一次進(jìn)行啟動(dòng)放電燈的嘗試的裝置。
圖3顯示了使用L-C-L電路的現(xiàn)有技術(shù)的范例；圖4為一原理圖，它顯示了本發(fā)明的具體實(shí)施例；和圖5顯示了該放電燈電壓的典型波形和在啟動(dòng)過程中具有均方根限制的Fs/Fo信號。
2、二極管橋路，它是一全波整流器，并且其主要功能是用于將交流電壓整流成直流電壓。
3、功率因數(shù)校正(PFC)電路，PFC電路的主要功能是用于將輸入的電流波形整形成為正弦波，并且使輸入電流與輸入電壓在相位上同步。PFC的最普通的電路拓?fù)涫巧龎菏降闹绷麟娫醋兞髌?。這樣可以確保該升壓變流器的輸入電流能夠隨動(dòng)于整流后的輸入電壓。另外，在輸出端可以調(diào)節(jié)得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓Vdc。在本電路實(shí)例中，初始化切換頻率被設(shè)定為大約50kHz，而穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的切換頻率大約為400kHz。HID燈是金屬鹵化物(MH)類型的。直流電壓被調(diào)節(jié)至380V，控制器IC是MC33262。該變流器以臨界方式進(jìn)行工作。(除了升壓類型的變流器之外，其它變流器拓?fù)錇?，如SEPIC，回掃式和Cuk等具有適當(dāng)?shù)目刂品椒ǖ淖兞髌?，它們也可以被用于達(dá)到校正功率因數(shù)的目的。)4、逆變器，逆變器的功能在于將從PFC中輸出的經(jīng)過調(diào)節(jié)的直流輸出電壓轉(zhuǎn)換成對稱的矩形波輸出。逆變器的高端與低端的驅(qū)動(dòng)信號之間有一死區(qū)間隔時(shí)間(典型地為200納秒)以防止直流信號的短路直通。逆變器的開關(guān)頻率由壓控振蕩器(VCO)來控制。開關(guān)動(dòng)作由控制信號‘IEN’來激活。
5、諧振環(huán)，這是由L1-C1-L2-C2電路所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，而且它提供了功能(i)產(chǎn)生足夠高的電壓來啟動(dòng)燈和(ii)將逆變器的輸出信號中的高頻成分濾除。
6、啟動(dòng)電容C2和C0，能量儲存部件是電路中很重要的部件，它與燈的兩端相連同樣也與諧振元件相連接，(在圖4的電路范例中，C2與諧振電感L2并聯(lián)，而在電纜的另一端C0則直接穿過燈與燈并聯(lián))。啟動(dòng)電容的功能有兩個(gè)方面，第一，在啟動(dòng)階段它們維持由燈環(huán)(諧振環(huán))產(chǎn)生的以引起電弧沖擊的高電壓；第二，在最初的電離過程中，它們提供足夠的能量以及一個(gè)低阻抗的放電通道，以便很容易地建立起電弧。否則，電弧很容易熄滅，而且燈也不會被點(diǎn)亮。對于使用較短的電纜來連接鎮(zhèn)流器電路和燈管的應(yīng)用場合，因?yàn)檩^短電纜線上的零散電感會很小，因而不會阻止啟動(dòng)放電電流，那么C0和C2可以被結(jié)合成為一單個(gè)的啟動(dòng)電容。
另外，當(dāng)燈被突然拿走或突然無法工作時(shí)，L1和L2中電流的差別可由C0和C2來吸收。因此，可以避免由于電感沖擊效應(yīng)Ldi/dt所產(chǎn)生的高壓。同時(shí)，C0和C2為串聯(lián)電感提供了附加的電流通道(即便燈管是開路的)，以保證切換裝置的軟開關(guān)功能。B.鎮(zhèn)流器的特點(diǎn)本鎮(zhèn)流器提供了以下特點(diǎn)1、本鎮(zhèn)流器能夠產(chǎn)生足夠高的電壓，典型地，如3-5KV，以在啟動(dòng)階段啟動(dòng)燈管。但是同時(shí)，它能將啟動(dòng)電壓的rms值限制在一個(gè)較低的且安全的值之內(nèi)。
2、本鎮(zhèn)流器能給燈管調(diào)節(jié)提供恒定的電源。
3、該鎮(zhèn)流器包括L-C-L-C電路，它能夠提供包括高壓啟動(dòng)，快速放電過程(即快速地接通燈)和穩(wěn)定狀態(tài)的燈的功率控制等功能。
4、燈管在高頻的穩(wěn)定狀態(tài)條件下運(yùn)行，以避免燈的聲頻共振。
5、本鎮(zhèn)流器具有若干保護(hù)特性，特別是在以下情況下鎮(zhèn)流器將停止工作(a)燈管支路(相連的)被開路或者短路時(shí)，(b)鎮(zhèn)流器過熱時(shí)，(c)鎮(zhèn)流器在預(yù)定的時(shí)間(比如說，10-15分鐘)內(nèi)嘗試啟動(dòng)燈管但燈管仍不能被點(diǎn)亮。
6、鎮(zhèn)流器和燈管之間的連接電纜的長度可以變化(一般為5cm到10m)。C.運(yùn)行階段如圖4所示，當(dāng)鎮(zhèn)流器被接通電源時(shí)，PFC控制器控制升壓式變流器(或其它優(yōu)選的PFC變流器)以便將電壓Vdc調(diào)節(jié)到一個(gè)穩(wěn)定電平(在一特定的誤差范圍之內(nèi))并且從電網(wǎng)中輸入的交流電流接近正弦波并與輸入的交流電壓同步。因此，通過調(diào)節(jié)直流輸入端的電流Idc就可以控制輸送到鎮(zhèn)流器的逆變器和燈管上的功率，因?yàn)檩斔偷綗艄苌系钠骄β适荲dc(已經(jīng)過調(diào)節(jié))和Idc之間乘積，即，燈的平均功率為Vdc×Idc，與燈的功率值相比假定逆變器中和諧振環(huán)中的功率損耗非常小。
實(shí)際上，鎮(zhèn)流器要經(jīng)過幾個(gè)階段才能到達(dá)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在啟動(dòng)階段，逆變器的切換頻率在低頻率段上工作，而在啟動(dòng)之后即工作于高頻段上。壓控晶體(VCO)的頻率輸出信號控制逆變器中的開關(guān)的切換頻率。開關(guān)信號或門信號vg(連接至功率MOSFETs管的柵極)由信號‘IEN’來激活以便控制逆變器中的開關(guān)的狀態(tài)，門信號vg決定開關(guān)的操作。如果vg＝‘1’，上開關(guān)SA接通而下開關(guān)SB關(guān)斷；如果vg＝‘0’，則SA關(guān)斷而SB接通。如果IEN＝‘0’，vg＝‘0’，則逆變器的切換操作即被禁止。如果IEN＝‘1’，vg將與VCO的輸出相同。晶體管驅(qū)動(dòng)器會在施加至SA和SB上的門信號之間產(chǎn)生所需要的死區(qū)間隔時(shí)間。
‘IEN’受三個(gè)輸入信號的控制，包括‘ISC’，‘ICON’，和‘TEMP’。當(dāng)這三個(gè)信號均為邏輯‘1’時(shí)，逆變器才被激活。每個(gè)信號的功能如下所述i‘ISC’是一命令信號，它來自于短路保護(hù)電路。如果在燈的連接器上沒有出現(xiàn)短路，則‘ISC’＝‘1’。短路保護(hù)電路的操作將在以下作更進(jìn)一步地描述；ii‘ICON’是一命令信號，它來自燈電流檢測模塊。如果燈管在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)(由一定時(shí)器所設(shè)定--當(dāng)鎮(zhèn)流器被提供電源達(dá)到一預(yù)定的時(shí)間段(比如說，15分鐘)但是燈管卻沒有被啟動(dòng)，定時(shí)器的輸出信號是邏輯‘1’)被接通，則‘ICON’＝‘1’。
iii‘TEMP’是一命令信號，來自溫度傳感器。如果‘TEMP’＝0，則電路中被測的溫度采樣點(diǎn)即過熱。
C.1. 啟動(dòng)或點(diǎn)亮過程本節(jié)將描述依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，用于驅(qū)動(dòng)HID燈的電子鎮(zhèn)流器的一種新型啟動(dòng)控制機(jī)制和方法。
為了點(diǎn)亮HID燈，可以產(chǎn)生一足夠高的達(dá)幾千伏的施加于燈管的啟動(dòng)電壓vst。該方法基于圖4中的諧振環(huán)(燈管網(wǎng)絡(luò)電路)。剛開始，由于燈的電阻非常高，燈管網(wǎng)絡(luò)電路可以被簡化為由L1，L2，C1和C2構(gòu)成的一LC諧振儲能電路，該諧振儲能電路被設(shè)計(jì)成工作在兩個(gè)不同的頻率段上，L2比L1大許多(典型地，至少10倍)。在啟動(dòng)或點(diǎn)亮階段，鎮(zhèn)流器逆變器工作在相對較低的頻率fL上，這樣起主導(dǎo)作用的諧振儲能電路由C1和L2構(gòu)成。C2的電抗要遠(yuǎn)大于(＞10倍)L2的電抗。當(dāng)燈被啟動(dòng)之后，燈的電阻實(shí)質(zhì)上迅速地減小，于是鎮(zhèn)流器逆變器即工作于相對較高的頻率fH上。此時(shí)L2和C2的阻抗將遠(yuǎn)大于燈的阻抗，因此具有實(shí)際效應(yīng)的諧振電路的是C1、L1和燈的電阻所構(gòu)成。
在啟動(dòng)階段，當(dāng)逆變器的切換頻率很低并且L1＜＜L2時(shí)，L2是諧振儲能電路中起主導(dǎo)作用的部件。啟動(dòng)電壓vst將保持一預(yù)定時(shí)間t1，然后停止，且該停止?fàn)顟B(tài)保持另一預(yù)定時(shí)間t2，這樣由于安全的原因，均方根值vl，rms即可以被設(shè)置為低于一給定限度(安全規(guī)則所需要的)的一個(gè)值。圖4顯示了在啟動(dòng)階段時(shí)燈管的電壓波形。數(shù)學(xué)上，有公式vl,rms=vst2t1t1+t2-----(1)]]>這是一個(gè)安全保護(hù)措施，防止在燈管連線上產(chǎn)生延續(xù)高電壓。
應(yīng)該懂得圖4中所示的燈的電路僅僅是一種可能的諧振電路的實(shí)例，該諧振電路可以應(yīng)用于依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于HID燈的高頻操作的電子鎮(zhèn)流器中。本發(fā)明的一個(gè)重要方面，至少在該優(yōu)選的構(gòu)成中，在于使用了燈管網(wǎng)絡(luò)電路(諧振電路)且結(jié)合著啟動(dòng)電容C2和C0。這些啟動(dòng)電容與燈管相并聯(lián)而且同樣與諧振環(huán)中的啟動(dòng)諧振元件并聯(lián)(圖4的電路實(shí)例中的L2)。正常地，對于較短的燈管連接電纜線，一個(gè)電容C2就已經(jīng)足夠。對于較長的燈管連接電纜線，附加電容C0還與燈管就地連接。C2和/或C0的作用在于兩個(gè)方面，第一，它們提供了由燈管網(wǎng)絡(luò)電路中的諧振儲能電路的諧振元件所產(chǎn)生的很高的電壓(典型地，幾千伏特)以便用來啟動(dòng)燈管；第二，在電容放電的情形下，由于存在一能量儲存元件和一低阻抗部件，這些啟動(dòng)電容能夠提供足夠的能量和快速的電流放電通道，以便沖擊該電弧并且在電弧建立的初始階段期間維持著該電弧。
C2和C0的電容值的選擇必須滿足至少兩個(gè)條件。第一，它們應(yīng)該足夠的小，這樣它們將不會嚴(yán)重地影響燈啟動(dòng)過程中諧振環(huán)的諧振操作。在圖4的電路實(shí)例中，在啟動(dòng)階段，電容C2和C0的阻抗應(yīng)比L2的阻抗大許多(典型地，十倍或者更大)，這樣C1和L2之間的諧振不會受到太大的影響。在啟動(dòng)過程中使用C2和C0是很重要的，因?yàn)樗鼮闊艄苤械膯?dòng)電流提供了一個(gè)低阻抗的放電通道。第二，它們應(yīng)儲備足夠的能量來維持初始電弧，這樣燈管即可以被很快地接通。
C.2.重復(fù)啟動(dòng)機(jī)制本節(jié)描述了一種新穎的用于照明系統(tǒng)的并且尤其適合于HID燈的電子鎮(zhèn)流器的啟動(dòng)控制過程。
如圖4中所示，非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器產(chǎn)生信號‘Fs/Fo’，它具有兩種邏輯電平，‘0’或‘1’。信號‘Fs/Fo’的周期為50ms。使用該‘Fs/Fo’信號以控制壓控振蕩器(VCO)的輸出的‘中心頻率’。如果該信號為‘0’，則在本電路實(shí)例中該中心頻率為大約400kHz(即高頻fH)。如果該信號為‘1’，該中心頻率為50kHz(即低頻fL)。因此，VCO的輸出頻率在fL和fH之間交替地切換。正常情況下，低頻操作用于啟動(dòng)該燈管，而高頻操作是在啟動(dòng)燈管之后用于燈管的連續(xù)地正常工作。圖5中的啟動(dòng)電壓波形是通過將信號‘Fs/Fo’與信號‘ION’進(jìn)行同步而產(chǎn)生的。由于一開始燈的電流為零，‘ION’為邏輯‘1’，因而，‘IEN’＝‘0’，這表明逆變器動(dòng)作被禁止。為了產(chǎn)生傳輸至逆變器的低頻門信號，電容Cst在信號‘Fs/Fo’的上升沿處被立即放電(即，當(dāng)輸出頻率由fH變化到fL或者在低頻重啟動(dòng)操作開始時(shí))，所以，‘ION’暫時(shí)為邏輯‘0’而‘IEN’＝‘1’。這樣逆變器也暫時(shí)被激活。Cst則控制該重復(fù)啟動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。如果Cst很大，則公式(1)中的t1會更長。
如果燈不能被啟動(dòng)，則在時(shí)間t1之后，‘ION’會恢復(fù)為邏輯‘1’，而逆變器則被禁止，另一重新啟動(dòng)操作將在時(shí)間t2之后進(jìn)行。
如果燈管能被啟動(dòng)，則檢測到的燈管電流將會大于一參考值Ilamp，ref，該參考值預(yù)先設(shè)定為一較小值，該被檢測到的燈管電流與Ilamp，ref進(jìn)行比較?！甀L’將為邏輯‘1’?！甀ON’將為邏輯‘0’并且‘ICON’和‘IEN’均為邏輯‘1’。逆變器將被激活。通過將信號‘IL’傳輸至非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的管腳‘LOCK’端，則非穩(wěn)態(tài)輸出電平將被鎖定為邏輯‘0’并且該定時(shí)器將停計(jì)數(shù)。VCO將一高頻信號輸出至逆變器中，于是燈管便進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
通過這種重復(fù)啟動(dòng)機(jī)制，如果某一次啟動(dòng)燈的嘗試失敗，逆變器即暫時(shí)被禁止，且禁止?fàn)顟B(tài)保持t2長的時(shí)間，然后逆變器被重新激活并且通過在低頻段上操作逆變器來進(jìn)行另一次的啟動(dòng)燈的嘗試。在重復(fù)啟動(dòng)之前通過適當(dāng)?shù)剡x擇時(shí)間段長短，燈電壓的均方根值rms可以被保持為較低并且小于由安全規(guī)則設(shè)置的限定值。一旦燈管被啟動(dòng)，于是逆變器就會工作在穩(wěn)態(tài)高頻狀態(tài)下。
C.3.穩(wěn)態(tài)操作因?yàn)闊舻碾妷涸趶膯?dòng)時(shí)的幾千伏到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的幾百伏之間變化，所以采用一直接式燈電壓傳感器是不經(jīng)濟(jì)的。另外，電壓傳感器的輸出在工作期間會發(fā)生很大變化。在本節(jié)中，將會描述一種簡單的功率控制技術(shù)，它用來控制燈管功率及其穩(wěn)定性，而不用直接地檢測燈管電壓和燈管電流。
該方法為監(jiān)測額定直流功率，它可被輸送至逆變器的半橋電路中。由于Vdc是可以被調(diào)節(jié)的，通過使用“電流控制器”調(diào)節(jié)直流電流便可以控制燈管功率。通過控制VCO的輸入信號該控制器輸出可以調(diào)節(jié)該切換頻率(大約為fH)。如果燈管功率下降，則Iin也下降。因此VCO的輸入將會下降，以至于增加了逆變器的輸入功率；反之亦然。
C.4.開路和短路保護(hù)本發(fā)明的另一個(gè)重要方面，至少是其優(yōu)選結(jié)構(gòu)，在于提出了一種簡單的和低成本的用于檢測開路和短路狀態(tài)的技術(shù)，并且同樣提出了在這樣情形下的保護(hù)措施。
因?yàn)槟孀兤鞯闹绷麟妷篤dc可以被調(diào)節(jié)，所以通過檢測逆變器的輸入電流且不用實(shí)際地檢測燈管電壓和燈管電流，即可以實(shí)現(xiàn)開路(o/c)和短路(s/c)保護(hù)。理論上，逆變器的總的有功功率將會被全部地傳遞到燈管。主要原因在于1)與燈管輸入功率相比，逆變器其它部分的功率損耗相對地非常??；2)包括無功部件的諧振環(huán)基本上只消耗無功功率。由于認(rèn)識到由逆變器和諧振環(huán)所消耗的有功功率非常地小(比如，近似為額定值的十分之一)，o/c和s/c的保護(hù)設(shè)計(jì)即可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趏/c和s/c的條件下燈管上并沒有消耗有功功率。如果出現(xiàn)o/c或s/c的任一狀態(tài)，逆變器的輸入電流則要小于一很小的參考電平Isc，ref。信號ISC變?yōu)椤?’，則表明已經(jīng)出現(xiàn)了一o/c或者一s/c的狀態(tài)。
盡管如此，在燈的啟動(dòng)過程中，燈的電弧電阻會經(jīng)歷幾個(gè)階段極大電阻(斷開狀態(tài))，很低電阻(瞬時(shí)狀態(tài))，和較高電阻(穩(wěn)定狀態(tài))。為了避免該保護(hù)電路將啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)狀態(tài)與開路o/c故障或短路s/c故障相混淆，該保護(hù)措施應(yīng)被設(shè)計(jì)成在燈啟動(dòng)之后延遲一段很短的時(shí)間才起作用。該時(shí)間的典型設(shè)置為0.66秒。
C.5.加速的啟動(dòng)過程一般地，HID燈，比如金屬鹵化物燈(MH)從啟動(dòng)之后到滿亮度輸出通常需要1-10分鐘。在此這個(gè)階段被稱為‘發(fā)亮?xí)r間’。本發(fā)明的優(yōu)選特征在于提出了一個(gè)簡單的方法來縮短該發(fā)亮?xí)r間。
為了快速加熱HID燈管中的等離子體溫度，在燈被啟動(dòng)之后的20秒至30秒鐘內(nèi)，該初始燈管電流可以被控制為大于(通常為3到4倍)其正常的穩(wěn)態(tài)值。這樣，相對較大的初始電流和燈管電阻的I2R功率即可以提供加熱燈的等離子體的能量以便快速達(dá)到其穩(wěn)態(tài)溫度。
因此，可以看出本發(fā)明，至少是其優(yōu)選結(jié)構(gòu)提供了一種改進(jìn)的電子鎮(zhèn)流器，其物理尺寸較小且結(jié)構(gòu)緊湊，并且防止了燈管中的聲頻共振現(xiàn)象。另外，在啟動(dòng)階段的短路轉(zhuǎn)變過程中鎮(zhèn)流器可以維持燈管電弧，以便在啟動(dòng)燈管期間確?？焖俚姆烹娺^程，即使是在鎮(zhèn)流器和燈管之間使用長的連接電纜。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于它提供了一種具有增強(qiáng)的安全特性的鎮(zhèn)流器，包括完成開路和短路保護(hù)的簡單配置，以及出于安全原因而限制啟動(dòng)時(shí)均方根rms值、或限制開路電壓的裝置。該鎮(zhèn)流器還包括當(dāng)燈突然被拿走或當(dāng)燈突然無法工作時(shí)，限制施加于燈管連接器上的電壓的裝置，并且能夠確保當(dāng)燈突然被拿走或當(dāng)燈突然無法工作時(shí)開關(guān)裝置的軟切換狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種用于高強(qiáng)度氣體放電燈的電子鎮(zhèn)流器，包括一逆變器電路和一諧振電路，并且其特征在于至少提供一個(gè)位于該諧振電路和該放電燈之間的啟動(dòng)電容。
2.如權(quán)利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，提供兩個(gè)相互并聯(lián)的啟動(dòng)電容，所述啟動(dòng)電容中第一個(gè)的位置物理上接近于所述逆變器電路和所述諧振電路，而且所述啟動(dòng)電容的第二個(gè)的位置接近于該燈并通過一電纜與該第一啟動(dòng)電容分開。
3.如權(quán)利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述逆變器電路包括兩個(gè)開關(guān)，并且其中提供了用于改變所述逆變器電路的切換頻率的裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述逆變器電路在啟動(dòng)步驟中在一低頻率段工作，在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行期間在一高頻率段工作。
5.如權(quán)利要求3所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，提供了在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行期間通過改變逆變器的切換頻率來調(diào)節(jié)放電燈功率的裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，提供了通過監(jiān)控一直流電流來監(jiān)控放電燈的裝置，并且其中響應(yīng)于從電流控制器中輸出的輸出量所述逆變器的所述切換頻率可以變化。
7.如權(quán)利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，提供了一種裝置，當(dāng)出現(xiàn)點(diǎn)亮失敗該鎮(zhèn)流器不能啟動(dòng)的情況時(shí)，在經(jīng)過一預(yù)定的時(shí)間間隔之后它能再進(jìn)行一次啟動(dòng)燈的嘗試。
8.如權(quán)利要求7所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，通過將該放電燈的電流與一參考電流進(jìn)行比較可以檢測出點(diǎn)亮的成功或失敗，其中當(dāng)點(diǎn)亮成功并且該放電燈的電流大于該參考電流時(shí)，該鎮(zhèn)流器則會在一高切換頻率上工作。
9.如權(quán)利要求7所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，當(dāng)在進(jìn)行一次點(diǎn)亮燈的嘗試時(shí)，可以產(chǎn)生一相對較短時(shí)間的啟動(dòng)電壓，這樣即使是重復(fù)性地進(jìn)行啟動(dòng)燈管的嘗試，放電燈電壓的均方根值保持在低于由于對安全的考慮而確定的一預(yù)定值。
10.如權(quán)利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，它包括一用于檢測所述放電燈的短路或開路條件的裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述短路和開路檢測裝置包括一用于檢測當(dāng)直流電流下降到低于一參考值時(shí)的裝置。
12.如權(quán)利要求10所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述短路和開路檢測裝置在燈的啟動(dòng)步驟中并不被激活。
13.如權(quán)利要求1所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，還包括一裝置，它用來在一預(yù)定的點(diǎn)亮之后的時(shí)間段上將該放電燈的電流維持在大于其穩(wěn)定狀態(tài)電平的水平上，以便加速該放電燈的等離子體的加熱過程。
14.一種用于高強(qiáng)度氣體放電燈的使用額定常量直流電壓的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，它包括一逆變器電路，一諧振電路，和用于檢測所述放電燈的短路或開路條件的裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，所述短路或開路檢測裝置包括用于檢測當(dāng)直流電流下降到低于一參考值時(shí)的裝置。
16.如權(quán)利要求14所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，提供一延遲裝置，因此在所述放電燈啟動(dòng)之后的一預(yù)定時(shí)間內(nèi)所述短路或開路檢測裝置并不被激活。
17.一種用于高強(qiáng)度氣體放電燈的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，它包括一逆變器電路和一諧振電路，其中響應(yīng)于一監(jiān)控的直流電流為了調(diào)節(jié)放電燈功率，該逆變器電路的切換頻率可以變化。
18.一種用于高強(qiáng)度氣體放電燈的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，它包括一逆變器電路，一諧振電路，在啟動(dòng)過程中該放電燈不能夠點(diǎn)亮的情況下不啟動(dòng)該鎮(zhèn)流器的裝置，和在一預(yù)定時(shí)間間隔之后再一次進(jìn)行點(diǎn)亮該放電燈的嘗試的裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，通過將該放電燈的電流與一參考電流進(jìn)行比較可以檢測出點(diǎn)亮的成功或失敗，其中當(dāng)點(diǎn)亮成功并且該放電燈的電流大于該參考電流時(shí)，該鎮(zhèn)流器則會在一高切換頻率上工作。
20.如權(quán)利要求18所述的電子鎮(zhèn)流器，其特征在于，當(dāng)在進(jìn)行一次點(diǎn)亮燈的嘗試時(shí)，可以產(chǎn)生一相對較短時(shí)間的啟動(dòng)電壓，這樣即使是重復(fù)性地進(jìn)行啟動(dòng)燈的嘗試，放電燈電壓的均方根值會保持在低于由于對安全的考慮而確定的一預(yù)定水準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于高強(qiáng)度氣體放電燈比如金屬鹵化物燈的電子鎮(zhèn)流器。該鎮(zhèn)流器包括一逆變器和一諧振電路,具有一位于該諧振電路和該放電燈之間的啟動(dòng)電容,啟動(dòng)電容提供必要的啟動(dòng)能量,并且還提供一低阻抗放電通道。一單個(gè)啟動(dòng)電容可能是足夠的,但是如果用一長電纜來連接該放電燈和鎮(zhèn)流器,則可能會使用兩個(gè)并聯(lián)的位于該電纜的相對端的啟動(dòng)電容。該鎮(zhèn)流器進(jìn)一步提供了通過監(jiān)測額定常量直流接線電壓來監(jiān)測和控制放電燈功率的裝置,以及用于檢測短路和開路狀態(tài)的裝置。提供了一種當(dāng)不能啟動(dòng)該放電燈時(shí)的重復(fù)啟動(dòng)機(jī)構(gòu),它包括暫時(shí)性地禁止逆變器動(dòng)作以使該放電燈電壓的均方根值保持為低。
文檔編號H05B41/392GK1370037SQ0210282
公開日2002年9月18日 申請日期2002年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月24日
發(fā)明者許樹源, 鐘樹鴻 申請人:香港城市大學(xué)