專利名稱：用于向高強(qiáng)度放電燈供電的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向放電燈供電的電路的總主題。更具體而言，本發(fā)明涉及 一種用于向高強(qiáng)度放電燈供電的電路。
背景技術(shù)：
在用于向高強(qiáng)度放電(HID)燈供電的電路的設(shè)計(jì)中，近來多注重通 過最小化零件數(shù)來降低成本。圖1中描述了沿用這些思路的一種現(xiàn)有方 案。在電路100中，用半橋逆變器(SWi， SW2)代替了常規(guī)的全橋逆變 器。電路100包括一對(duì)低邊電容器(low-side capacitors) (CLOWSIDE1， CLOWSIDE2)，它們?cè)诠δ苌洗媪藘蓚€(gè)去除的逆變器晶體管。此外，常規(guī) 降壓調(diào)節(jié)器通過以脈寬調(diào)制(PWM)序列驅(qū)動(dòng)逆變器開關(guān)(SW" SW2) 而有效地集成到電路100中(而不是作為單獨(dú)的電路)，這允許電路IOO 控制供給燈的激勵(lì)的極性和功率水平，其中常規(guī)降壓調(diào)節(jié)器通常用于調(diào)節(jié) 輸入電壓(Vrajl)的功率7jc平并由此調(diào)節(jié)揭^供給燈的功率。
雖然電路100看似在技術(shù)上取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但它已知具有多種 局限性。
電路IOO的第一局限性在于由于對(duì)于給定值的輸入電壓VRA仏來說， 常規(guī)半橋所提供的最大電壓(即，所謂的"開路電壓"或OCV)僅為常規(guī) 全橋所提供的電壓的一半，因此電路100需要?jiǎng)?chuàng)新的啟動(dòng)方法比如諧振或 準(zhǔn)諧振啟動(dòng)，以便產(chǎn)生足夠高以確保燈成功啟動(dòng)的電壓。這些創(chuàng)新的啟動(dòng) 方法必然要求高頻操作。
電路100的第二局限性源于以下事實(shí)低邊電容器CLOWSIDE1、 CLOWSIDE2只能在很短時(shí)間內(nèi)支持給定極性的燈電流。
由于上述第一和第二局限性，電路100不能在啟動(dòng)階段和/或燈的穩(wěn) 態(tài)供電期間提供對(duì)燈的低頻激勵(lì)(例如1赫茲)。 一些現(xiàn)有設(shè)計(jì)顯示出在 啟動(dòng)階段使用低頻(例如，大約1赫茲)矩形波激勵(lì)能夠加速燈電極的加 熱、同時(shí)最小化可能的濺射和/或燈傳導(dǎo)損失的示例性性能。人們i人為，
5在啟動(dòng)階段，使用低頻或直流(DC)激勵(lì)比使用高頻激勵(lì)更可取。其原 因在于，在兩個(gè)燈電極均變?yōu)樽銐驘嵋猿蔀橛行У臒犭x子發(fā)射器之前，燈 極性的換向(即顛倒)為故障事件。因此，在啟動(dòng)階段換向越少(即低頻 激勵(lì))越好-
電路100的第三局限性在于，其被限定為進(jìn)行操作，以使得燈電流平 均值為零(即，無直流分量)。對(duì)于一些應(yīng)用比如恒定功率下工作的不對(duì) 稱(例如，豎直取向的)燈來說，理想的是提供具有非零平均(即DC) 值的燈電流。電路100不能提供此類操作。
電路100的第四局限性在于，低邊電容器C LOWSIDE1 、 GloWSIDE2需要
相對(duì)大(例如，68微法拉)的電解電容器；這樣的電容器成本高，體積 大，并且容易出現(xiàn)可靠性問題(尤其是在通常在HID鎮(zhèn)流器內(nèi)遇到的高 溫操作環(huán)境下)。大值低邊電容器的另外一個(gè)不利后果是，當(dāng)最初將交流 (AC)電源施加到所述電路時(shí)出現(xiàn)的4艮大的突入電流(inrush current )。 CLOWSIDE1、 CLOWSIDE2的串聯(lián)組合通常提供第二種作用，用作提供Vrail 的前端電路(例如，全波整流電路與比如升壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器等的功 率因數(shù)校正DC-DC轉(zhuǎn)換器的組合)的所謂的降壓電容器。當(dāng)向電路施加 AC功率時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)前端電路使降壓電容器迅速充電至AC電源所供應(yīng)的電 壓的峰值。這種快速充電導(dǎo)致可能很大的突入電流(當(dāng)最初施加AC功率 而AC電源電壓的瞬時(shí)值處于或接近其J^值時(shí)，突入電流尤其大)。大的 突入電流通常被認(rèn)為是非常不期望的，并且會(huì)造成許多問題(例如，接線 問題、部件故障、不符M范、需要額外電路以限制突入電流等)。
因此，需要一種既保留電路100的優(yōu)點(diǎn)、又在啟動(dòng)階段和燈的穩(wěn)態(tài)供 電期間提供燈的低頻激勵(lì)的電路。還需要一種具有以非零平均電流向燈供 電的能力的電路。另外還需要一種低邊電容器能夠以更經(jīng)濟(jì)和節(jié)省空間的 方式實(shí)現(xiàn)、同時(shí)增強(qiáng)電路的長(zhǎng)期可靠性并基本上減小電路的峰值突入電流 的電路。具有這些屬性的電路將相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)取得相當(dāng)大的進(jìn)步。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的用于向HID燈供電的電路的電路圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于向HID燈供電的電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式
6圖2描述了用于向高強(qiáng)度放電(HID)燈10供電的電路200。電路 200包括第一和第二輸入端子202、 204，第一和第二輸出端子206、 208， 第一和第二逆變器開關(guān)SWp SW2,第一和笫二降壓電容器CBUCK1、 CBUCK2，第一和第二低邊電容器C lowstde1 、 CLOWSIDE2，具有初級(jí)繞組242 的降壓電感器(也稱為變壓器240的初級(jí)繞組242 ),以及點(diǎn)火器216。此 外，與圖1中的現(xiàn)有技術(shù)電路100不同，電路200還包括二極管支電欺即， 第一和第二二極管250、 260)和變壓器240的次級(jí)繞組244。這里還將更 詳細(xì)說明，二極管250、 260和次級(jí)繞組244的增加使得電路200與現(xiàn)有 技術(shù)電路100相比，具有多種顯著操作優(yōu)點(diǎn)和成本效益。
現(xiàn)在參考圖2來描述關(guān)于電路200的優(yōu)選結(jié)構(gòu)和操作的更多細(xì)節(jié)。
笫一和第二輸入端子202、 204用于接入具有基本上直流(DC )軌電 壓(rail voltage) Vra化的電源，比如通常通過適當(dāng)?shù)恼骱?或DC-DC
轉(zhuǎn)換器電,供的電源。通常，VR^被選擇為具有約數(shù)百伏特量級(jí)(例
如，360伏特是一個(gè)通常選定的值)。第一和第二輸出端子206、 208用于 耦合到HID燈10。
如圖2所示，第一和第二逆變器開關(guān)SWp SW2以半橋結(jié)構(gòu)耦合。 更具體而言，第一逆變器開關(guān)SWi耦合在笫一輸入端子202和第一節(jié)點(diǎn) 210之間，而第二逆變器開關(guān)SW2耦合在第一節(jié)點(diǎn)210和電路地20之間。 電路地20耦合到第二輸入端子204。逆變器開關(guān)SWp SW2通常通過適 當(dāng)?shù)墓β示w管(即，雙極結(jié)晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管)實(shí)現(xiàn)，并由適當(dāng)?shù)?驅(qū)動(dòng)電路(此處未示出或描述)驅(qū)動(dòng)(即，以控制方式接通或關(guān)斷)。
第一降壓電容器Cuuoa耦合在第一輸入端子202和第二節(jié)點(diǎn)212之
間。第二降壓電容器cbuck2耦合在第二節(jié)點(diǎn)212和電路地20之間。第一
低邊電容器CLowsnm耦合在第一輸入端子202和笫三節(jié)點(diǎn)214之間(第 三節(jié)點(diǎn)214耦合到第二輸出端子208 )。笫二低邊電容器CujwsroE2耦合在 第三節(jié)點(diǎn)214和電路地20之間。
在優(yōu)選實(shí)施例中，Cix)wsn^和C lowside2 均具有第一電容，CWcm和 cbuck2均具有第二電容，且第一電容和第二電容處于相同的量級(jí)。在一個(gè)
實(shí)施例中，第一電容和第二電容大致相等。例如，圖l表明(順便說明，
位于各電容器的標(biāo)號(hào)的下方)CBUCK1、 Cbuck2、 CLOWSIDE1以及Clo職腦
中每個(gè)的優(yōu)選值為47納法拉。
值得注意的是，電路200中的CLOWsmM和CLOWS!腦通過比實(shí)現(xiàn)電路
100中的CLOWSIDE1和c lowside2
通常所需的電容(例如68微法拉)小至少幾個(gè)量級(jí)的電容(例如47納法拉)來實(shí)現(xiàn)。這里將更詳細(xì)解釋將此變 為可能的電路200的特性。無論如何，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解與現(xiàn)有技術(shù) 電路100相比，Cloww腦和CLows肌2所需電容小得多，(在材料成本、 物理尺寸、長(zhǎng)期可靠性和溫度容限方面)給電路200帶來實(shí)質(zhì)性的好處。 更具體而言，在電路100中，Clqwsh^和C lowside2 需要以下電解電容器
(例如68微法拉)，所述電解電容器成本高、體積大、容易出現(xiàn)可靠性問 題(其在HID燈用鎮(zhèn)流器經(jīng)常出現(xiàn)的相對(duì)高溫條件下工作時(shí)會(huì)進(jìn)一步惡 化)，并且所述電解電容器會(huì)導(dǎo)致高的突入電流。相比之下，在電路200 中？ Glowsidei和GlOWSIDE2 可通過膜型電容器(例如47納法拉)實(shí)現(xiàn)， 所述膜型電容器成本更低、體積更小、并且與現(xiàn)有技術(shù)電路100所需的電 解電容器相比更不易出現(xiàn)可靠性問題。而且，通it^目對(duì)低值(例如47納
法拉)的電容器實(shí)現(xiàn)CLO麗則和CLO麗腦，還提供了額外的優(yōu)點(diǎn)，即顯
著減小了在初始施加AC功+時(shí)遇到的^值突入電流。
點(diǎn)火器216耦合在第二節(jié)點(diǎn)212和第一輸出端子206之間，所述點(diǎn)火 器216可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的多種適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火器配置中的任何 一種來實(shí)現(xiàn)。在電路200工作過程中，點(diǎn)火器216在第一和第二輸出端子 206、 208之間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母邏?例如，大約幾千伏)，以點(diǎn)亮HID燈10。
二極管支電路耦合在第一和第二輸入端子202、 204之間，并且優(yōu)選 地通過第一二極管250和笫二二極管260的串聯(lián)組合來實(shí)現(xiàn)。第一二極管 250具有耦合到第四節(jié)點(diǎn)218的陽(yáng)極252和耦合到第一輸入端子202的陰 極254。第二二極管260具有耦合到電路地20的陽(yáng)極262和耦合到第四 節(jié)點(diǎn)218的陰極。
在變壓器240內(nèi)，次級(jí)繞組244磁耦合到降壓電感器(即，初級(jí)繞組) 242。次級(jí)繞組244電耦合在二極管支電路(即，通過第四節(jié)點(diǎn)218耦合 到二極管250、 260)和第三節(jié)點(diǎn)214之間。
在電路200工作過程中，增加二恢管250、 260和次級(jí)繞組244的作 用是控制第二輸入端子208處的電壓，使得在初級(jí)繞組242和次級(jí)繞組 244的線匝數(shù)相同時(shí)該電壓為VraIL-Vbuck(其中VBucK定義為第二節(jié)點(diǎn) 212處的電壓)。因此，電路200實(shí)質(zhì)上^象全橋配置(其需要四個(gè)逆變器 開關(guān))一樣工作，但不需要兩個(gè)另外的逆變器開關(guān)、驅(qū)動(dòng)全橋所需的更大 /更復(fù)雜的電路等。
與電路100相比，電路200具有兩大操作優(yōu)勢(shì)(l)利用低頻波形啟 動(dòng)和/或操作燈的能力，以及(2)用非零平均電流^作燈的能力。
應(yīng)當(dāng)理解，與現(xiàn)有技術(shù)電路100不同，電路200產(chǎn)生可與全橋配置(其
8提供常規(guī)半橋配置所提供的OCV的兩倍電壓)所提供的相比擬的"開路 電壓"(OCV)。因此，與電路100不同，電路200無需依靠高頻諧振或 準(zhǔn)諧振操作(即，在降壓電感器和降壓電容器的固有諧振頻率下或附近或
其一部分時(shí)逆變器開關(guān)的高頻切換)來產(chǎn)生足夠的"開路電壓，，(ocv) 以確^f呆燈的成功開啟。
還應(yīng)當(dāng)理解，在現(xiàn)有技術(shù)電路IOO中，低邊電容器只能在很短的時(shí)間
內(nèi)(該時(shí)間很大程度上取決于低邊電容器的電容值)支持給定極性的燈電
流，而在可維持正常燈操作的點(diǎn)之外的燈低端子(lamp low terminal)或 LL端子(節(jié)點(diǎn)114)的電勢(shì)不會(huì)有顯著變化。因此，現(xiàn)有技術(shù)電路100 不能支持燈的低頻激勵(lì)，并且還局限于以零平均電流來操作燈。相比之下， 在電路200中，燈低端子或LL端子(節(jié)點(diǎn)214 )的電勢(shì)由電路主動(dòng)控制。 因此，不同于現(xiàn)有技術(shù)電路100，電路200能夠利用低頻激勵(lì)在啟動(dòng)階段 適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)燈(這被認(rèn)為是有利于燈開啟過程，從而有利于燈的有效工作 壽命)。而且，電路200允許利用低頻激勵(lì)對(duì)燈進(jìn)行穩(wěn)態(tài)供電，并且還適 于(在比如以恒定功率工作的非對(duì)稱(例如豎直取向的)燈需要時(shí))以非 零平均電流對(duì)燈進(jìn)^^l態(tài)供電。
在現(xiàn)有技術(shù)電路100中，可以看到，"燈低(lamp low )"端子108處 的電壓與Cl。ws!腦和CLOWSIDE2的電斜目反地變化。相比之下，在電路 200中，"燈低"端子208處的電壓主要通過逆變器的操作來控制(即，如
以上所述，使得其等于Vra^-V BUCK),因此基本上不受QloWSIDE1和
CLowsroE2的電容影響。所以(如前面所述)，電路200中的C LOWSIDEl 和 <^冊(cè)81腦可以用比電路100所需的電容小得多的電容實(shí)現(xiàn)，這在材料成
本、大小、可靠性以及峰值突入電流方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。
在一個(gè)實(shí)施例中，初級(jí)繞組242和次級(jí)繞組244松散地耦合。 合，也稱為不完全磁耦合，具有增加所謂的泄漏電感的作用(其實(shí)質(zhì)上起 到與初級(jí)繞組242串聯(lián)的附加電感的作用)，泄漏電感對(duì)濾除(減少)"燈 低，，端子208處的電壓中出現(xiàn)的波紋有用。
在另一實(shí)施例中，初級(jí)繞組242和次級(jí)繞組244的線匝數(shù)不相等?？?以預(yù)期，可能優(yōu)選的是初級(jí)和次級(jí)繞組的匝數(shù)不相等，以便增大或減小"燈 低，，端子208處的電壓偏移相對(duì)于節(jié)點(diǎn)212 (該處電壓等于VBUCK))處的 電壓偏移的量值。
盡管參考特定的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可在 不偏離本發(fā)明的新穎的精神和范圍的情況下進(jìn)行多種修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種用于向高強(qiáng)度放電燈供電的電路，所述電路包括第一和第二輸入端子，用于接入具有基本上直流電壓的電源；第一和第二輸出端子，用于耦合到高強(qiáng)度放電燈；第一逆變器開關(guān)，耦合在第一節(jié)點(diǎn)和所述第一輸入端子之間；第二逆變器開關(guān)，耦合在電路地和所述第一節(jié)點(diǎn)之間，其中所述電路地耦合到所述第二輸入端子；降壓電感器，耦合在第二節(jié)點(diǎn)和所述第一節(jié)點(diǎn)之間；第一降壓電容器，耦合在所述第一輸入端子和所述第二節(jié)點(diǎn)之間；第二降壓電容器，耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)和電路地之間；第一低邊電容器，耦合在第三節(jié)點(diǎn)和所述第一輸入端子之間，其中所述第三節(jié)點(diǎn)耦合到所述第二輸出端子；第二低邊電容器，耦合在所述第三節(jié)點(diǎn)和電路地之間；點(diǎn)火器，耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第一輸出端子之間；并且其中，所述電路的特征在于還包括二極管支電路，耦合在所述第一和第二輸入端子之間；以及次級(jí)繞組，其磁耦合到所述降壓電感器，其中所述次級(jí)繞組耦合在所述二極管支電路和所述第三節(jié)點(diǎn)之間。
2. 權(quán)利要求l中的電路，其中所述二極管支電路包括兩個(gè)二極管的 串^J且合。
3. 權(quán)利要求l中的電路，其中所述二極管支電路包括第一二極管，具有耦合到第四節(jié)點(diǎn)的陽(yáng)極和耦合到所述第 一輸入端子 的陰極；以及第二二極管，具有耦合到電路地的陽(yáng)極和耦合到所述第四節(jié)點(diǎn)的陰極；
4. 權(quán)利要求3中的電路，其中所述次級(jí)繞組在所述第四節(jié)點(diǎn)處耦合 到所述二極管支電路。
5. 權(quán)利要求l中的電路，其中所述第一和第二低邊電容器均具有比約68微法拉小至少幾個(gè)量級(jí)的電容。
6. 權(quán)利要求l中的電路，其中 所述第一和笫二低邊電容器均具有第一電容； 所述第一和第二降壓電容器均具有第二電容；并且 所述第一電容和所述第二電容處于同一量級(jí)。
7. 權(quán)利要求6中的電路，其中所述第一電容和所述第二電容大約相等。
8. 權(quán)利要求l中的電路，其中所述第一和第二低邊電容器均具有約 47納法拉量鎵的電容。
9. 權(quán)利要求l中的電路，其中所述降壓電感器和所述次級(jí)繞組^^t 地耦合。
10. 權(quán)利要求l中的電路，其中所述降壓電感器和所述次級(jí)繞組具有 不相等的線匝數(shù)。
11. 一種用于向高強(qiáng)度放電燈供電的電路，所述電路包括第一和第一輸入端子(202, 204)，用于接入具有基本上直流電壓 (VraIL)的電源；第一和第二輸出端子(206， 208)，用于耦合到高強(qiáng)度放電燈(10);第一逆變器開關(guān)(SWJ，耦合在第一節(jié)點(diǎn)(210)和所述第一輸入端 子(202)之間；第二逆變器開關(guān)(SW2 )，耦合在電路地(20 )和所述笫一節(jié)點(diǎn)(210 ) 之間，其中電路地(20)耦合到所述第二輸入端子(204);第一降壓電感器(CBUCK1)，耦合在笫二節(jié)點(diǎn)(212)和所述第一輸入 端子(202)之間；第二降壓電感器(CBUCK2 ),耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)(212 )和電路地(20 ) 之間；第一低邊電容器(CLOWSIDE1)，耦合在第三節(jié)點(diǎn)(214)和所述第一輸 入端子(202)之間，其中所述第三節(jié)點(diǎn)(214)耦合到所述第二輸出端子 (208);第二低邊電容器(CLOWSroE2)，耦合在所述第三節(jié)點(diǎn)(214)和電路地(20)之間；點(diǎn)火器(216 )，耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)(212 )和所述第一輸出端子(206) 之間；第一二極管(250)，具有耦合到第四節(jié)點(diǎn)(218)的陽(yáng)極(252)和耦 合到所述第一輸入端子(202)的陰極(254);第二二極管(260)，具有耦合到電路地(20)的陽(yáng)極(262)和耦合 到所述第四節(jié)點(diǎn)(218)的陰極(264);變壓器(240),包括初級(jí)繞組(242)，耦合在所述第一節(jié)點(diǎn)(210)和所述第二節(jié)點(diǎn) (212)之間；以及次級(jí)繞組(244),耦合在所述第四節(jié)點(diǎn)(218)和所述第三節(jié)點(diǎn) (214)之間。
12.權(quán)利要求10中的電路，其中所述第一和第二低邊電容器 (CLOWSIDE1， CLOWSIDE2)均具有比約68微法拉小至少幾個(gè)量級(jí)的電容。
13. 權(quán)利要求12中的電路，其中所述第一和第二低邊電容器 (CLOWSIDE1， CLOWSIDE2)的電容為約47納法拉量級(jí)。
14. 權(quán)利要求10中的電路，其中 所述第一和第二低邊電容器(CLOWSIDE1， CLOWSIDE2 )均具有第一電容； 所述第一和第二降壓電容器(CBUCK1, CBUCK2)均具有第二電容；并且所述第 一 電容和所述第二電容處于同 一量級(jí)。
15. 權(quán)利要求14中的電路，其中所述第一電容和所述第二電容約相等。
16. 權(quán)利要求15中的電路，其中所述變壓器(240)的初級(jí)和次級(jí)繞 組(242, 244)木碌地耦合。
17. 權(quán)利要求15中的電路，其中所述變壓器(240)的初級(jí)和次級(jí)繞 組(242, 244)具有不相等的線壓數(shù)。
全文摘要
一種用于向高強(qiáng)度放電燈(10)供電的電路(200)，包括第一和第二輸入端子(202，204)、第一和第二輸出端子(206，208)、第一和第二逆變器開關(guān)(SW₁，SW₂)、變壓器(240)、第一和第二降壓電容器(C_BUCK1，C_BUCK2)、第一和第二低邊電容器(C_LOWSIDE1，C_LOWSIDE2)、點(diǎn)火器(216)以及二極管支電路(250，260)。變壓器(240)包括初級(jí)繞組(242)和次級(jí)繞組(244)。在該電路(200)工作期間，初級(jí)繞組(242)起降壓電感器的作用，而次級(jí)繞組(244)與二極管支電路(250，260)協(xié)同工作以便在燈啟動(dòng)階段及燈(10)的穩(wěn)態(tài)供電期間提供增強(qiáng)的低頻開路電壓(OCV)。該電路(200)還使得燈電流具有非零平均值?？衫镁哂邢鄬?duì)低電容值的第一和第二低邊電容器(C_LOWSIDE1，C_LOWSIDE2)來實(shí)現(xiàn)該電路(200)。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK101518158SQ200780035695
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2007年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者瓦倫·P·莫斯科維茨 申請(qǐng)人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司